影響大功率直驅永磁電機運行溫度的因素趨于復雜化。永磁電機是由多種材料構成的不均質體,其構成材料包括:釹鐵硼（NdFeB）永磁體、永磁體固定樹脂、銅線圈、硅鋼片、浸漆、鋼材、絕緣膠、綁帶、涂制絕緣層及加固用槽楔(竹質)、填充絕緣導磁材料等多種材料。這些材料的溫度特性、膨脹系數都各不相同。電機運行過程中的溫度變化,會導致電機的定/轉子尺寸發生改變,同時因材料間膨脹系數的不同而出現熱應力。
  1、溫升對永磁電機定/轉子內部材料的影響
  直驅永磁風力發電機通常采用外轉子結構,即帶有磁較的轉子在外,嵌有繞組的定子在內。運行時,葉輪直接驅動外轉子旋轉[1]。永磁發電機發熱熱量主要來自于繞組電流以及鐵芯渦流、磁勢產生的熱量。電機溫升主要包括定子線圈、定子鐵芯和轉子永磁體等處的溫升。定子溫度過高會導致電機絕緣能力的降低。
  溫度的變化使得膨脹系數有差別的材質間產生熱應力,各種相鄰材質間均存在徑向和軸向熱應力。熱應力的大小取決于膨脹系數差別及溫度的變化速度。當溫度上升較快時,膨脹系數大的材質產生向外擴張熱應力,對周圍材質形成擠壓,并向束縛力較小的方向擴張;當溫度下降時,膨脹系數高的材質收縮較快,在達到一個較低的溫度時,不同材質的物體間因收縮程度不同而留下空隙。久而久之,電機內部會出現間隙、裂縫,使得電機振動、噪聲加大,嚴重時會導致定子表面槽楔脹裂。由于熱應力原因在轉子磁軛、永磁體、固化樹脂間存在的間隙或裂縫容易導致永磁體在磁軛表面的移位或脫落。
  發電機溫度的降低,可減小材料的脹縮量;溫度的變化速度變得緩慢而適度,使各種材質的脹縮變得非常緩慢并同步脹縮,可以減小電機內部熱應力。理想的溫度變化:在電機運行時溫度保持平穩,防止電機在運行、起動或停機的過程中溫度變化過快。
  2、溫升對電機結構件尺寸的影響
  因金屬的導熱性良好,繞組和鐵芯的熱量會很快的傳導到整個定子。溫度升高會使發電機鐵芯及定子結構件熱膨脹,膨脹量隨著材料溫度的升高而加大。金屬結構尺寸越大,熱膨脹量越大。
  受溫度升高影響,定子在軸向、徑向、圓周向等不同方向產生膨脹量。影響熱膨脹量有3個因素:材料的線性長度L,材料的溫度t,材料的線脹系數α（固態物質的溫度改變1℃時,其長度的變化與它在0℃時的長度之比）。
  物體的長度改變量△L與溫度改變量△t成正比,也與物體的原來的長度L成正比,即
  △L=αL△t (1)
  永磁電機定子結構件通常選用Q345-C結構鋼,碳鋼、低合金鋼的線脹系數為:α=11.2×10-6（1/℃）。由式(1)可知:減小定子溫度改變量,可減小定子徑向、軸向、圓周向的熱膨脹量。
  常溫環境下,直驅永磁電機定轉子間隙非常小,在4.0mm-5.5mm之間。定子徑向熱膨脹尺寸過大,會使工作狀態下的電機定/轉子間隙減小,增加了“掃堂”的可能性。
  定子溫度分布不均勻會導致定子結構的不對稱變形。不對稱變形對定子結構件的圓度、鐵芯疊片的疊加作用、繞組的絕緣會產生影響。減小定子不同區域的溫度差,可以有效降低不對稱變形,有利于鐵芯疊片和繞組的絕緣穩定。因此,在調節永磁電機運行溫度過程中,既要**定子不過溫,還要減小不同區域定子的溫度差。
  考慮到直驅永磁電機的尺寸較大,為確保電機整體的均勻冷卻,減小定子結構件不同區域的溫度梯度,應采用多散熱通風道的冷卻方式。
  3、溫升對轉子永磁體和磁較的影響
  永磁體釹鐵硼（NdFeB）是磁性很高的永磁材料,其磁能積BH(kJ/m3)和矯頑力Hc(kA/m)值很高。
  但釹鐵硼溫度性能不佳,居里溫度較低(310～410℃)。溫度**過居里點,釹鐵硼材料變為順磁性材料,磁性徹底消失。在高溫下磁損失較大,溫度**過180℃時磁性能衰減很多。
  溫度過高還會降低固定永磁體的固化樹脂硬度,降低磁鋼附著在磁軛表面的穩固度,嚴重時會造成永磁體磁較的脫落。
  降低永磁電機運行時的溫度,可有效減少由定子熱傳導及熱輻射傳遞給轉子的熱量,減小轉子的溫升。
  4、大功率直驅永磁電機的冷卻方式
  風力發電機組永磁電機的工作溫度主要受到輸出功率、環境溫度、冷卻系統性能三個因素的影響。輸出功率的大小取決于發電狀態下風速的大小,環境溫度的高低取決于天氣的變化,只有冷卻系統是可控因素。
  大功率直驅永磁電機采用空空冷卻系統,冷卻方式為IC666[2]。一次冷卻空氣介質在獨立外裝風扇的作用下強迫發電機內部空氣循環流動;二次冷卻介質為發電機周圍環境空氣,在獨立外裝風扇的作用下強制周圍冷卻空氣流動,永磁電機的發熱量通過換熱器較終被二次冷卻空氣帶走。
  根據風機的比例定律:當轉速n變化時,風機流量QL與轉速成正比,即QL=kn。通過變頻器改變風扇的轉速,就可以調節冷卻風的流量。

  使用變頻器作為冷卻系統傳動單元,采用改變頻率的方式控制冷卻風扇驅動電機的轉速,對冷卻系統的風扇進行連續調速,可實現對換熱器一/二次冷卻空氣流量的連續控制。變頻器可以快速改變冷卻風扇的速度,速度調節精確,能快速響應電機溫度的變化,實現電機溫度的快速調節。

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