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风电变流技术
★ 5.0
具有Z形通道的永磁同步风力发电机定子通风结构热流性能
Thermal-Flow Performance of Stator Ventilation Structure Featuring Z-Shape Channels in Permanent Magnet Synchronous Wind Generators
| 作者 | Lijian Wu · Haoyu Zhou · Jiawen Zhang · Yang Shi · Jin Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 风电变流技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 永磁同步风力发电机 定子通风结构 Z形通道 冷却通风性能 实验验证 |
语言:
中文摘要
永磁同步风力发电机(PMSWG)的功率密度提升受其绕组和磁体热条件的限制。在传统的径向通风结构中,定子铁心被完全分割成多个子铁心段,它们彼此之间形成径向通道。这会导致发电机轴向长度增加,功率密度降低。本文提出一种以Z形通道为特征的定子通风结构。该Z形通道是通过堆叠三种不同形状的叠片形成的,无需分割定子铁心。采用计算流体动力学(CFD)方法详细分析了具有不同通风结构的3.2兆瓦永磁同步风力发电机的流场和温度场。由于具有更大的比表面积、更高的对流换热系数和更低的压力损失,与径向通风结构相比,所提出的结构具有更好的冷却和通风性能。在相同的冷却风扇功率和温升限制条件下,绕组电流和发电机输出功率分别可提高9.31%和8.07%。最后,在小型样机上进行了实验验证。
English Abstract
The elevation in power density of permanent magnet synchronous wind generators (PMSWGs) is constrained by the thermal conditions of its windings and magnets. In conventional radial ventilation structure, the stator core is completely divided into multiple substacks, which form radial channels between each other. This leads to an increase in the axial length and a reduction in power density of the generator. This paper proposes a stator ventilation structure characterized by Z-shape channels. The Z-shape channels are formed by stacking three different shapes of lamination sheets without dividing the stator core. The flow and temperature fields of 3.2 MW PMSWGs with different ventilation structures are analyzed in detail using computational fluid dynamics (CFD) methods. Owing to larger specific surface area, higher convection heat transfer coefficient and lower pressure loss, the proposed structure provides better cooling and ventilation performance compared to radial ventilation structure. Under the same cooling fan power and temperature rise limit, the winding current and the generator output power can be increased by 9.31% and 8.07%, respectively. Finally, experimental validations are implemented on small-scale prototypes.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务布局来看,这项针对永磁同步风力发电机定子散热结构的创新技术具有重要的战略参考价值。虽然该研究聚焦于风电领域,但其核心的热管理理念与我司在大功率逆变器、储能变流器以及电驱动系统中面临的散热挑战高度契合。
该论文提出的Z型通道散热结构通过创新的叠片设计,在不分割定子铁芯的前提下实现了优化的冷却效果,这与我司一直追求的高功率密度设计理念不谋而合。研究数据显示,该结构可在相同风扇功率下将绕组电流提升9.31%、输出功率提升8.07%,这种性能提升对我司的风电变流器和大型储能变流器产品线具有直接借鉴意义。特别是在储能系统集成化、小型化趋势下,如何在有限空间内提升功率密度一直是技术瓶颈。
从技术成熟度评估,该方案已完成CFD仿真验证和小规模样机测试,但距离3.2MW级别的工业化应用仍需克服制造工艺复杂度、三种异形叠片的精密加工与装配、以及长期可靠性验证等挑战。对阳光电源而言,这项技术的应用机遇在于:一是可移植到我司新能源汽车驱动电机的热管理优化中;二是为大功率逆变器和储能PCS的IGBT/SiC模块散热提供新思路;三是强化我司在风电变流器市场的技术竞争力。
建议我司技术团队跟踪该技术的工业化进展,评估在1500V大功率逆变器和液冷储能系统中引入类似增强散热结构的可行性,这将有助于巩固我司在新能源装备核心部件的技术领先地位。