学术简报｜双定子笼障转子无刷双馈发电机冷却空气流变特性数值分析
沈阳工业大学电气工程学院、深圳市禾望电气股份有限公司、西安盾安电气有限公司的研究人员蒋晓东、张凤阁、周党生、孔令江，在2019年第3期《电工技术学报》上撰文指出，双定子笼障转子无刷双馈发电机（DSCBR-BDFG）采用了背靠背笼障转子以及双定子结构，因此其具有磁场耦合能力强、功率密度高、容错性能好等优势。
针对该发电机结构复杂、散热困难、额定运行时局部温升较高的问题，研究通风结构内部冷却空气的流变特性对发电机冷却系统优化设计具有重要意义。以一台50 kWDSCBR-BDFG样机为研究对象，阐述了该发电机的机械结构、绕组联结方式以及励磁控制系统，分别建立内外流体区域的三维物理模型和数学模型，给出边界条件和基本假设，根据流体力学理论，采用有限体积法对其湍流控制方程进行数值求解，得到了发电机内部空间不同位置的空气流速、流量以及迹线等空间分布特点，并对其进行详细分析。
通过研究揭示了DSCBR-BDFG内部冷却介质流变特性的分布规律，为后续对该发电机通风冷却结构的优化设计提供依据。
无刷双馈发电机（Brushless Doubly-Fed Generator,BDFG）是近些年逐渐发展起来的一种新型发电机。与永磁同步发电机相比，其对变流器容量的要求大大降低，并且避免了永磁体在高温情况下产生退磁的风险；与有刷双馈发电机相比，其取消了电刷和集电环，降低了维护成本。因此，BDFG具有广阔的应用前景，并得到了国内外学者的广泛关注和深入研究。
然而，目前制约BDFG推广应用的关键问题主要有两个方面：①现有无刷双馈发电机的功率密度较低，机组的有效空间没有得到充分利用；②目前转子结构型式主要分为特殊笼型转子、绕线式转子、磁阻类转子，上述类型转子对定子两套绕组的磁场耦合能力不强，且调制出的谐波磁场较大，影响了发电机的功率密度、出力和性能指标。
针对上述问题，在现有研究基础上，提出一种双定子笼障转子无刷双馈发电机（Double StatorCage-Barrier Rotor BDFG, DSCBR-BDFG），该发电机不仅具有无刷双馈发电机的传统优势，而且能够大幅度地提高定转子间磁场的耦合能力、功率密度和容错性能，并且所采用的转子易于在工艺上实现模块化装配。
在额定运行条件下，DSCBR-BDFG内部谐波磁场丰富，导致损耗较大，发热严重，另外复杂的机械结构决定了其损耗散热途径与传统结构电机有很大不同，因此对该发电机冷却系统的设计至关重要。DSCBR-BDFG通风结构以及内部冷却介质的流动情况比较复杂，研究其内冷却空气的流变特性，对该发电机冷却系统的优化设计具有重要意义。
国内外专家学者针对不同类型发电机通风系统中流体场进行了相关研究。文献[15]以一台20kW，10000r/min永磁无刷直流电机为研究对象，对其内外流体场进行了数值分析，针对初始冷却结构导致冷却空气出现分离现象提出了一种改进型结构，改善了电机的冷却性能。
文献[16]以表贴式永磁同步电机为研究对象，对其内外冷却介质的流动特性进行了数值计算，揭示了中小型永磁同步电机冷却介质性能变化规律。文献[17,18]针对MW级双馈风力发电机和永磁风力发电机内流体场进行了一系列的研究工作，揭示了大型风力发电机内部冷却介质性能变化规律。
文献[19]针对具有轴径混合通风结构的双馈异步发电机的通风发热问题，通过建立集总参数通风数学模型，对发电机通风结构进行了优化设计。文献[20]采用数值计算方法对高速隐极同步电机定子通风系统内流体流动特点进行了研究。
综上所述，国内外专家学者针对具有类似CBRDS-BDFG通风结构内流体流变特性的相关研究较少。
本文以一台50kW DSCBR-BDFG样机为研究对象，阐述了该发电机的机械结构、绕组联结方式以及励磁控制系统，分别建立了内外流体区域1/10结构的三维物理模型和数学模型，在给定基本假设和边界条件的前提下，根据流体力学理论，采用有限体积法对其湍流控制方程进行数值求解，得到了发电机内部空间不同位置的空气流速、流量以及迹线的空间分布特点。通过研究揭示了高功率密度双定子笼障转子无刷双馈发电机内部冷却介质流变特性的分布规律，为后续对该发电机通风冷却结构的优化设计提供依据。
图1 双定子笼障转子无刷双馈发电机结构
本文针对现有无刷双馈发电机定转子磁场耦合能力较弱、功率密度较低等问题，提出一种双定子笼障转子无刷双馈发电机，介绍了该发电机的机械结构、绕组联结方式以及励磁控制系统，并对发电机内外通风结构冷却空气的流变特性进行了研究，得出以下结论：
1）外笼障转子公共笼条和短路笼条前端端部对空气起到阻碍作用，导致空气改变流动方向，绕过两种笼条端部加速进入磁障间隙，与此同时位于笼条端部背风面的空气不流动，导致笼条这个位置的温升相比于其他位置较高。
2）外笼障转子磁障各间隙内空气流速相对较高，流量分配合理，由于气隙较小，导致流入的空气流量较低，不利于外定子与外笼障转子间的对流换热。
3）在内流体域中，大部分冷却空气主要流向内定子轴向通风道，空气流速大于内磁障间隙中的空气流速，并且流出内定子通风道的空气在受到边界的阻挡作用后流向突变，在通风道出口附近形成湍流。
4）流过内定子轴向通风道的冷却空气流量占总流量的80.16%，内笼障转子各间隙由于空气流量不足导致温升较高，因此在保证空气总流量不变以及内定子温升在合理范围内的前提下，需通过优化内定子轴向通风道结构，使内流体域内各风道空气流量得到合理分配。