技术领域
[0001] 本
发明涉及永磁发电机技术领域，具体涉及一种永磁
风力发电机多场-路耦合模拟计算方法。
背景技术
[0002] 目前，由于传统化石
燃料日益紧缺且受国际
能源危机大环境的影响，
可再生能源已成为各国能源从业者的重点关注对象，尤其
风能因其蕴藏量巨大、无污染、可持续等显著优势，具有可替代传统发电方式、变更能源格局的巨大潜力。风力发电已逐步驱动着现代工业运行，并进入普通居民家庭，随着风电技术发展，最终风能将得到普遍性的开发与拓展。
[0003] 风力发电技术虽已发展近一世纪，随着风力发电机应用、运行范围不断扩展，电机性能仍待继续优化，高效性、安全性认识成为风电研究的关键词。近几年，永磁发电机因体积小、功率
密度高等优点被应用于风力发电系统中，以拓宽风电应用领域。然而，永磁风力发电机依然存在运行特性不稳定、工作寿命短等
缺陷，使得风力发电经济成本高、输出
电能质量低下，不被公众用户所青睐。
[0004] 永磁风力发电机有效能利用率低、输出电能安全性受限及经济效益不及传统能源发电形式的根本原因为发电机的多场耦合特征与结果主控着输出各支路电能的质与量。发电机工作时，以风轮输出的动态机械轴功为来源激励，旋转
动能驱动
转子，形成内部瞬态交变
磁场，因
电磁感应影响，在三相线圈中产生三相交流感应电势，使得发电机作为交流
电压源，向各支路用电器提供驱动力。此外，伴随电磁感应的发生，永磁发电机内部磁路中，亦存在
涡流效应、焦
耳效应、
磁滞效应等电磁损耗过程，这些损耗堆积为体积IHG内热源，不断向
温度低的
位置扩
散热通量。而发电机的换热冷源主要为经风轮利用而具有鲜明矢量特性的尾迹流场，其次为受旋转转子及不对称温升影响形成二次流的内部流场，这两种流场的不对称特性致使发电机流固
接触表面的换热特性不对称，导致发电机局部温升过高。进而磁
钢部分区域的温度逼近乃至逾越居里点，致使
永磁体局部失磁，甚至可能发生不可逆永久性退磁。最终磁场交变特性发生改变，限制有效能利用率，且输出电能存在谐波含量大、三相
不平衡等问题，制约产能经济性。风力发电机机械功、流场、温度场、磁场、
电路等多因素相互
正交、双向主控，故探究各因素动态趋势应依据多场-路耦合研究。
[0005] 此外，发电机多场耦合行为直接制约输出电能质与量，故开展发电机多场耦合、探究各场正交机理，进而确定多因素对输出特性主控程度势在必行。
[0006] 目前，多数风电从业研究人员或集中于流-固共轭换热的散热特性分析，或着重基于电磁损耗的
能量分析，或立足场-路耦合的输出特性分析，缺少探究多场关联性及多场耦合对输出特性影响的计算方法。
发明内容
[0007] 本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种永磁风力发电机多场-路耦合模拟计算方法。
[0008] 本发明是考虑风力发电系统各因素间的关联、
迭代性分析中的不足，提出了针对永磁风力发电机内流场、外流场、温度场、
电磁场间双向耦合制约关系及多场耦合行为对输出特性影响规律与程度研究的模拟计算方法，模拟过程虽步骤多、耗时长、对
硬件设备要求较高，但结果较为准确、直观，可弥补实验手段的局限性，并可作为相关研究及理论分析的可靠技术手段。
[0009] 本发明的技术方案：一种永磁风力发电机多场-路耦合模拟计算方法，包括：
[0010] (1)考虑发电机换热形式建立内流域-固体域-外流域的求解域模型。为进行考虑外流场矢量特性、内流场
湍流特性的永磁风力发电机流-热双向耦合，可以较为贴合实际的发电机温升分布及内、外流场的速度特性变化规律。
[0011] (2)对步骤(1)建立的内流域、固体域和外流域三种求解域分别进行非结构网格划分。非结构化网格虽增加了计算时间、削减了得带速率，但更符合发电机自身不规则特性，并且精细的非结构网格划分可增强计算
精度。
[0012] (3)依据各部件实际物性施加材料属性。各部件热属性、电磁属性皆不尽相同，且都具有非线性特性。
[0013] (4)通过风洞试验采集数值模拟的初始约束条件，通过风洞试验中的热线风速仪与
扭矩仪测量来流矢量及
旋转机械特性。依据实验结果施加初始约束，可增强数值模拟的可信度，使数值模拟结果规律能指导实际生产。
[0014] (5)将步骤(4)所测结果以入口条件及旋转机械激励形式进行
载荷施加，依据
环境温度施加求解域初始边界温度，依据电磁损耗经验公式施加IHG内热源，通过数值模拟中基于有限体积法的
流体分析、基于有限单元法的稳态热分析与瞬态热分析模
块进行流场及温度场计算分析。初始迭代步骤中，依经验公式施加内热源而不施加第一、二类边界，可加快后续求解的收敛速率，使温度结果更快地逼近理想结果值。
[0015] (6)通过数据双向传输及耦合模块和MPCCI插值计
算法完成流-固接触面上换热量、壁面温度和换热系数的双向交换，实现发电机流-热双向耦合。温度、流体信息在相邻两个迭代步中相互交换，改变各自求解方程组中的流体与温升参数，可近似以双向耦合的方式模拟实际换热过程。
[0016] (7)将流-热双向耦合所得温度分布施加于电磁场计算中，通过MPV磁位矢量法模拟交变磁场，得到动态磁场变化，进而将电磁损耗以IHG内热源形式返回至热-流耦合中，如此反复多次迭代，采用有限体积法进行流-热耦合、采用有限单元法进行热-磁耦合、采用有限公式法进行场-路耦合，最终得到永磁风力发电机流-热-磁双向耦合数值模拟计算结果。摒弃繁琐的模型重构与动-静边界交互方式，以MPV方式等效磁场交变过程；运用IHG的传递，可将损耗的影响完全映射之换热分析中，将热-磁耦合与热-流耦合衔接；此外，有限积分、有限微分及
时空映射理论分别应用至流-热、热-磁、场-路耦合过程，可增强各数值模拟过程的计算速率与可信度。
[0017] 进一步的，步骤(2)中，进行非结构网格划分时，考虑发电机各部件的模型不规则性，及流-固接触面处的膨胀层。
[0018] 进一步的，步骤(3)中，考虑电磁材料的非线性，包括25℃-150℃温度升高的电磁属性变化。
[0019] 进一步的，步骤(4)中，通过风洞试验中的热线风速仪测量来流矢量，扭矩仪测量发电机旋转机械激励；数值模拟求解域入口条件通过PIV尾迹流场测试确定。
[0020] 进一步的，步骤(4)中，数值模拟求解域入口条件依据风力发电机整机流场
有限元分析结果确定。
[0021] 进一步的，步骤(4)中，通过输出特性测试实验采集输出特性作为流-热耦合损耗体积热源的初始条件，
功率谱可比对验证最终计算结果。
[0022] 进一步的，步骤(7)中，电磁场计算采用基于磁位矢量法的MAXWELL 3D模型。
[0023] 进一步的，将步骤(7)中的永磁体动态电磁属性输出，结合电路模拟，进行联合仿真的场-路耦合，最终完成永磁风力发电机多场-路耦合数值模拟计算，以输出特性采集实验作为数值模拟计算的对比验证。
[0024] 进一步的，步骤(1)具体为：依据实际永磁风力发电机尺寸，建立发电机固体区域数值模拟模型，建立3-4倍发电机径向尺寸及2-3倍轴向长度的外流场求解域，过小影响流场计算结果，过大则增加计算成本，内流场为
外壳与
定子、转子间的中空区域；所述发电机固体区域包含发电机与风轮的联接
传动轴。
[0025] 进一步的，步骤(1)中，还包括建立包裹转子的旋转流域，即假定转子与旋转流域同步运动；
[0026] 步骤(5)中，具体计算如下：
[0027] 焦耳损耗为PJ＝I2·R，I为绕组内
电流，R为
铜线内阻；
[0028]
铁耗采用常系数三相模型 其中Ph为
磁滞损耗，Pc为经典涡流损耗，Pe为异常涡流损耗，Bm为磁通密度幅值，f为
频率，Kh为磁滞损耗系数，Kc为经典涡流损耗系数，Ke为异常涡流损耗系数，α为磁滞损耗系数，皆与材料属性有关；
[0029] 内流域因存在旋转矢量效应，湍流模型设置为k-ω模型，外流域湍流模型采用Realizable k-ε模型：
[0030]
[0031]
[0032] 在瞬态
坐标系下建立流动与换热瞬态控制方程，依次为质量、动量及能量守恒方程：
[0033]
[0034] 式中：ρ表示流体密度， 为流体速度矢量，为微元体位置矢量， 为微元体上的体积力，τ微元体表面的粘性
应力，T为微元体温度，Γ为扩散系数，ST为单位体积内热源产生的热量与定压
比热容的比值；
[0035] 针对发电机内部空间小、强旋转力、弱剪应力的独特流体流动特点，选取SST k-ω作为参照，修正其湍流
粘度的异向性，将其中的标量参数替换为张量参数，即
[0036]
[0037] 其中
[0038]
[0039] 根据发电机结构，Coriolis force的方向为x,z方向，而因温势差导致的流势变化为y方向，故受Coriolis force影响较大的雷诺切应力应为 与 两分量；因而修正μt,13与μt,22以适应发电机运行中的二次流问题，为推导二次流系数fij，简化雷诺应力微分方程，即
[0040]
[0041] 其中： 为应力衍生项； 为Coriolis force衍生项； 为再分配项； 为耗散项；
另常数c1＝1.5，c2＝0.6；
[0042] 经对各衍生项简化进而得到二次流系数f13与f22为：
[0043]
[0044]
[0045] 其中μt,13和μt,22为非二次流状态的湍流粘度；μt,13*和μt,22*为二次流状态的湍流粘度；
[0046] 通过设置流体属性为Density Base，而后采用显示耦合求解器，同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后再逐一求解标量方程，达到线性化；内、外流场计算采用基于高效积分形式的有限体积法，以积分形式的守恒方程描述计算网格定义的每个控制体；固体区域计算采用方便快捷的有限单元法，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解；计算总时长为2000s，单位迭代步长为10s；在ANSYSWORKBENCH中的Fluent、Steady-State Thermal、TransientThermal模块进行流场及温度场计算分析；本算法所做假设如下：
[0047] 1)把流体看作不可压缩流体，且Ma<0.3；
[0048] 2)流场入流条件看作恒定值，流体温度看作恒定值，即v1＝const，Tl＝const；
[0049] 3)忽略接触热阻，即R＝0；
[0050] 4)忽略位移电流及其影响，并忽略定子绕组及铁芯的
集肤效应。
[0051] 上述计算分析过程皆应用基于有限单元法、有限公式法与有限体积法的数值模拟
软件模块进行各场数值模拟与仿真模拟分析。
[0053] 本发明的技术方案针对永磁风力发电机求解域范围内流、热、磁三场复杂的双向耦合机理，依据实验手段确定初始约束分布，分别计算分析流-热、热-磁耦合过程，并通过多次迭代、数据交互手段近似实现三场双向耦合，最终结合电路仿真，确定了多场耦合行为输出特性的制约程度。结果准确、直观，可弥补现有实验手段的局限性，并可作为相关研究及理论分析的可靠技术手段。
[0054] (1)建立了实用且较贴合实际的发电机内-固-外求解域，适用于温度场、流场、电磁场等各场计算分析。
[0055] (2)考虑外流场的矢量特性、内流场的复杂二次流特性、换热过程的双向性，进行了发电机流-热双向耦合计算，得到了精确的流-固共轭换热动态分布；相较于流-热单向耦合及单场计算，流-热双向耦合可得到较为准确的换热系数分布。
[0056] (3)针对永磁材料的动态磁属性及受高温主控程度较大的问题，采用热-磁耦合方式进行发电机电磁特性的动态分析。
[0057] (4)确定了发电机电磁能量损耗主要通过铜耗、涡流损耗、磁滞损耗、附加损耗、机械损耗及风摩损耗等。由于上述损耗数值依次减小，故在进行换热分析时，可考虑硬件设备与计算时长确定施加何种损耗IHG内热源。
[0058] (5)综合考虑流-热耦合过程与热-磁耦合过程，即分析发电机换热与产热过程，以温升变化与损耗体积热源为动态交互信息，不断进行两种耦合方式的多次迭代，近似模拟发电机流-热-磁三场双向耦合，考虑源-堆积-传递-现象一体过程的双向、不对称实现有效能损失的瞬态模拟。
[0059] (6)通过实验手段确认数值模拟约束的初始条件，以增强数值模拟的可信度，即将实际流体机械运行过程的不确定性及不
稳定性施加于数值模拟中。
[0060] (7)依据实验所得经验公式直接施加热功所进行的稳态
温度计算的结果，可作为瞬态热分析的初始条件，可有效增强瞬态分析的收敛速率。
[0061] (8)构建闭合电路，通过电磁-电路联合仿真，将三场耦合所得电磁特性动态变化的发电机作为三相电势激励
串联入模拟电路中，进而得到各支路输出特性；与输出特性采集实验所测结果基本一致，充分证明了本发明算法的可靠性与可行性。
[0062] (9)本发明所涉及耦合过程为流-热、热-磁、场-路三种，不同耦合过程特点、约束、求解器、耦合方式、收敛速率、迭代步长等皆各异，故应考虑上述因素，进行流-热、热-磁、场-路耦合计算时，针对不同情况，分别采用有限体积法、有限单元法、有限公式法。
[0063] (10)本发明所提供数值模拟思路可拓展至其他发电机或电机多场-路耦合分析中。
附图说明
[0065] 图2为本发明多场求解域示意图；
[0066] 图3为本发明固体域求解示意图；
[0067] 图4为本发明网格划分示意图，其中a为固体域，b为流体域；
[0068] 图5为本发明流-固共轭换热系数分布结果图；
[0069] 图6为本发明温升分布结果图，其中a为定子与外壳，b为转子与
转轴；
[0070] 图7为本发明电磁损耗动态结果图，其中a为铜耗与涡流损耗，b为铁耗；
[0071] 图8为本发明仿真电路示意图；
[0074] 图11为本发明感应电动势；
[0075] 图12为本发明磁链结果图；
[0076] 图13为电流有效值对比图，其中a为本发明算例结果，b为实验结果；
[0077] 图14为电压三相负序不平衡度对比图，其中a为本发明算例结果，b为实验结果。
具体实施方式
[0078] 下面结合具体
实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种
修改或改动，这些等价形式同样落于本
申请所附
权利要求书所限定的范围。
[0079] 如图1所示为本发明所述永磁风力发电机多场-路耦合数值模拟计算流程示意图，以TL-500w发电机作为样机，依图所示其方法具体步骤如下：
[0080] (1)考虑待求解流固共轭换热问题特性，将待求解域划分为外流域、固体域、内流域，具体如下：
[0081] 1)依据实际样机尺寸，建立发电机固体区域(包含发电机与风轮的联接传动轴)数值模拟模型，如图2、3；
[0082] 2)建立3倍发电机径向尺寸、2倍轴向长度的圆柱形(与发电机转子同轴)外流场求解域；
[0083] 3)建立内流场为外壳与定、转子间中空区域；
[0084] 4)此外，建立包裹转子的旋转流域，即假定转子与旋转流域同步运动；
[0085] (2)依据不同求解域、尺寸差异划分ICEM网格：考虑
齿槽、永磁体、线圈及绝缘胶等部分的模型不规则性，网格尺寸设置为1mm四面体自由网格；其他固体区域及内流场较为规则，采用5mm四面体自由划分；外流场尺寸较大，采用10mm四面体自由划分；流-固接触面处设置5层、1.2生长率的膨胀层，如图4；
[0086] (3)依据各部件实际物性施加材料属性，考虑电磁材料的非线性，涵盖温升25℃至150℃的电磁属性变化；
[0087] (4)数值模拟分析初始约束条件皆通过风洞试验采集而确定，其中：来流矢量通
过热线风速仪测试(仅考虑自然风冷的发电系统，为精确换热计算，计算入口风速应不小于4m/s)；通过扭矩仪测量动态转速及扭矩作为发电机数值模拟流场与电磁场的旋转机械激励；数值模拟求解域入口条件通过PIV尾迹流场测试实现(若无PIV设备，也可依据风力机整机流场有限元分析结果)；通过输出特性测试实验采集输出特性以便拟合焦耳损耗及其他损耗形式，并作为流-热耦合损耗体积热源的初始条件，且功率
频谱也可比对验证最终计算结果；
[0088] (5)将实验所测结果以入口条件及旋转机械激励形式进行载荷施加，依据环境温度施加求解域初始边界温度，依据当地的
大气压设置出口条件为恒值总压，转子及旋转流域同步旋转(旋转速度与来流风速间关系依据(4)所测数据确定)，其他壁面及计算域为绝对静止，依据电磁损耗经验公式(铜耗、铁耗)施加IHG内热源；具体如下：
[0089] 焦耳损耗为PJ＝I2·R，I为绕组内电流，R为铜线内阻；
[0090] 铁耗采用常系数三相模型 其中Ph为磁滞损耗，Pc为经典涡流损耗，Pe为异常涡流损耗，Bm为磁通密度幅值，f为频率，Kh为磁滞损耗系数，Kc为经典涡流损耗系数，Ke为异常涡流损耗系数，α为磁滞损耗系数，皆与材料属性有关。
[0091] 内流域因存在旋转矢量效应，湍流模型设置为k-ω模型，外流域湍流模型采用Realizable k-ε模型：
[0092]
[0093]
[0094] 在瞬态坐标系下建立流动与换热瞬态控制方程，依次为质量、动量及能量守恒方程：
[0095]
[0096] 式中：ρ表示流体密度， 为流体速度矢量，为微元体位置矢量， 为微元体上的体积力，τ微元体表面的粘性应力，T为微元体温度，Γ为扩散系数，ST为单位体积内热源产生的热量与定压比
热容的比值。
[0097] 传统的涡粘模型在早期的工程计算中发挥了巨大的作用，但由于这些模型没有考虑到旋转坐标系下脉动速度所遵循的雷诺应力的运输机制，从本质上讲与雷诺应力的运输过程不相容，不再适用于风力发电机中因旋转粘滞力及温势差而形成
各向异性较为明显的复杂流动的模型。因此，开发适用于风力发电机内部换热的二次流湍流模型具有重要的工程价值和实际意义。
[0098] 针对发电机内部空间小、强旋转力、弱剪应力的独特流体流动特点，选取SST k-ω作为参照，修正其湍流粘度的异向性，将其中的标量参数替换为张量参数，即
[0099]
[0100] 其中
[0101]
[0102] 对于本发明中空冷散热发电机结构，Coriolis force的方向为x,z方向，而因温势差导致的流势变化为y方向，故受Coriolis force影响较大的雷诺切应力应为 与 两分量。因而本发明修正μt,13与μt,22以适应发电机运行中的二次流问题。为推导二次流系数fij，简化雷诺应力微分方程，即
[0103]
[0104] 其中： 为应力衍生项； 为Coriolis force衍生项； 为再分配项； 为耗散项。
另常数c1＝1.5，c2＝0.6。
[0105] 经对各衍生项简化进而得到二次流系数f13与f22为：
[0106]
[0107]
[0108] 其中μt,13和μt,22为非二次流状态的湍流粘度；μt,13*和μt,22*为二次流状态的湍流粘度。
[0109] 通过设置流体属性为Density Base，而后采用显示耦合求解器，同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后再逐一求解湍流等标量方程，达到线性化；内、外流场计算采用基于高效积分形式的有限体积法，以积分形式的守恒方程描述计算网格定义的每个控制体；固体区域计算采用方便快捷的有限单元法，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解；计算总时长为2000s，单位迭代步长为10s；通过数值模拟中基于有限体积法的流体分析、基于有限单元法的稳态热分析与瞬态热分析等模块(稳态热分析计算结果作为瞬态热分析的初始结果，可加快收敛速率)进行流场及温度场计算分析；本发明算法所做假设如下：
[0110] 1)把流体看作不可压缩流体，且Ma<0.3；
[0111] 2)流场入流条件看作恒定值，流体温度看作恒定值，即v1＝const，Tl＝const；
[0112] 3)忽略接触热阻，即R＝0；
[0113] 4)忽略位移电流及其影响，并忽略定子绕组及铁芯的集肤效应。
[0114] (6)将各流、固接触表面分别在流域、固体域中命名(同一面在不同域中所命名不能相同)，通过数据双向传输及耦合模块及MPCCI插值计算法实现不同域相同面的对接，不断同步求解Navier-Stokes方程、连续性方程、能量方程、非稳态
传热方程，进而进行流-固接触面上换热量、壁面温度、换热系数的信息双向交换，实现发电机流-热双向耦合，图5为计算所得换热系数分布结果，图6为计算所得温升分布结果；
[0115] (7)将流-热耦合所得温度分布施加于三维电磁场中，通过MPV磁位矢量法模拟交变磁场(交互速度依实验所测结果施加)，流-固接触面处施加空气边界，即磁矢量为零，通过有限公式法(若计算硬件设备配置较低，可改用有限单元法)，得到动态磁场变化，进而将电磁损耗以体积IHG内热源形式返回至热-流耦合过程中，如此反复多次迭代，实现永磁风力发电机流-热-磁双向耦合，图7为计算所得动态损耗结果；
[0116] (8)将(7)中的因退磁率影响而动态且不均匀的永磁体电磁属性输出，因磁场交变特性而导致三相线圈产生感应电动势，结合电路模拟(本发明所做样例仅考虑了三相对称
电阻)，图8为本发明仿真电路示意图，通过电磁动态耦合模型导入，实现电磁-电路联合仿真，得到负载端动态交流
信号(图9为本发明三相电流结果图；图10为本发明三相电压结果图；图11为本发明感应电动势；图12为本发明磁链结果图)，最终实现风电系统多场-路耦合数值模拟计算。
[0117] 将多场-路耦合数据与输出特性采集实验做比对，其中：直接结果数据选取对内部电磁特性影响较大的电流有效值进行比对(如图13所示)，两种手段所得数据变化规律一致(电流有效值随来流风速增大而增大，随负载、尖速比增大而减小)，且误差在4.3-6.2％之间；此外，与直接制约电能质量的电压三相负序不平衡度二次处理数据进行比对(如图14)，两种手段所得数据变化规律一致(电压三相负序不平衡度随来流风速、尖速比、风轮转速增大而增大)，且误差在8.2-10.8％之间。误差产生原因主要由实验风洞所模拟自然来流的不稳定性、发电机自身的内部元件老化、铜线绕组的不均匀、输出端的不完全对称性、转矩脉动、测量误差等不可控因素所诱发。
[0118] 综上所述，忽略自然来流的不稳定、转矩脉动、测量误差及发电系统内、外结构等不可控因素，多场-路耦合数值模拟结果、规律与实验数据较一致，且相较于实验测量手段，多场-路耦合可分析出内部多场与输出特性的关联性，并可探究到各本质因素对
输出信号的主控程度。
