[发明专利]一种永磁风力发电机多场-路耦合模拟计算方法

说明书

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，建立内流域‑固体域‑外流域求解域模型，进行非结构网格划分；依各部件实际物性施加材料属性；采集数值模拟初始约束条件，将结果以入口条件及旋转机械激励形式进行载荷施加，施加求解域初始边界温度、IHG内热源，进行流场及温度场计算分析，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过程，实现发电机流‑热双向耦合；将所得温度分布施加于电磁场计算中，模拟交变磁场得到动态磁场变化情况，将电磁损耗以IHG内热源形式返回至热‑流耦合场中，反复多次迭代得到数值模拟计算结果。本发明结果准确、直观，可弥补现有实验手段的局限性。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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：

(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。