随着全球化石能源的大量开采，能源紧缺成为各个国家共同面临的问题。在各国对能源的需求日益增加情况下，无污染、绿、可再生的新能源得到了大家的重视。风能是一种清洁绿无污染的可再生能源，风能不会随着开发而减少，而且在发电的过程中不产生其他污染环境的物质。随着电力电子变电技术的发展，风力发电设备制造和运营成本的降低，风力发电在各国得到了广泛应用。
风力发电是将风能转化成电能的过程，风力发电装置主要由支撑架、叶片、发电机以及一些连接设备和电气设备组成。近些年来，我国风力发电事业发展迅猛，风力发电机作为风力发电的核心部件，发电机单机向着更大容量的方向发展。如今新装的风电场，基本上以兆瓦级以上的风力发电机为主。风力发电机可分为异步电机与同步电机，异步电机包括双馈发电机和笼型发电机，而同步发电机一般是永磁同步发电机。 随着国民经济的持续、健康、快速的发展，我国对电力的需求也随之不断增大，发电机的单机容量不断增加，需要安装永磁电机的空间受到限制，所以电机在设计制造时尽量的缩小体积，冷却气体流动的空间也很小，使得电机内部产生的热量不易散出，造成电机发热严重，温升过高。温升过高会影响电机性能，甚至损毁其所使用的永磁体材料，永磁体发生不可逆的退磁现象，严重影响其安全性、稳定性，从而使电机无法正常运行，对工业生产与国民日常生活造成不可避免的损失。所以对于永磁电机有效的温升计算与合理的散热方式尤为重要，以便更好的预测和避免事故的发生。
1.风力发电电机耦合研究现状
随着电机容量的不断增大，电机运行时出现新的问题也越来越多，比如电机温升过高导致发热严重。怎么在增加电机容量的同时，还能保证电机温升在一个合理的范围之内，这就需要电机具有可靠高效的通风冷却系统。电机冷却系统能够快速的将电机产生的热量带走，从而降低电机温升。在保证发电机拥有较长的工作时间，还要保证电机工作在允许的温升范围，电机热分析也因此成为电机设计中的重要环节。近年来，有很多国内和国外的优秀学者，对电机内流体场和温度场进行了一系列的研究，并在这些领域，取得了显著成果。
国内外对电机流体场温度场耦合计算、热磁耦合计算研究的学者有很多，其中计算方法也在不断地发展完善，从最开始的公式法以及等效热路法，到有限差分法，以及现在的有限元法等，方法很多，但是各有优缺点。随着计算机技术的发展，利用计算机辅
助使得计算精度得到了大幅的提高，使计算结果也越来越精确完善。近年来，国内外的研究学者利用此种方式在各自领域及交叉领域取得了非常不错的成果[3]。
数控机床防护罩在国内，对风电机组的电机内流体场温度场分布及变化特性做过大量的工作，以计算机作为计算终端，通过有限元或者等效热路的方法进行仿真分析，并结合实际工程情况，设计出很多优化电机结构的有效方案，得出很多重要的结论。李伟力教授等人为了降低永磁电机实心转子的温升，采用有限元
法以一台315kW空冷永磁电机为模型，建立了该电机的转子三维全域流体与固体耦合模型，并进行了数值模拟分析得出转子温升分布。由于转子上没有通风结构，转子的温升较高，为了降低转子温升对转子轴向和径向开通风沟，研究了径向通风沟的数量和位置对转子温升分布的影响，表明转子径向通风沟能有效的降低转子温升，为永磁电机实心转子的通风结构设计提供了可行性方案[2]。接下来我们分别分析风力发电机在流热耦合和热电磁耦合方面的研究进展。
2.半直驱永磁同步风力发电机流热耦合研究（流热耦合）
半直驱永磁同步风力发电机具有单机功率大，运行可靠性高，其体积比同功率的发电机小很多，运输和安装更加方便，由于半直驱永磁同步风力发电机的这些优点，使其有很好的应用前景。发电机单机容量的增加致使电磁负荷增加，极易导致电机发热问题严重，电机发热严重给电机正常运行带来很多问题，其中可能使永磁电机绝缘老化或是永磁体发生退磁现象，从而使得电机不能安全运行。因此对永磁发电机进行三维流热耦合计算，对确保电机的稳定运行具有十分重要的意义[4]。
为了解决上述问题，以一台600OkW半直驱永磁同步风力发电机为研究对象，根据电机模型特征以及风路结构，建立物理和数学模型，由于电机结构很复杂，对物理模型进行适当的简化，建立电机周向1/24区域三维流体和固体耦合的物理求解模型。同时提出合理的基本假设和边界条件，运用有限体积法对额定工况下半直驱永磁同步风力发电机的流体场和温度场进行计算，得到了电机内冷却空气流速 分布和电机温升分布规律。而后，对电机整个求解域、气隙、径向通风沟、单个径向通风沟内冷却空气流速分布进行了分析，总结了冷却空气在电机内部的流动情况。基于流体场分析结果，结合电机发热特点，对电机整体温升进行了分析，进一步的对电机定子部分与转子部分的温升进行具体分析。在此基础上，讨论了电机入口风速和电机转速对温度场的影响。当电机转速为额定转速时，电机进口风速对温度场的影响，以及当电机入口风速为额定流速时，电机转速对温度场的影响。
2.1 永磁同步风力发电机流固耦合模型建立
电机运行过程就是将一种能量转化成另一种能量的过程，在此转化过程中会产生无用的损耗，在电机内部由转化产生的无用损耗以热量的形式体现在电机结构部件上，从而影响电机内部温度变化。为了使电机稳定、持续、安全的运行，必须保证电机正常运行时其温升在其可承受的范围之内，这就要求电机的冷却系统能够将电机产生的热量快速的带到电机外，从而将电机温升控制在合理的范围。本章根据实际模型参数建立永磁风力发电机电机流固耦合物理求解模型。
图1 流固耦合物理模型图
2.2 电机内部风路
电机内不同的通风结构，冷却空气的风路也不同，冷却空气流动的方向和速度也不一样，对电机的冷却效果也就不同。电机中通风方式比较常见的有三种：径向通风方式、轴向通风方式以及轴-径向混合通风方式。本文半直驱永磁同步风力发电机采用轴-径向混合通风方式。
永磁发电机
图2 电机内冷却空气风路
如图2所示，电机内风路可分为三部分：其中一部分冷却空气进入电机气腔后经过
商场导购系统挡风板后直接流向出口；一部分进入气腔后流经进风端绕组进入气隙从径向通风沟流向出口；还有一部分从进风端绕组下面进入转子下面的气腔中，在支撑环一侧绕组端部分为两部分，其中一部分冷却空气对支撑环一侧绕组端部冷却后并由支撑环流向出口，另一部冷却空气从支撑环一侧绕组端部进入气隙，从径向通风沟流向出口。这三部分冷却空气在出口处汇合后流出，将电内产生的热量带走，对电机完成对流换热。
siro-19672.3 电机整体流体场
根据电机尺寸以及通风方式建立电机整体模型，对模型进行简化处理，选取合适的求解域，并对求解域模型进行剖分网格后，根据提出的基本假设，以及设置的边界条件，通过有限体积法，计算可得到求解域内冷却空气流动分布情况。
图3 发电机冷却空气流速云图
从图3发电机冷却空气的流速云图可以看出电机正常运行时流体域内冷却空气的速度变化规律。冷却空气在气隙、挡风板顶部、支撑环、出口这几个位置流速较大，在入口气腔上方、定子铁心上方和转子支架下面气腔空间较大流体流动速度较慢比较平稳。由于冷却空气从两侧气腔沿着两侧绕组端部流进气隙时，由于冷却介质的流动路径突然变窄，导致冷却空气以较高的速度进入气隙，在气隙中两侧冷却气体流向相对，在气隙中间靠近支撑环一侧形成一个涡流，使得气隙中流速有所降低。气隙中的冷却空气进入径向风沟时速度较大，进入径向风沟后受到阻力的作用，使得流速有所下降。还有一部分冷却空气从支撑环流向出口。这些冷却空气在出口处汇合后流到电机外部，从而将热量带走，出口处冷却空气流速较高，流体温升较高。
2.4 入口风速变化对电机温升的影响
进入电机冷却空气流速发生变化时，流入电机冷却空气流量也发生变化。电机入口冷却空气流速变大时，进入电机的冷却空气流量也会变多，能更快的将电机内产生的热
鸡眼镜量带走，从而使电机温升降低。然而，进入电机冷却空气的流速变大的同时会使得电机内机械损耗和风磨损耗变大，电机将会产生更多的热量，风速增加到一定值之后，风速增加电机温升不在减少。所以，冷却空气进入电机的流速不是越大越好，应该取一个合理的值。如图4-1l所示，为电机最高温升与
平均温度随着电机入口风速变化而变化趋势图。
图4 不同入口风速温升分布
从图4中可以看出，电机最高温升与平均温升都随着冷却空气进入电机流速的增大呈下降的趋势。但电机温升与冷却空气进入电机的流速不成线性关系，随着冷却空气流速的增加温升下降的斜率也在变小，冷却空气进入的风速增大，而电机温升降低幅度越来越小，所以电机冷却空气的风速不是越大越好，应该根据电机实际情况综合考虑。
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3 基于热电磁耦合的永磁风力发电机涡流损耗分析（热电磁耦合）
随着小型永磁风力发电机应用范围的扩展，电机性能需不断优化，功率密度成为衡量其性能好坏的参数之一，且其高效性、高节能率和低损耗也成为研究热点。然而永磁风力发电机磁场的控制性差，电磁场属于非线性瞬态场，也是无源涡流场，其内部综合物理场相当复杂，并相互影响制约。且随着电机运行温度的攀升，永磁体部分失磁，导致磁场形畸变、有效区域磁通密度消弱，使得涡流损耗逐渐增加，温升进一步增大，从而进人恶性循环状态。因此，解决永磁发电机磁场调节和运行温度有效控制问题势在必行[2]。
本研究针对小型永磁风力发电机电磁场和温度场存在的耦合关系，采取ANSYS多场求解器MFS单代码分析方法，以分析定转子铁心和永磁体涡流损耗为依据，温度场和电
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