高温超导电机力矩管漏热分析

高温超导电机力矩管漏热分析

这种新型高速超级电机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、运营稳定等优点。它在促进水上能源、风能发电、机车运行、冶金矿产等行业具有良好的发展前景。国外对高温超导电机的研究十分重视,美、德、日、韩等国采取一系列措施,完善体制,增加研究经费,制定研发计划,目前均处于研究开发和试验验证中,并取得了重大的突破.2007年3月美国超导公司完成36.5MW,120r/min高温超导电机的出厂试验,该电机的体积和重量分别为常规电机的1/2和1/3.我国于2007年将“兆瓦级高温超导电机的研制”列为“863”计划重点支持项目,目前由我所组织开展研究工作.高温超导电机与传统同步电机的区别在于转子由高温超导线圈提供直流励磁,磁体工作温度为20～40K;定子采用气隙电枢;转子内部真空绝热,其典型结构组成如图1所示.其中力矩管位于常温端轴和高温超导磁体之间,起支撑和传递转矩作用.由于力矩管两端存在较大的温差(约270K),则从常温的端轴必有一定的热量传至低温的超导磁体,并最终由低温冷却系统带走.故在高温超导电机方案设计阶段,为了便于选择制冷机及进行力矩管的结构设计需要对力矩管漏热进行计算与分析,以供设计者参考.1主要部件在高温超导电机中,力矩管用于连接常温部件与低温部件,是传导漏热的主要部件;同时其又承载磁体重量及传递力矩.综合考虑,力矩管采用高强度低漏热的玻璃钢复合材料,其3D结构示意图如图2所示.2确定不同设备的导热系数力矩管的使用工况及纤维铺层工艺,可作如下假设:(1)忽略复合材料筒壁的辐射热量损失及热各向异性,仅考虑热量沿力矩管长度方向传递,即温度只沿轴向发生变化;(2)对于复合材料,不同成型工艺的导热系数略有差别,同时,导热系数λ会随温度改变而变化,本次漏热分析时认为导热系数不变;(3)忽略端部厚度,认为是一个长L,截面积为圆环的复合材料筒体(筒体外径D,壁厚为t,截面积S).力矩管漏热公式推导过程如下.因为温度场是稳定的,则有对式(1)积分得对式(2)积分得由图3稳定导热图的边界条件可知:在x=0时,T=T1;x=L时,T=T2,解式(3)得将积分常数(4)代入式(3),得到温度分布方程为将式(5)代入式(2),可得根据傅里叶定律表达则力矩管漏热计算公式为3导热系数测试结果由式(8)可知,要分析力矩管的漏热,需得知复合材料的导热系数.本研究以力矩管复合材料为测试对象(共3件试样),根据现有条件,应用测试仪对力矩管轴向导热系数进行了测试,测试结果如图所示由图4可知,各试样的导热系数随温度的升高而增大,其中各试样的导热系数略有不同,这些差异可能与各试样的组成、结构和孔隙度等因素有关.由于复合材料导热系数λ会随温度改变而变化,温度越低,导热系数越小,因此本文漏热计算中复合材料的导热系数采用常温状态(300K)下3件试样的平均测试值,约为0.37W/(m·K),这样力矩管漏热计算值为极大值,可为制冷机选型提供一定的余量.4功能管理的泄漏分析4.1复合材料导热系数的计算由式(8)及测试的复合材料导热系数,计算得到力矩管漏热为Q=9.3W.如果考虑到复合材料导热系数随着温度的降低而下降,热量损失会更小.4.2有限元分析的热分析由上述力矩管工作工况易知:力矩管安装好后,温度缓慢降低至使用温度,其中低温端为40K,高温端为常温300K,此时温度场平衡.于ANSYS中建立力矩管3D几何模型、定义复合材料的热学性能参数、网格剖分及定义温度边界条件后,得到力矩管稳态热分析的有限元分析模型如图5所示.通过稳态热分析,得到力矩管沿轴向的热流密度分布云图,如图6所示.由于流过力矩管任何一个截面的热量是相等的,故可以取力矩管中心截面来计算力矩管的热量损失.由图6可以看出,流过中心截面的热流密度相等,其大小为则力矩管漏热仿真计算为采用有限元计算的热量损失为9.7W,比理论计算的9.3W大,这是因为复合材料两端有一个过渡段,其截面积较力矩管中间部分要大,而理论计算时做了简化处理.5功能管理试验5.1试验台研制在力矩管漏热理论计算与稳态热分析的基础上,为了测试力矩管的漏热特性,设计开发了一套力矩管低温测试平台,如图7所示.其中力矩管的低温环境通过制冷机来实现,力矩管两端温度采集通过PT100来实现.5.2辐射漏热的实验结果试验过程中,使力矩管端部温度稳定在40±2K,持续时间25min,试验数据如表1所列.在这段时间内,制冷机的制冷量(100W)=力矩管传导漏热+试验装置辐射漏热+残余气体漏热+制冷机本身的加热量.根据表1所列测试数据计算得知,试验装置辐射漏热为16.8W,残余气体漏热为14.2W.在力矩管端部温度稳定的25min内,制冷机自身的加热时间有12min,加热功率为100W,则25min内的平均加热功率为48W.那么,两个力矩管辐射总漏热为21W,则单根力矩管漏热为10.5W.相比漏热的理论值与有限元分析值,漏热的实际测量值偏大,这是因为:(1)理论值与有限元分析值只考虑了力矩管的传导漏热,而忽略了辐射漏热;(2)试验测量中,力矩管本身温度有波动,最大波动1.5K,一部分冷量被力矩管自身释放的热量抵消,而试验数据处理中没有考虑这部分温度波动,造成实测计算值较大.6在计算方法上的结论本文提出了高温超导电机力矩管的结构方案,应用测试仪对复合材料的导热系数进行了测试,并对力矩管的漏热分别进行了理论计算及有限元仿真分析,得出了可供设计参考的力矩管漏热值,具体结论如下.1)相比力矩管漏热的理论计算,采用有限元方法,由于几何模型建立的更详细,更适用于漏热的精确计算.2)通过计算与分析,该力矩管结构满足低漏热的要求,达到超导电机力矩管的设计要求.3)本文所采用的力矩管漏热分析的方法及思路同样