高溫超導(dǎo)電機(jī)力矩管漏熱分析＊

周 勇 謝 峰 陳 偉 代義軍

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 武漢 430064)

大容量高溫超導(dǎo)電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,在船舶電力推進(jìn)、風(fēng)力發(fā)電、機(jī)車牽引、冶金礦產(chǎn)等行業(yè)具有很好的發(fā)展?jié)摿?

國外對高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究十分重視,美、德、日、韓等國[1-4]采取一系列措施,完善體制,增加研究經(jīng)費,制定研發(fā)計劃,目前均處于研究開發(fā)和試驗驗證中,并取得了重大的突破.2007年3月美國超導(dǎo)公司完成36.5 MW,120 r/min高溫超導(dǎo)電機(jī)的出廠試驗,該電機(jī)的體積和重量分別為常規(guī)電機(jī)的1/2和1/3.我國于2007年將“兆瓦級高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制”列為“863”計劃重點支持項目,目前由我所組織開展研究工作.

高溫超導(dǎo)電機(jī)與傳統(tǒng)同步電機(jī)的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子由高溫超導(dǎo)線圈提供直流勵磁,磁體工作溫度為20～40 K;定子采用氣隙電樞;轉(zhuǎn)子內(nèi)部真空絕熱,其典型結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.其中力矩管位于常溫端軸和高溫超導(dǎo)磁體之間,起支撐和傳遞轉(zhuǎn)矩作用.由于力矩管兩端存在較大的溫差(約270 K),則從常溫的端軸必有一定的熱量傳至低溫的超導(dǎo)磁體,并最終由低溫冷卻系統(tǒng)帶走.故在高溫超導(dǎo)電機(jī)方案設(shè)計階段,為了便于選擇制冷機(jī)及進(jìn)行力矩管的結(jié)構(gòu)設(shè)計,需要對力矩管漏熱進(jìn)行計算與分析,以供設(shè)計者參考.

圖1 高溫超導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖

1 力矩管結(jié)構(gòu)

在高溫超導(dǎo)電機(jī)中,力矩管用于連接常溫部件與低溫部件,是傳導(dǎo)漏熱的主要部件;同時其又承載磁體重量及傳遞力矩.綜合考慮,力矩管采用高強(qiáng)度低漏熱的玻璃鋼復(fù)合材料,其3D結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

2 力矩管漏熱公式

力矩管的使用工況及纖維鋪層工藝,可作如下假設(shè)：(1)忽略復(fù)合材料筒壁的輻射熱量損失及熱各向異性,僅考慮熱量沿力矩管長度方向傳遞,即溫度只沿軸向發(fā)生變化;(2)對于復(fù)合材料,不同成型工藝的導(dǎo)熱系數(shù)略有差別,同時,導(dǎo)熱系數(shù)λ會隨溫度改變而變化,本次漏熱分析時認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)不變;(3)忽略端部厚度,認(rèn)為是一個長L,截面積為圓環(huán)的復(fù)合材料筒體(筒體外徑D,壁厚為t,截面積S).

力矩管漏熱公式推導(dǎo)過程如下[5].

因為溫度場是穩(wěn)定的,則有

對式(1)積分得

對式(2)積分得

圖2 力矩管3D結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 穩(wěn)定導(dǎo)熱圖

將積分常數(shù)(4)代入式(3),得到溫度分布方程為

將式(5)代入式(2),可得

根據(jù)傅里葉定律表達(dá)

則力矩管漏熱計算公式為

3 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)測試

由式(8)可知,要分析力矩管的漏熱,需得知復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù).本研究以力矩管復(fù)合材料為測試對象(共3件試樣),根據(jù)現(xiàn)有條件,應(yīng)用測試儀對力矩管軸向?qū)嵯禂?shù)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化關(guān)系

由圖4可知,各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大,其中各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)略有不同,這些差異可能與各試樣的組成、結(jié)構(gòu)和孔隙度等因素有關(guān).由于復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)λ會隨溫度改變而變化,溫度越低,導(dǎo)熱系數(shù)越小,因此本文漏熱計算中復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)采用常溫狀態(tài)(300 K)下3件試樣的平均測試值,約為0.37 W/(m?K),這樣力矩管漏熱計算值為極大值,可為制冷機(jī)選型提供一定的余量.

4 力矩管漏熱分析

4.1 理論計算

由式(8)及測試的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù),計算得到力矩管漏熱為Q=9.3 W.如果考慮到復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的降低而下降,熱量損失會更小.

4.2 穩(wěn)態(tài)熱分析

由上述力矩管工作工況易知：力矩管安裝好后,溫度緩慢降低至使用溫度,其中低溫端為40 K,高溫端為常溫 300 K,此時溫度場平衡.于ANSYS中建立力矩管3D幾何模型、定義復(fù)合材料的熱學(xué)性能參數(shù)、網(wǎng)格剖分及定義溫度邊界條件后,得到力矩管穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元分析模型如圖5所示.通過穩(wěn)態(tài)熱分析,得到力矩管沿軸向的熱流密度分布云圖,如圖6所示.

由于流過力矩管任何一個截面的熱量是相等的,故可以取力矩管中心截面來計算力矩管的熱量損失.由圖6可以看出,流過中心截面的熱流密度相等,其大小為

則力矩管漏熱仿真計算為

采用有限元計算的熱量損失為9.7 W,比理論計算的9.3 W大,這是因為復(fù)合材料兩端有一個過渡段,其截面積較力矩管中間部分要大,而理論計算時做了簡化處理.

圖5 力矩管有限元分析模型

圖6 力矩管熱流密度分布云圖

5 力矩管漏熱試驗驗證

5.1 試驗裝置簡介

在力矩管漏熱理論計算與穩(wěn)態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上,為了測試力矩管的漏熱特性,設(shè)計開發(fā)了一套力矩管低溫測試平臺,如圖7所示.其中力矩管的低溫環(huán)境通過制冷機(jī)來實現(xiàn),力矩管兩端溫度采集通過PT100來實現(xiàn).

圖7 力矩管低溫試驗平臺

5.2 漏熱測試結(jié)果分析

試驗過程中,使力矩管端部溫度穩(wěn)定在40± 2 K,持續(xù)時間25 min,試驗數(shù)據(jù)如表1所列.在這段時間內(nèi),制冷機(jī)的制冷量(100 W)=力矩管傳導(dǎo)漏熱+試驗裝置輻射漏熱+殘余氣體漏熱+制冷機(jī)本身的加熱量.

表1 力矩管低溫試驗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所列測試數(shù)據(jù)計算得知,試驗裝置輻射漏熱為16.8 W,殘余氣體漏熱為14.2 W.在力矩管端部溫度穩(wěn)定的25 min內(nèi),制冷機(jī)自身的加熱時間有 12 min,加熱功率為100 W,則25 min內(nèi)的平均加熱功率為48 W.那么,兩個力矩管輻射總漏熱為21 W,則單根力矩管漏熱為10.5 W.相比漏熱的理論值與有限元分析值,漏熱的實際測量值偏大,這是因為：(1)理論值與有限元分析值只考慮了力矩管的傳導(dǎo)漏熱,而忽略了輻射漏熱;(2)試驗測量中,力矩管本身溫度有波動,最大波動1.5 K,一部分冷量被力矩管自身釋放的熱量抵消,而試驗數(shù)據(jù)處理中沒有考慮這部分溫度波動,造成實測計算值較大.

6 結(jié)束語

本文提出了高溫超導(dǎo)電機(jī)力矩管的結(jié)構(gòu)方案,應(yīng)用測試儀對復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試,并對力矩管的漏熱分別進(jìn)行了理論計算及有限元仿真分析,得出了可供設(shè)計參考的力矩管漏熱值,具體結(jié)論如下.

1)相比力矩管漏熱的理論計算,采用有限元方法,由于幾何模型建立的更詳細(xì),更適用于漏熱的精確計算.

2)通過計算與分析,該力矩管結(jié)構(gòu)滿足低漏熱的要求,達(dá)到超導(dǎo)電機(jī)力矩管的設(shè)計要求.

3)本文所采用的力矩管漏熱分析的方法及思路同樣適用于其他類似應(yīng)用場合的力矩管設(shè)計.

4)由于力矩管在使用過程中,同時受到彎矩、轉(zhuǎn)矩、冷收縮產(chǎn)生的軸向拉力、高溫超導(dǎo)磁體重力及溫度載荷,即力矩管的結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到多物理場的耦合問題.故要更準(zhǔn)確地進(jìn)行力矩管結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析,就必須要對力矩管進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析.

[1]Snitchler G,Gamble B,Swarn S.The performance of a 5 MW high temperature superconductor ship propulsion motor[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2005,15(2)：2 206-2 209.

[2]Frank M,Habelt P,Kummeth P,M assek P,Nick W, Rothfischer H,Schmidt H,Wacker B, Neumǜller H,Nerowski G,Frauenhofer J,Hartig R,Rzadki W.High temperature superconducting rotating machines forship applications[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2006, 16(2)：1 465-1 468.

[3]Jo Y S,Ryu K S,Park M.1st phase results and future plan of DAPAS program[J].IEEE T ransactions on Applied Superconductivity,2006,15(2)：678-682.

[4]Maki N,Takao T,Fuchino S.Study of practical applications of HTS synchronous machines[J].IEEE T ransactions on Applied Superconductivity,2005, 15(2)：2 166-2 169.

[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].3版,北京：高等教育出版社,2001.