一種雙轉(zhuǎn)子電磁熱機及其磁場和渦流分析

杜海， 張鵬， 曲延濱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

電磁感應(yīng)加熱具有電熱轉(zhuǎn)換效率高、適用范圍廣，非接觸性等優(yōu)點。然而針對流體加熱的電磁感應(yīng)加熱裝置，與其他加熱裝置一樣，都存在易結(jié)垢、易腐蝕等問題，影響傳熱性能，并存在事故隱患。

傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)加熱裝置都是利用感應(yīng)線圈等電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換為熱能。近年來，我國的程樹康等人從傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機機電能量轉(zhuǎn)換理論的反問題出發(fā)，提出一種新的電磁感應(yīng)加熱方式，并研制出了旋轉(zhuǎn)電磁熱機。該熱機能夠以風(fēng)機、水輪機、電動機等動力機械能作為能量輸入，通過旋轉(zhuǎn)耦合磁場作用，完全轉(zhuǎn)換為渦流損、磁滯損及機械雜散損耗等，即全部轉(zhuǎn)換為熱能［1－2］。除具有傳統(tǒng)熱機的熱效應(yīng)外，還能夠通過對水媒質(zhì)的磁化作用，具有抑垢、緩蝕功能。作為一種純物理方法，利用磁場除垢、緩蝕可減少或替代化學(xué)試劑的使用，節(jié)約成本并減少環(huán)境污染［3－5］。

現(xiàn)有的單轉(zhuǎn)子電磁熱機只能在定子一側(cè)感應(yīng)致熱，為增加致熱功率及傳熱效率，本文在綜合以上研究的基礎(chǔ)上，提出一種雙轉(zhuǎn)子電磁熱機。針對該雙轉(zhuǎn)子熱機，建立二維電磁場方程，給出致熱功率及渦流解析模型。通過有限元分析，求解并比較雙轉(zhuǎn)子與單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的熱機的致熱功率及定子傳熱管道內(nèi)的磁場分布，證實其設(shè)計合理性及可行性。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作機理

電磁熱機是一種針對流體加熱的機電熱換能裝置，同時對受熱流體具有磁化作用，熱機的定、轉(zhuǎn)子材料的選取及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要同時兼顧致熱及磁化兩種性能。

雙轉(zhuǎn)子電磁熱機的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。熱機主要由雙轉(zhuǎn)子部件、定子部件、外罩、端蓋、軸承等組成。雙轉(zhuǎn)子熱機的定子采用銅材料，一方面具有高電導(dǎo)率的銅材料在旋轉(zhuǎn)磁場作用下可感生出高強度渦流，而且銅的導(dǎo)熱性好，傳熱效率高;另一方面銅的相對磁導(dǎo)率近似為1，磁通可穿過定子有效分布于定子內(nèi)部的傳熱管道中，可強化對水媒質(zhì)的磁化效應(yīng)。并且，旋轉(zhuǎn)磁場的磁化效應(yīng)對銅材料的緩蝕效率達到89.14%，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于對其他材料的緩蝕效果［6］。熱機的定子8內(nèi)部開有折流管式換熱管道，并在軸向一側(cè)留有流體進口及出口，通過定子端蓋1與外部管道相連接。熱機的外轉(zhuǎn)子6與內(nèi)轉(zhuǎn)子10套接在一起，由支撐件12固定。整個轉(zhuǎn)子部件可同軸旋轉(zhuǎn)。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子采用導(dǎo)磁鐵心材料，共表貼10對徑向充磁的瓦型永磁體。圖2為熱機的轉(zhuǎn)子與定子示意圖，圖中箭頭所示為永磁體磁化方向。

圖1 雙轉(zhuǎn)子電磁熱機原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Scheme of dual-rotor electromagnetic heat engine

圖2 雙轉(zhuǎn)子及定子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of dual rotors and copper stator

當(dāng)轉(zhuǎn)子部件在外力帶動下旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場通過氣隙與銅定子交鏈，銅定子即產(chǎn)生由感應(yīng)電勢生成的渦流的電阻損耗。單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的熱機只能在定子一側(cè)感應(yīng)致熱，而雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的熱機，使得銅定子的內(nèi)、外兩側(cè)都可感應(yīng)出極大的渦流強度，產(chǎn)生高密度熱功率，有效提高熱機的致熱功率及傳熱效率。裝置內(nèi)還存在通風(fēng)損耗、軸承摩擦損耗等機械損耗，這些損耗皆變成熱能。傳熱工質(zhì)(主要是水媒質(zhì))經(jīng)過銅定子內(nèi)部完全密閉的換熱管道，將熱能帶走，出口與入口即存在較大的溫差。

該熱機的機、電、磁、熱系統(tǒng)和以水為媒質(zhì)的熱交換系統(tǒng)有機組合在一起，實現(xiàn)從機械能輸入到熱能輸出的能量轉(zhuǎn)換，同時通過熱機內(nèi)的強磁場改變水媒質(zhì)的物理化學(xué)特性，對磁場能加以利用。

2 磁場、渦流及損耗解析

圖3為雙轉(zhuǎn)子電磁熱機的簡化求解模型，需要進行如下基本假設(shè)及簡化處理:假定熱機內(nèi)電磁場為二維分布，即不考慮其軸向長度的影響;忽略定子及氣隙的位移電流，因此銅定子表面的法向電流密度恒等于零。下標(biāo) s，m，a，r，e分別代表模型中不同的求解區(qū)域。

圖3 雙轉(zhuǎn)子電磁熱機求解模型Fig.3 Model of dual-rotor electromagnetic heat engine

在極坐標(biāo)下，永磁體磁化矢量Μ可表示為

式中:Mr為永磁體磁化強度的徑向分量;Mθ為永磁體磁化強度的切向分量。傅里葉分解得出永磁體磁化強度的徑向和切向分量為［7－9］

樣機采用徑向充磁，F(xiàn)ourier系數(shù)分別為

式中:n為空間諧波次數(shù);p為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁極對數(shù);Br為永磁體剩磁;αm為永磁體極弧系數(shù)。在求解區(qū)域內(nèi)矢量磁位A滿足泊松方程

式中:μ為磁導(dǎo)率;J為電流密度矢量。將式(4)在模型中的各個區(qū)域展開為極坐標(biāo)下的二階偏微分方程為

矢量磁位A可以表示為傅里葉級數(shù)形式

給定各區(qū)域邊界條件

通過式(5)，及給定的邊界條件(7)～(11)，利用分離變量法可確定矢量磁位A的分布，由此求解各場域內(nèi)磁感強度分布、渦流分布及損耗大小。

定子區(qū)域s內(nèi)部n次諧波的電流密度可表示為

式中:σs為電導(dǎo)率;ω為角速度。其相應(yīng)的渦流熱功率則為

式中:l表示銅定子軸向長度。相應(yīng)的電磁制動轉(zhuǎn)矩可表示為

在運行時熱機內(nèi)部存在相互影響、相互制約的電磁場、溫度場及流體場。由式(13)計算得到的渦流熱功率可作為雙轉(zhuǎn)子電磁熱機內(nèi)部熱傳導(dǎo)及流體傳熱的熱源。

3 雙轉(zhuǎn)子電磁熱機的有限元分析

雙轉(zhuǎn)子電磁熱機的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子采用導(dǎo)磁的dw315硅鋼片材料，永磁磁體系統(tǒng)由10對NdFeB35瓦型永磁體組成，磁化方向如圖3所示。熱機二維有限元模型參數(shù):定子內(nèi)徑及外徑分別為31 mm、49 mm;內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為15 mm;外轉(zhuǎn)子外徑為65 mm;內(nèi)、外永磁體厚度均為5 mm;模型軸向長度為100 mm。

3.1 磁場分析

圖4所示系統(tǒng)靜態(tài)磁場的磁力線分布。由于永磁磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對稱性，所有磁通相對軸線對稱分布。在內(nèi)、外轉(zhuǎn)子鐵心區(qū)域，各形成10對磁極。在定子及氣隙區(qū)域，位置相對的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁體提供的主磁通，完全穿過銅定子，形成NS交替分布的10對磁極;轉(zhuǎn)子上表貼相鄰的永磁體相接處形成漏磁通。

圖4 雙轉(zhuǎn)子熱機靜態(tài)磁下場磁力線分布Fig.4 Distribution of flux in dual-rotor heat engine at 0 rpm

當(dāng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，銅定子內(nèi)的渦流形成電樞磁場，電樞反應(yīng)的存在產(chǎn)生去磁作用，使得換熱管道內(nèi)的磁場強度減少。圖5為不同轉(zhuǎn)速下，傳熱管道內(nèi)沿徑向磁通密度幅值分布。

圖5 傳熱管道內(nèi)的磁密分布Fig.5 Distribution of magnetic induction intensity in pipes

從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速提高，傳熱管道中的磁場強度逐漸減小。

3.2 渦流分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，銅定子在交替變化的磁場中會感生渦流。為了便于觀察渦流分布，該實例模型中采用實心銅定子。圖6(a)為600 r/min轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，任意時刻定子內(nèi)的渦流分布，在定子截面內(nèi)一共分布30個渦流區(qū)域，最大電流密度可以達到6.5×107A/m2。其中，在定子內(nèi)、外兩側(cè)對稱分布的20個渦流區(qū)域，主要是轉(zhuǎn)子表貼的相鄰永磁體產(chǎn)生的漏磁通感應(yīng)生成的渦流，由于靠近永磁體，磁通密度較大，所以形成的渦流強度較大;在定子中部對稱分布10個渦流區(qū)域，主要是位置相對的內(nèi)、外永磁體產(chǎn)生的主磁通感應(yīng)生成的渦流，渦流區(qū)域面積相對較大，渦流強度相對較小。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下銅定子內(nèi)渦流分布Fig.6 Distribution of eddy current in copper stator at different speed

由式(12)可得渦流強度會隨轉(zhuǎn)速增加而增大。圖6(b)為1 200 r/min轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時任意時刻銅定子內(nèi)的渦流分布，最大電流密度可以達到1.1×108A/m2，由于擠壓效應(yīng)，在定子兩側(cè)由漏磁通感應(yīng)生成的渦流區(qū)域面積變小，而在截面中部由主磁通感應(yīng)形成的渦流區(qū)域面積變大。

定子中感生的渦流產(chǎn)生的焦耳熱，即為雙轉(zhuǎn)子電磁熱機的致熱功率;渦流在磁場中受到電磁力作用，形成該熱機的電磁轉(zhuǎn)矩。表1為該熱機的損耗及轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速特性。

表1 損耗及轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速特性Table 2 Power and torque vs.speed characteristic

3.3 與單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱機的致熱功率及磁場分布比較

在定子結(jié)構(gòu)尺寸一致，并使用等量永磁體的條件下，比較雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱機與單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)熱機的磁場分布情況及致熱功率。其中，單轉(zhuǎn)子熱機可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)，永磁體磁極數(shù)及充磁方向均與雙轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)相同。圖7、圖8分別為不同轉(zhuǎn)速下，外轉(zhuǎn)子熱機與內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機傳熱管道內(nèi)沿徑向的磁通密度幅值分布。

圖7 外轉(zhuǎn)子熱機傳熱管道的磁密分布Fig.7 Distribution of magnetic induction intensity in pipes of external rotor heat engine

圖8 內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機傳熱管道的磁密分布Fig.8 Distribution of magnetic induction intensity in pipes of inner-rotor heat engine

圖7、圖8所示，內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機傳熱管道內(nèi)磁場強度相對較小，主要原因是該模型尺寸較小，當(dāng)取用等量永磁體時，內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼的永磁體過厚，永磁體厚度增加使得磁勢增加，但磁阻、漏磁也相應(yīng)增加，當(dāng)永磁體厚度增大到一定厚度時，所增加的磁勢大部分消耗在增加的磁阻、漏磁上，因此永磁體利用率不高［10］。與圖5比較，兩種結(jié)構(gòu)的單轉(zhuǎn)子熱機只在靠近永磁體側(cè)分布較強磁場，而雙轉(zhuǎn)子熱機定子傳熱管道中的磁場近似均勻分布，且各轉(zhuǎn)速下的磁通密度均值最大，更有利于對水媒質(zhì)的磁化效應(yīng)。

圖9所示為3種結(jié)構(gòu)熱機在不同轉(zhuǎn)速下的致熱功率比較。兩種單轉(zhuǎn)子熱機相比較，外轉(zhuǎn)子熱機比內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機的致熱功率熱有明顯提高，主要有兩方面原因:一是如前所述，該內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機永磁體的利用率很低;二是定子內(nèi)側(cè)致熱面積較小。若定子厚度一致，隨著定子半徑增加，內(nèi)轉(zhuǎn)子熱機定子內(nèi)側(cè)致熱面積與外轉(zhuǎn)子熱機定子外側(cè)致熱面積的差距會越來越小;同時，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子表貼的永磁體厚度相差也會減少。所以可以推斷兩種單轉(zhuǎn)子熱機的致熱功率會隨著定子尺寸增加，相差越來越小。

雙轉(zhuǎn)子熱機的磁體體系結(jié)構(gòu)，有效增加了磁勢，提高了永磁體的利用率，同時定子內(nèi)、外兩側(cè)均感應(yīng)致熱，從圖9中可以看出，雙轉(zhuǎn)子熱機的致熱功率最高。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的致熱功率Fig.9 Power vs.speed characteristic of different

4 結(jié)論

1)與單轉(zhuǎn)子熱機比較，雙轉(zhuǎn)子熱機的雙轉(zhuǎn)子磁體體系結(jié)構(gòu)既可在定子中獲得較高的熱功率密度，也能夠在銅定子換熱管道內(nèi)產(chǎn)生較強的磁場強度，永磁體利用率最高。并且定子傳熱管道內(nèi)磁場分布相對均勻，更有利于對傳熱流體的磁化效應(yīng)。同時，雙轉(zhuǎn)子熱機的定子內(nèi)、外兩側(cè)均感應(yīng)致熱，更有利于傳熱效率的提高。

2)雙轉(zhuǎn)子熱機的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁體用量與定子尺寸相關(guān)，可針對該熱機進行進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3)該雙轉(zhuǎn)子熱機可綜合利用風(fēng)能、水能、電能致熱，實現(xiàn)節(jié)能降耗;利用磁場除垢、減緩腐蝕的物理法，減少或替代化學(xué)試劑的使用，對環(huán)境友好。該雙轉(zhuǎn)子電磁熱機在海水淡化，溫水灌溉，高寒地區(qū)供暖等領(lǐng)域有廣泛發(fā)展前景。

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