絕熱力矩管的漏熱分析*

張志政，成建聯(lián)

（長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與設(shè)備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

高溫超導(dǎo)電機(jī)(HTS)具有體積小、效率高的特點(diǎn)，成為了未來電機(jī)的發(fā)展方向。在超導(dǎo)電機(jī)的運(yùn)行過程中為了使超導(dǎo)磁體具有超導(dǎo)性，需要始終處在低溫狀態(tài)。力矩管位于常溫端軸和高溫超導(dǎo)磁體之間，起著支撐和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。由于力矩管兩端存在較大的溫差（約為270K），則從常溫的端軸必有一定的熱量傳遞到低溫的超導(dǎo)磁體。為了滿足超導(dǎo)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)漏熱量進(jìn)行計(jì)算。

1 力矩管的組成結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)電機(jī)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中有超導(dǎo)磁體，而超導(dǎo)磁體需要低溫環(huán)境才能工作。相對(duì)的，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的外部環(huán)境是室溫狀態(tài)，超導(dǎo)磁體及其支撐結(jié)構(gòu)又不可能“懸浮”于室溫環(huán)境中，需要與其他室溫部件有機(jī)械上的連接。這個(gè)機(jī)械連接既要能夠傳遞超導(dǎo)磁體的電磁轉(zhuǎn)矩和支撐超導(dǎo)磁體的重量，又要盡可能的減小從室溫組件到低溫組件的漏熱[1]。該結(jié)構(gòu)一般稱為“絕熱力矩結(jié)構(gòu)”或“絕熱力矩管”。對(duì)于非風(fēng)機(jī)類型的超導(dǎo)電機(jī)來說，絕熱力矩管一般安裝在轉(zhuǎn)子軸的兩側(cè)，如圖1所示。轉(zhuǎn)子中心為低溫區(qū)，溫度約為20 K，總質(zhì)量約為300 kg。

圖1 絕熱力矩管

2 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試

要分析力矩管的漏熱，需要知道導(dǎo)熱系數(shù)，絕熱力矩管中的管狀結(jié)構(gòu)材料為G-10[2]，兩端的襯套材料為AISI 316L，由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，溫度越低，導(dǎo)熱系數(shù)越小。在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，可在低溫端采用第一類邊界條件，即給定溫度T（模擬計(jì)算為20K）；在常溫端則采用第二類邊界條件，即給定熱流密度[3]。

力矩管在實(shí)際工作中會(huì)受到熱應(yīng)力、離心力、彎矩、軸向拉力等多種載荷的影響。相關(guān)研究表明，熱應(yīng)力的影響最大，因此，簡(jiǎn)化分析中僅可考慮熱應(yīng)力，并假設(shè)熱量沿力矩管長(zhǎng)度方向傳遞[4]。

3 力矩管有限元模型的建立

利用Solid works2018繪制三維實(shí)體模型，如圖2所示。由Workbench17.0.對(duì)力矩管的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義溫度邊界條件得到力矩管穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元分析模型，通過穩(wěn)態(tài)熱分析得到力矩管的熱流密度分布云圖，如圖3所示。

圖2 力矩管三維模型

圖3 力矩管熱流密度

在溫度場(chǎng)的計(jì)算中只考慮了力矩管的傳導(dǎo)漏熱而忽略了輻射漏熱，并且力矩管的模型也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，導(dǎo)熱系數(shù)也采用的低溫端邊界條件，因此，會(huì)留有一定的余量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)力矩管的結(jié)構(gòu)漏熱量進(jìn)行了有限元仿真，由于幾何模型建立的更加詳細(xì)，相比理論計(jì)算，采用有限元方法，更適用于漏熱量的精確計(jì)算。由于力矩管的工作環(huán)境中，同時(shí)受到彎矩、轉(zhuǎn)矩、軸向拉力和高溫超導(dǎo)磁體的重力影響，因此，如果要更準(zhǔn)確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，就必須要對(duì)力矩管進(jìn)行耦合分析。