高速无刷双馈超导电机过冷液氮降温冷却过程研究

摘要

高速无刷双馈超导电机在舰船电力推进等领域具有非常广阔的应用前景。本文以高温超导电机的研制为背景，对低温恒温器的漏热量进行了计算，同时对高温超导电机的冷却降温过程和负荷加载过程的进行了研究。
　　对低温恒温器来说，确定漏热量是系统安全稳定运行的前提，因此正确计算出其漏热量对系统安全稳定运行具有重要意义。本文给出了低温恒温器漏热的计算方法，确定了系统的漏热量，并根据低温冷箱的冷却能力，判断低温冷箱能否满足高温超导电机的冷却要求。
　　高温超导电机的冷却降温过程是将高温超导电机从室温的293K冷却到67K，在冷却过程中，分为开式循环阶段和闭式循环阶段，而从室温冷却到67K的低温状态所用的时间与入口流量密切相关，为了确定最好的冷却降温方案，通过CFX软件对冷却降温过程的温度场进行了数值模拟。由开式循环的模拟结果可以看出，冷却的时间随入口流量的增加而减少；由闭式循环的模拟结果可以得到，在一定的流量范围内，冷却的时间随入口流量的增加而减少，流量增加到某一值时，冷却的时间基本不变。在综合考虑各种因素后，提出了在开式循环过程中选择入口流量为9.5L/min，在闭式循环过程中选择入口流量为7.5L/min的冷却方案。
　　高温超导电机的负荷加载过程中的交流损耗引发超导线圈温度升高，导致高温超导线圈附近的液氮温度升高，因此数值模拟负荷加载阶段的超导线圈的温度场对高温超导电机的安全稳定运行具有重要意义。通过CFX软件数值模拟在某一流量下，负荷与超导线圈最高温度之间的关系；同时研究负荷在20W至40W之间时，超导线圈上的温度不超过77K时所对应的过冷液氮的流量值，最后得出负荷与流量之间的关系，这一规律为负荷加载过程中的流量调节提供了依据。

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第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景和意义

1.3国内外研究现状及分析

1.4主要研究内容

第2章 低温恒温器漏热的计算方法

2.1引言

2.2过冷液氮循环冷却流程

2.3低温冷箱

2.4低温恒温器漏热计算方法

2.5低温冷箱冷却能力的确定

2.6本章小结

第3章 高温超导电机冷却降温过程模拟

3.1引言

3.2控制方程及湍流计算模型

3.3简化物理模型

3.4网格数量计算

3.5超导材料和冷却工质的低温物性

3.6高温超导电机降温过程模拟

3.7入口流量的选择

3.8本章小结

第4章 负荷加载阶段温度模拟

4.1引言

4.2负荷加载阶段热负荷

4.3负荷加载阶段约束

4.4控制方程及湍流计算模型

4.5负荷加载阶段数值模拟

4.6本章小结

结论

参考文献

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