基于旋轉(zhuǎn)電磁理論的雙轉(zhuǎn)子機電熱換能器研究.pdf

1、基于旋轉(zhuǎn)電磁理論的供熱技術(shù)是一種新型節(jié)能環(huán)保供熱技術(shù)，實現(xiàn)該供熱方式的裝置——機電熱換能器，能夠?qū)L(fēng)力渦輪機、水輪機、電動機等動力裝置輸出的機械能作為能量輸入，通過旋轉(zhuǎn)耦合磁場轉(zhuǎn)換為渦流損耗、磁滯損耗、二次感應(yīng)電流損耗、機械雜散損耗等形式的熱能，并最終以水為傳熱介質(zhì)進行熱能傳遞。同時，換能器還可綜合利用其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場、溫度場對受熱水媒質(zhì)進行軟化處理，起到抑垢、阻垢目的。為了更易于實現(xiàn)換能器對風(fēng)能、水能等清潔能源的工程應(yīng)用，需要進一步提

2、高其低轉(zhuǎn)速時的熱功率密度，以及致熱、傳熱和磁化效率。本文針對換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱功率解析模型的建立、流體流動及傳熱的準(zhǔn)確計算，以及對水媒質(zhì)的軟化作用機制進行了理論分析和實驗研究，為其進一步的工程應(yīng)用提供有力的研究基礎(chǔ)，主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，提出了兩種新型結(jié)構(gòu)的機電熱換能器，分別為徑向磁通筒式結(jié)構(gòu)和軸向磁通盤式結(jié)構(gòu)，兩種換能器都采用了中間定子的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過基于麥克斯韋方程的傳統(tǒng)解析方法為新型換能器建立了電磁場方程組。

3、采用有限元方法對比分析了雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)換能器的磁場及渦流分布。有限元分析結(jié)果表明，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)換能器的定子兩側(cè)均感應(yīng)致熱，更有利于對水媒質(zhì)的傳熱及升溫；定子內(nèi)部可獲得更大的磁感應(yīng)強度，磁場分布更為均勻，配合定子內(nèi)部較長的水路行程，更有利于對傳熱水媒質(zhì)的磁化作用。新型機電熱換能器有效提高了定子和永磁體的材料利用率，具有低轉(zhuǎn)速高功率特點，更易于直接將風(fēng)能、水能等清潔能源轉(zhuǎn)換為熱能。
　　其次，基于庫倫定律及洛倫茲力定律，分別為徑

4、向磁通結(jié)構(gòu)和軸向磁通結(jié)構(gòu)的換能器建立了熱功率解析模型。在模型建立過程中，通過構(gòu)造虛擬電荷的鏡像方法考慮了導(dǎo)體邊緣處電流密度法向分量為0這一邊界條件，使得模型估算結(jié)果更為準(zhǔn)確。針對徑向磁通換能器的熱功率解析模型，還考慮了感應(yīng)磁通與趨膚效應(yīng)的影響。該數(shù)學(xué)模型具有明確的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系，不需要復(fù)雜的數(shù)值求解，運算速度快。有限元分析的驗證結(jié)果表明，新型機電熱換能器的熱功率解析模型在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠較為準(zhǔn)確的給出熱功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系。
　　再次，

5、建立了新型機電熱換能器的流體流動及傳熱的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定了相關(guān)的基本假設(shè)與邊界條件，并確定了氣隙導(dǎo)熱系數(shù)及表面散熱系數(shù)。使用有限體積法對換能器內(nèi)部的流體流動與傳熱進行耦合計算，分析其熱水升溫性能。搭建了換能器的熱水升溫實驗平臺，實驗測得換能器在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的出水溫升與數(shù)值計算結(jié)果較為一致，證實了數(shù)值分析方法的正確性，為換能器的換熱設(shè)計及其綜合物理場的耦合計算提供了理論研究和實驗基礎(chǔ)。
　　最后，采用分子動力學(xué)模擬方法，研究了旋轉(zhuǎn)磁