絕熱力矩管的漏熱分析*

張志政，成建聯

（長安大學道路施工技術與設備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

高溫超導電機(HTS)具有體積小、效率高的特點，成為了未來電機的發展方向。在超導電機的運行過程中為了使超導磁體具有超導性，需要始終處在低溫狀態。力矩管位于常溫端軸和高溫超導磁體之間，起著支撐和傳遞轉矩的作用。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磁體。為了滿足超導電機的設計要求，必須對漏熱量進行計算。

1 力矩管的組成結構

超導電機的超導轉子中有超導磁體，而超導磁體需要低溫環境才能工作。相對的，超導轉子的外部環境是室溫狀態，超導磁體及其支撐結構又不可能“懸浮”于室溫環境中，需要與其他室溫部件有機械上的連接。這個機械連接既要能夠傳遞超導磁體的電磁轉矩和支撐超導磁體的重量，又要盡可能的減小從室溫組件到低溫組件的漏熱[1]。該結構一般稱為“絕熱力矩結構”或“絕熱力矩管”。對于非風機類型的超導電機來說，絕熱力矩管一般安裝在轉子軸的兩側，如圖1所示。轉子中心為低溫區，溫度約為20 K，總質量約為300 kg。

圖1 絕熱力矩管

2 復合材料導熱系數的測試

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

力矩管在實際工作中會受到熱應力、離心力、彎矩、軸向拉力等多種載荷的影響。相關研究表明，熱應力的影響最大，因此，簡化分析中僅可考慮熱應力，并假設熱量沿力矩管長度方向傳遞[4]。

3 力矩管有限元模型的建立

利用Solid works2018繪制三維實體模型，如圖2所示。由Workbench17.0.對力矩管的三維模型進行網格劃分、定義溫度邊界條件得到力矩管穩態熱分析的有限元分析模型，通過穩態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

在溫度場的計算中只考慮了力矩管的傳導漏熱而忽略了輻射漏熱，并且力矩管的模型也進行了適當的簡化，導熱系數也采用的低溫端邊界條件，因此，會留有一定的余量。

4 結束語

本文通過對高溫超導電機力矩管的結構漏熱量進行了有限元仿真，由于幾何模型建立的更加詳細，相比理論計算，采用有限元方法，更適用于漏熱量的精確計算。由于力矩管的工作環境中，同時受到彎矩、轉矩、軸向拉力和高溫超導磁體的重力影響，因此，如果要更準確進行結構設計和分析，就必須要對力矩管進行耦合分析。