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是一種新型節(jié)能環(huán)保供熱技術，實現(xiàn)該供熱方式的裝置——機電熱換能器，能夠?qū)L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)換能器對風能、水能等清潔能源的工程應用，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構設計、熱功率解析模型的建立、流體流動及傳熱的準確計算，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用提供有力的研究基礎，主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，提出了兩種新型結構的機電熱換能器，分別為徑向磁通筒式結構和軸向磁通盤式結構，兩種換能器都采用了中間定子的雙轉(zhuǎn)子結構設計。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)子結構與單轉(zhuǎn)子結構換能器的磁場及渦流分布。有限元分析結果表明，雙轉(zhuǎn)子結構換能器的定子兩側(cè)均感應致熱，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、向磁通結構和軸向磁通結構的換能器建立了熱功率解析模型。在模型建立過程中，通過構造虛擬電荷的鏡像方法考慮了導體邊緣處電流密度法向分量為0這一邊界條件，使得模型估算結果更為準確。針對徑向磁通換能器的熱功率解析模型，還考慮了感應磁通與趨膚效應的影響。該數(shù)學模型具有明確的結構參數(shù)關系，不需要復雜的數(shù)值求解，運算速度快。有限元分析的驗證結果表明，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)能夠較為準確的給出熱功率與轉(zhuǎn)速關系。
　　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)學模型，設定了相關的基本假設與邊界條件，并確定了氣隙導熱系數(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。
　　最后，采用分子動力學模擬方法，研究了旋轉(zhuǎn)磁