二硼化镁超导电机低温冷却系统的设计与研究

摘要

超导电机是利用超导技术及超导材料研制的一种高性能电机，与传统的电机相比具有效率高、能耗少、体积小、质量轻等特点，具有很大的应用市场而受到广泛关注。二硼化镁超导材料的临界温度为39K，是一种介于高温超导材料和低温超导材料之间的新型超导材料，在实际应用中具有较大的可行性和经济性，存在着广阔的应用前景。低温系统是超导电机最基本的系统之一，本文的研究目标是为二硼化镁超导电机的研究提供低温支持。
　　首先，本文通过对比分析几种低温工质的物性以及不同冷却方式的优缺点，确定了符合二硼化镁超导电机要求的冷却方式，设计出了多用途的低温系统，确立了整体冷却方案并设计出了符合低温系统工作要求的低温离心泵。采用数值模拟的方法对离心泵进行优化设计，结果验证了离心泵的理论设计方法对于低温工况是适用的。研究了叶片出口角对低温离心泵性能的影响，发现低温工况下，后向叶轮离心泵β2A=22°～28°时效率较高。
　　其次，本文确定了冷头换热器的材料以及换热器的形式——紫铜块多通道冷头换热器。对冷头换热器各结构参数进行设计计算，并且进行多种方案的对比分析，从中选出了最佳设计方案。运用数值模拟软件对换热器进行仿真模拟，验证了设计的合理性，所设计的冷头换热器性能良好。
　　然后，本文对低温工质氦气经过低温系统各部件时的换热进行了分析，建立了低温系统冷却以及冷量传播过程的数学模型，通过一维动态模拟，得到了氦气流经各部件时的温度分布以及各低温部件的温度随时间的变化过程，预测了整个超导电机系统的降温时间。
　　最后，本文通过二硼化镁超导线圈降温测试的实验，绘制了超导线圈下吊板的降温曲线图，对降温过程进行分析，结果表明该低温系统能够将超导线圈温度降低到工作温区，性能良好。实验研究发现了低温系统内存在的问题，需要在后续工作中改进系统的辐射绝热以及电流引线的温度分布，为二硼化镁超导电机的降温打好实验基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 超导技术与超导材料的发展

1．1．2 超导电机的发展

1．2 二硼化镁超导线材的研究意义

1．2．1 二硼化镁超导材料的发现

1．2．2 二硼化镁的超导电性

1．3 超导低温系统的国内外研究现状

1．3．1 大型氦低温系统的研究现状

1．3．2 超导电机冷却方式的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 二硼化镁超导电机低温系统的方案设计

2．1 低温系统冷却方式的选择

2．1．1 低温工质的选择

2．1．2 冷却方式的选择

2．1．3 多用途低温系统冷源的确定

2．2 二硼化镁超导电机低温系统的组成

2．3 低温系统各组成部件的介绍

2．4 本章小结

第三章 低温离心泵的设计

3．1 引言

3．2 离心泵的设计计算

3．2．1 设计要求和已知条件

3．2．2 主要结构参数的确定

3．3 数值模拟计算与结果分析

3．3．1 实体建模以及网格划分

3．3．2 CFD模型控制方程

3．3．3 模拟计算求解及结果分析

3．4 叶片出口角对低温离心泵性能的影响

3．4．1 叶片出口角在20°～70°之间变化时对流动效率的影响

3．4．2 叶片出口角在20°～40°之间变化时对流动效率的影响

3．5 本章小结

第四章 冷头换热器的设计与仿真模拟

4．1 冷头换热器形式的选择

4．1．1 冷头换热器材料的选择

4．1．2 冷头换热器形式的选择

4．2 冷头换热器的设计计算

4．2．1 已知条件

4．2．2 冷头换热器的主要计算步骤

4．3 冷头换热器的数值模拟

4．3．1 几何建模及网格划分

4．3．2 设置求解器和边界条件

4．3．3 模拟结果及分析

4．4 本章小结

第五章 低温系统降温过程分析

5．1 引言

5．2 各组成部件降温过程分析

5．2．1 充气和安全管道

5．2．2 冷头换热器

5．2．3 低温插接头

5．2．4 超导电机

5．2．5 低温循环泵

5．3 低温系统降温过程计算与结果分析

5．3．1 降温过程计算

5．3．2 结果分析

5．4 冷质量对系统降温的影响

5．4．1 低温循环泵和冷头换热器质量对降温时间的影响

5．4．2 超导电机转子质量对降温时间的影响

5．5 本章小结

第六章 二硼化镁超导线圈的降温实验研究

6．1 超导线圈降温过程分析

6．1．1 二硼化镁超导线圈

6．1．2 电流引线漏热损失

6．1．3 各冷质量参数的确定

6．1．4 超导线圈冷却时间估算

6．2 超导线圈降温测试实验

6．2．1 降温测试流程

6．2．2 实验结果分析

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间学术成果

致谢