PDF《一种双转子电磁热机及其磁场和涡流分析》

1 基本结构及工作机理 电磁热机是一种针对流体加热的机电热换能装 置, 同时对受热流体具有磁化作用, 热机的定、 转子 材料的选取及机械结构的设计, 要同时兼顾致热及 磁化两种性能. 双转子 电磁热机的结构原理如图1所示. 热机主要由双转子部件、 定子部件、 外罩、 端盖、 轴承等组 成.双转子热机的定子采用铜材料, 一方面具有高电导率的铜材料在旋转磁场作用 下可感生出高强度涡流, 而且铜的导热性好, 传 热效率高;

另一方面铜的相对磁导率近似为 1, 磁通可穿过定子有效分布于定子内部的传热管 道中, 可强化对水媒质的磁化效应.并且, 旋转 磁场 的磁化效应对铜材料的缓蚀效率达到89. 14% , 要远远优于对其他材料的缓蚀效果[6] .热机的定子

8 内部开有折流管式换热管 道, 并在轴向一侧留有流体进口及出口, 通过定 子端盖

1 与外部管道相连接.热机的外转子

6 与内转 子10 套接在一起, 由支撑件12 固定. 整个转子 部件可同轴旋转.内、 外转子采用导磁铁心材料, 共表贴

10 对径向充磁的瓦型永磁 体.图2为热机的转子与定子示意图, 图中箭头所示为永磁体磁化方向.

3 2

1 4

5 6

7 8

9 11

10 12

13 14

15 1―定子端盖;

2―轴承;

3―左端盖;

4―轴承;

5―外罩;

6―外转子;

7―外永磁体;

8―定子;

9―内永磁体;

10―内转子;

11―轴承;

12―内 外转子支撑件;

13―右端盖;

14―轴承;

15―转轴. 图1双转子电磁热机原理结构图 Fig.

1 Scheme of dual- rotor electromagnetic heat engine 进水口 换热管道 气隙 铜定子 内转子 出水口 内永磁体 外永磁体 外转子 图2双转子及定子结构示意图 Fig.

2 Scheme of dual rotors and copper stator 当转子部件在外力带动下旋转时, 产生的旋转 磁场通过气隙与铜定子交链, 铜定子即产生由感应 电势生成的涡流的电阻损耗.单转子结构的热机只 能在定子一侧感应致热, 而双转子结构的热机, 使得 铜定子的内、 外两侧都可感应出极大的涡流强度, 产 生高密度热功率, 有效提高热机的致热功率及传热 效率.装置内还存在通风损耗、 轴承摩擦损耗等机 械损耗, 这些损耗皆变成热能.传热工质( 主要是 水媒质) 经过铜定子内部完全密闭的换热管道, 将 热能带走, 出口与入口即存在较大的温差. 该热机的机、 电、 磁、 热系统和以水为媒质的热 交换系统有机组合在一起, 实现从机械能输入到热 能输出的能量转换, 同时通过热机内的强磁场改变 水媒质的物理化学特性, 对磁场能加以利用.

2 磁场、 涡流及损耗解析 图3为双转子电磁热机的简化求解模型, 需要 进行如下基本假设及简化处理: 假定热机内电磁场 为二维分布, 即不考虑其轴向长度的影响;

忽略定子 及气隙的位移电流, 因此铜定子表面的法向电流密 度恒等于零.下标 s, m, a, r, e 分别代表模型中不同 的求解区域.

2 5 电机与控制学报第17 卷子P 铜定子区域 ( s) 永磁体区域 ( m) 气隙区域 ( a) 转子铁心区域 ( r) 外部区域 ( e) R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 图3双转子电磁热机求解模型 Fig.

3 Model of dual- rotor electromagnetic heat engine 在极坐标下, 永磁体磁化矢量 Μ 可表示为 M = Mr r + Mθθ, ( 1) 式中: Mr 为永磁体磁化强度的径向分量;

Mθ 为永磁 体磁化强度的切向分量.傅里叶分解得出永磁体磁 化强度的径向和切向分量为 [7 -