绝热力矩管的漏热分析*

张志政，成建联

（长安大学道路施工技术与设备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引言

高温超导电机(HTS)具有体积小、效率高的特点，成为了未来电机的发展方向。在超导电机的运行过程中为了使超导磁体具有超导性，需要始终处在低温状态。力矩管位于常温端轴和高温超导磁体之间，起着支撑和传递转矩的作用。由于力矩管两端存在较大的温差（约为270K），则从常温的端轴必有一定的热量传递到低温的超导磁体。为了满足超导电机的设计要求，必须对漏热量进行计算。

1 力矩管的组成结构

超导电机的超导转子中有超导磁体，而超导磁体需要低温环境才能工作。相对的，超导转子的外部环境是室温状态，超导磁体及其支撑结构又不可能“悬浮”于室温环境中，需要与其他室温部件有机械上的连接。这个机械连接既要能够传递超导磁体的电磁转矩和支撑超导磁体的重量，又要尽可能的减小从室温组件到低温组件的漏热[1]。该结构一般称为“绝热力矩结构”或“绝热力矩管”。对于非风机类型的超导电机来说，绝热力矩管一般安装在转子轴的两侧，如图1所示。转子中心为低温区，温度约为20 K，总质量约为300 kg。

图1 绝热力矩管

2 复合材料导热系数的测试

要分析力矩管的漏热，需要知道导热系数，绝热力矩管中的管状结构材料为G-10[2]，两端的衬套材料为AISI 316L，由于材料的导热系数随温度的升高而增大，温度越低，导热系数越小。在温度场计算时，可在低温端采用第一类边界条件，即给定温度T（模拟计算为20K）；在常温端则采用第二类边界条件，即给定热流密度[3]。

力矩管在实际工作中会受到热应力、离心力、弯矩、轴向拉力等多种载荷的影响。相关研究表明，热应力的影响最大，因此，简化分析中仅可考虑热应力，并假设热量沿力矩管长度方向传递[4]。

3 力矩管有限元模型的建立

利用Solid works2018绘制三维实体模型，如图2所示。由Workbench17.0.对力矩管的三维模型进行网格划分、定义温度边界条件得到力矩管稳态热分析的有限元分析模型，通过稳态热分析得到力矩管的热流密度分布云图，如图3所示。

图2 力矩管三维模型

图3 力矩管热流密度

在温度场的计算中只考虑了力矩管的传导漏热而忽略了辐射漏热，并且力矩管的模型也进行了适当的简化，导热系数也采用的低温端边界条件，因此，会留有一定的余量。

4 结束语

本文通过对高温超导电机力矩管的结构漏热量进行了有限元仿真，由于几何模型建立的更加详细，相比理论计算，采用有限元方法，更适用于漏热量的精确计算。由于力矩管的工作环境中，同时受到弯矩、转矩、轴向拉力和高温超导磁体的重力影响，因此，如果要更准确进行结构设计和分析，就必须要对力矩管进行耦合分析。