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空心补偿脉冲发电机温升计算及冷却系统研究

作　者: 赵伟铎
导　师: 崔淑梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 补偿脉冲发电机 CPA 空心温度场冷却系统
分类号: TM31
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

补偿脉冲发电机是利用补偿电枢反应原理和磁通压缩原理的一种新型脉冲功率电源,集储能、机电能量转换和功率调节于一体,被认为是未来实战化电磁炮武器系统的首选电源。随着材料科学的发展,新一代的脉冲发电机广泛采用空心结构,即用新型复合材料替代传统的铁心,提高了电机的储能密度和功率密度。然而,由于复合材料导热性能较差,导致电机整体的散热性能不佳,绕组发热问题成了制约脉冲发电机连续负载运行的最大障碍之一。本文以一台模型样机为研究对象,对空心补偿脉冲发电机的温升计算及冷却系统设计进行了较为全面和深入的研究。针对脉冲发电机负载放电电流难以通过解析计算求解的问题,建立了模型样机的三维电磁场有限元模型,并通过实验加以验证;以电磁轨道炮为负载,仿真分析了放电脉冲电流波形,对电枢绕组和铝筒的损耗进行了准确计算,解决了电磁损耗确定不准确影响电机温度场计算精度的问题,为温度场计算奠定了基础。为了研究负载放电时电机内的温度分布规律,确定电机内的最热点,本文基于气隙等效模型法,建立了模型样机的全域温度场有限元模型,并对模型中关键问题和温升计算参数进行了详细的阐述和分析,通过温升实验研究,分析对比了不同转速下各绕组的实测和仿真温升值,验证了仿真模型的正确性,指出对于空心结构的脉冲发电机,有效降低热源绕组温升的唯一途径是设计强制对流冷却系统。利用温度场模型,仿真了空心脉冲发电机驱动轨道炮负载时的温度场,确定了电机最热点的位置,讨论了不同放电周期下模型样机的温度分布特点及变化规律,分析了最热点温度与脉冲放电次数之间的关系,计算出模型样机可以实现连续运行的安全放电频率,为下一步模型样机的放电实验提供了理论依据。针对样机的温度分布规律,以提高放电频率为目的,为过热绕组设计了两种主动冷却结构,并基于计算流体力学法,对其进行了温度场与流体场的耦合仿真分析,从仿真上验证了两种冷却结构设计的可行性,分析了水流速对绕组冷却效果的影响,为两种冷却系统确定了合理的入口水流速。通过本课题的研究,为空心脉冲发电机温度场计算与冷却系统设计提供了分析方法和理论参考,为下一步模型样机的优化设计和放电实验提供了理论和实验依据,对发展我国新概念武器系统具有重要意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-20
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-18
    1.2.1 CPA 工作原理及国内外研究现状  9-15
    1.2.2 电机温度场计算国内外研究现状  15-16
    1.2.3 CPA 温度场及其冷却系统国内外研究现状  16-18
  1.3 本课题主要研究内容  18-20
第2章空心脉冲发电机电磁场仿真与损耗计算  20-28
  2.1 引言  20
  2.2 空心CPA 模型样机简介  20-22
  2.3 电磁场仿真与损耗计算  22-26
    2.3.1 空心CPA 电磁场仿真模型  22-23
    2.3.2 空心CPA 空载电磁场仿真及实验验证  23-25
    2.3.3 空心CPA 负载电磁场仿真及损耗计算  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第3章空心脉冲发电机温度场仿真模型与实验验证  28-47
  3.1 引言  28
  3.2 基本传热学理论与温度场计算方法  28-31
    3.2.1 基本传热学理论  28-29
    3.2.2 电机温度场计算方法  29-31
  3.3 空心CPA 温度场仿真模型  31-38
    3.3.1 基本假设和求解域模型  31-32
    3.3.2 绕组模型  32-33
    3.3.3 气隙等效模型  33-34
    3.3.4 表面传热系数确定  34-38
    3.3.5 电机内空气温度确定  38
  3.4 温度场仿真模型的实验验证  38-46
    3.4.1 电机停转温升实验  39-42
    3.4.2 电机旋转温升实验  42-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章空心CPA 负载温度场仿真与冷却系统设计  47-61
  4.1 引言  47
  4.2 空心CPA 负载温度场仿真  47-51
    4.2.1 热源计算  47-49
    4.2.2 负载温度场计算  49-51
  4.3 空心CPA 主动冷却系统设计  51-59
    4.3.1 计算流体动力学基础  52-53
    4.3.2 Ansys CFX 流场计算的主要步骤  53-54
    4.3.3 主动冷却结构1  54-56
    4.3.4 主动冷却结构2  56-59
    4.3.5 两种冷却结构比较  59
  4.4 本章小结  59-61
结论  61-63
参考文献  63-69
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  69-71
致谢  71

空心补偿脉冲发电机温升计算及冷却系统研究

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