论文总字数：27213字

摘 要

随着超导技术的发展，超导电机的应用正逐步变成现实，但是超导电机离不开低温系统的支持，因此低温系统以及低温杜瓦的设计是超导电机能否实现的关键。

本文是为5kW的超导电机提供一个实验平台，采用液氮作为冷源，电机的电线需要从室温端延伸到低温端，因此需要设计低温杜瓦的结构和进行热力学计算。本文设计的杜瓦装置采用双层真空夹层的圆柱形不锈钢杜瓦筒体和三杆悬吊的玻璃纤维与环氧树脂复合材料材质制作的超导电机吊装平台，同时需要确保整个装置在工作时应变情况小于许用极限以及振动频率远离共振频域。为了保持电机极低温的环境条件，结构和材质的设计与选择还需要和杜瓦装置的传热分析相结合，本文从杜瓦装置的热传导、热辐射、热对流等多个方面进行漏热量分析和计算，再重新校核结构设计尺寸，实现低温杜瓦装置的结构设计和热力分析一体化。最终设计的低温杜瓦装置满足基本要求的力学性能安全指标和实验要求的液氮损耗率和最大工作时长。

关键词：超导电机，低温杜瓦，液氮，结构设计，漏热计算

ABSTRACT

With the development of superconducting technology, the application of superconducting machines is gradually becoming a reality, but superconducting machines are inseparable from the support of cryogenic systems. Therefore, the design of cryogenic systems and cryogenic dewars is the key to whether superconducting machines can be realized.

This paper provides an experimental platform for a 5kW superconducting machine. Using liquid nitrogen as a cold source. The wires of the motor need to extend from the room temperature to the cryogenic end. Therefore, it’s very necessary for the operation of superconducting motors to design the structure of the cryogenic dewar and perform thermodynamic calculations. The dewar device of this design adopts a double-layer vacuum sandwiched cylindrical stainless steel dewar cylinder and a three-bar suspended glass fiber and epoxy resin composite material to make a superconducting machine lifting platform. At the same time, it is also necessary to ensure that the strain condition of the whole device is less than the allowable limit during operation and the vibration frequency is far from the resonance frequency domain.. In order to maintain the extremely cryogenic environment of the motor, the design and selection of the structure and material also need to be combined with the heat transfer analysis of the dewar device. This paper considers and calculates the heat leakage from several different heat transfer aspects of the dewar installation. And calculation, and then re-check the structural design dimensions to achieve the integration of structural design and thermal analysis of the cryogenic dewar device. The basic requirements of the mechanical performance safety index and the experimental requirements for liquid nitrogen loss rate and maximum working time can be met by the final design of the cryogenic dewar device.

Key words: superconducting machine, cryogenic dewar, liquid nitrogen, structural design, heat leak calculation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 超导电机及其制冷系统的发展进程 1

1.2 低温杜瓦装置的设计难点 2

第二章 杜瓦结构设计 4

2.1 杜瓦结构 4

2.2 杜瓦装置的技术参数和性能指标 4

2.2.1 杜瓦结构技术参数 4

2.2.2 超导电机技术参数 5

2.3 绝热措施 5

2.4 超导腔安装方式 6

2.4.1 吊装支架设计 6

2.4.2 吊装结构的应力分析 7

2.4.3 吊装结构带载荷的频率分析 10

2.5 安全装置设计 12

2.5.1 温度传感器 12

2.5.2 压力变送器 13

2.5.3 内胆安全阀 13

2.5.4 电容液位计 13

2.5.5 防爆膜 14

2.6 工艺特点 14

第三章 传热分析 15

3.1 杜瓦装置端盖向液氮面的辐射传热 15

3.2 筒体夹层部分向内杜瓦壁的辐射传热 16

3.3 各种机械部件引起固体传导漏热 18

3.3.1 杜瓦内筒体壁的导热 18

3.3.2 吊装支架的传导漏热 19

3.3.3 无氧铜电流引线漏热 19

3.3.4 输液管和回气管的传导漏热 20

3.3.5 温度探头引线的传导漏热 21

3.4 内部气体引起的对流漏热 21

3.4.1 杜瓦内外筒体真空夹层间的残余气体的对流漏热 22

3.4.2 内杜瓦中液氮蒸发后产生的氮气引起的对流漏热 22

3.5 液氮损耗率及杜瓦装置工作时长 23

第四章 结论 25

致 谢 26

参考文献 27

绪论

超导电机及其制冷系统的发展进程

在二十世纪初，昂纳斯最早发现了汞金属在极低温情况下，其电阻会大幅减小，并在4.2K的温度状态下，其电阻减小至零，而这种现象就是超导电机的起源——超导现象。从此伴随着超导材料的诞生，现已发现有28种元素和数千种合金和化合物可以作为超导材料。超导材料的蓬勃发展促进了其各应用领域的快速进步，这就包括了超导电机的设计和制造。超导电机指的是一种有利用超导材料的特殊性制造的高效励磁绕组的发电机，其借助极低电阻的优势而实现高功率密度和小体积高效率等优势。但是，超导对极低温超真空的环境要求，极大地增加了各国学者对低温超导电机的研发难度和制作成本，而1987年，铜氧化物超导体的发现受到了世界的关注，高温超导材料便应运而生。超导材料的临界转变温度区间跨度很大，主要分为高低温两类，超导临界转变温度小于30K的为低温超导，最早发现的在液氦温度下转变的金属材料就属于这种传统意义上的低温超导；而现在为了降低制造成本和难度，新发现的可在液氮温度下转变的氧化物材料属于新一类的高温超导。随着材料领域的进步，相继带来的便是电机的新突破。根据材料的超导临界转变温度的高低区间可分为主要的低温超导电机和高温超导电机。高温超导线材的性能和商业化水平在二十一世纪初突飞猛进，跟原有传统的低温超导线材相比，高温超导线材的超导转变温度和载流能力都有非常大幅度的提升，高温超导应用技术也因此能够取得突破，成为新世纪最重大的高新技术之一^[1]。在国家最近发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中也已认为超导电机这一新兴技术的进步对于国家在高新科技领域的快速发展具有十分重要的战略意义^[2]。

随着超导技术的迅速发展，为超导材料提供低温环境的制冷系统也备受关注。当下，用于冷却超导设备的低温制冷系统可分为干式和湿式，前者用制冷机直接冷却，后者用低温液体浸泡。其中湿式制冷系统由于超导器件可浸泡在低温液体中，冷却效果更好^[3]。对于低温技术的高效运用,最重要的就是能创造符合设计要求的低温环境,其次是需要一个绝热系统来维持这样工作温度，才能保证低温技术运用的安全性和经济性。而低温杜瓦装置是现在最为普遍的低温恒温器，用低温杜瓦来为超导电机提供低温环境具有一定可行性。因此，杜瓦装置的设计是浸泡式超导电机技术的关键所在。只有合理的低温杜瓦装置的结构设计和传热分析，才能进一步保证浸泡式超导电机能够长时间的高效运行。

低温杜瓦装置的设计难点

随着超导技术的发展，超导电机的应用正逐步变成现实，但是超导电机离不开低温系统的支持，因此低温系统以及低温杜瓦的设计是超导电机能否实现的关键。由于深低温，高真空的特殊工作环境，低温杜瓦装置的设计需要关于结构、力学、材料和传热等方面进行大量的分析和计算，来满足不同场合的设计性能指标，设计出能够长时间的保持所需低温环境的绝热系统。

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