相对型量热计高紊流热交换机制及其最佳控制策略研究

Calorimetric method is one of the most effective and accurate method to determine the efficiency of electric motor system, especially for high efficiency ones. The calorimetric method is included the new IEC60034-2 machine efficiency test as a standard test method. The project proposes a ‘relative type’ balance calorimeter, and its testing method and system structure for high precision measurement. The balance calorimeter is much simpler in terms of system structure by not measuring the most difficult part, the properties of heat exchange medium, such as pressure, specific heat, humidity. The project conducts the theoretical research and experimental validation on key technologies, includes heat exchange medium distribution, temperature graduate, heat exchange control and structure parameters.

量热法是测定电机系统，特别是高效电机，效率和损耗的准确有效方法。项目提出相对型量热法机电能量转换系统高精度量损耗测定方法和系统结构，避免了现有量热法测试系统中换热介质气压，比热，湿度等复杂特性参数必须准确测定的问题，并就测试系统中热交换介质运动状态、温度分布、热交换控制和结构参数相关影响等关键问题开展理论和试验研究。 建立计及电机内部损耗分布的测试系统全域三维流体动力学和传热学分析模型，提出无温差绝热边界的控制方法，探究热交换介质区域化运动活跃度和温度梯度分布规律，找出维持介质高混流度和促使测试室内温度均匀分布的最佳流体动压控制点，研究介质出口内延管路空间分布对介质出口温度分布影响机理，非均匀性加权优化热交换管路实现出口介质梯度最小化，提高测试结果的可靠性。通过模拟试验，验证理论研究结果，为合理设计机电能量转换系统高精度损耗测试系统提供模型分析和科学依据。

项目背景.现存的国内外量热法，需要测量进出测量装置的介质的流体特性，包括压力，流速，速度等,测量系统复杂并且测量数据冗杂，系统误差大。.研究内容.完成用于电机系统效率测量的相对型量热计的相关理论研究，实现了高精度相对型量热计在机电能量转换系统中的应用，研究出了高导热材料和绝热材料交叠多层复合绝热边界结构，找出了维持介质高紊流度和促使测试室内温度均匀分布的流体控制策略，提出了出口介质温度梯度最小化分布的管路规划方案。.重要成果.1).模拟可控热源使得其达到与电机系统相同的热平衡状态测量电机效率。.2).设计制造了量热计小型试验样机系统一套，并开展试验研究；.3).在国内外期刊或国际会议上发表了学术论文10篇；申报国家发明专利4项；.4).培养了博士研究生3人。.主要科学数据.本项目提出了如何定义精确的标准量热仪，直接测量总损失从而提供了更高的准确度，以供每个测试实验室或制造商使用。CFD模型是通过环境温度，绕组温度等的实验测定来验证实现的。在CFD模型的基础上，提出了改进的进气管，使得空气混合均匀，同时使用了多个22mm铜管流动矫直器来平均气体速度，从而测定测量中心的温度的出口介质温度梯度最小化分布的管路规划方案。研究出了高导热材料和绝热材料交叠多层复合绝热边界结构，将整个量热仪外壳分为四层。内壁和外壁由6mm厚的铝板组成，在两个铝板之间是100mm的发泡聚苯乙烯层作为绝热体以减少热量泄漏，在外壁与环境之间用一层100mm厚的聚苯乙烯隔离，以确保均匀的外壁温度。同时为了使热泄漏最小化，在每个外壁中使用六个等间隔的独立的电阻加热器使得外壁温度与内壁温度相同，从而控制壁的温差在0.2℃内，相应的热泄漏理论在0.26W内。为了减少诸如支撑腿，轴连接和电缆连接等的热量泄漏，支撑腿用聚苯乙烯绝缘材料制成中空，钢制驱动轴通过橡胶联接装置完全密封。.科学意义.该理论研究成果和方法不仅能为今后电机系统效率量热法的设计和研究提供有效的手段和科学依据，而且可以为电机驱动系统的效率优化设计提供理论参考，同时研制的装备可以在航空航天、多电交通、高精尖驱动装备和先进电磁武器等中小功率高性能电机系统应用，具有重要的理论和实际意义。