[01220165]基于风能、水利能及电能等清洁能源综合利用的节能环保型机电热一体化换能器

热能是国民经济和人类生活必需的能源之一,以水为热传输媒质的热源是重要的热源类型,从煤、石油和天然气获得热能是传统的热能来源。现代社会,人类除设法提高传统热源的效率及环境适应性外,又设法利用太阳能、风能、水利能以及电能等清洁能源来获得热能。利用变压器电势的电磁感应加热方式在国内外工业领域已得到广泛应用。目前,俄罗斯、北美、北欧、日本等国就磁滞涡流致热的研究十分活跃,但未见有基于旋转电机机理的机电热一体化换能原理的公开报道。本项目拟开展的“基于风能、水利能及电能等清洁能源综合利用的节能环保型机电热一体化换能器”的核心研究内容经查新,在国内外除本课题组的专利文献外均未见其他报道。 电机损耗与温升的逆问题,为我们提供了研究与开发旋转电机第三种功能的思路,即将原动机输入的能量、磁场储能和热能构成新的旋转机电热系统,该系统不输出机械能或电能,而是利用电磁理论和旋转电机中损耗理论与温升的概念,将输入的能量（电能、风能、水能或其它机械能等）充分、有效地转换为以水为热传输媒质的热能,即将输入的能量全部作为“损耗”转化为有效热能输出。此外,水质适应性是传统热水锅炉的重要指标,而除垢防垢是传统热机以及电热锅炉等需解决的课题之一。因此,研究对水媒质具有磁化软化作用和除垢防垢功能的新型机电热换能器的基础理论,开发其实用技术,既具有逆问题研究方法的价值,又拓宽了传统旋转电机的功能和应用,无疑在电机领域具有重要的理论价值和实际工程应用意义。 本项目着眼于电磁工程科学与能源科学、工程热物理、材料科学、计算机科学、环境科学等的交叉、融合。本研究以电磁理论和电机学为依托,吸取和运用传统旋转电机的可靠性、可大功率化等特点,以获取热能为目标以期拓展旋转电机功能。本研究提出并研究一种以水为热传输媒质的机电热一体化换能器,该换能器基于永磁材料转子的旋转磁场、高电磁损耗材料块状定转子铁心及笼形导电体的短路发电机机理,利用旋转耦合电磁场产生的旋转电势生成的二次侧短路电流、磁滞、涡流等热效应以及合理的热交换系统等,构成从传统机电换能器角度看为“零效率”电机的具有对水媒质有磁化软化作用和防垢除垢功能的机电热换能器,并研究相关机理、工程应用技术和设计方法。 本项目的立论基于电机损耗与温升的逆问题研究,开发传统旋转电机除发电和电动功能的第三功能,即基于旋转电势二次短路电流以及涡流磁滞等的热效应和高导磁高导电高铁损材料的电磁换热机理以及电机物理场（电磁场、流体场及温度场）的综合传导热理念。与燃烧致热、电热元件致热及静态电磁感应致热等方法相比较,如果说机电热换能器仅是增加了热机的类型和种类的话,那么,具有对水媒质的磁化软化作用及防垢除垢功能的换能器则是本项目的特色和创新。经查新,国内外未见有相同或类似的公开报道,相关研究内容均已获中国发明专利授权,具有自主知识产权和原始创新性。 该机电热换能器产品热转换效率可达98%,与同类型不同原理的电热锅炉相比,可节电5-10%。除能降低原有电热锅炉的能耗之外,该换能器具有的除垢防垢功能还能够大大降低热系统的维护成本,具有良好的社会和经济效益。 本项目从旋转电机温升反问题出发,采用适当的材料、结构和方法,将输入的能量完全充分地转换为热能,即将旋转电机传统意义上“损耗”转化为有效热能,研制成功了一种基于风能、水利能及电能等清洁能源综合利用的节能环保型机电热一体化换能器。它将电、磁、热系统和以水为媒质的热交换系统有机地组合在一起,利用磁滞、涡流和二次感应电流综合加热。水媒质完全处于交变电磁场中,除获得热能外,还能够将水质磁化软化。该产品热转换效率可达98%,与同类型不同原理的电热锅炉相比,可节电5-10%。