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轴向充磁式--永磁直线发电机的研究
收录时间:2022-11-25 21:37:29  浏览:0
轴向充磁式-永磁直线发电机的研究 硕士学位论文轴向充磁式永磁直线发电机的研究甘旭辉 2010年 6月 国内图书分类号/TM359/4学校代码/10213 国际图书分类号/621/3 密级/公开 工学硕士学位论文轴向充磁式永磁直线发电机的研究硕士研究生/甘旭辉 导 师/郑萍教授 申请学位/工学硕士 学科/电气工程 所 在 单 位/电气工程及自动化学院答 辩 日 期/2010 年 6 月 授予学位单位/哈尔滨工业大学Classified Index/ TM359/4 U/D/C/ 621/3 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET LINEAR SYNCHRONOUS MACHINECandidate/ Gan XuhuiSupervisor/ Prof/ Zheng Ping Academic Degree Applied for/ Master of Engineering Speciality/ Electrical Engineering Affiliation/ School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence/ June/ 2010 Degree-Conferring-Institution/ Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 近年来/内燃机排放等问题受到了人们的日益重视/可以使用多种清洁能源的斯特林发电系统受到了国内外的关注。本文所研究的内容就是与斯特林发动机配套使用的一种永磁直线发电机。为满足特定场合的应用要求/本文对轴向充磁式永磁直线发电机进行了相关的设计、分析、优化和实验工作。 本文首先利用有限元软件 Ansoft/根据要求设计了一台 1kW 的轴向充磁式永磁直线发电机/并对该永磁直线发电机动子外径、永磁体的宽度和高度、电流密度等指标进行了优化/比较了有槽肩结构和无槽肩结构对该永磁直线发电机性能的影响。在昀后给出了该永磁直线发电机的基本性能曲线。 分析了永磁直线发电机中存在的边端定位力和齿槽定位力的问题。并给出了边端力和齿槽力的基本表达式。根据边端力的表达式/提出了减小边端力的方法。讨论了减小齿槽力的一些基本措施/并指出在选择减小齿槽力方案的时候应当注意的负面影响。在昀后/针对本次设计的轴向充磁式永磁直线发电机存在的推力波动问题给出了两种实用的改进方法。 由于该永磁直线发电机的实际使用有温度***要求/本文利用有限元软件Ansys 对该永磁直线发电机进行了相关的温度场仿真研究。研究结果表明该永磁直线发电机在稳态工作时的温度昀高点出现在绕组上/发现其稳态运行时的昀高温度在允许范围内。针对实验中永磁直线发电机是由旋转电机带动/其运动速度为非匀速的情况/本文进行了非匀速运动的仿真/认为非匀速运动的情况更接近实际/更有实际意义。 本文昀后设计制造了一台样机/进行了样机的空载和负载实验/负载实验包括纯电阻负载实验和蓄电池负载实验/实验中样机的工作平均速度只有设计的 1/3/对实验中出现的问题进行了相关分析/并得出了在实际速度时/样机的发电电压是满足条件的。关键词/轴向充磁/直线发电机/斯特林/圆筒型 - I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Nowadays/ because of the environment problem/ the internal combustion engine is going to be replaced by the Stirling system in some area/ The axial flux permanent magnet linear synchronous machine researched in this paper is one part of the Stirling system/ To fulfill the needs in the special application/ this paper does some work in design/ analysis/ optimization and experiments about this machineWith the help of the software Ansoft/ I designed a 1kW power axial flux permanent magnet linear synchronous machine/ And then some optimization work about this machine is done/ including the outer diameter of the mover/ the width of the permanent magnet/ the height of the permanent magnet and the current desity in the copper/ Two kinds of construction about this kind of machine are discussed/ At last/ some figures about the output performance of this machine are listedWe analysis the detent force of the permanent magnet linear synchronous machineThe detent force mainly contains two parts/ the ending force and the slot force/ The expressions of the ending force and slot force are gived and we can find some ways to decrease the ending foce/ Some methods to decrease the slot force are also listed/ But we should notice there maybe some other negative effect/ I have researched two applied ways which can be used in the prototype to decrease the fluctuation of the output forceWhen the machine is working/ the temperature in this machine is not allowed to be higher than 140 centigrade degrees/ So I used the software Ansys to simulate the working temperature in this machine/ After the simulation/ we find the highest temperature of the machine occurred in the copper and the value of the highest temperature is in the safe region/ And then we discuss the output performance if the velocity is not constant/ We find the output performance if the velocity is not constant is more useful than the output performance if the velocity is constantWe finally manufacture a prototype/ And then I take the non-load experiments and load experiments about the prototype/ The load experiments contain resistance experiments and the storage battery experiments/ The imum velocity of these experiments is only one third of the designed velocityThese are also some problems during these experiments and I discuss the reasons/ We find the output voltage of the non-load experiments is according with the designed valueKeywords/ axial flux/ linear generator/ Stirling/ tubular- II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要/I AbstractII第 1章 绪论1 1/1 课题来源及研究的目的和意义 1 1/2 国内外相关领域发展现状1 1/2/1 斯特林发动机的工作原理及特点/ 1 1/2/2 斯特林发电机系统在国外的发展/ 2 1/2/3 斯特林发电机系统在国内的发展/ 4 1/3 直线电机的概述 4 1/3/1 直线电机的发展历史 4 1/3/2 直线电机的原理5 1/3/3 直线电机的分类7 1/3/4 直线电机的应用8 1/4 本文的研究内容 9 第 2章 轴向充磁式永磁直线发电机的基本电磁设计/ 11 2/1 引言 11 2/2 永磁直线发电机材料的选取11 2/3 电机结构尺寸的选择12 2/3/1 动子外径的选择 12 2/3/2 永磁体宽度的选择14 2/3/3 永磁体高度的选择15 2/3/4 电流密度的选择 16 2/3/5 无槽肩结构对永磁直线发电机的影响 17 2/4 电机的基本性能/ 18 2/5 本章小结/ 19 第 3章 永磁直线发电机推力波动的分析 20 3/1 引言 20 3/2 永磁直线电***力分析 20 3/2/1 永磁直线电机端部力及其昀小化分析 24 - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3/2/2 永磁直线电机齿槽力及其减小措施/ 26 3/3 永磁直线发电机推力波动的改进 27 3/4 本章小结/ 28 第 4章 永磁直线电机温度场与非匀速运动分析 29 4/1 引言 29 4/2 传热的基本方式/ 29 4/2/1 热传导/ 29 4/2/2 对流30 4/2/3 辐射30 4/3 电机温升的一般计算方法 30 4/4 永磁直线发电机的热分析及有限元模型 31 4/5 热源 32 4/5/1 铜损33 4/5/2 铁损33 4/6 热分析有限元仿真结果/ 33 4/7 永磁电机非匀速的运行特性34 4/7/1 永磁电机匀速与非匀速运动的空载分析35 4/7/2 永磁电机匀速与非匀速运动的负载分析36 4/8 本章小结/ 36 第 5章 样机制造及实验研究37 5/1 引言 37 5/2 样机的加工制造过程37 5/2/1 样机定子的加工 37 5/2/2 样机动子的加工 38 5/2/3 样机的装配39 5/3 样机的实验平台/ 40 5/4 发电机的空载实验与分析 41 5/5 发电机的纯电阻负载实验与分析 44 5/6 发电机的蓄电池负载实验与分析 48 5/7 本章小结/ 49 结论51 参考文献 52 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果/ 55 - IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明/ 56 致谢57- V - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1章 绪 论 1/1 课题来源及研究的目的和意义从上世纪 60 年***始/由于内燃机的大量使用/其排放出的尾气使得环境污染日益严重/两次能源危机使人们意识到能源形势的严峻性/节能与环保问题已成1为当今世界的两大课题 。斯特林发动机能够非常有效地应对这一挑战/由于斯特2林发动机可使用多种燃料/尤其是一些清洁燃料如天然气、丙烷、氢气、太阳能或生物气等/可以很好地解决内燃机排放尾气的问题。而且斯特林发动机还能充分3利用各种废气如垃圾填埋气、煤层气甲烷、工业废气等 /可以将平时当作废物排放出去的气体充分利用/对当今资源并不充分的时代也有着积极的作用。作为一种可选方式/斯特林发动机对于节约能源、降低有害气体排放有着重要的意义。永磁直线发电机作为一种直线运动的发电机机构/配合直线运动的斯特林发动机就构成了一个斯特林发电系统。在斯特林发电系统中它可以作为原动机带动发电机进行4/5发电 /该系统能利用斯特林发动机的优势将其他形式的能量直接转换成电能/作为一种电源的形式为其他设备提供电力保障。 本课题来源于国家自然科学基金/主要研究对象是斯特林***活塞式发电系统中的永磁直线电机。本文针对应用于斯特林发电***活塞系统这一背景/分析和设计了一台永磁直线发电机/并制作了一台样机进行了相关的实验验证工作。 1/2 国内外相关领域发展现状 1/2/1 斯特林发动机的工作原理及特点 斯特林发动机的结构简图如图1-1所示。斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往***塞式热力发动机/ 1816 年由苏格兰的 R/斯特林发明。斯特林发动机气缸一端为热腔/ 另一端为冷腔。图1-1 斯特林发动机结构简图 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 斯特林发动机的循环系统由热腔、加热器、***器和冷腔等组成/并依次串联6在一起 。工质通常为氢气或氦气封闭在其中。冷腔由冷气缸和冷活塞组成。热腔由热气缸和热活塞组成。在循环过程中/热腔和加热器处于循环系统的高温部分/叫循环系统的热区/冷腔和***器处于循环系统的低温部分/叫循环系统的冷区。在冷区和热区之间是回热器。工质在低温冷腔中压缩/ 经过高温热腔的加热/使得工质膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧产生热量/并通过加热器传给工质/ 工质不直接参与燃烧/ 也不更换。当工质从热区流向冷区时/工质在回热器中得到***/使工质温度从热腔温度下降到冷腔温度/回热器积贮了工质因***而放出的热量/当工质从冷区流向热区时/工质在回热器中得到加热/回热器将积贮的热能重7新传给工质 。 其循环的4个组成过程分别为/ 压缩过程、加热过程、膨胀过程和***过程 3因此/斯特林发动机和内燃机相比有如下优点 / 1 振动小、噪音低、排放低/ 2 无需燃气压缩机/ 进气压力低/ 3 比内燃机少 50%的零部件/ 4 可用任何种类的燃料如天然气、丙烷、氢气、柴油、燃料油、垃圾填埋气、煤层气甲烷、工业废气、太阳能或生物气等/ 5 设计寿命长/ 6 出力和效率不受海拔高度影响。 因而斯特林发动机在动力工程和能源利用等领域有着广阔的应用前景。 1/2/2 斯特林发电机系统在国外的发展 近代的斯特林发电系统是荷兰飞利浦公司于 1938 年开创的。美国 GM 公司、福特公司、瑞典联合斯特林公司和西德 MAN/MWW 公司先后进行了相关的研究。到了 70年代后期/具有代表性的斯特林发动机有 4-215D、P-40、P-75、P-150 等。 1973 年石油危机以后/日本决定将斯特林发电系统作为节能规划中的发展重点/并将船用斯特林发电系统为突破口/制定了详细的十年发展规划。 英国里丁大学、皇家海军学院、巴斯大学和彼得斯公司等六个单位在英国政府和一些财团的资助和支持下/对斯特林发电系统进行了相关的研究。同时/皇家海军学院从事了 1MW以空气为工质的船用斯特林发电系统的方案设计。 加拿大卡尔加里大学斯特林小组对斯特林发电系统的理论、试验和整个系统的总体方案作了大量的工作。而且他们提出了以较小的代价将 AICO254 型柴油机改装为燃煤斯特林系统的设想。 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 斯特林发动机的特点在于无噪音、可用多种燃料/而且效率高。所以昀初想把它用于取代内燃机。但是相对于内燃机的高速发展/斯特林发动机的弱点就非常明显/比如/结构复杂、体形笨重、控制性能差/价格高等/所以除了在宇航和深海8 9潜艇外/它的应用就局限的多 。斯特林发动机的用途有三个方面 /一是利用它的高效率和无噪音特点/将其作为气体发动机带动活塞式水泵/二是利用它可用多种燃料的特点/被发展中国家用作万能燃料的通用发动机。三是被用于根本无法使用内燃机的领域?太阳能发电和动力领域。 目前/美国的 Infinia 和 Sunpower 等公司/荷兰飞利浦公司/日本运输省/英国和瑞典联合斯特林公司都对斯特林发电系统进行了研究工作。 Infinia 公司研究、制造和测试斯特林发电系统及其***系统达 30 多年。期间Infinia 公司成功地开发了功率从 10W 到 3kW/电热转换效率从 25%到 40%的不同等级的斯特林发电系统。它们生产的斯特林发电系统具有运行时间长、效率高、运行平稳和可靠性高等特点。例如/Infinia 公司生产的发电机系统能应用到某些昀小运行时间为 120/000 小时的场合。Infinia 公司的 SonggangQiu 和 JohnE/ Augenblick在其文章9中提供了斯特林发动机各组成部分的详细设计方法/并指出了在不牺牲系统效率的前提下获得高工作时间的方法。 Sunpower公司从 1975年开始已经生产了一批电功率 100-3000W的斯特林发动机。此外/该公司还生产了一种以太阳能、液体燃料或固体燃料为热源的/电功率为 1000W、频率为 60Hz 的***活塞斯特林发电系统/设计的发电效率高达 42%。图 1-2 为该公司设计的一套利用斯特林发动机和直线电机构成的 3kW发电装置。图 1-2 3kW斯特林发电系统原理图 在小功率方面/法国贝尔福特 FEMTO-ST 实验室制造出了 2-15W 工质为氦气10的 型斯特林发电系统。斯特林科技公司开发出了系列发电系统 RemoteGen系列 /其中 RG-10 的功率为 10瓦/RG-350的功率为 350瓦/正准备开发 1kW到 3kW的斯特林发电系统。除此之外/加拿大卡尔加里大学、德国 MAN和 MWM 公司和俄- 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11/12罗斯的一些研究和生产单位也进行了相关的研究工作 。 1/2/3 斯特林发电机系统在国内的发展 相对于国外/国内在该领域的研究起步晚/底子薄/目前我国在相关领域的研究还很少。 我国昀早进行斯特林发动机的研究单位是长春汽车研究所/该所曾在 1960 年做过一些不成功的尝试。第一台斯特林发动机R45型是六机部 711所与 1977年试制成功的/1978年该所开始大缸径单缸机 1R150的设计/投入菱形传动部件试验/1980年又设计了 2R70型第一代双作用原理试验机/与此同时/还对斯特林发动机的关键技术如密封、回热器、电加热等进行了模拟试验研究/并建立了相应的实验手段。此外/武汉水运学院、湖南大学、中科院工程热物理研究所等也进行了相关研究。 1/3 直线电机的概述 1/3/1 直线电机的发展历史 13直线电机的发展经历了漫长的历史 /从 1840 年英国人惠斯顿Charles Wheatstone发明了世界上第一台直线电机/至今已有 160多年。其发展过程大致分为三个阶段/探索实验阶段1840 一 1955、开发应用阶段1956 一 1970及实用商品14阶段 。 探索实验阶段1840 一 1955/这个阶段直线电机在与旋转电机的竞争中/没能找到惟独它能解决问题的应用领域/在成本和效率方面处于劣势/以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功/所以/直线电机在这一阶段始终未能得到真正的应用。 开发应用阶段1956 一 1970/由于材料科学与控制技术的迅速发展/同时/过去的理论和实验研究工作为直线电机进入开发应用环节打下了坚实的基础。英国的E/ R/ Laithwait教授是现代直线电机发展的先驱者/他的一些开创性贡献推动了直线电机技术的发展。1965年以后/随着控制技术和材料性能的显著提高/一些适合直线电机的实用领域被逐步开发出来/实用商品阶段1971 至今/在这一时期直线电机得到了进一步发展/逐渐进入了实用商品化阶段。在这个时期/研究人员找到了适合直线电机特点的领域/在高15速、高精度及微进给领域 与旋转电机展开竞争。当今/国际上许多知名电气企业均在研究和开发直线电机相关产品/典型的几家直线电机厂商及其产品如表 1-1 所示。 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 1-1 国外直线电机主要厂商及其产品性能一览表 额定推力N公司 型号 励磁方式 行程mm 昀大速率 m/s 昀大加速度 g无*** 水冷LEC 系列 永磁 无*** 730 910 5 10 Anorad LFD系列 永磁 无*** 4000 8000 5 10 LSF系列 永磁 土 3000 3/3 10 6000 12000Indramat LAP系列 感应 土 3000 3/3 10 4500 9000永磁 无*** Aerotech BLM 280 427 5永磁 Parker Linearserv 50-150050-300 2 7 永磁 Fanuc 9000B9000 2 2 Plate/Dri 永磁 无*** 3 10 245Kollmorgen Drv/Linear 永磁 无*** 3 10 5000 8000INF1 系列 永磁 无*** Siemens 6500 3/3 8我国直线电机的开发应用研究始于上世纪 60 年代/开展直线电机应用研究单位主要有中科院电工所、清华大学、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作工业学院等。直线电机作为制造装备或加工中心进给系统研究的主要有以下几所大学/广东工业大学成立了“超高速加工与机***研究室”/主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”/研究的重点是直线感应电机/沈阳工业大学制造了永磁直线同步电机样机/研究的另一重点是电机的控制方式及伺服系统/并就此发表了多篇论文与专著/清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所研制了高频响直流直线电机/浙江大学是国内昀早从事直线电机研究的高等院校/成立了专门的直线电机研究所/在直线电机理论与应用方面均取得了相当多的成果/这些成果表明我国的直线电机的理论及应用研究己取得较大的成绩/并在快速发展/但不可否认/与国际直线电机研究与应用的先进水平相比/我国还存在着较大的差距。 1/3/2 直线电机的原理图 1-3 由旋转电机转变为直线电机的过程 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机- 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 构的传动装置。它可以看成是将一台旋转电机沿径向剖开而成/如图 1-3 所示。这也就是昀原始的直线电机的由来。由旋转电机的定子演变而来的称为直线电机的初级/由旋转电机的转子演变而来的称为直线电机的次级。旋转电机的径向、周向和轴向分别对应于直线电机的法向、纵向和横向。有时候也可以将直线电机中的运动部件称为动子/静止部件称为定子/如图 1-4所示。图 1-4 永磁直线电机结构简图 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的/而且其工作原理也与旋转电机相似/遵循电机学的一些基本原理、基本公式。若用ns r/min表示旋转电机的同步转速/ f Hz表示电流的频率/ p表示电机的极对数/则有如下公式成立/ 60fns 1-1 p如果用vs m/s表示在定子内圆表面上磁场运动的线速度/则有/ nsvp s 22 f 1-2 60式中 ?极距m如果旋转电机中对称的定子绕组中通过对称的正弦电流/旋转电机的气隙中就会产生以同步转速ns旋转的磁场。同理/若在直线电机的绕组中通过对称的正弦电流后/它也会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时/这个气隙磁场的分布情况可以看成是沿着直线方向呈正弦形分布。但是直线电机中的气隙磁场是平行移动的/因此通常称直线电机的气隙磁场是行波磁场。显然/行波磁场的移动速度和旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的/即为式1-2中的vs m/s/且式1-2对于直线电机也是成立的。 如果改变旋转电机的通电相序/就可以实现旋转电机的反转。同理/如果改变直线电机的通电相序/就可以实现直线电机的反方向运动/根据这一原理就可以使直线电机做往复直线运动。- 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1/3/3 直线电机的分类 直线电机按照其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型或管型、圆盘型和圆弧型四种不同的结构。 直线电机按其功能用途来分/主要可分为三类/1、力电机。它主要用于提供直线推力的场合。它的指标主要是推力/功率。2、功电机。它是一种用于长期运行的直线电机。3、能电机。这类电机主要用于短时间、短距离内提供巨大的直线动能。 从原理上讲/直线电机可分为两个大的方面/即直线电动机和直线驱动器。图1-5表示了这些直线电机的分类。图 1-5 直线电机的分类 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本课题所研究的轴向充磁式永磁直线电机从原理上讲属于交流直线同步电机中永磁式中的一种/从结构上讲属于圆筒型永磁直线电机。 与永磁同步旋转电机相类似/圆筒型永磁直线电机中/动子永磁体按照充磁方16式的不同也有三种不同的结构/分别是轴向充磁、径向充磁和 Halbach结构 。轴向充磁结构的永磁体的充磁方向是沿着电机轴向的/径向充磁结构的永磁体的充磁方向是沿着电机的径向/而 Halbach 结构的永磁体的充磁方向则即有轴向充磁又有径向充磁/其永磁体的充磁方向在圆周上是旋转排列的/如图 1-8所示。a 径向充磁结构b 轴向充磁结构c Halback 充磁结构 图 1-8 直线电机三种不同充磁结构示意图 本文所研究的永磁直线发电机的动子充磁结构为图 1-8中的 b所示。 1/3/4 直线电机的应用 随着微电子、电力电子技术、永磁材料技术和驱动技术突飞猛进的发展/直线- 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 17/18电机的开发应用也得到了充分的发展 /直线电机在世界各国的应用也得到了飞速地发展。直线电机的应用大致可分为五个方面/即物流系统、交通和民用领域、信息与自动化系统、工业设备、军事及其他。 1、在物流输送系统中的应用/国外的一些发达国家用直线传动系统替代了传统的旋转电机的传动方式。直线电机的传动系统具有许多优点/高效、低噪声、安全可靠和维护方便等。 2、在交通和民用领域的应用/采用直线电机及其驱动技术使得列车在轨道上悬浮滑行的磁悬浮列车是直线电机在这一领域的突出应用。它能够实现不接触、不带燃料的高速运行/它具有许多优点/如/速度高、运量大、噪声和振动小、能耗低、维护方便。运行平稳等。这项技术是人类交通史上的重大突破/世界上许多国家都对这一领域展开了研究。 3、在信息与自动化系统的应用/采用直线电机后的计算机输入输出设备可以有效地缩短存取时间。此外/在打印机、扫描仪等设备中采用直线电机可以提高分辨力和停止精度/改善加速特性。直线电机在自动化系统等方面的应用有新型的笔式记录仪、自动绕线机等。 4、工业设备中的应用/在工业设备中/直线电机在机***领域中的应用表现昀为突出。尤其是数控机***中/直线电机的优良性能更是得到了淋漓尽致的发挥。在国外的一些高精密的数控机***中/高性能的直线电机更是必不可少的部件。而我国的高精密数控机***相对于国外则有一定的差距/为了能偶加工制造这些高精密的数控机***/我国在直线电机的领域中也下了很大的功夫。此外/直线电机还可以应用在一些新的冶金工业设备中。 5、在军事及其他方面的应用/直线电机在军事方面也获得了充分的发展/如电磁弹射器、潜艇、电磁***、***靶场、等/在卫星和宇宙飞船上/航空航天、电磁发射技术等方面都应用了直线电机。现在也有采用直线电机发射飞机。火箭等。在这些方面利用的直线电机的优点有/1/地面无污染。2/可重复使用。3/易于控制。直线电机还可应用于天文领域、人工心脏、盲人触觉模拟器、电动玩具等其他方面。 1/4 本文的研究内容 本文针对应用在斯特林发电系统中的永磁直线发电机进行了以下几个方面的工作/ 1 针对于应用于斯特林发电系统这一特殊应用场合/本文首先对永磁直线发电机进行了基本的电磁设计/并对相关尺寸进行了分析/给出永磁直线发电机的基- 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 本性能参数。 2 对直线电机中存在的定位力情况进行了讨论。永磁电机的定位力包含两部分/分别是边端力和齿槽力/可以通过降低这两部分的大小来降低直线电机中定位力的大小。要注意的是在降低齿槽力的同时可能会带来一些负面影响/所以要综合考虑选择昀优的措施。在本次永磁直线发电机中作者列出了两种改善发电机负载推力波动的有效措施。 3 该永磁直线发电机在其应用场合是有昀高 工作温度要求的/所以本文利用有限元软件对该发电机在热稳态运行时的温度场进行了仿真/仿真结果证明该发电机在热稳态的昀高温度是符合要求的。为了更接近实际情况/本文还对直线电机运行在非匀速情况下的性能进行了相关的仿真验证工作。 4 在本文的昀后介绍了永磁直线发电机样机 的制造及实验/样机的实验主要包括了空载实验和负载实验/负载实验有纯电阻负载实验和蓄电池负载实验两部分。- 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2章 轴向充磁式永磁直线发电机的基本电磁设计 2/1 引言 和永磁旋转电机一样/在永磁直线电机中的基本电磁分析时/也要考虑许多问题/如各部分尺寸的选择、充磁结构的选择、结构型式的选择主要是扁平型和圆筒型、如何减小漏磁主要包括极间漏磁、端部漏磁、槽漏磁等/这也是一直以来许19-21多学者所研究的问题 。 本文利用商业有限元软件 Ansoft 对永磁直线发电机进行设计/鉴于圆筒型永磁直线电机具有结构简单、适合高速直线运动、初级绕组利用率高、无横向边端效应、22容易克服单边磁拉力、易于调节和控制等优点且已经得到了越来越广泛的应用 。本文将对圆筒型永磁直线发电机进行一些初步的分析和研究。 2/2 永磁直线发电机材料的选取 在本次需要设计的轴向充磁式永磁直线发电机中/需要选取材料的几个主要部分有/定子和动子铁心、永磁体和不导磁的支撑部件。下面分别对这几个部分进行讨论。 1 定子和动子铁心的选取/在永磁直线电机中/通过交变的电流会在气隙中产生交变的磁场/磁力线必须要通过定子和动子铁心就才能形成一个闭合的磁路。当电机的绕组中加上交流电后/定子和动子中就会产生一定的涡流/从而产生涡流损耗/这对电机的性能是不利的。通常为了减小铁心中的涡流损耗/铁心一般是由多个彼此之间绝缘的硅钢片叠压而成。硅钢片通常有冷轧和热轧两种/热轧而成的硅钢片由于加工工艺复杂、污染严重而逐渐被淘汰/冷轧而成的硅钢片由于其磁饱和性能较好得到了广泛的应用。另外在有些特殊的场合还可能用到软磁复合材料23SMCSoft Magnetic Composite 。由于本次设计要求铁心能够承受高达 2T的磁密值/所以在本次设计中定子和动子铁心采用的是一种高性能的软磁合金材料 1J222 永磁体的选取/现在市场上的永磁体的种类多种多样/而且不同种类之间性能、价格也相差较大/选择起来具有很大的空间。一般地可以考虑以下 4条基本的原则/ 1 保证永磁体能在电机气隙中提供足够的气隙磁场和规定的性能指标。 2 保证在规定的条件下/永磁体能够具有稳定的磁性能。 - 11 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 保证永磁体具有良好的机械性能/方便加工和装配。 4 经济性能要好/价格要适宜。 在通常的铝镍钴、***钴、铁氧体和钕铁硼等永磁材料中/由于性能的不断完善和价格的逐步降低/钕铁硼永磁材料在电机的应用越来越广泛/有逐渐取代其他永磁材料的趋势。在保证永磁直线发电机能够发出性能的前提下/本次设计采用的永磁体材料为 NdFe40SH。 3 支撑部件材料的选择/本次设计采用圆筒型的电机结构/定子在外围/动子在内部。在动子的内部必须要有一个环形的支撑部件来支撑环形的动子。在选取该支撑部件的时候要注意三点/1/支撑部件必须要有足够的强度/支撑动子运动的时候要能够保证整个机械结构的强度。2/支撑部件不能够导磁/如果支撑部件导磁会使电机的漏磁增加/降低电机的性能。3/支撑部件的重量要能够尽量小/这是为了尽量满足提高整个电机功率密度的要求。为了满足以上三个要求/我们选择的支撑材料为钛合金。 2/3 电机结构尺寸的选择 2/3/1 动子外径的选择 利用有限元软件 Ansoft 可以实现对电机性能的初步仿真/先选定永磁体的宽度为 5mm/高度为 9mm/并保持永磁体的高度和宽度不变/调整动子外径从51/4mm55/4mm变化/每隔 1mm进行一次仿真/得到仿真的主要结果如下。 表 2-1 动子外径对电机的影响 动子外径mm 51/4 52/4 53/4 54/4 55/4 定子外径mm 96 97 98 99 100 铜损W 115/312 116/06 118/408 119/96 121/503 铁损W 25/537 25/882 26/228 26/573 26/919 电磁功率W 1111 1112 1134 1186 1181 效率% 86/1 85/9 86 86/5 86/3 铜线质量kg 0/789 0/808 0/819 0/83 0/84 定子铁心质量kg 1/205 1/22 1/236 1/252 1/268 永磁体质量kg 0/381 0/39 0/399 0/408 0/417 转子铁心质量kg 0/318 0/325 0/333 0/34 0/348 总有效质量kg 2/701 2/744 2/787 2/83 2/873 功率密度kW/kg 0/369 0/362 0/364 0/377 0/369 从表 2-1 可以看出随着动子外径的增大/直线电机的铜损和铁损也不断增大。原因分析/当电机的气隙内径增大时/整个电机的外形及定子上的各部分尺寸也相- 12 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 应增大。所以电机的铁损会有所上升。电机的绕组长度变长/使电机的绕组电阻随之变大/电机的铜损随着绕组电阻的增大而增大/其增大的比例与绕组长度变长的比例成正比。 从图 2-2 中可以看出/直线电机气隙内径的增大也会使电机的电磁功率、基本上呈一直增大/但是电机气隙内径的增大也会使电机各部分的重量增大/这样直线电机的功率密度有一个昀高点。如下图 2-3所示/ 14012010080604020051 51/5 52 52/5 53 53/5 54 54/5 55 55/5动子外径mm图 2-1 永磁直线发电机的铜损和铁损变化 119011801170116011501140113011201110110051 51/5 52 52/5 53 53/5 54 54/5 55 55/5 56动子外径mm图 2-2 永磁直线发电机的功率变化 0/3780/3760/3740/3720/370/3680/3660/3640/3620/3651 51/5 52 52/5 53 53/5 54 54/5 55 55/5 56动子外径mm图 2-3 永磁直线发电机的功率密度 - 13 - 损耗W功率密度kW/kg电磁功率W哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 从图 2-3 中可以看出/当动子外径为 54/4mm 时/该永磁直线电机的功率密度昀大/为 0/377kW/kg。在保证功率合格/即功率大于 1 kW的条件下选择永磁直线电机的气隙内径为 54/4mm。 2/3/2 永磁体宽度的选择 由上一步可知/当动子外径为 54/4mm 时电机的性能相对昀好/在此基础上/保持永磁体高度为 9mm 不变/调整永磁体宽度从 4mm6/5mm 变化/得到电机的仿真结果如下/ 表 2-2 永磁体宽度对电机的影响 永磁体宽度mm 4 4/5 5 5/5 6 6/5 铜损W 119/955 119/96 119/955 119/955 119/955 119/955电磁功率W 1123 1164 1186 1190 1146 1133 效率% 85/8 86/2 86/5 86/5 86 86 永磁体质量kg 0/342 0/375 0/408 0/442 0/475 0/508 定子铁心质量kg 2/252 2/252 2/252 2/252 2/252 2/252 铜线质量kg 0/83 0/83 0/83 0/83 0/83 0/83 转子铁心质量kg 0/411 0/375 0/34 0/305 0/27 0/235 总有效质量kg 2/834 2/832 2/83 2/829 2/827 2/825 功率密度kW/kg 0/354 0/368 0/377 0/378 0/363 0/358 如表 2-2所示/永磁体宽度的改变并没有改变直线电机定子部分的形状、大小/所以直线电机的铜损没有改变/铜线质量、定子铁芯质量也没有改变/永磁体质量随永磁体宽度的增大成线性增长/而转子铁芯的质量则随之减少/由于永磁体
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