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基于Stirling循环的直线发电系统设计【汽车类】【1张CAD图纸】

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基于 stirling 循环 直线 发电 系统 设计 汽车 cad 图纸
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基于Stirling循环的直线发电系统设计

44页 16000字数+说明书+1张CAD图纸【详情如下】

基于Stirling循环的直线发电系统设计说明书.doc

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摘  要

基于Stirling循环的直线发电系统具有可采用多种能源、效率高、寿命长和可靠性高等优势,在许多应用领域有取代传统发电系统的潜力和广泛的应用前景,尤其在深空探测和军事上有不可替代的优势。本文所进行的自由活塞式Stirling发电机的概念设计就是为了对大型运载工具所排出的废热的回收所做的一种尝试。

建立基于Stirling循环的直线发电系统,其主要由单缸自由活塞式Stirling发动机和直线发电机构成,对单缸自由活塞式 Stirling发动机的几何尺寸进行了初步设计,运用等温分析法对Stirling发动机运行性能进行了仿真分析,得到了Stirling发电机运行时冷腔压缩p-v图、热腔膨胀p-v图和发动机膨胀功和压缩功相减后的p-v图等,并由此计算了单缸自由活塞式Stirling发动机功率和效率。此外,运用电磁场有限元法对直线发电机定子绕组通一定电流时的恒稳磁场进行了分析,计算出了穿过绕组内部的磁链值,进而求出了发电机定子绕组电感;运用场路祸合时步有限元法对永磁直线发电机空载运行、负载运行进行了瞬态仿真分析,得到了永磁直线发电机空载磁场、空载电动势和负载运行时电压电流值等参数,计算了永磁直线发电机带适当负载时可得到最大电功率。同时,求解并分析了永磁直线发电机定子对自由活塞式Stirling发动机的电磁反作用力。

这是一种跨电工和热工学科研究,以上结果不仅对特种永磁式直线发电机,而且对自由活塞式发动机的设计均有一定的参考价值关键词自由活塞式Stirling发动机;永磁直线发电机;仿真分析 

关键词:自由活塞式Stirling发动机;永磁直线发电机;仿真分析


目    录

   摘  要1

   目    录3

   第1章 绪  论5

   1.1  课题背景5

   1.2斯特林发动机5

   1.3国内外研究状况6

   1.3.1国内研究现状7

   1.3.2国外研究现状7

   1.4课题的来源及意义9

   1.5课题研究内容10

   第2章发电系统的结构及工作原理11

   2.1发电系统结构、原理和特点11

   2.1.1发电系统结构11

   2.1.2发电系统工作原理11

   2.2自由活塞式Stirling发动机及其工作原理13

   2.2.1自由活塞式Stirling发动机的结构13

   2.2.2自由活塞式Stirling发动机的原理13

   2.2.3自由活塞式Stirling发动机的特点18

   2.3永磁直线发电机及其工作原理19

   2.3.1永磁直线发动机结构19

   2.3.2永磁直线发动机工作原理 21

   2.3.3永磁直线发动机特点21

   第3章 自由活塞式Stirling发动机的尺寸设计和运行性能分析22

   3.1自由活塞式Stirling发动机设计要求22

   3.2工质选择23

   3.3结构尺寸确定23

   3.3.1汽缸直径24

   3.3.2热腔、冷腔和无益容积24

   3.3.3缝隙式回热器和配气活塞尺寸24

   3.3.4配气活塞行程25

   3.3.5动力活塞尺寸和质量25

   3.3.6缓冲腔容积26

   3.4基于等温分析法的动力特性数值模拟26

   3.4.1简化假设27

   3.4.2冷腔压力、热腔压力和容积计算27

   3.4.3系统功率和效率32

   3.5本章小结32

   第4章永磁直线发电机空载磁场32

   及电动势计算32

   4.1.1数学模型建立33

   4.1.2有限元计算 34

   4.1.3空载磁场分布37

   4.2空载电动势计算39

   4.3带负载时磁场分析44

   结   论45

   致   谢46

   参 考 文 献47

   离合器是汽车传动系中与发动机直接联系的重要部件。对于以内燃机作为动力的机械传动汽车中,离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间,其主动部分与发动机飞轮相连,从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器,实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递,保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合,确保汽车平稳起步;在换挡时将发动机与传动系分离,减少变速器中换档齿轮间的冲击;在工作中受到较大的动载荷时,能限制传动系所承受的最大转矩,以防止传动系各零部件因过载而损坏;有效地降低传动系中的振动和噪音。

1.2斯特林发动机

   1816年由苏格兰牧师雷伯尔特·斯特林发明,又称“热空气发动机,当时已生产出数干台,后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落,到二十世纪初己基本消失。主要因为密封的工质为空气,加热温度较低,只有几百度,致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点,做为无线电用发电机的动力而重新开发,但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发,试制了换置式和斜板回转式双向型发动机,并做了装车试验。由于高温、高压产生的高效率和高转矩,在以氢气为工质时达到了高速度,初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机的潜力。

   进入八十年代以来,第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心,后石油供应虽有缓和,但从环保和能源角度出发各国又竟相进行斯特林发动机的开发工作。

   菲利浦公司研究斯特林发动机的核心人物R.J.密吉尔在菲利浦中止开发后即赴美自行开办了STM公司继续进行开发工作,并很快试制成功STM-120型斯特林发动机,回转斜板式双向型,采用了热管加热器、可变行程等新技术,功率达到40kW,在2800转每分钟时,热效率达45%,在技术上有重大突破。

   瑞典的USAB公司自1968年购入菲利浦公司技术后,在菲利浦回转斜板式基础上,开发出V4曲轴双向型斯特林发动机,并在客车和卡车上做了试验,其优点是可利用原来内燃机的相关部件。以后又改进为双曲轴型,进一步扩大了其用途。该公司亦参加了美国能源部组织的汽车发动机开发项目,其主力发动机为22kW混合型,由于采用了太阳能辅助加热,热效率可达38%,并制造了数十台样机。据计算如将受热部改为陶瓷时,热效率可达50%,此机若用于太阳能发电,则每千瓦时电的成本仅5美分,因此重点转向太阳能发电的开发。另外还开发出以纯氧燃烧柴油为热源的V4-275R型斯特林发动机供法国潜艇和瑞典海军使用。与其美国的子公司共同开发出1 SKW级二级活塞型V 160发动机,供热泵和小型发电机用。

   法国ECA公司开发的熔盐蓄热器为热源的直列双向型发动机,供潜艇动用,德国的MAN公司和本茨公司亦在开发类似的发动机供车用。由美国MTI公司和太阳能公司共同开发的l}lOkW级自由活塞式发动机可供热泵和小型发电机用。

   日本19761981年进行了船用发动机的开发,只做了些基础工作。从1982年起列入目前计划大型节能技术开发项目,计划投资100亿日元,到1987年开发出民用3kw和30kW发动机。经过约3年的开发,试制出的4台样机于1984年在国立机械研究所进行了运行试验,功率和热效率均达到设计要求,改进加热器、换热器和活塞环密封后,发电用斯特林发动机亦基本上达到了规定的目标。

   最近几十年,随着能源问题和环境问题的日益突出,国内外广大学者对斯特林发动机兴趣逐渐增加并进行了广泛的研究。

1.3国内外研究状况

   现阶段,斯特林机已在太阳能热发电、水下动力等多个领域得到运用,但还存在热交换、密封等问题制约着斯特林机的发展和运用。

1.3.1国内研究现状

   国内许多学者对利用太阳能的斯特林发电系统展开了较多研究,如姚睿,

   吴克奇提出了空间太阳能发电系统中采用四缸自由活塞式斯特林发动机发电

   装置的概念设计模型,确定了整个概念设计的框架,并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计,同时对相关问题进行了探讨,提出了未来的发展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础,结合抛物面光学特性,建立了设计计算聚光器的一个数学模型,并采用试算和迭代核算相结合的方法,对碟式斯特林太阳能发电系统聚光器的尺寸进行了计算。还对此系统的经济性进行了分析。黄护林对太阳能斯特林发动机的性能进行了模拟,考虑太阳辐射强度的变化,模拟了一天中太阳能斯特林发动机的输出功率和系统效率曲线。崔海亭、袁修干等,根据国外研究经验,提出了发展中国空间太阳能热动力发电系统研究的建议。

   关于本文提出的单缸自由活塞式斯特林发动机带动直线发电机工作的运行方式,还未见国内学者对其进行研究的报道。

1.3.2国外研究现状   本课题来源国家自然科学基金面上项目:基于电流体力学的强化冷凝换热机理及应用研究(资助项目号:No.50076011)

   基于Stirling循环的直线发电系统的原动机采用斯特林发动机,斯特林发动机属于外部燃烧加热式发动机。它是对封入内部的气体工质从外部进行加热和冷却,从而推动活塞往复做功,与内燃机的气缸内燃烧的方式有着明显的区别。

   由于本系统采用斯特林发动机直接带动永磁直线发动机工作,相比较与内燃机为原动机的发电系统,它具有以下优点:

   1)燃料多样化:由于是外燃机,可使用多种燃料,从传统的化石能源、生物质燃料、低温余热到太阳能等均可利用。

   2)高效率:由于在加热器和冷却器中间设有蓄热式换热器,从理论上可接近卡诺循环,为效率最高的热机。

   3)低污染:没有进排气阀门,内部压力变化平稳,噪音和振动小;且由于连续燃烧易实现自节能技术和自动控制,燃烧完全,排烟污染较小。

   4)结构简单,寿命长:采用单杠自由活塞式Stirling发动机直接与直线发电机相连的结构,一方面因为单杠自由活塞式Stirling发动机运行时没有磨损部分而具有非常长的使用寿命,另一方面使用直线发电机与发动机动力活塞直接相连缩小了系统整体体积。

   5)可实现冷热电联产,一次能源利用率可达90%以上。因具有上述优点,对于基于Stirling循环的直线发电系统的研究具有如下意义:

   1)作为传统电网的补充,为不方便架设输电线路的地区,提供一种可利用当地能源的发电设备。

   2)替代传统内燃机发电系统,降低其污染特性,减少对空气的排污。

   3)因为其低噪音和可采用多种能源的优点,在军事上是潜艇的AIP(Air Independent Propulsion System)化中一种很实用的选择。

1.5课题研究内容

   本文对基于Stirling循环的发电系统进行了概念设计和运行特性的数值模拟,具体工作如下:

   1)单缸自由活塞式Stirling发动机几何尺寸确定;

   2)单缸自由活塞式Stirling发电机运行特性数值分析;

   3)永磁直线发电机结构设计及运行特性数值分析。

内容简介:
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)摘要基于Stirling循环的直线发电系统具有可采用多种能源、效率高、寿命长和可靠性高等优势,在许多应用领域有取代传统发电系统的潜力和广泛的应用前景,尤其在深空探测和军事上有不可替代的优势。本文所进行的自由活塞式Stirling发电机的概念设计就是为了对大型运载工具所排出的废热的回收所做的一种尝试。建立基于Stirling循环的直线发电系统,其主要由单缸自由活塞式Stirling发动机和直线发电机构成,对单缸自由活塞式 Stirling发动机的几何尺寸进行了初步设计,运用等温分析法对Stirling发动机运行性能进行了仿真分析,得到了Stirling发电机运行时冷腔压缩p-v图、热腔膨胀p-v图和发动机膨胀功和压缩功相减后的p-v图等,并由此计算了单缸自由活塞式Stirling发动机功率和效率。此外,运用电磁场有限元法对直线发电机定子绕组通一定电流时的恒稳磁场进行了分析,计算出了穿过绕组内部的磁链值,进而求出了发电机定子绕组电感;运用场路祸合时步有限元法对永磁直线发电机空载运行、负载运行进行了瞬态仿真分析,得到了永磁直线发电机空载磁场、空载电动势和负载运行时电压电流值等参数,计算了永磁直线发电机带适当负载时可得到最大电功率。同时,求解并分析了永磁直线发电机定子对自由活塞式Stirling发动机的电磁反作用力。这是一种跨电工和热工学科研究,以上结果不仅对特种永磁式直线发电机,而且对自由活塞式发动机的设计均有一定的参考价值。 关键词自由活塞式Stirling发动机;永磁直线发电机;仿真分析关键词:自由活塞式Stirling发动机;永磁直线发电机;仿真分析 Abstract The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy. In many applications the system has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle waste heat recovery.A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engine and the permanent magnet linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the Stirling engine performances with the isothermal analysis method analyzed and the Stirling engine cooler compression p-v diagram, heater expansion p-v diagram and the p-v diagram of the engine obtained using subtracting cooler p-v diagram from heater p-v diagram: So the free piston Stirling engine power and efficiency are calculated.Key words: free piston Stirling engine; permanent magnet linear generator; simulation目 录摘要1 目 录3 第1章 绪 论5 1.1 课题背景5 1.2斯特林发动机5 1.3国内外研究状况6 1.3.1国内研究现状7 1.3.2国外研究现状7 1.4课题的来源及意义9 1.5课题研究内容10 第2章发电系统的结构及工作原理11 2.1发电系统结构、原理和特点11 2.1.1发电系统结构112.1.2发电系统工作原理11 2.2自由活塞式Stirling发动机及其工作原理13 2.2.1自由活塞式Stirling发动机的结构13 2.2.2自由活塞式Stirling发动机的原理13 2.2.3自由活塞式Stirling发动机的特点18 2.3永磁直线发电机及其工作原理19 2.3.1永磁直线发动机结构19 2.3.2永磁直线发动机工作原理 21 2.3.3永磁直线发动机特点21 第3章 自由活塞式Stirling发动机的尺寸设计和运行性能分析22 3.1自由活塞式Stirling发动机设计要求22 3.2工质选择23 3.3结构尺寸确定23 3.3.1汽缸直径24 3.3.2热腔、冷腔和无益容积24 3.3.3缝隙式回热器和配气活塞尺寸24 3.3.4配气活塞行程25 3.3.5动力活塞尺寸和质量25 3.3.6缓冲腔容积26 3.4基于等温分析法的动力特性数值模拟26 3.4.1简化假设27 3.4.2冷腔压力、热腔压力和容积计算27 3.4.3系统功率和效率32 3.5本章小结32 第4章永磁直线发电机空载磁场32 及电动势计算32 4.1.1数学模型建立33 4.1.2有限元计算 34 4.1.3空载磁场分布37 4.2空载电动势计算39 4.3带负载时磁场分析44 结 论45 致 谢46 参 考 文 献7 第1章 绪 论1.1 课题背景离合器是汽车传动系中与发动机直接联系的重要部件。对于以内燃机作为动力的机械传动汽车中,离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间,其主动部分与发动机飞轮相连,从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器,实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递,保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合,确保汽车平稳起步;在换挡时将发动机与传动系分离,减少变速器中换档齿轮间的冲击;在工作中受到较大的动载荷时,能限制传动系所承受的最大转矩,以防止传动系各零部件因过载而损坏;有效地降低传动系中的振动和噪音。1.2斯特林发动机1816年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明,又称“热空气发动机,当时已生产出数干台,后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落,到二十世纪初己基本消失。主要因为密封的工质为空气,加热温度较低,只有几百度,致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点,做为无线电用发电机的动力而重新开发,但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发,试制了换置式和斜板回转式双向型发动机,并做了装车试验。由于高温、高压产生的高效率和高转矩,在以氢气为工质时达到了高速度,初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机的潜力。进入八十年代以来,第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心,后石油供应虽有缓和,但从环保和能源角度出发各国又竟相进行斯特林发动机的开发工作。菲利浦公司研究斯特林发动机的核心人物R.J.密吉尔在菲利浦中止开发后即赴美自行开办了STM公司继续进行开发工作,并很快试制成功STM-120型斯特林发动机,回转斜板式双向型,采用了热管加热器、可变行程等新技术,功率达到40kW,在2800转每分钟时,热效率达45%,在技术上有重大突破。瑞典的USAB公司自1968年购入菲利浦公司技术后,在菲利浦回转斜板式基础上,开发出V4曲轴双向型斯特林发动机,并在客车和卡车上做了试验,其优点是可利用原来内燃机的相关部件。以后又改进为双曲轴型,进一步扩大了其用途。该公司亦参加了美国能源部组织的汽车发动机开发项目,其主力发动机为22kW混合型,由于采用了太阳能辅助加热,热效率可达38%,并制造了数十台样机。据计算如将受热部改为陶瓷时,热效率可达50%,此机若用于太阳能发电,则每千瓦时电的成本仅5美分,因此重点转向太阳能发电的开发。另外还开发出以纯氧燃烧柴油为热源的V4-275R型斯特林发动机供法国潜艇和瑞典海军使用。与其美国的子公司共同开发出1 SKW级二级活塞型V 160发动机,供热泵和小型发电机用。法国ECA公司开发的熔盐蓄热器为热源的直列双向型发动机,供潜艇动用,德国的MAN公司和本茨公司亦在开发类似的发动机供车用。由美国MTI公司和太阳能公司共同开发的llOkW级自由活塞式发动机可供热泵和小型发电机用。日本19761981年进行了船用发动机的开发,只做了些基础工作。从1982年起列入目前计划大型节能技术开发项目,计划投资100亿日元,到1987年开发出民用3kw和30kW发动机。经过约3年的开发,试制出的4台样机于1984年在国立机械研究所进行了运行试验,功率和热效率均达到设计要求,改进加热器、换热器和活塞环密封后,发电用斯特林发动机亦基本上达到了规定的目标。最近几十年,随着能源问题和环境问题的日益突出,国内外广大学者对斯特林发动机兴趣逐渐增加并进行了广泛的研究。1.3国内外研究状况现阶段,斯特林机已在太阳能热发电、水下动力等多个领域得到运用,但还存在热交换、密封等问题制约着斯特林机的发展和运用。1.3.1国内研究现状国内许多学者对利用太阳能的斯特林发电系统展开了较多研究,如姚睿,吴克奇提出了空间太阳能发电系统中采用四缸自由活塞式斯特林发动机发电装置的概念设计模型,确定了整个概念设计的框架,并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计,同时对相关问题进行了探讨,提出了未来的发展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础,结合抛物面光学特性,建立了设计计算聚光器的一个数学模型,并采用试算和迭代核算相结合的方法,对碟式斯特林太阳能发电系统聚光器的尺寸进行了计算。还对此系统的经济性进行了分析。黄护林对太阳能斯特林发动机的性能进行了模拟,考虑太阳辐射强度的变化,模拟了一天中太阳能斯特林发动机的输出功率和系统效率曲线。崔海亭、袁修干等,根据国外研究经验,提出了发展中国空间太阳能热动力发电系统研究的建议。关于本文提出的单缸自由活塞式斯特林发动机带动直线发电机工作的运行方式,还未见国内学者对其进行研究的报道。1.3.2国外研究现状现阶段采用斯特林发动机的发电系统主要应用在以下几个方面:一、空间发电应用美国MTI公司和瑞典公司为NASA共同开发了宇航用的25kWSPDE型自由活塞式Stirling发动机发电系统,并通过了地面测试工作,由于可用太阳能和核能为热源,相比空间运行的其它发电系统具有以下优点:1)降低了怀的使用量;2)系统具有高于其它系统4倍的效率;3)相同质量下要比其他系统发电功率大;4)因可采用其它能源,特别适用于没有太阳能的深空探测。由于具有上述优点,此系统引起各方的广泛关注。 二、生物质斯特林发电系统地处美国密歇根州安阿伯市的STM Powe:公司已成功开发出25kw和SSkw商用Stirling发电机,所利用生物质燃料18。美国俄勒冈州科瓦利斯市废水处理厂于2004年应用SSkw商业Stirling发动机建立了一座利用废水处理中产生的沼气发电的示范工程,解决了当地因担心使用内燃机发电系统会带来新的空气污染而不能被利用的沼气的问题。该工程证实了利用废水站沼气和其它热电共生项目热源的发电设备可进行成功的商业应用,并提供了一种在有丰富生物能源的地区可广泛应用的可再生能源利用技术【19-21】。三、蝶式聚光太阳能热发电系统20世纪70年代末到80年代初由瑞典USAB、美国Advanced corporation,MDAC,NASA及DOE等开始对现代碟式太阳能热发电技术进行研究,大都采用Silver/glass聚光镜,管状直接照射式集热器及USAB4-95型斯特林发动机。目前,因碟式发电装置的聚光系统与理想抛物面形状的偏差易造成焦斑直径过大和受到镜面和结构方面的限制,所以容量范围一般在5-SOkW之间。点聚焦系统聚光比C=1000-40000聚光镜开口直径一般限制在10-20米之间。美国Advanced Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特林太阳热发电系统,从太阳能到电能的最高转换效率是29.4%。以后,MDAC建立了8套碟式斯特林热发电系统,系统净效率大于30%,后来MDAC将硬件和技术全部转让给Southern California Edison(SEC) oSEC在1986-1988年间进行了试验,年平均效率达12%。德国SBP公司于1984年至1988年间建造了两套大型碟式太阳热发电装置,安装在沙特阿拉伯的利亚德附近。采用张膜结构的聚光镜,直径17米,用USAB4-275型斯特林发动机,氢气工作平均温度620 0C,工作平均压力15兆帕。当入射光辐照度为1000kW/m2时,净输出53kW,效率达23.1%。鉴于碟式太阳热电技术具有较高的热电转换效率和广阔的应用前景,上世纪90年代以来,美德等国的若干企业和研究机构在政府部门资助下,以项目或计划方式加快了碟式太阳热电技术的研发步伐,以推动其商业化应用进程。例如:美国Cummins公司开始了自由活塞式的碟式斯特林热发电系统的研究工作,与Sun Lab合资开发了5-IOkW碟式斯特林热发电系统,并于1992年率先把自由活塞式斯特林发动机一直线发电机组应用于碟式太阳热发电系统,建造了3套设计功率为7.SkW的示范装置;美国STM/SAIC联合开发了并网25kW碟式斯特林太阳热发电系统(USJVP计划);美国SAIC建造了25kW的碟式斯特林样机,具备了大批量生产和商业化的条件;美国能源部与Boeing Corp等公司签约合作开发碟式斯特林热发电系统;美国桑地亚国家实验室(SNL)研制了第一套l 0kW碟式斯特林遥控太阳能发电系统的样机,并已运行了500多小时,达到了功率、效率和自动运行等所有的性能指标;美国SAC, STM及Arizona Public Service三方合作安装了5套25kW系统,用于进行性能评价及寿命试验。1992年,德国SHP建立了3套7.SkW的装置;1997年,德国SBP在西班牙完成了DSTAL II项目,建立了3套9KW的装置,DSTAL II项目由SBP提供聚光镜及结构,Solo提供发动机。双方联合承担建立3套碟式斯特林发电系统,聚光镜采用张膜式结构,斯特林发动机型号为Solo-V 161,实现全天候(从日出到日落)自动控制运行,对性能、可靠性及寿命的评价提供了数据,为日后大批量生产成套设备做技术准备。澳大利亚AIVU在Pacific Powe:参与下与DLR和Sun Lab联合进行了AIVU400m2 Big Dish”大型化研究,为在澳大利亚的Tennant Creek建一太阳能热电站作技术准备工作,在此期间取得了驱动机构简化,镜体改进,蒸汽接收器支撑结构改变等许多技术突破。以色列魏兹曼科学院建立了一个“Big Dish”发电单元,并进行了高温集热器/燃气轮机试验。1.4课题的来源及意义本课题来源国家自然科学基金面上项目:基于电流体力学的强化冷凝换热机理及应用研究(资助项目号:No.50076011)基于Stirling循环的直线发电系统的原动机采用斯特林发动机,斯特林发动机属于外部燃烧加热式发动机。它是对封入内部的气体工质从外部进行加热和冷却,从而推动活塞往复做功,与内燃机的气缸内燃烧的方式有着明显的区别。由于本系统采用斯特林发动机直接带动永磁直线发动机工作,相比较与内燃机为原动机的发电系统,它具有以下优点:1)燃料多样化:由于是外燃机,可使用多种燃料,从传统的化石能源、生物质燃料、低温余热到太阳能等均可利用。2)高效率:由于在加热器和冷却器中间设有蓄热式换热器,从理论上可接近卡诺循环,为效率最高的热机。3)低污染:没有进排气阀门,内部压力变化平稳,噪音和振动小;且由于连续燃烧易实现自节能技术和自动控制,燃烧完全,排烟污染较小。4)结构简单,寿命长:采用单杠自由活塞式Stirling发动机直接与直线发电机相连的结构,一方面因为单杠自由活塞式Stirling发动机运行时没有磨损部分而具有非常长的使用寿命,另一方面使用直线发电机与发动机动力活塞直接相连缩小了系统整体体积。5)可实现冷热电联产,一次能源利用率可达90%以上。因具有上述优点,对于基于Stirling循环的直线发电系统的研究具有如下意义:1)作为传统电网的补充,为不方便架设输电线路的地区,提供一种可利用当地能源的发电设备。2)替代传统内燃机发电系统,降低其污染特性,减少对空气的排污。3)因为其低噪音和可采用多种能源的优点,在军事上是潜艇的AIP(Air Independent Propulsion System)化中一种很实用的选择。1.5课题研究内容本文对基于Stirling循环的发电系统进行了概念设计和运行特性的数值模拟,具体工作如下:1)单缸自由活塞式Stirling发动机几何尺寸确定;2)单缸自由活塞式Stirling发电机运行特性数值分析;3)永磁直线发电机结构设计及运行特性数值分析。第2章发电系统的结构及工作原理2.1发电系统结构、原理和特点2.1.1发电系统结构本发电系统由单缸自由活塞式Stirling发动机、永磁直线发电机、充电回路和蓄电池组组成,如图2-1所示,自由活塞式Stirling发动机动力活塞与永磁直线发动机的动子直接相连,永磁直线发电机绕组出线与充电回路相连,充电回路起到将交流整流为直流的作用,蓄电池组将系统发出的电能储存起来,可供随时使用。 2.1.2发电系统工作原理本发电系统实现的是将外部热源转化为蓄电池组中的电能,其工作流程如图2-2所示。外部热源包括太阳能、生物质燃料、地热和余热等,为单缸自由活塞式Stirling发动机加热器提供热量。从外部热源获得热能后,单缸自由活塞式Stirling发动机开始工作,其气体工质的膨胀和压缩使动力活塞获得机械能;动力活塞带动永磁直线发电机动子做往复运动,动子的往复运动使得永磁直线发电机定子中的绕组相对动子中的磁极作切割磁力线的运动,从而产生感应电动势;永磁直线发电机发出的交流电通过充电回路整流为直流后充入蓄电池组,系统完成从热能到电能的转化。配气活塞将汽缸分为膨胀腔和压缩腔两部分,起到分配膨胀腔和压缩腔内气体工质比例的作用。配气活塞通过弹簧与汽缸相连,弹簧对配气活塞的运动起到一定的控制作用,动力活塞除与发动机负载相连外还与自己的储能弹簧相连,弹簧和动力活塞的重量形成最大质量震动系统,使动力活塞的运动接近于简谐运动。回热器为一种类似金属丝网状结构,其作用相当于热力海绵,根据工质温度能吸收或放出热量。2.2自由活塞式Stirling发动机及其工作原理基于Stirling循环的发电系统主要采用的是单作用活塞一配气活塞式结构,其起到将热能转化为机械能的重要作用。2.2.1自由活塞式Stirling发动机的结构自由活塞式Stirling发动机结构如图2-3所示,由加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞和汽缸组成。气体工质在膨胀腔、回热器和压缩腔内流动。2.2.2自由活塞式Stirling发动机的原理自由活塞式Stirling发动机,是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机。其运行时工质被封闭在膨胀腔、回热器和压缩腔组成的循环回路中,通过配气活塞的往复运动来调整气缸容积的变化,控制工质在闭式循环中的流动方向;作为发动机其要求工质在较低的温度和压力下被压缩,并在较高的温度和压力下膨胀,即膨胀功大于压缩功。从而获得正的循环功。Stirling发动机的热力循环遵循的是斯特林循环,斯特林循环由等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程和等容冷却过程四步组成。为说明斯特林循环,将斯特林发动机气缸简化为如图4所示,压缩腔活塞远离冷却器时为其运动内止点,与冷却器接触时为其运动外止点;膨胀腔活塞靠近加热器时为其运动外止点,远离加热器时为其运动内止点。其具体循环过程如下:1)等温压缩过程循环开始时,压缩腔活塞处于内止点,压缩腔容积最大,膨胀腔活塞处于外止点并仅靠加热器,膨胀腔容积为最小。因此,工质全部在压缩腔内,工质为冷腔温度即循环最低温度TC,工质在循环中所处状态如图2-5中点1所示。随着压缩活塞向外止点方向移动,系统容积逐渐缩小,工质在压缩腔中受到压缩,压缩结束后,如点2所示,此时系统容积己从最大值V1缩小到最小值V2。压缩过程中,压缩热QC由气缸壁从系统内部逐渐导出,同时外界在整个压缩过程中得到系统做功W 1-2。在理想状态下,压缩热Oc等于压缩功W1-2。即 式中:R为气体常数。2)等容加热过程等容加热过程如图2-6所示,从点2开始,至点3结束。过程开始时,压缩活塞从点2继续向外移动,到达外止点时过程结束;与此同时,膨胀活塞开始由外止点向内止点移动。两个活塞做相反运动使压缩腔容积的缩小值等于膨胀腔容积的增大量,系统总容积不变,即V2 = V3,过程是等容的。在这一等容过程中,压缩腔的容积变到零,而膨胀腔容积开始由零逐渐增大,结果是压缩腔中的工质全部进入到了膨胀腔。工质从压缩腔到膨胀腔前,通过流经回热器并得到回热器的加热,热量QR从回热器传给工质,工质温度从最低循环温度TC上升到最高循环温度TE后流入膨胀腔。所以,这一过程称为等容加热过程。在过程结束时,工质全部处于膨胀腔,且温度为TE,同时压力也上升到最高压力,如图2-5中的P-V图所示。在该过程中,因系统容积不变,故不做功,但工质内能增大。在理想状态下,热能QR为 式中CV为TC一TE温度范围内工质的平均等容比热。3)等温膨胀过程在等温膨胀过程中,压缩活塞在外止点保持不动,膨胀活塞继续向其内止点移动,结果系统容积增大,压力下降,待膨胀活寨移动到内止点时过程结束。此时,系统容积已从最小容积3扩大到最大容积气。为了实现等温膨胀,即T3-T4-TE,外源必须通过气缸壁向工质供给等温膨胀热县同时系统向外界做等温膨胀功W3-4。在理想状态下,外界向系统榆入的等温膨胀热能QE应等于等温膨胀功W3-4,即 4)等容冷却过程在这一过程中,压缩活塞从其外止点移动到内止点,同时膨胀活塞从其内止点移动到外止点,结果将膨胀腔中一器时,回热器从工质中吸走热能鸟,R,使口低循环温度Tc后流入压缩腔。两个活塞f积V4 = V下得到冷却,故叫做等容冷却过的热能QR为 斯特林循环的4个过程全部结束,工质状态回复到循环始点的状态。自由活塞式Stirling发动机的热力循环与上述理想斯特林循环有所区别,因为现在还不能制作间断性运动的活塞传动机构,所以并没有能进行理想斯特林循环的Stirling发动机,实际运行中的斯特林发动机的热力循环只能接近上述理想热力循环。2.2.3自由活塞式Stirling发动机的特点系统之所以选用单缸自由活塞式Stirling发动机是因为它有以下特点:1)机械效率高自由活塞式Stirling发动机相比较其他机械没有连杆、轴或轴承,只有滑动配合,由工质本身作为润滑剂,因而有非常高的机械效率。一台榆出功率为1 kw的自由活塞式热气机,机械效率可达99%,特别是部分负荷时,自由活塞式Stirling发动机的有效热效率也相对较高【30】。2)热效率高曲柄连杆式热气机通常采用改变工质的平均压力来调节输出功,但自由活塞式Stirling发动机的平均循环压力是不变的,输出功的变化主要是靠改变行程来达到。因此,在部分负荷时,仍可保持其总的热效率基本不变。3)能使用多种能源使用多种能源的能力与高效率同等重要。连续外燃加热允许使用最广泛的燃料和能源,包括所有气体、液体和固体燃料。4)自起动设计正确的自由活塞式热气机,只要在冷热端之间建立起足够的温差便能自行起动,这是其它动力装置不可比拟的。因此其结构相对简单,使用更为可靠,对维修保养的要求也不高,可用于无人管理的场所。启动加热只需数秒钟,热气机便能自行起动。随后便可全功率运行。5)不需要液体润滑和内燃机相比较,由于自由活塞式Stirling发动机的机械损失非常小,其不需要液体润滑剂来润滑和冷却有关部件。所以,发动机结构和维修保养很简单。6)密封可靠自由活塞式Stirling发动机相比曲柄连杆式斯特林发动机没有复杂的传动机构,相比与内燃机密封压力小,所以密封问题十分简单,通常只要将壳体密封即可满足要求。7)振动小、噪音低自由活塞式Stirling发动机的工作腔内没有爆燃并与大气隔绝,所以压力上升的速率没有内燃机高,特别是没有传动机构,因此,运转十分安静,不必使用隔音或消音装置【31】。8)有自动调节功能自由活塞式Stirling发动机有根据外界负荷的变化自动调节输出功的能力。如果外界的负荷不大,活塞的行程会变得比较长,行程往返期间作用力的差也比较小。若负荷增大,活塞的行程便自动缩短,作用力随之增大。输出功基本不变。2.3永磁直线发电机及其工作原理直线发电机可以认为是传统旋转发电机在结构方面的一种演变,它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开,然后将电机的圆周展成直线,转子的旋转运动变为了动子的往复直线运动。直线发电机较旋转式发电机磁路结构容易改变,因此,其结构型式比普通感应电机和同步电机有更多的式样。直线发电机按其结构型式的不同,可以分为扁平型、圆筒型和圆盘型等。而扁平型直线发电机是最有代表性,且应用最为广泛。本发电系统采用的就是双边扁平型永磁直线发电机,如下介绍其结构、工作原理和特点。2.3.1永磁直线发动机结构发电系统中永磁直线发电机的基本结构如图2-10所示,发电机为双边扁平型结构,由动子和定子组成。定子铁心中开有两个槽,槽中放有定子绕组,上下两定子中绕组线圈采用串联方式以提高输出电压。定子采用模块式设计,可根据实际需求,串联更多的定子模块和延长动子长度以增加输出功率。动子结构如图2-9所示,动子由磁极和动子框架组成,选用永磁铁为动子磁极,固定在不导磁的铝框内,铝框中间开槽以防止运行时在铝框上形成大的环流损耗,相邻的永磁体磁极相反放置,有利于永磁体通过定子铁心形成磁回路。2.3.2永磁直线发动机工作原理由上述结构可见,本系统采用的直线发电机的工作原理与以往旋转式发动机有很大不同。直线发电机工作时,是将自由活塞式Stirling发动机动力活塞所连接的传动轴和发电机动子的轴相连而带动动子作往复运动,动子运动的速度和频率则由自由活塞式Stirling发动机的动力活塞速度和频率决定。永磁直线发电机动子磁极通过定子铁心形成磁回路,穿过定子绕组的磁链大小与动子的位置有关,如图2-9所示,动子在初始位置,即最左端时,磁链由动子永磁体中N极发出,经过气隙、定子铁心和气隙回到动子永磁体中S极,定子绕组线圈中形成了向上的磁通分布,动子开始往复运动后,动子永磁体N极发出的磁链与定子铁心相交联部分逐渐减小;当动子运动到最右端位置时,处在定子中间铁心齿上的永磁体S极向上,所以定子绕组线圈中形成了向下的磁通分布,随着动子的往复运动,动子中永磁体在铁心绕组线圈中形成的磁通分布由上到下,再由下到上不断变化。根据法拉第电磁感应定律得定子绕组内磁链的变化引起的定子绕组线圈两端的感应电动势式中:为穿过定子绕组线圈中的磁通量.N为定子绕组匝数。2.3.3永磁直线发动机特点永磁直线发电机结构相对于传统旋转发动机有很大不同,而使之具有以下特点。1)永磁直线发电机采用永磁体进行励磁,所以无需电流励磁,没有易损坏的电刷和滑环等结构,因此使用寿命长,可靠性高。2)采用永磁体励磁,简化结构的同时也使得永磁直线发电机动子上无励磁损耗,无电刷和滑环之间的摩擦损耗和接触电损耗。因此,永磁直线发电机的机械效率比电励磁式同步电机要高。3)在永磁体框架上使用不导磁材料,并且在框架中采用开槽的结构,消除了电机工作时往复运动而产生的环流,从而减少了损耗,降低了动子的温升,提高了电机效率。4)发电机的极距与活塞的冲程相等。动子极距与定子槽宽相配合,使磁路在动子两端位置均能闭合,并关于动子运动左右止点位置对称。由于永磁直线发电机的特殊结构,使其工作原理不同于旋转发电机,即使与普通的直线电机相比也有很大的不同。因此,对于电机内电磁场的求解,不能直接套用以往的方法,需根据电机的具体结构和工作原理,找出适合其电磁场的求解方法。第3章 自由活塞式Stirling发动机的尺寸设计和运行性能分析3.1自由活塞式Stirling发动机设计要求为与永磁直线发电机相配合,自由活塞式Stirling发动机的设计技术指标为:1)输出功率不低于1kW;2)所带负载重量O.5kg左右;3)活塞行程为7cm;4)往复次数每分在1800次左右。3.2工质选择从表3-1可以看出氢气在性能方面优于空气和氦气,但氢气和空气的混合物在空气占5%-J75%的范围内有着火危险。空气是最易得到的气体,但热力性能较差。在低速小功率斯特林发动机中,使用氢或氦在热力学效果上并不比空气优越多少,然而用空气作为工质可大大降低密封的要求,同时为以后工质的补充也十分方便,故对于寿命要求长或设计要求不是很高的低功率小型发电系统,综合考虑热力性能和使用方便性,选择空气作为斯特林发动机工质。3.3结构尺寸确定Stirling发动机结构尺寸的确定取决热力学性能和机械性能两方面的要求。3.3.1汽缸直径为了降低活塞一汽缸组的往复穿梭传热损失,同时限制活塞平均速度,汽缸直径与活塞行程之比应限制在1.5-2.0的范围内。本模型选DC/SC=1.80由斯特林发动机所带的直线发电机要求动力活塞行程为7cm,所以汽缸直径DC为12.6cm。3.3.2热腔、冷腔和无益容积冷腔容积耳为动力活塞扫气容积SPrr -872.4 c材,系统最大体积与最小体积比式中:VE为热腔容积,VD为无益容积。在斯特林发动机中压缩比一般为2.0左右,大于2.5以上,系统将无法工作,本模型压缩比选为1.32。无益容积比KD定义为VD/VE,一般在0.5-2.0之间。由经验可知,其值越大发动机效率越接近等温分析法的计算值,本模型选择无益容积比KD为1.5。即 联立式(3-1)和(3-2)可得发动机热腔容积岭和无益容积岭分别为1308.6 cm3,和1962.9 cm。3.3.3缝隙式回热器和配气活塞尺寸在采用缝隙式回热器的自由活塞式斯特林发动机中,缝隙式回热器容积VR无益容积为VD,即珠为1962.9 cm3。回热器容积VR表示为式中:RD为配气活塞半径,LD为配气活塞长度。将回热器容积VR和汽缸直径DC带入式(3-3)可得出配气活塞半径RD和配气活塞长度LD分别为5cm和28.4cm,即缝隙式回热器的环隙长Lh和环隙宽Dh分别为28.4cm和1.3cm。3.3.4配气活塞行程配气活塞扫气容积为VE为1308.6 cm3,活塞行程根据式(3-4)求出配气活塞行程SD为16.7cm。3.3.5动力活塞尺寸和质量动力活塞直径即为汽缸内径,所以动力活塞半径RP为6.3cm。动力活塞两侧分别为冷腔和缓冲腔,二者压强差不断变化对动力活塞气密性要求较高,所以厚度不能太小,动力活塞厚度HP取6cm。为使运行稳定,自由活塞式斯特林发动机的固有频率应接近或等于运行频率。动力活塞和与之相连的弹簧组成的最大质量震动系统,其固有频率即为自由活塞式斯特林发动机的固有频率。式中:fn为运转频率,C为常数,一般为0.7-1.0,CK为弹簧刚度,MP为动力活塞质量。取C为0.8,选择弹簧刚度为1.40625N/mm,即得出动力活塞和其所带负载的质量共为lkg。3.3.6缓冲腔容积缓冲腔由配气活塞和配气活塞杆的内部空间和动力活塞下方空间组成,其内部压强为动力活塞定位的基准压强,要求其压强受动力活塞引起的体积变化的影响要小,所以缓冲腔体积为4500cm3。图3-1所示单缸自由活塞式斯特林发动机结构尺寸,热腔外围受加热器加热,冷腔外围与冷却器相连,冷却器对其冷却,回热器采用缝隙式回热器。缝隙式回热器即利用动力活塞和缸壁之间的缝隙实现回热功能。3.4基于等温分析法的动力特性数值模拟实用等温计算法,作为斯特林发动机功率和效率的初步估算是最适合的一种方法,既简单又较准确,适用于各种传动机构,不必使用经验修正系数。实用等温计算法是模拟计算程序的最直接理论模型。3.4.1简化假设为简化模型作出以下假设:1)循环各部分皆为等温和完全回热,即热腔中工质温度TE选用750K冷腔温度界TC取为373K。即冷腔和热腔温度为0.516;2)工质空气为理想气体36.37,无泄漏;3)活塞运动为简谐运动。3.4.2冷腔压力、热腔压力和容积计算冷腔压力、热腔压力和容积在循环中的变化。采用实用等温分析法进行计算,可求得如下运行性能参数:1)冷、热腔瞬态容积由假设3知,瞬时热腔容积VE可表示为式中:为简谐运动的角速度,t为从配气活塞上止点起算的时间,V0为热腔的最大容积。瞬时冷腔容积v表示为其中,K为活塞行程容积比,即配气活塞行程和动力活塞行程之比,dr为配气活塞领先于动力活塞运行的活塞领先角,VL为配气活塞和动力活塞的行程重叠容积。活塞行程的重叠是自由活塞式斯特林发动机的特点之一,可以在活塞行程和汽缸直径不变的情况下,选择适当的行程重叠容积,使热性能达到最佳38。由于行程重叠容积的存在,可使冷腔容积为零;则在冷腔容积为零时,dK/dt=0,即由此引出容积相位角,容积相位角V0定义为热腔容积变化领先于冷腔容积变化的角度,它与活塞领先角是不等的。当热腔容积VE为零时,有t=0 0由式(3-8)可知,当时,冷腔容积VC = 0,可得容积相位角活塞行程重叠容积VL可以分成两部分,即VL = VA + VB其中VA为配气活塞从冷腔容积为零时到其下止点的行程容积,VB为动力活塞从其上止点到冷腔容积最小时的行程容积,所以 式(3-14)由式(3-13)代入式(3-7)得将VE改写为式中:t为从配气活塞下止点起算的时间。这样就得出了冷腔容积和热腔容积随时间的变化,如图3-2所示。2)冷、热腔瞬态压力因为工质假定为理想气体,所以工质总质量可以通过理想气体状态方程导出式中:MT为工质总质量,ME ,MC、MD分别为热腔、冷腔和无益容积中工质的质量;R为气体常数;VD为无益容积;TE , TC和TD分别为热腔、冷腔和无益容积处的平均温度。热气机的输出功率51.52可用下式表示:式中:P为输出功率(W),Pmean为平均循环压力(MPa),伪循环频率(Hz), V为汽缸排气量。由式(3-17)算出,功率1 kW,频率30Hz,汽缸排量2180cm,的斯特林发动机需要的平均循环压力为1.5MPa。将Pmean带入式(3-16)确定工作工质为l.lkg。将容积相位角代入式(3-16),并令C=MT2RTc/(VE)和TD=(TR + TC )/2化简整理后得循环瞬时压力由循环瞬时压力表达式计算出稳定运行时一个周期的压力变化波形,如图3-3所示。由图3-3可以看出,当t=2时,即t =48.20o,循环压力最小Pmin=1.18Mpa。当t =2+时,即t =228.2o,循环压力最大环压力PMax=1.82MPa。压力比 平均循环压力Pm为 缓冲腔压力设置为与平均循环压力相等,这样可以通过中点放气法来辅助调整活塞的位置。3)冷腔、热腔和总容积的P-V图根据简谐运动等效角度与循环容积和压力波关系,做出循环P-V图,其中a), b)和c)分别为热腔p-v图、冷腔p-v图和循环总p-v图。由图3-4可以看出设计的自由活塞式斯特林发动机运行时压力和容积的变化接近于理想斯特林循环,压力变化匀称,无尖峰,流阻损失小。3.4.3系统功率和效率热腔p-v图面积表示热腔膨胀所做的功,为正功。冷腔p-v图面积表示冷腔压缩功,为负功。二者相减即为循环功。对循环总p-v图进行面积积分,求出循环功NCT=99J。系统功率PW=fNCT=2.9KW。每循环热腔工质吸收的热量QEC=206J。循环效率C=NCT/QEC=48%3.5本章小结本章对发电系统中自由活塞式Stirling发动机进行了设计和仿真,得到以下结论:1)根据热力学性能和机械性能两方面的要求。综合考虑了活塞穿梭传热、压缩比、无益容积比和扫气容积比等参数对性能的影响和动力活塞气密性要求,确定了自由活塞式斯特林发动机主要结构尺寸。2)理论分析了自由活塞式斯特林发动机循环过程并编制计算机程序仿真了循环过程。得到了发动机循环p-v图、功率和效率。其功率和效率满足发电系统的要求。第4章永磁直线发电机空载磁场及电动势计算永磁直线发电机空载运行时,发电机的定子绕组开路,电机处于空载状态,由自由活塞式Stirling发动机驱动而作往复直线运动,永磁体产生的磁场和电机的定子绕组之间有相对运动,在电机的电枢绕组中产生感应电势,但不形成电流,没有电枢反应对主磁场的影响,从而发电机的磁场完全由永磁体建立。永磁体产生的空载主磁场强度究竟有多大,永磁体形成的磁场空间分布规律如何,对发电机产生的电势影响极为重要。所以,获得正确的磁场分布是准确计算永磁发电机参数和性能的重要前提。4.1.1数学模型建立为了建立合适的电磁场分析模型,根据永磁直线发电机的特点和实际计算需要,将其作如下假设:1)在动子中不存在构成回路的导体,因而忽略了动子上的涡流损耗;2)沿铁心叠片方向的磁场强度都相同;3)忽略初级绕组中的电阻;4)定子铁心内表面光滑,动子运动时无摩擦阻力。根据以上假设条件和电机的几何尺寸,建立的永磁直线发电机的二维有限元模型如图4-1所示,整个图示区域皆为场求解范围,1为空气所占区域,3表示永磁体磁极,求解区域外围边框为求解边界条件,5所占区域为定子硅钢片,6表示定子绕组线圈,绕组线圈为漆包铜线,8代表定子铝框,图示中间条形区域为动子运动范围。4.1.2有限元计算(1)赋予材料属性样机所包含的材料有:1)气隙及样机外围为空气,相对磁导率,Ur=1。2)定子铁心冲片选用DW315号硅钢片,材料属性用B- H曲线表示,如图4-2所示。3)定子绕组为铜,相对磁导率Ur =1,电导率 =5.8e7s/m。4)永磁体为永磁材料,其相对磁导率Ur =1.O5,剩磁密度Br为1.25T,内禀矫顽力H为947kA/m和极化强度994 kA/m。5)槽楔为非导磁性槽楔,材料Ur=1。定义完材料属性之后分别将各种材料赋给模型中的不同部分,使模型中各个部分具有了实际的意义。(2)网格剖分电机的各种场量值在不同媒质中的变化程度不同,因此在剖分的过程中对电机中场量变化较大的部分,网格面积相对其他部分要取的小一些,以提高计算精度,如对气隙部分及槽附近进行了网格细剖。图4-3是对电机模型进行网格划分后的单元剖分图,永磁体周边的区域进行了细剖。(3)控制方程在有限元计算中,永磁体工作在回复线上,回复线为一直线。回复线和退磁线重合时,永磁体工作点的B和H关系为式中:U=U0Ur;H为计算矫顽力;Ur为相对回复磁导率;U0为真空磁导率。采用矢量磁位A为求解函数,根据麦克斯韦方程,永磁电机的电磁场边值问题可以表述为式中:JS为电流源区电流密度;1为非永磁区域;2为永磁区域。此边值问题的等价变分问题表述为在二维场中,矢量A,JS只有轴向分量,用A, JS表示。HC可表示为式中:为磁化方向和x轴的夹角。这就得到了关于永磁体的控制方程。麦克斯韦方程的微分形式表示为式中:HC是永磁体的矫顽力:V是运动物体的速度;A是磁矢量;JS是电流密度,为电导率。瞬态求解时使用参考框架,固定模型一部分,使其速度为零。运动物体固定在自身坐标系,偏时间导数变成A的全时间导数,因而运动方程变为从而得到了速度,电流和磁场的关系,求解此方程就可得到运动中任意时刻每一点的磁矢量值,由此就可推得电磁场其他场量。4.1.3空载磁场分布图4-4所示为初始时刻永磁体产生的磁力线分布,磁力线都源自于永磁体,经过气隙,到达定子铁心,依次经过定子齿一定子辘一定子齿一气隙回到永磁体,定子中的磁力线分布数明显多于其余各处的磁力线数。图4-5为用彩色云图表示的磁密分布,红色表示磁密最大,蓝色表示最小,其他颜色介于最大值和最小值之间。从图中可以看出,齿部和扼部磁导率大而磁密较大,辆部因较窄而磁密最大,而绕组和动子铝框架磁密很小。永磁体形成的磁密分布用矢量图表示时,可得到磁密的方向,如图4-6中的箭头标明磁力线由永磁体发出,经气隙、定子齿和定子骊,最终回到永磁体,构成封闭回路,颜色不同表示磁密的大小不同。图4-7为动子运动到中间位置时的磁场分布图,动子中永磁体磁极的运动和定子铁心磁滞损耗,使得定子中磁场分布出现涡流。图4-8和图4-9分别为动子运动右端和回到初始位置时磁场分布,可见磁场分布不再均匀,在空气和绕组线圈中形成较大的漏磁。4.2空载电动势计算永磁直线发电机的空载电动势是其最基本也是最重要的参数,对电机的输出电压及其波动、额定电流等性能指标有直接的影响,因此准确计算出电机的空载电动势波形是性能分析和进一步优化设计的基础。本文利用二维有限元法计算永磁直线发电机的空载电动势。根据电磁场分析结果求永磁往复式发电机空载电势的方法有很多,如计算空载气隙磁密、计算绕组磁链等,但各种方法的精度不同。对于旋转电机求发电机空载电动势一般通过求出其气隙磁密B而得到每极下的磁通中,然后利用经典公式求解。式中:E为空载电动势;伪电动势频率;N为绕组匝数;为每极下的磁通。但这只适用于气隙磁场为正弦分布,动子相对定子作恒速运动的条件。永磁直线发电机动子由自由活塞式Stirling发动机驱动而做往复直线运动,动子与定子之间相对运动并非恒速,所以经典公式不适用于永磁直线发电机。通过上一节对样机的有限元分析可知,经过有限元计算,可以求出样机定子内表面单元气隙磁密B和矢量磁位咬的分布,由此可以利用法拉第电磁感应定律来计算发电机空载电势。式中为总磁链。首先,需要求的就是动子在不同位置时定子绕组线圈中磁链分布。定子速度为自由活塞式Stirling发动机动力活塞运动速度v=6.603sin(230T)mm/s,行程为7cm。直线发电机动子运动速度如图4-10所示。直线发电机动子运动位移如图4-11所示。动子运动在不同位置时,动子中磁极发出的磁通通过定子铁心穿过绕组线圈形成回路。对穿过绕组线圈截面的磁链进行积分求和,可得到绕组线圈中磁链与时间的关系,如图4-12所示。绕组线圈匝数N为100。总磁链根据式(4-9)和式(4-10),对磁链进行求导就得到了电机定子绕组线圈中产生的反电动势,如图4-13所示。本文永磁直线发电机为双边扁平式,定子绕组上下两线圈结构完全对称。所以产生的反电动势也完全一致,为提高输出电压,将两线圈端部串联,永磁直线发电机空载电动势由式(4-11)计算得到永磁直线发电机空载电动势如图4-14所示,由图可见空载电动势波形较标准正弦有畸变,出现尖峰,在过零点前电压变化逐渐变慢,在零点附近有一段电压值很低的区域,这主要是因为发电机的动子在最大位移处速度较低所致。空载电动势波形在上升段有抖动,因为磁极通过定子齿与定子铁心相交联的磁通随着动子的位移而断开又相连所致。产生如此电压波形的原有两个:一是绕组线圈中磁链波形不是标准正弦波,二是动子运动是正弦规律变化的往复运动,定子和动子的相对运动不是恒速运动。空载电动势的有效值U表征了电机输出电压的能力,可表示为式中T为空载电动势一周期长度。根据式(4-12)可求得空载电动势的有效值U为96.9V。对空载电动势进行谐波分析,结果如图4-15和图4-16所示。由图4-16可见三次谐波幅值为基波幅值的三分之一左右,五次谐波幅值为基波幅值的六分之一左右。三次和五次谐波幅值较大,对波形的畸变影响很大,二次、四次和五次以上谐波幅值很小,可以忽略。4.3带负载时磁场分析永磁直线发电机负载运行时,由于定子绕组线圈中会产生负载电流,负载电流通过绕组铁心产生新的磁动势,从而电机磁路上形成了单独由定子线圈电流产生的磁场,即为电枢反应磁场,它的分布和强度与定子电流有关。定子电流越大则电枢反映磁场越大,定子电流越小则电枢反映磁场越小。电枢反映磁场会对永磁体的工作状态和穿过定子绕组线圈中磁场的分布和大小产生影响,影响的程度与动子磁路结构有很大的关系。在磁路不饱和时,该电枢反应线圈净磁通与空载磁通同向时具有助磁作用;而两者反向时,电枢反应线圈磁通具有去磁作用。图4-17所示为发电机带阻性负载运行时动子运动到最右端时磁密分布,由图可见,发电机带3S2负
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