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。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，工质在循环中所处状态如图中点所示。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，如点所示，此时系统容积己从最大值缩小到最小值。压缩过程中，压缩热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。在理想状态下，压缩热等于压缩功。即式中为气体常数。等容加热过程等容加热过程如图所示，从点开始，至点结束。过程开始时，压缩活塞从点继续向外移动，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，过程是等容的。在这等容过程中，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，热量从回热器传给工质，工质温度从最低循环温度上升到最高循环温度后流入膨胀腔。所以，这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，同时压力也上升到最高压力，如图中的图所示。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，热能为式中为温度范围内工质的平均等容比热。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扩大到最大容积气。为了实现等温膨胀，即，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。在理想状态下，外界向系统榆入的等温膨胀热能应等于等温膨胀功，即等容冷却过程在这过程中，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，结果将膨胀腔中器时，回热器从工质中吸走热能鸟使口低循环温度后流入压缩腔。两个活塞积下得到冷却，故叫做等容冷却过的热能为斯特林循环的个过程全部结束，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。自由活塞式发动机的特点系统之所以选用单缸自由活塞式发动机是因为它有以下特点机械效率高自由活塞式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。台榆出功率为的自由活塞式热气机，机械效率可达，特别是部分负荷时，自由活塞式发动机的有效热效率也相对较高。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。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。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。不需要液体润滑和内燃机相比较，由于自由活塞式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。密封可靠自由活塞式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。振动小噪音低自由活塞式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。有自动调节功能自由活塞式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。.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种演变，它可以看作是将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。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。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，如图所示，动子在初始位置，即最左端时，磁链由动子永磁体中极发出，经过气隙定子铁心和气隙回到动子永磁体中极，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.为定子绕组匝数。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。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。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。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。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。第章自由活塞式发动机的尺寸设计和运行性能分析.自由活塞式发动机设计要求为与永磁直线发电机相配合，自由活塞式发动机的设计技术指标为输出功率不低于所带负载重量.左右活塞行程为往复次数每分在次左右。.工质选择从表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。.结构尺寸确定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。汽缸直径为了降低活塞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的范围内。本模型选.由斯特林发动机所带的直线发电机要求动力活塞行程为，所以汽缸直径为.。热腔冷腔和无益容积冷腔容积耳为动力活塞扫气容积.材，系统最大体积与最小体积比式中为热腔容积，为无益容积。在斯特林发动机中压缩比般为.左右，大于.以上，系统将无法工作，本模型压缩比选为.。无益容积比定义为,般在之间。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为.。即联立式和可得发动机热腔容积岭和无益容积岭分别为.，和.。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，缝隙式回热器容积无益容积为，即珠为.。回热器容积表示为式中为配气活塞半径，为配气活塞长度。将回热器容积和汽缸直径带入式可得出配气活塞半径和配气活塞长度分别为和.,即缝隙式回热器的环隙长和环隙宽分别为.和.。配气活塞行程配气活塞扫气容积为为.，活塞行程根据式求出配气活塞行程为.。动力活塞尺寸和质量动力活塞直径即为汽缸内径，所以动力活塞半径为.。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，动力活塞厚度取。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。式中为运转频率，为常数，般为,为弹簧刚度，为动力活塞质量。取为.，选择弹簧刚度为.，即得出动力活塞和其所带负载的质量共为。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。图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。.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。

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（其他） 基于Stirling循环的直线发电系统设计说明书.doc

（图纸） 斯特林发动机总装图.dwg