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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
1、对发电系统中自由活塞式发动机进行了设计和仿真，得到以下结论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。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。得到了发动机循环图功率和效率。其功率和效率满足发电系统的要求。第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。
2、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。图和图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。.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。
3、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，发电机带负载运行时磁密强度幅值相对于空载运行时磁场强度幅值要小，这是因为此时定子绕组线圈形成的电枢反映磁场对永磁体形成的磁场起削弱作用。气隙附近的定子齿处磁密较大。结论本文设计了单缸自由活塞式发动机直接带动永磁直线发电机的发电系统，仿真分析了自由活塞式发动机和永磁直线发电机工作过程，得出了以下结论.根据热力学性能和机械性能，综合考虑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，确定了自由活塞式斯特林发动机热腔容积为.和冷腔容积为.等主要尺寸。.根据自由活塞式斯特林发动机循环过程，编制计算机程序。
4、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，如图所示。绕组线圈匝数为。总磁链根据式和式，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计算得到永磁直线发电机空载电动势如图所示，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是绕组线圈中磁。
5、位角，容积相位角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。当热腔容积为零时，有由式可知，当时，冷腔容积，可得容积相位角活塞行程重叠容积可以分成两部分，即其中为配气活塞从冷腔容积为零时到其下止点的行程容积，为动力活塞从其上止点到冷腔容积最小时的行程容积，所以式由式代入式得将改写为式中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，如图所示。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为工质总质量分别为热腔冷腔和无益容积中工质的质量为气体常数为无益容积,和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.可用下式表示式中为输出功率，为平均循环压力,伪循环频率,为汽缸排气量。由式算出，功率，频率，汽缸排量，的斯特林发动机需要的平均循环压力为.。将带入。
6、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般通过求出其气隙磁密而得到每极下的磁通中，然后利用经典公式求解。式中为空载电动势伪电动势频率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发动机动力活塞运动速度.，行程为。直线发电机动子运动速度如图所示。直线发电机动子运动位移如图所示。动子运。
7、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。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沿铁心叠片方向的磁场强度都相同忽略初级绕组中的电阻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所示，整个图示区域皆为场求解范围，为空气所占区域，表示永磁体磁极，求解区域外围边框为求解边界条件，所占区域为定子硅钢片，表示定子绕组线圈，绕组线圈为漆包铜线，代表定子铝框，图示中间条形区域为动子运动范围。有限元计算赋予材料属性样机所包含的材料有气隙及样机外围为空气，相对磁导率,。定子铁心冲片选用号硅钢片，材料属性用曲线表示，如图所示。定子绕组为铜，。
8、相对磁导率，电导率.。永磁体为永磁材料，其相对磁导率.，剩磁密度为.，内禀矫顽力为和极化强度。槽楔为非导磁性槽楔，材料。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。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。控制方程在有限元计算中，永磁体工作在回复线上，回复线为直线。回复线和退磁线重合时，永磁体工作点的和关系为式中为计算矫顽力为相对回复磁导率为真空磁导率。采用矢量磁位为求解函数，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为电流源区电流密度为非永磁区域为永磁区域。此边值问题的等价变。
9、简化假设为简化模型作出以下假设循环各部分皆为等温和完全回热，即热腔中工质温度选用冷腔温度界取为。即冷腔和热腔温度为.工质空气为理想气体.，无泄漏活塞运动为简谐运动。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冷热腔瞬态容积由假设知，瞬时热腔容积可表示为式中为简谐运动的角速度，为从配气活塞上止点起算的时间，为热腔的最大容积。瞬时冷腔容积表示为其中，为活塞行程容积比，即配气活塞行程和动力活塞行程之比，为配气活塞领先于动力活塞运行的活塞领先角，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，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。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即由此引出容积相。
10、式确定工作工质为.。将容积相位角代入式，并令和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个周期的压力变化波形，如图所示。由图可以看出，当时，即.，循环压力最小.。当时，即.，循环压力最大环压力.。压力比平均循环压力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。冷腔热腔和总容积的图根据简谐运动等效角度与循环容积和压力波关系，做出循环图，其中,和分别为热腔图冷腔图和循环总图。由图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。系统功率和效率热腔图面积表示热腔膨胀所做的功，为正功。冷腔图面积表示冷腔压缩功，为负功。二者相减即为循环功。对循环总图进行面积积分，求出循环功。系统功率.。每循环热腔工质吸收的热量。循环效率.本章小结本章。
11、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表征了电机输出电压的能力，可表示为式中为空载电动势周期长度。根据式可求得空载电动势的有效值为.。对空载电动势进行谐波分析，结果如图和图所示。由图可见三次谐波幅值为基波幅值的三分之左右，五次谐波幅值为基波幅值的六分之左右。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。.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。
12、问题表述为在二维场中，矢量,只有轴向分量，用,表示。可表示为式中为磁化方向和轴的夹角。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是永磁体的矫顽力是运动物体的速度是磁矢量是电流密度，为电导率。瞬态求解时使用参考框架，固定模型部分，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点的磁矢量值，由此就可推得电磁场其他场量。空载磁场分布图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，依次经过定子齿定子辘定子齿气隙回到永磁体，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。
参考资料：
（毕业设计全套）基于Stirling循环的直线发电系统设计（打包下载）