得出了组成空载电动势的次三次和五次谐波及其幅值分别为，和。

同时计算了负载时磁场，及电枢磁场对永磁体磁场的反作用。

.采用静磁场分析方法对发电机定子绕组通以定电流时的电感进行了求解，应用场路藕合法对永磁直线发电机负载运行时的功率进行了计算，并使用虚功原理求解了直线发电机动子所受阻力。

计算了发电机最大功率输出时负载对永磁直线发电机动子对自由活塞式发动机的反作用力进行了求卜解，并对其进行了傅里叶分析，得到了对发动机动力活塞正弦运动的主要干扰为三次五次七次和九次谐波。

参考文献梁荣光主编．现代汽车空调技术.广州华南理工大学出版社，.赵重文，谢幼华，客车采暖技术的现状与发展趋势，客车技术与研究．，李国祥．山东科学技术奖申报书液体型汽车加热器的研制料。

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。

自由活塞式发动机的原理自由活塞式发动机，是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。

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。

统，并于年率先把自由活塞式斯特林发动机直线发电机组应用于碟式太阳热发电系统，建造了套设计功率为.的示范装置美国联合开发了并网碟式斯特林太阳热发电系统计划美国建造了的碟式斯特林样机，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研制了第套碟式斯特林遥控太阳能发电系统的样机，并已运行了多小时，达到了功率效率和自动运行等所有的性能指标美国，及三方合作安装了套系统，用于进行性能评价及寿命试验。

年，德国建立了套.的装置年，德国在西班牙完成了项目，建立了套的装置，项目由提供聚光镜及结构，提供发动机。

双方联合承担建立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，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。

澳大利亚在参与下与和联合进行了”大型化研究，为在澳大利亚的建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个“”发电单元，并进行了高温集热器燃气轮机试验。

.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.基于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。

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。

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。

结构简单，寿命长采用单杠自由活塞式发动机直接与直线发电机相连的结构，方面因为单杠自由活塞式发动机运行时没有磨损部分而具有非常长的使用寿命，另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。

可实现冷热电联产，次能源利用率可达以上。

用。

与其美国的子公司共同开发出级二级活塞型发动机，供热泵和小型发电机用。

法国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，德国的公司和本茨公司亦在开发类似的发动机供车用。

由美国公司和太阳能公司共同开发的级自由活塞式发动机可供热泵和小型发电机用。

日本年进行了船用发动机的开发，只做了些基础工作。

从年起列入目前计划大型节能技术开发项目，计划投资亿日元，到年开发出民用和发动机。

经过约年的开发，试制出的台样机于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。

.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。

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。

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空间发电应用美国公司和瑞典公司为共同开发了宇航用的型自由活塞式发动机发电系统，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降低了怀的使用量系统具有高于其它系统倍基于循环，直线，发电，系统，设计，毕业设计，全套，图纸摘要基于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种尝试。

建立基于循环的直线发电系统，其主要由单缸自由活塞式发动机和直线发电机构成，对单缸自由活塞式发动机的几何尺寸进行了初步设计，运用等温分析法对发动机运行性能进行了仿真分析，得到了发电机运行时冷腔压缩图热腔膨胀图和发动机膨胀功和压缩功相减后的图等，并由此计算了单缸自由活塞式发动机功率和效率。

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发动机的电磁反作用力。

这是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定的参考价值。

要目录第章绪论.课题背景.斯特林发动机.国内外研究状况国内研究现状国外研究现状.课题的来源及意义.课题研究内容第章发电系统的结构及工作原理.发电系统结构原理和特点发电系统结构发电系统工作原理.自由活塞式发动机及其工作原理自由活塞式发动机的结构自由活塞式发动机的原理自由活塞式发动机的特点.永磁直线发电机及其工作原理永磁直线发动机结构永磁直线发动机工作原理永磁直线发动机特点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.工质选择.结构尺寸确定汽缸直径热腔冷腔和无益容积缝隙式回热器和配气活塞尺寸配气活塞行程动力活塞尺寸和质量缓冲腔容积.基于等温分析法的动力特性数值模拟简化假设冷腔压力热腔压力和容积计算系统功率和效率.本章小结第章永磁直线发电机空载磁场及电动势计算数学模型建立有限元计算空载磁场分布.空载电动势计算.带负载时磁场分析结论致谢参考文献第章绪论.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

（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