基于循环的直线发电系统设计摘要代表定子铝框，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，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分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。动子运动在不