自由活塞内燃发电机系统中直线电机的研究

发布时间：2020-07-13 22:54

【摘要】：环境污染与能源短缺等问题让人们开始意识到节能减排的重要性,自由活塞内燃发电机作为一种新型动力装置,可用于混合动力汽车中,因而有助于缓解能源与环境的压力。自由活塞内燃发电机由自由活塞发动机和直线电机耦合而成,可实现机械能与电能的转换。作为该动力装置中的重要组成部分,直线电机的性能会影响整个系统的稳定运行及能量转换效率,对该装置中直线电机的研究具有重要意义。本文首先总结了设计适合于自由活塞内燃发电用的直线电机时应考虑的因素,确定采用永磁式轴向磁通直线电机,且电机为长次级短初级结构,在此基础上,本文分析了不同充磁方式下电机的性能,结果表明,混合充磁的空载反电势幅值比径向充磁增加14.66%,但却多使用了23.76%的永磁体材料,而且其定位力幅值比径向充磁增加34.32%,轴向充磁的空载反电势幅值比径向充磁减少75.90%,且波形畸变率高达11.01%,径向充磁方式在空载反电势幅值、波形畸变率、定位力幅值、永磁体用量方面能有较好的兼顾,因此确定选用径向充磁方式。接着,本文对圆筒型及平板型直线电机的空载及负载性能进行对比,分析表明圆筒型直线电机的空载反电势幅值比平板型大21.36%,波形畸变率小60.96%。负载时圆筒型直线电机最大输出功率、最大功率密度及最大功率密度下的效率均比平板型高,运动部分的质量及总质量均比平板型小,因此圆筒型直线电机的空载及负载性能更优,更适合自由活塞内燃发电机系统。然后,本文研究了永磁体表贴和嵌入两种方式下电机的空载及负载特性,结果表明嵌入式永磁直线电机的空载反电势幅值比表贴式减少8.41%。相同负载时,表贴式永磁直线电机的输出功率及功率密度比嵌入式大,最大输出功率比嵌入式高19.05%,最大功率密度均比嵌入式高23.34%,因此本文选择永磁体贴装于圆筒型直线电机动子铁芯表面的方式。最后本文对电机的定位力展开研究,分析了齿槽宽度、辅助槽、边端齿高度、极弧系数、气隙宽度、初级铁芯长度对定位力的影响,并基于正交试验法对电机的极弧系数、气隙宽度、凸初级长度进行优化,结果表明,极弧系数取0.85,气隙宽度取1mm,凸初级长度取6.25mm是最优的参数组合,在降低定位力的同时可以兼顾反电势幅值。优化后电机的定位力幅值减少76.83%,反电势幅值增加2.72%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM359.4
【图文】：

背景环境是人类生存的物质基础，合理地开发与利用能源对社会和经济的要。近年来，随着人口的不断增长，人类对化石燃料等不可再生资源随之而来的环境污染、能源短缺等问题也日益突出，节能与环保已成焦点问题，提高能源效率、发展可再生能源，也相继成为世界各国的国“十二五”计划提出，到 2015 年，非化石能源消耗将占主要能源位 GDP 的能耗将减少 16%。在 2009 年 11 月举办的哥本哈根全球气候承诺到 2020 年，单位 GDP 的二氧化碳排放量相比 2005 年将减少 此，提升能源使用效率、减少能源消耗以及保护环境是我国的迫切任源的结构特点是“多煤、贫油、少气”，国务院办公厅发布的《能源（2014-2020）》中提出，要积极发展清洁能源以优化能源结构，预计到消费结构如图 1-1 所示[2]，可以看出化石能源的消费占比仍远远超过源对环境造成的影响依旧不容小觑。燃烧化石燃料引发的环境污染问世纪 50 年代英国伦敦发生的烟雾事件便是最鲜明的案例。

图 1-2 2008-2014 年中国汽车保有量Fig.1-2 Chinese car ownership from 2008 to 2014此，如何采取有效的手段降低能耗、开发绿色能源是世界各国实现经济可须面对的问题，而发展以低能耗、低排放、低污染为特征的低碳经济也逐共识，在这样的大背景下，许多国家相继制定严格的汽车排放标准，德国欧洲国家也发布了禁售燃油车时间表，这些措施都直接或间接地促进了新展。展新能源汽车、利用可再生资源可以有效地解决环境污染与能源短缺问题主要包括纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车等，但纯电动汽车受较低及充电设施不完备等因素的制约，而燃料电池汽车亦存在成本较高及成熟等问题[5]，作为传统内燃机汽车和纯电动汽车之间的过渡选择，混合国内外许多研究机构的重视[6]。自由活塞式内燃发电机便是一种串联式混，它将自由活塞式内燃机和直线电机耦合在一起，构成一种新型动力装置机对整个系统的稳定运行起着重要作用，因此需对其性能展开研究。此外危机，全球各国积极探索可再生能源的利用，一些学者集中研究斯特林太系统及海洋波浪能发电系统，而直线电机在这些系统中亦有应用[7]。因此

力作旋转运动[10]。用较多的是平板型和圆筒型直线电机，其基本特征对比如表 1-表 1-2 平板型和圆筒型直线电机的特点对比Table1-2 Comparison of characteristics of flat and cylindrical motor类型 单边平板型 双边平板型 圆部效应 有 有 部效应 有 有 间法向力 有 无 工艺 简单 简单 较机根据励磁方式可以分为永磁式、感应式和磁阻式三种。图 1-直线电机。感应式直线电机的初级与永磁式相似，次级有较大区、非磁性次级和复合次级三种形式，如图 1-13 所示。采用复合性能较好，复合次级的结构是在低碳钢板上覆盖一层薄铜板或铝条，多根铜条两头用铜边条短接，如同展开的笼型转子，是一种

【参考文献】

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本文编号：2754096