圆筒型永磁直线发电机的设计与优化

发布时间：2016-05-24 08:15

第1章  绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义
能源是世界进步和发展的动力来源，是人类社会赖以生存的物质基础。当前，世界上绝大多数国家都以石油。天然气、煤炭等化石燃料作为主要能源来源。随着化石燃料的日益枯竭和全球能源危机的不断加剧，许多国家都在探索能源多样化的途径，积极开展可再生能源的研究和开发工作，可再生能源发电技术越来越受到重视。除了以风力发电、光伏发电为代表的新能源发电形式，海浪发电[1-3]、太阳能热发电[4-5]等清洁可再生能源发电也开始受到国内外专家学者的关注。太阳能利用具有以下明显的特点[6]：1）储量的无限性；2）存在的普遍性；3）利用的清洁性：4）利用的经济性。针对上述情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施，太阳能无疑是符合可持续发展战略理想的绿色能源。 本文课题来源于国家自然科学基金(51267011)，主要研究对象是碟式斯特林太阳能热发电系统中的圆筒型永磁直线电机。碟式斯特林太阳能热机先将太阳能热能转变为机械能，然后再由与系统匹配的圆筒型永磁直线发电机将机械能转变为电能。碟式斯特林太阳能热机发电系统首先采用一组抛物面将太阳光聚焦并反射到斯特林热机的受热面上，斯特林热机内部的工作介质（一般为氢气或氦气）受热成为高温高压的蒸气，从而保证斯特林热机高效运转[7]。圆筒型永磁直线发电机作为一种直线运动的发电机构，配合直线运动的斯特林发动机就构成了斯特林发电系统，斯特林发动机和直线电机的结合，使系统具备了高效、高比功率、高可靠性的热电转换能力。本文针对应用于碟式斯特林太阳能热发电系统这一背景，设计并分析了一台圆筒型永磁直线发电机。 
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1.2 太阳能热发电的原理和技术
太阳能热发电指的是将太阳光聚集起来将其转换成具有足够温度的热能，再转变成电能的技术。首先利用聚光器，将太阳光聚集起来形成高密度热能；然后将工质加热至一定温度下使其循环做功，进而驱动发电机发电。太阳能热发电系统主要有槽式、塔式、碟式三种。槽式太阳能热发电的工作原理是利用单轴槽式抛物面反光镜将太阳光聚焦，它能够将太阳光聚焦在一条直线上，而管状线形集热器正好安装在太阳光所聚焦的直线位置。聚焦的太阳光加热集热器里面的工质，使工质受热汽化，在热能转换设备形成高温高压蒸汽，从而推动发电机进行发电。 槽式太阳能热发电系统的结构简单，设备的安装维护方便，系统的容量没有限制。但是槽式太阳能热发电系统也有缺点，，比如聚光能力较低，集热器的散热面积大从而热量损失较大，集热器表面无法进行绝热处理从而热辐射损失随着温度的上升而变大。 
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第2章  圆筒型永磁直线发电机的设计

2.1  永磁电机的等效磁路
永磁电机的主磁路主要由永磁体、气隙以及导磁材料组成，其中永磁体既是电机的磁源，又是磁路的组成部分。永磁电机的等效磁路可以分为永磁体等效磁路和外磁路等效磁路两个部分[36]。 

2.1.1  永磁体等效磁路
对于钕铁硼永磁材料，其磁性能比较强，具有较高的性价比。本文设计的发电机选择钕铁硼永磁材料，后面将有详细的介绍。在常温下，钕铁硼永磁材料的退磁曲线几乎为一直线，由于永磁体的工作点在回复线上，所以钕铁硼永磁材料的回复线与退磁曲线基本重合，在永磁电机中，永磁体作为磁源对外电路提供磁通形成磁路。总磁通m可以分为两个部分，一部分磁通与电枢绕组匝链，称为主磁通 ，它是电机实现机电能量转换的基础；另外一部分磁通不与电枢绕组匝链，而是在永磁体磁极之间、磁极与对应的结构组成部分之间形成漏磁场，该部分磁通称作漏磁通。主磁通和漏磁通所经过的磁路也相应的被叫作主磁路和漏磁路，对应的磁阻分别称为主磁阻 R和漏磁阻 R。外磁路的等效磁路如图 2.3 所示，电机设计时，尽量设法增加气隙主磁通，减小漏磁通。实际永磁电机的外磁路比较复杂，漏磁场的分布也非常复杂，对外磁路进行分析时，可以依据磁通分布情况将磁路分成多段，再通过串并联组成，这样主磁阻和漏磁阻是各段磁路磁阻的合成。 
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2.2  圆筒型永磁直线发电机总体结构设计
在设计一台电机时，有很多尺寸必须得确定，但是其中最重要的是电机的主要尺寸，因为待主要尺寸确定后，其他相关部分的尺寸也就可以大体确定。对于旋转同步电机，主要尺寸是定子的内径及其轴向长度。对于本文所设计的是圆筒型永磁直线发电机，必须将旋转电机的公式转换成同样适用于直线电机的公式。由于对直线电机原理的分析和对同步发电机原理的分析基本一样，不同的只是由旋转运动转换为直线运动。由于直线电机的结构是从旋转电机的结构演化过来，因此我们可以通过旋转电机的主要公式计算直线电机所对应的参数。旋转电机和直线电机相比，不同的参数有：旋转电机的直径 D，转速 n。交流绕组的设计种类有很多，设计时基本要求有：一是要尽量保证三相交流绕组的基波电动势和磁动势对称，也就是说幅值大小相等，相位相差 120 度；二是在导体数一定的情况下尽可能增大基波电动势和磁动势，减小并且削弱谐波分量；三是选择合适的导线以提高导线的利用率，便于电机的制造和加工。 
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第 3 章 圆筒型永磁直线发电机有限元分析 ..... 23 
3.1 电机电磁场有限元分析原理 ....... 23
3.2 Ansoft Maxwell 软件简介 ..... 25
3.3  有限元分析模型 ...... 26 
3.4 发电机空载磁场 ....... 29 
3.5 发电机空载反电动势 ...... 30 
3.6 不同永磁体充磁方式对空载电势影响分析 ........ 31 
3.7 电机结构参数分析 .... 33
3.8 发电机主要结构参数优化设计 ......... 35
3.9 发电机电压调整率 .... 39 
3.10 发电机负载特性 ...... 40 
3.11 本章小结 ..... 42 
第 4 章 发电机电感参数计算 ......... 43 
4.1 电机电感参数计算的概述 .... 43 
4.2 冻结磁导率法的概述以及基本流程 ....... 44
4.2.1 冻结磁导率法的概述 ..... 44 
4.2.2 冻结磁导率法的基本流程 .... 44 
4.3 自感和互感的计算方法 ........45 
4.3.1 磁链电流法 ........ 45 
4.3.2 磁场储能法 ........ 46 
4.4 交直轴电枢反应电感的计算 ....... 47 
4.5 本章小结 ....... 48 

第5章  圆筒型永磁直线发电机定位力分析

由于圆筒型永磁直线电机具有结构简单、绕组利用率高、无横向边端效应、方便调节和控制等一系列的特点，现已得到广泛的应用。但是它也有其明显的缺憾，在直线电机的运行过程中会有推力波动的现象出现。推力波动可以引起电机的振动以及噪声，甚至是共振，影响电机安全稳定运行。所以，永磁直线电机的定位力是判断电机性能优劣的一个重要指标。本章将分析圆筒型永磁直线发电机定位力产生的原因，并且研究减小电机定位力的方法，最后对本文所设计的发电机模型进行了定位力波动的优化。

5.1  定位力产生的原因及其分析

永磁直线电机定位力主要由齿槽力以及边端力组成。因为直线电机在结构上和传统的旋转电机不同，电机定子两端是断开的而不像旋转电机那样是旋转闭合的，这样一来会导致气隙磁场发生变化、产生畸变，从而产生边端力，对于电机的推力来说边端力是一个很大的扰动因素，所以在对电机进行推力分析时通常不能将其忽略。齿槽力是永磁电机在定子绕组电流为零的情况下永磁体与定子铁心之间的相互作用产生的作用力，是由永磁体和定子齿之间相互作用力的切向分量。当定子和转子有相对运动时，在一个或者两个定子齿所构成的一小段区间里磁导率变化很大，因此引起了电机磁场储能的变化，也就形成了齿槽力。 如今，比较常见的计算电机电磁力的方法有能量法以及麦克斯韦张量法。运用能量法的时候首先需要选定一个很小的位移，接着计算出这个位移间的磁场储能之差，这个值与位移量之比就是电磁力，不过这种方法的缺点是运算量比较大。运用麦克斯韦张量法要简单一些。 

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结论

论文以一种圆筒型永磁直线发电机的研究为主线，介绍直线电机的国内外发展现状，介绍了圆筒型永磁直线发电机的基本原理与结构、电磁设计、有限元分析、优化分析等，获得的成果如下： 
(1)介绍了由永磁旋转发电机演变成永磁直线发电机的过程，叙述了直线电机原理以及当今国内外永磁直线发电机的研究概况，给出了几种常见结构的直线电机，注重介绍了圆筒型永磁直线发电机。 
(2)从电机主要尺寸的确定、定子绕组的设计、永磁体的选择、电磁负荷的选择等方面着重介绍了圆筒型永磁直线发电机的电磁设计过程，确定了本文设计的发电机样机的结构和主要尺寸。
(3)运用有限元分析软件 Ansoft，建立了圆筒型永磁直线发电机的仿真模型，对发电机的性能情况进行了详尽的分析，包括空载磁场、反电动势、反电动势波形畸变率，并对相关结构尺寸对空载电磁参数的影响情况进行了分析，得到这些参数随结构尺寸的变化情况。随后运用正交优化的方法对电机的结构参数进行了优化，使得发电机反电动势波形达到最佳，得到了最优的尺寸。将优化前后结果对比，优化效果明显。并对优化后发电机进行了负载特性分析，得到了负载电压与输出功率的变化曲线。 
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参考文献(略)

本文编号：48986