论文部分内容阅读
自由活塞发动机与直线发电机可以集成在一起构成自由活塞直线发电系统。自由活塞斯特林发动机具有热效率高、污染少、噪音低等优点,且其工质密封在独立的区域内,与外部空间不存在气体交换,是下一代航天领域深空探测能源供给的重要手段之一。对于自由活塞斯特林发电系统,直线发电机设计是整个系统的重要环节之一。为了提高自由活塞斯特林直线发电机的效率和动态特性,本文提出了一种双定子结构的横向磁通永磁直线电机(Double Stator Transverse Flux Permanent Magnet Linear Machine,DSTFPMLM),并对电机的结构和性能参数进行了优化和实验验证。论文在自由活塞直线发电系统的基本组成和工作原理分析的基础上,对用于自由活塞发电机系统的直线发电机进行了选型分析。首先对磁通切换永磁直线电机(FSPMLM)的结构和工作原理进行了分析,在此基础上提出了一种新型的电机结构。其次,对普通圆筒型永磁直线电机(TPMLM)进行了仿真和试验分析,重点研究分析了加工参数偏差对电机定位力的影响。最后对横向磁通永磁直线电机(TFPMLM)的结构和性能进行了研究,并分析和对比了单气隙和双气隙TFPMLM的结构和性能特点。仿真实验结果显示:FSPMLM的动子质量较大,电压调整率较大,新型结构FSPMLM的定位力降低为1.57%;TPMLM的动子质量较大,电机铁心难以实现叠片形式,使得电机铁耗较大;双气隙TFPMLM的动子质量较轻,动态性能好。根据自由活塞发电系统对直线发电机的具体要求,本文把TFPMLM作为自由活塞直线发电机研究的基本结构形式。根据自由活塞发电系统的动子运动近似正弦的特点,对单相、三相电机在匀速和正弦速度下的运动情况进行了分析,从提高电机效率和降低电能后处理难度的角度出发,提出了一种单相DS-TFPMLM,并对电机的磁场分布、感应电势、定位力等性能进行了研究和分析。根据电机的设计要求,对电机的结构和性能参数进行了优化。分析了电机运动行程和定子铁心长度的关系;分析了定子铁心长度、气隙长度和永磁体尺寸等参数对电机感应电动势和定位力的影响。分析结果表明:DS-TFPMLM在正弦运动状态下的感应电动势为正弦波形;DS-TFPMLM的定位力主要取决于定子铁心长度和永磁体长度。最后确定了电机的尺寸和参数。自由活塞发电系统工作在高温环境,为了保证DS-TFPMLM安全高效地运行,对DS-TFPMLM进行温度场计算和研究。首先对DS-TFPMLM的热源和各部分的导热系数进行计算和分析,对电机温升对电机电磁性能的影响进行了分析。在此基础上,建立了DS-TFPMLM的温度场仿真模型,对电机槽满率和浸漆工艺等因素对电机散热效果的影响进行了研究,对电机处于常温环境和太空环境下的温升情况进行了分析计算。分析结果显示:电机槽满率由0.6提高到0.8后,DS-TFPMLM的温升大幅度降低;DS-TFPMLM在常温环境和太空环境下的温升差别不大。为了验证DS-TFPMLM的理论分析正确性和仿真计算的准确性,研制了一台DSTFPMLM样机,设计搭建了直线电机测试平台,对DS-TFPMLM样机的定位力、空载、负载和温升等性能进行了测试。测试结果显示:DS-TFPMLM样机的定位力实测值为8.2N,比仿真结果大0.8N;在振荡频率为19.75Hz时,样机空载感应电动势的实测值为43.1V,比仿真结果低2.9V。通过对比实验结果和仿真结果发现,实验结果与仿真结果基本一致。