1、發(fā)電機論文|Halbach結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線發(fā)電機的設(shè)計分析-論文網(wǎng)    摘要：斯特林發(fā)動機配合直線發(fā)電機構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小等特點，本文設(shè)計的Halbach 充磁永磁直線發(fā)電機就是應(yīng)用到斯特林發(fā)電系統(tǒng)中的。Halbach 磁體結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外學者研究的熱點，把它應(yīng)用到直線發(fā)電機中有著突出的特點。本文首先用有限元方法對Halbach 充磁式直線發(fā)電機的空載性能進行分析，得出Halbach 充磁結(jié)構(gòu)當軸向充磁與徑向充磁永磁體軸向長度的比例變化時對反電勢波形有較大的影響。然后，分析了永磁體厚度對空載特性的影響，從而得到空載反電勢隨永磁體厚度

2、變化的規(guī)律。最后對已制樣機進行了實驗測試和功能性驗證。9 O' S) P) ; s, Z$ ?4 K5 W4 g       寫手聯(lián)盟 專業(yè)代寫代發(fā)表職稱論文、專業(yè)論文，推薦刊物均為同時具有CN和ISSN雙刊號正規(guī)期刊，以優(yōu)惠的價格，優(yōu)良的服務(wù)，為您打造最優(yōu)質(zhì)的原創(chuàng)論文代寫和職稱論文發(fā)表服務(wù)! 可提供論文加急發(fā)表。： 電機設(shè)計；Halbach 陣列；直線發(fā)電機；有限元分析；2 L; E: X' r, t  b+ G* * p! a# y( k7 r2        &#

3、160;引言, S* s% m: P$ k6 u+ k1 t; L! b8 A斯特林發(fā)動機能適應(yīng)各種不同的熱源，具有廢氣污染低、效率高、噪音低、振動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，因而目前己在汽車、無線電通訊、醫(yī)療、太陽熱發(fā)電電站、船舶的主機或輔機、水利動力裝置等方面獲得某種程度的應(yīng)用。相信，今后它將會獲得更廣泛的應(yīng)用1。- N# y& u+ z: 7 h9 Y( E+     永磁直線同步電機(PMLSM)因其動態(tài)性能好、可靠性高，越來越受到人們的關(guān)注。隨著永磁直線同步電機的廣泛應(yīng)用，對其性能的要求也越來越高。而永磁直線同步電機的推力波動是影響其性能的主要因

4、素。由于推力波動是電機產(chǎn)生振動與噪音的主要原因，特別是在低速運行時，還可能引起共振，因此推力波動會對電機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生許多不利的影響。實際上，電機繞組三相電流與反電勢均不是標準的正弦波形，含有高次諧波。如果氣隙磁密波形是嚴格的正弦波形，則空載電勢將為標準的正弦函數(shù)，三相繞組輸入電流(相電壓)可以控制為嚴格的正弦函數(shù).依據(jù)電路原理，電樞穩(wěn)態(tài)電流及電樞反應(yīng)電勢都將是嚴格的正弦函數(shù)。6 X6 G; K: G. ?* o    因此，最關(guān)鍵的是氣隙磁密波形，最直觀的反應(yīng)是空載反電勢波形的正弦度。在采用常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)時不能得到理想的正弦波氣隙磁密分布，只有通過電動機繞組的短距和分布來獲

5、得需要的正弦波分布的電勢，這無疑降低了電動機的功率密度和推力密度。若采用Halbach 磁體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于永磁直線同步電機，會具有很大的優(yōu)越性2-3 ，不僅可以使氣隙磁密正弦化，而且氣隙磁通也會增加，這意味著電磁推力的增大，因此可以保持電機出力不變，減小電樞電流和繞組電阻損耗。從而提高電機效率。  , F/ X5 W/ T' I    由于 Halbach 列永磁體結(jié)構(gòu)分布按正弦變化,改變了永磁體的磁場分布使得永磁體產(chǎn)生磁場為單邊磁場,適用于普通永磁電機的電磁分析方法已經(jīng)滿足不了他的要求。其設(shè)計必須和有限元分析緊密結(jié)合起來,采用場路結(jié)合的方法。其有限

6、元分析步驟如圖1。3 K: g& s4 G) V) U* m$ E  E- E    L& Y$ e/ k: e( t. v1 Halbach充磁結(jié)構(gòu)的基本原理+ & t7 C- D" Z" T% k9 X. d是Ansoft 軟件仿真的Halbach 陣列的磁場分布，可以看出在Halbach 列中,形成單邊磁場的永磁陣列本身就為磁場提供了通路,而另一邊幾乎不受磁場的影響,這就是列的自屏蔽效應(yīng)。如果把Halbach 列應(yīng)用在電機設(shè)計中，Halbach 電機的動子材料有較大的選擇余地，Halbach 電機的定子軛

7、部也可以基本取消。這將大幅提高電機的功率密度。, N4 j9 7 U, 7 q7 D$ G/ K    電機的另一個特點就是其磁極磁場呈正弦分布，這一點是有其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。一般情況下，在永磁電機中永磁材料都是離散分布，在圖2 中Halbach 陣列的磁場分布中，如果改變永磁材料相對位置的分布就可以改變磁極磁場的分布，從而使磁場達到正弦分布。; ?) j+ j; |  C% L   + d& u1 L& m; z5 3 N0 u2 Halbach充磁式永磁直線發(fā)電機有限元分析* Q9 s! b! g7 r" E8

8、 BHalbach結(jié)構(gòu)軸、徑向永磁體軸向長度對電機反電勢的影響# l% O9 V" y# e' s% T" ?3 l9 O國外有很多學者對Halbach 充磁式直線電機進行研究并建立了解析模型并對Halbach 結(jié)構(gòu)直線電機的出力特性進行了分析4-7 。解析方法過于復(fù)雜而且計算周期長，應(yīng)用有限元軟件進行分析方便快捷節(jié)省了大量時間。電機動子磁體排布和模型結(jié)構(gòu)如圖2 中所示。該模型是用有限元分析軟件ansoft 建立的。在其他尺寸不變的情況下，選取永磁體厚度為4mm，τ =9mm。4 m) R4 f. D+ y, i( X& G' x1

9、q4 J2 X    Halbach 直線電機的模型分別取軸、徑向磁體軸向長度比例為2.5:6.5、3:6、3.5:5.5、4:5、4.5:4.5、5:4、5.5:3.5、6.5:2.5、7:2 進行有限元仿真。下面以永磁體厚度4mm 為例給出各比例下的電機空載反電勢的波形，如圖4 所示。對上述各個模型的反電勢波形進行傅立葉分解，得到各個波形的諧波含量，其中軸、徑向永磁體寬度相等時諧波含量最小，也就是說此時的氣隙磁場的正弦度最好。各個模型的諧波含有量如表1 。" ; w8 H" Y, m, f; z8 Q( a    軸、徑向永磁體軸

10、向長度比例變化時的諧波含量綜合比較，當永磁體厚度不變時選取軸、徑向比例為5:4 是比較理想的。; e' r% J, 6 ': M    永磁體厚度對空載電勢的影響在不同的永磁體厚度情況下空載反電勢隨軸、徑向永磁體軸向長度比例不同的變化規(guī)律是否一致，不同永磁體厚度對電機空載特性有什么影響。首先分別對永磁體厚度為5mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm 情況下軸、徑向比例按2.5:6.5、3:6、3.5:5.5、4.5:4.5、5:4、5.5:3.5、6:3、6.5:2.5、7:2 變化的各個模型進行仿真。計算各個模型反電勢有效值如表2。 可

11、以看出不同永磁體厚度下反電勢隨軸、徑向比例的變化規(guī)律是一致的，而且反電勢值隨永磁體厚度增加而增加，當永磁體厚度不斷加厚的同時，反電勢增加的幅度逐漸變小。由于不同永磁體厚度下反電勢隨軸、徑向永磁體軸向長度比例的變化規(guī)律是一致的取軸、徑向比5:4 時繪制反電勢隨永磁體厚度不同的變化曲線，如圖永磁體厚度反電勢有效值圖6 軸、徑向永磁體軸向長度比例5:4 時反電勢有效值隨永磁體厚度變化曲線由上圖可以看出永磁體厚度超過9mm 后就增加得十分緩慢，由于動子是不需要軛部鐵芯的，所以增加永磁體的體積就相當于增加動子的質(zhì)量，這樣在反電勢增加不大的情況下，電機的整體質(zhì)量增加必將降低電機的功率密度，所以永磁體的厚度

12、不宜過厚，按上圖的變化分析，永磁體厚度不宜超過9mm。1 X, L8 u) U2 R! R    永磁厚度增加使反電勢增加的同時也使定位力矩增加，同時反電勢的波形正弦度開始變差。對軸、徑向比例為5:4 情況下不同永磁體厚度下的反電勢波形進行傅立葉分解。所得數(shù)據(jù)如表3 。% Y+ V6 L$ U# q1 o.     由表 3 的數(shù)據(jù)可以看出，隨著永磁體厚度的增加反電勢基波幅值增加，同時諧波含量逐漸加大?？蛰d反電勢的諧波含量增大說明永磁體厚度的增加對Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的正弦度有較大的影響，這必然導(dǎo)致推力波動的增大。/ x3 " A: K&#

13、39; H: t" & a6 k0 E$ z   % b+ ?3 L7 B4 z6 H4 Z5 C+ H3 實驗平臺及實驗數(shù)據(jù)4 Z/ x  V2 g; z- r2 e樣機的加工采用永磁厚度9mm，軸、徑向永磁體軸向長度比例為5:4，樣機的實驗平臺為圖7(a)，樣機是由旋轉(zhuǎn)電機通中(b)、(c)分別為電機運行速度為1m/s 時的空載電壓和蓄電池負載電勢及電流波形，由圖7(b)可以看出空載電勢波形正弦度并不好而且電容負載時波形也有一定的波動，分析原因由以下三點：6 ', F& * ; p- w.    

14、 電機額定運行速度為3m/s，由于實驗條件限制電機實驗中只能工作在1m/s，這樣使得發(fā)電電壓不夠，輸出功率不足。4 m& h: E& A1 s+ V- I    所測電壓為線電壓，相間繞組不對稱使得波形有一定的偏差。6 H) Q& D" u5 Y5 Z& k    最為主要的原因是電機并不是勻速運行而是亞正弦速度運行。0 v$ J8 J6 b0 d7 i, O     M+ p( T, X4 r% z2 x: I4 結(jié)論% l# L" a/ H6 n3 a0 H  m軸向充磁永磁體軸向長度和徑向充磁永磁體軸向長度比例不同對反電勢有較大的影響，反電勢幅值隨軸、徑向比例的增大先增大后減小，而諧波含量是先減小后增大，即在軸、徑向永磁體軸向長度相等時達到最優(yōu)，而且Halbach 充磁結(jié)構(gòu)永磁體