新型橫向磁通熱聲直線發電機定位力研究

夏加寬，鄭少偉，何 新

(沈陽工業大學，遼寧沈陽110870)

0 引 言

熱聲發電技術是一種新型的熱發電技術，它通過熱聲發動機驅動直線發電機往復運動來實現熱能向聲能再向電能的轉換［1－2］。它要求直線發電機效率和功率密度要高，可靠性要好。并且作為熱聲發動機的的負載，直線發電機的運動特性要與熱聲發動機的輸出特性相匹配，以提高電能的輸出。

常見的圓筒型直線電機的主磁路與動子的運動方向平行，定子硅鋼片沿著運動方向排列，疊裝硅鋼片較為困難;而橫向磁通直線電機的主磁路與運動方向垂直，使得硅鋼片的疊裝方式變得簡單，利于加工，且功率密度較大［3－6］，非常適合進行高頻往復運動。本文采用了一種新型的橫向磁通直線發電機結構，可以較好地實現與熱聲發動機的匹配，接著主要研究了對電機運行特性影響較大的定位力的特點。

定位力表征了永磁直線電機的一項基本性能指標，是直線電機固有的特性，其大小和方向與電機運行狀況無關［7－10］。目前定位力研究多通過建立分析模型，獲得定位力的計算方法，然后采取措施削弱電機的定位力［10－14］。本文考慮定位力并不總產生阻力的效果，而趨向將電機動子停止在某一個位置，著重研究定位力與動子位移的關系。通過分析發現在該電機中定位力具有歸中性，這與彈簧的力特性相似，有助于實現匹配，可見合適的定位力將會對電機的運動產生幫助。

1 電機結構與運行原理

該電機采用諧振彈簧式設計，圖1為直線發電機的結構示意圖，圖2為電機橫向剖面圖。電機的定子采用集中繞組，每個定子齒上的線圈相互串聯。動子沿軸向安裝兩排永磁體，每排沿動子圓周均勻安裝8塊永磁體，永磁體與電機定子齒一一相對，每塊永磁體的尺寸均相等，且相鄰永磁體的極性相反。動子兩側裝有共振彈簧，動子在共振彈簧的支撐下左右運動。電機端蓋上裝有直線軸承，用以維持氣隙恒定。

電機的動子在外力驅動下沿軸向作往復運動，當動子位于平衡位置(如圖1所示，動子鐵心與定子鐵心軸向中心重合)時，穿過定子繞組的磁通為零;當動子運動到正向振幅(動子鐵心與定子鐵心端面重合時振幅有最大值)時，穿過定子繞組的磁通為Φmax;當動子運動到負向振幅時，穿過定子繞組的磁通為－Φmax。因此當動子沿軸向作往復運動時，穿過定子繞組的磁通發生周期性變化，定子繞組中就會產生感應電動勢。

2 定位力分析

永磁直線電機的定位力一方面來源于鐵心開槽引起的齒槽效應，另一方面來源于有限的初級長度引起的端部效應。從結構特點和運行方式可以看出，該電機不存在因齒槽效應引起的定位力，僅存在因端部效應引起的定位力。

為便于分析，作以下假設:

(1)電樞鐵心的磁導率為無窮大，忽略極間、端部漏磁;

(2)永磁體與定子鐵心重合部分的氣隙平均磁密為Bδav，永磁體不與定子鐵心重合部分的氣隙平均磁密為Bσav;

(3)各部分永磁體產生的磁場能量分布相同的空間范圍內。

規定x0為定子鐵心軸向中心線與動子鐵心軸向中心線之間的距離，x=0位置設定在定子鐵心軸向中心線上，如圖3所示。

圖3 永磁體與定子鐵心的相對位置

對應圖3所示位置動子軸向長度內的氣隙磁密分布如圖4所示。則在時動子左右兩半對應的氣隙平均磁密分別:

圖4 B(x)的分布

式中:lFe和lm分別為定子鐵心軸向長度和永磁體的軸向長度，則左右兩半產生的磁場能量分別:

式中:R1和R2分別為定子的內半徑和動子軛的外半徑。可得在時電機內存儲的總的磁場能量:

3 有限元仿真

該電機的磁場分布比較復雜，很難簡化成二維模型來處理，為了提高仿真的精確度，采用三維模型進行仿真。電機的主要結構參數如表1所示。

表1 電機參數

圖5為電機三維有限元模型圖，圖6為仿真得到的平衡位置時動子軸向長度內沿軸向氣隙磁密的分布圖。

定位力的仿真結果如圖7所示，可以看出，在一定位移范圍內，定位力與位移的關系近似為直線。而當位移接近，即動子軸向中心運動到定子鐵心端面附近時，定位力的值開始下降，這是因為此時定子鐵心與軸向兩排永磁體之間的相互作用開始減弱。對比有限元仿真結果和理論分析結果，可以看出，由于理論分析簡化了氣隙磁密的分布，導致計算結果有一定誤差。

圖7 定位力結果比較

進一步分析kdf，可以得到電機的一些關鍵的結構參數對定位力的影響，下面作詳細分析。

(1)氣隙寬度。氣隙寬度的大小與氣隙磁密的大小直接相關，氣隙寬度越大，氣隙磁密越小。通過保持定子鐵心內徑和永磁體厚度不變，改變氣隙寬度的大小，得到一組定位力曲線，如圖8所示。可以看出氣隙寬度越大，對應位置處定位力越小。但是氣隙寬度還影響電機的反電勢及其他性能，設計時需要綜合考慮。

圖8 不同氣隙寬度下定位力曲線

(2)永磁體厚度。永磁體厚度極大程度上決定了永磁體的工作點，永磁體產生的磁動勢與永磁體的厚度呈線性關系。保持定子鐵心內徑和氣隙寬度不變，改變永磁體厚度，得到一組定位力曲線，如圖9所示。可以看出永磁體厚度越大，對應位置處定位力越大。同時需注意永磁體厚度還影響電機其他的性能，需要相互兼顧。

圖9 不同永磁體厚度下定位力曲線

(3)永磁體軸向長度。永磁體軸向長度主要影響氣隙磁密的軸向分布，同時對動子的體積和質量有影響。保持其他參數不變，改變永磁體軸向長度，得到如圖10所示的一組定位力曲線。可以看出永磁體軸向長度越長，對應位置處定位力越小。

圖10 不同永磁體軸向長度下定位力曲線

另外，采用不同的永磁材料、不同極弧系數等對定位力的大小都有影響。總結發現，改變這些參數主要是影響電機氣隙磁密的大小和分布，進而影響定位力。因此若要提高定位力理論分析的準確度，需要精確獲得電機中氣隙磁密的分布規律。同時這些參數還影響著電機的反電勢、動子的體積和質量等重要參數，進而影響發電機的輸出和運動特性，需要在設計時綜合考慮。

4 實驗測試

由于電機中定位力和摩擦力同時存在，測試定位力時應盡可能地消除摩擦力的影響。本文采用往復運動雙向測量的方案，利用在同一位置上摩擦力大小相等、方向相反的特點加以抵消。測試時，沿軸向拖動樣機的動子進行往復運動，與此同時借助力傳感器測量動子行程中每個絕對位置上的力值，最終通過計算得到測量位置處的定位力。

實驗樣機如圖11所示，樣機的主要參數如表1所示，測試時樣機內部未安裝彈簧。

圖11 實驗樣機

圖12 為實驗測試得到的定位力波形。可以看出三種方法得到的結果趨勢相同。由于樣機機殼軸向長度較短，樣機兩側端蓋與動子上的永磁體的相互作用，導致當動子端部與端蓋距離較近時無法測量，并使測試結果存在一定誤差。

圖12 測試結果

5 結 論

本文提出了一種新型的橫向磁通直線發電機結構，通過理論分析得到了定位力簡化的計算方法，并通過有限元仿真和實驗測試，驗證了理論分析的正確性。得出:

(1)在一定動子位移范圍內，電機定位力的大小與動子位移成正比，方向相反，具有歸中性，為研究該電機的運動特性奠定了基礎。

(2)定位力的大小與電機的氣隙寬度、永磁體厚度和軸向長度等參數密切相關，通過調整這些參數可以得到合適大小的定位力。

(3)該電機的定位力與彈簧彈性力的特性相似，可用來補償彈性力，合適的定位力有助于實現直線發電機與熱聲發動機的匹配。

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