一種圓筒型斯特林直線發(fā)電機仿真分析及驗證

權艷娜，郗珂慶

(西安航天動力測控技術研究所，西安 710025)

0 引 言

永磁直線發(fā)電機現(xiàn)在正處于高速研發(fā)階段，國外主要研究動磁式、動鐵式和動磁鐵式[1]。動磁式更宜用于自由活塞斯特林發(fā)電機中，動磁式直線電機能夠使電機結構更加緊湊，進而能使電機體積更小、動力更大、效率更高，并且無動圈式驅(qū)動方式存在飛線問題，可靠性和加工性都得到提高[2]。

本文主要介紹了一款小功率圓筒型斯特林直線發(fā)電機，在有限體積內(nèi)實現(xiàn)較高的功率。

1 電機結構和動力學模型

1.1 電機結構

圓筒型斯特林直線發(fā)電機的結構如圖1所示，主要由定子、動子以及板簧、殼體，動子通過板簧與機殼連接，定子和機殼固定在一起，定子、動子和板簧安裝在電機機殼內(nèi)。

圖1 圓筒型斯特林直線發(fā)電機結構圖

永磁體徑向充磁，四組永磁體從左至右充磁方向分別為N極、S極、S極、N極，固定在磁軛表面，共同組成動子結構。當活塞帶動動子作周期性往復運動時，在繞組中產(chǎn)生感應電壓，感應電壓隨動子往復運動呈現(xiàn)周期性變化[3]。

1.2 動力學模型

電機運動時，動子受到電磁力、彈簧力、摩擦力等，當動子的運動頻率和系統(tǒng)的共振頻率相同時，系統(tǒng)發(fā)生共振，共振時可獲得最大工作效率[4]。

(1)

式中：m為動子質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；k為彈簧的彈性系數(shù)；Fe為電磁力；Ff為摩擦力；Fg為氣體力；x為動子位移，即：

x=sin(2πf·t)

(2)

式中:f為動子運行頻率。

動子運行頻率與動子質(zhì)量和板簧剛度均有關，見式(3)。

(3)

當動子作近似正弦的往復運動時，繞組感應電壓也是正弦變化的量。

Egen=Uout+IdcRdc

(4)

由于電感的作用，有：

(5)

2 電機方案

圓筒型斯特林直線發(fā)電機為旋轉體，針對其特點，電機的主要結構尺寸如圖2所示，參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)表

圖2 電機主要結構尺寸

3 仿真模型

3.1 有限元建模

在磁場仿真軟件Maxwell2D下建立該發(fā)電機模型，設置電機運動邊界，根據(jù)動子運動頻率為50Hz、運動幅值為±5mm，設置運動速度，設置外電路為輸出端開路，得到電機極限位置的磁力線和磁感應強度分布如圖3、圖4所示。

圖3 電機極限位置磁力線分布

圖4 電機極限位置磁感應強度分布

3.2 輸出特性曲線

分別設置外電路輸出端為開路和負載5Ω，得到空載和帶載輸出電壓、動子位移，如圖5、圖6所示。

圖5 電機空載輸出特性曲線

圖6 電機帶載輸出特性曲線

此外，動子運動頻率為50Hz，運動幅值為±4mm時的空載和帶載5Ω時的輸出電壓、動子位移分別如圖7、圖8所示。

圖7 電機空載輸出特性曲線(50Hz,±4mm)

圖8 電機帶載輸出特性曲線(50Hz,±4mm)

動子運動頻率為40Hz，運動幅值為±4mm時的空載輸出特性如圖9所示。

圖9 電機空載輸出特性曲線(40Hz，±4mm)

4 實測數(shù)據(jù)

將兩臺直線發(fā)電機對拖進行測試，樣機已交付，未拍攝測試系統(tǒng)照片，測試原理如圖10所示。

圖10 測試原理示意圖

兩臺發(fā)電機外殼固定于支架上，動子間有聯(lián)軸器，末端有位移傳感器同軸安裝，一臺發(fā)電機作為直線電動機與電源連接，另一臺作為發(fā)電機與負載連接。電源輸出一定頻率的交流電時，直線電動機動子以相應頻率運動，帶動直線發(fā)電機動子運動，在定子繞組上感應出電壓。電機剛度為板簧的剛度和磁場剛度的疊加，實測直線電動機剛度k12=29N/mm，直線發(fā)電機剛度k34=23.7N/mm，兩者為并聯(lián)狀態(tài)，總剛度疊加k=55.7N/mm。根據(jù)式(3)，f=54.7Hz。考慮部分板簧質(zhì)量，實際共振頻率應小于并接近55Hz。

實測動子在50Hz下運動，幅值由±3mm逐漸增加至±5mm過程中，空載輸出電壓和負載5Ω時輸出電壓情況如圖11所示。由圖11可以看出，動子運動幅值增加時，空載和帶負載輸出電壓均為逐漸增大，且空載輸出電壓增加速度略大。

圖11 輸出電壓隨動子運動幅值變化曲線

實測動子運動幅值為±4mm，頻率不同時，空載輸出電壓的變化如圖12所示。由圖12可以看出，動子運動頻率增加時，空載輸出電壓逐漸增大，且在45～50Hz變化更明顯。

圖12 輸出電壓隨動子運動頻率變化曲線

5 實測與仿真對比

實測動子在±5mm，50Hz下運動時，空載輸出電壓和5Ω負載時輸出電壓、功率，與仿真值進行對比，如表1所示。

表2 輸出特性對比

由表1可以看出，空載輸出電壓仿真值與測試值差異為0.2%，帶負載輸出電壓差異為3.5%，帶負載輸出功率差異為11.4%。

6 結 語

該直線發(fā)電機采用動磁式方案進行設計，具有體積小、結構緊湊、效率高的特點，根據(jù)實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，仿真結果合理有效，具有較強的指導意義。