轴向充磁永磁直线电机推力波动及温度场问题的研究

论文摘要

随着工业化进程的加速、能源的枯竭、自然环境的进一步恶化,各行各业对高效能、低排放等环保设备的需求变得日趋强烈,而历史悠久的斯特林发动机,凭借着其较高的热能利用率、能源来源广泛以及较低的污染尾气排放等诸多优势,在经历了多年的沉浮后,逐渐成为了行业内的新宠。本文以斯特林发动机为应用背景,对斯特林发电系统中的轴向充磁永磁直线电机进行了研究。本文在对斯特林发电系统发展形势分析的基础上,完成了对满足工程要求的直线电机的设计和建模,并通过初步仿真分析,对所设计电机中存在的推力波动较大等问题进行了理论分析,并提出了多种抑制直线电机边端效应和齿槽效应的方法,进而达到抑制其推力波动的目标。在理论分析的基础上,根据提出的不同方案建立不同的电机模型,完成了对所提出的抑制推力波动方法的有限元仿真分析,验证了通过改变边端齿轴向厚度、径向长度、极槽配比、极弧系数等降低边端效应、齿槽效应方法的可行性,并确定了能够达到工程性能指标的最优电机模型。此外,本文就影响电机性能的电机温升问题,建立了电机的Fluent三维稳态温度场仿真模型,给出了两种针对直线电机开口槽温度场模型建立的等效方案,并验证了方案的可行性,同时验证了本电机模型将在温升允许范围内稳定运行。最后,进行了样机的制造和实验结果分析,并针对实验结果存在的问题给出了进一步分析和改善意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 斯特林发动机发展状况
• 1.2.1 斯特林发动机概述
• 1.2.2 斯特林发动机国内外发展状况
• 1.3 直线电机发展状况
• 1.3.1 直线电机的工作原理及优势
• 1.3.2 直线电机的不同类型
• 1.3.3 直线电机的国内外发展状况
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 轴向充磁永磁直线电机的设计及性能分析
• 2.1 引言
• 2.2 轴向充磁永磁直线电机的设计
• 2.2.1 直线电机材料的选取
• 2.2.2 直线电机尺寸的设计
• 2.3 轴向充磁二维有限元模型的建立与分析
• 2.4 轴向充磁永磁直线电机磁阻力的分析
• 2.4.1 直线电机电磁力计算方法
• 2.4.2 端部效应对磁阻力的影响
• 2.4.3 齿槽效应对磁阻力的影响
• 2.5 轴向充磁永磁直线电机推力波动的抑制方法
• 2.5.1 端部效应的抑制
• 2.5.2 齿槽效应的抑制
• 2.6 本章小结
• 第3章 轴向充磁永磁直线电机抑制推力波动的优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 轴向充磁永磁直线电机抑制边端效应的优化设计
• 3.2.1 边端齿径向长度的优化
• 3.2.2 边端齿轴向宽度的优化
• 3.2.3 边端齿外附加导磁块的优化
• 3.2.4 极槽配比的优化
• 3.3 轴向充磁永磁直线电机抑制齿槽效应的优化设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 轴向充磁永磁直线电机温度场的研究
• 4.1 引言
• 4.2 轴向充磁永磁直线电机内热交换的基本理论
• 4.2.1 导热
• 4.2.2 对流
• 4.2.3 辐射
• 4.3 轴向直线电机温度场模型的热源分析
• 4.4 轴向直线电机温度场模型参数的选取
• 4.4.1 电机材料导热系数的选取与等效
• 4.4.2 电机表面散热系数的选取
• 4.5 轴向直线电机三维稳态温度场模型的建立与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 轴向充磁永磁直线电机的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 永磁直线电机的样机制造及试验台架的搭建
• 5.3 永磁直线电机的实验测试
• 5.3.1 定位力测试
• 5.3.2 空载测试
• 5.3.3 纯阻性负载测试
• 5.3.4 蓄电池负载测试
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢