斯特林循環(huán)機(jī)械裝置作為清潔、適用性廣的替代動(dòng)力裝置在21世紀(jì)初就成為了航天空間電源等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與直線(xiàn)電機(jī)相連,通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)將其機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出,實(shí)現(xiàn)了熱能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換,該裝置被稱(chēng)為自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)。本文圍繞自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性,分別從基于動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)穩(wěn)定性、基于熱力學(xué)的系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率、圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制策略、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等方面對(duì)自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先,建立了自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真的方法,研究了熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究并分析了系統(tǒng)外殼體固定和減振模式下運(yùn)動(dòng)活塞和動(dòng)力活塞的幅值比和相位關(guān)系,為系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,研究了殼體固定和減振模式下線(xiàn)性和非線(xiàn)性的熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性,得出不同條件下的穩(wěn)定判據(jù),為系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。最后開(kāi)展系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究,通過(guò)仿真給出電機(jī)負(fù)載系數(shù)、基礎(chǔ)剛度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。其次,為了分析自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程,建立了發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)模型,研究了主要參數(shù)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)效率的影響規(guī)律,以及系統(tǒng)多參數(shù)下的效率優(yōu)化。提出并研究了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的斯特林發(fā)電系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方法,借助一維或多維熱力學(xué)數(shù)值分析軟件分析回?zé)崞�、換熱器、加熱器等核心部件的主要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響規(guī)律,借助二維、三維軟件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和換熱器局部進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升和性能的改善。再次,為了提升圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的性能,通過(guò)改變電機(jī)的主要參數(shù),優(yōu)化了直線(xiàn)電機(jī)的結(jié)構(gòu),提高了電機(jī)的效率和功率密度。通過(guò)分析動(dòng)子極弧系數(shù)、定子齒寬、動(dòng)子半徑等參數(shù)對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形、諧波畸變率、推力波動(dòng)等主要性能的影響規(guī)律,得出圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的通用優(yōu)化方法;通過(guò)分析邊端齒徑向長(zhǎng)度、軸向長(zhǎng)度以及在邊端齒外附加導(dǎo)磁塊對(duì)電機(jī)定子受力和負(fù)載時(shí)推力波動(dòng)的影響規(guī)律,給出圓筒型直線(xiàn)電機(jī)的邊端齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法;通過(guò)對(duì)電機(jī)的效率及功率密度進(jìn)行分析,給出圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)的綜合優(yōu)化方法。然后,為了提高發(fā)電系統(tǒng)的輸出頻響及穩(wěn)定性,建立自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)模型,研究并優(yōu)化了發(fā)電系統(tǒng)不同工作階段的控制策略。以自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)/動(dòng)力學(xué)耦合理論分析與建模研究結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合直線(xiàn)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型,采用等溫分析方法建立了自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)模型。根據(jù)斯特林直線(xiàn)電機(jī)不同工作階段,起動(dòng)和發(fā)電階段分別采用了電流-行程和電流-電壓雙閉環(huán)控制策略。為提高發(fā)電階段輸出電壓的負(fù)載響應(yīng),研究了電流反饋解耦控制算法,分析了交直軸電流全解耦在活塞位移、負(fù)載突變等工況下對(duì)電壓調(diào)整時(shí)間、電壓波動(dòng)幅值等性能的影響。基于系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)電流解耦引起的動(dòng)態(tài)電流延遲問(wèn)題,提出了一種基于滑模的內(nèi)�？刂撇呗�,改進(jìn)了電流反饋解耦控制依賴(lài)于參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確性的不足,提升了穩(wěn)態(tài)發(fā)電階段的電壓紋波等方面的性能。最后,為了驗(yàn)證電機(jī)優(yōu)化和系統(tǒng)控制策略的有效性,搭建了自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了直線(xiàn)電機(jī)的空載、負(fù)載特性和發(fā)電系統(tǒng)的起動(dòng)、發(fā)電性能。為了測(cè)試優(yōu)化后直線(xiàn)電機(jī)的性能,對(duì)不同頻率、活塞行程、負(fù)載等條件下直線(xiàn)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載輸出電壓等特性進(jìn)行測(cè)試分析,驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果與理論和仿真分析結(jié)果的一致性。為了檢驗(yàn)發(fā)電系統(tǒng)控制策略的有效性,起動(dòng)時(shí)通過(guò)改變外環(huán)行程給定值來(lái)檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的起動(dòng)穩(wěn)定性;發(fā)電時(shí)分別研究了電壓閉環(huán)穩(wěn)態(tài)工作性能和電壓閉環(huán)負(fù)載變化時(shí)的暫態(tài)工作性能。通過(guò)研究系統(tǒng)的活塞行程、母線(xiàn)電壓和輸出電流,來(lái)驗(yàn)證發(fā)電系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時(shí)的工作性能。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TM31
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
    1.2 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
    1.3 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
        1.3.1 動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀
        1.3.2 熱力學(xué)研究現(xiàn)狀
        1.3.3 直線(xiàn)電機(jī)研究現(xiàn)狀
        1.3.4 控制方法研究現(xiàn)狀
    1.4 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題
    1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究
    2.1 引言
    2.2 發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
        2.2.1 殼體固定模式下發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
        2.2.2 殼體減振模式下發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
    2.3 熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
        2.3.1 殼體固定模式下熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性
        2.3.2 殼體減振模式下熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性
    2.4 熱-機(jī)-電耦合系統(tǒng)仿真分析
        2.4.1 殼體固定模式下的穩(wěn)定性仿真
        2.4.2 殼體減振模式下的穩(wěn)定性仿真
        2.4.3 外部激勵(lì)作用下的穩(wěn)定性仿真
    2.5 本章小結(jié)
第3章 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)效率研究
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型
        3.2.1 斯特林發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)過(guò)程
        3.2.2 一維斯特林分析模型
        3.2.3 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的斯特林發(fā)電系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方法
    3.3 系統(tǒng)熱力學(xué)效率影響
        3.3.1 回?zé)崞鲗?duì)效率的影響
        3.3.2 間隙(泄漏)對(duì)效率的影響
        3.3.3 加熱器對(duì)效率的影響
        3.3.4 換熱器對(duì)效率的影響
    3.4 多參數(shù)系統(tǒng)效率優(yōu)化
        3.4.1 基于二維仿真的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
        3.4.2 基于三維仿真的換熱器局部?jī)?yōu)化
    3.5 本章小結(jié)
第4章 圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)研究
    4.1 引言
    4.2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)和推力的影響
        4.2.1 永磁體和導(dǎo)磁塊配比對(duì)反電動(dòng)勢(shì)和推力的影響
        4.2.2 定子齒寬對(duì)反電動(dòng)勢(shì)和推力的影響
        4.2.3 動(dòng)子半徑對(duì)反電動(dòng)勢(shì)和推力的影響
    4.3 圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)邊端力的分析與抑制
        4.3.1 邊端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)邊端力的影響
        4.3.2 邊端齒軸向長(zhǎng)度對(duì)邊端力的影響
        4.3.3 邊端齒外附加導(dǎo)磁塊對(duì)邊端力的影響
    4.4 圓筒型永磁同步直線(xiàn)電機(jī)效率和功率密度的優(yōu)化
    4.5 本章小結(jié)
第5章 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究
    5.1 引言
    5.2 自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)模型
        5.2.1 自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型
        5.2.2 直線(xiàn)電機(jī)模型
    5.3 發(fā)電系統(tǒng)的控制策略及仿真分析
        5.3.1 起動(dòng)階段控制策略
        5.3.2 發(fā)電階段控制策略
        5.3.3 基于電流反饋解耦的控制策略
        5.3.4 基于IMC-SM的優(yōu)化解耦控制策略
        5.3.5 基于端部效應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償控制方法
    5.4 本章小結(jié)
第6章 發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究
    6.1 引言
    6.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
    6.3 直線(xiàn)電機(jī)性能測(cè)試
        6.3.1 空載階段實(shí)驗(yàn)
        6.3.2 負(fù)載階段實(shí)驗(yàn)
    6.4 發(fā)電系統(tǒng)性能測(cè)試
        6.4.1 起動(dòng)階段實(shí)驗(yàn)
        6.4.2 發(fā)電階段實(shí)驗(yàn)
    6.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2850087