第1章  緒論

1.1 課題背景及研究的目的和意義
能源是世界進步和發(fā)展的動力來源，是人類社會賴以生存的物質基礎。當前，世界上絕大多數(shù)國家都以石油。天然氣、煤炭等化石燃料作為主要能源來源。隨著化石燃料的日益枯竭和全球能源危機的不斷加劇，許多國家都在探索能源多樣化的途徑，積極開展可再生能源的研究和開發(fā)工作，可再生能源發(fā)電技術越來越受到重視。除了以風力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電形式，海浪發(fā)電[1-3]、太陽能熱發(fā)電[4-5]等清潔可再生能源發(fā)電也開始受到國內(nèi)外專家學者的關注。太陽能利用具有以下明顯的特點[6]：1）儲量的無限性；2）存在的普遍性；3）利用的清潔性：4）利用的經(jīng)濟性。針對上述情況，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是人類必須采取的措施，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略理想的綠色能源。 本文課題來源于國家自然科學基金(51267011)，主要研究對象是碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的圓筒型永磁直線電機。碟式斯特林太陽能熱機先將太陽能熱能轉變?yōu)闄C械能，然后再由與系統(tǒng)匹配的圓筒型永磁直線發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔�。碟式斯特林太陽能熱機發(fā)電系統(tǒng)首先采用一組拋物面將太陽光聚焦并反射到斯特林熱機的受熱面上，斯特林熱機內(nèi)部的工作介質（一般為氫氣或氦氣）受熱成為高溫高壓的蒸氣，從而保證斯特林熱機高效運轉[7]。圓筒型永磁直線發(fā)電機作為一種直線運動的發(fā)電機構，配合直線運動的斯特林發(fā)動機就構成了斯特林發(fā)電系統(tǒng)，斯特林發(fā)動機和直線電機的結合，使系統(tǒng)具備了高效、高比功率、高可靠性的熱電轉換能力。本文針對應用于碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)這一背景，設計并分析了一臺圓筒型永磁直線發(fā)電機。 
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1.2 太陽能熱發(fā)電的原理和技術
太陽能熱發(fā)電指的是將太陽光聚集起來將其轉換成具有足夠溫度的熱能，再轉變成電能的技術。首先利用聚光器，將太陽光聚集起來形成高密度熱能；然后將工質加熱至一定溫度下使其循環(huán)做功，進而驅動發(fā)電機發(fā)電。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有槽式、塔式、碟式三種。槽式太陽能熱發(fā)電的工作原理是利用單軸槽式拋物面反光鏡將太陽光聚焦，它能夠將太陽光聚焦在一條直線上，而管狀線形集熱器正好安裝在太陽光所聚焦的直線位置。聚焦的太陽光加熱集熱器里面的工質，使工質受熱汽化，在熱能轉換設備形成高溫高壓蒸汽，從而推動發(fā)電機進行發(fā)電。 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結構簡單，設備的安裝維護方便，系統(tǒng)的容量沒有限制。但是槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也有缺點，，比如聚光能力較低，集熱器的散熱面積大從而熱量損失較大，集熱器表面無法進行絕熱處理從而熱輻射損失隨著溫度的上升而變大。 
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第2章  圓筒型永磁直線發(fā)電機的設計

2.1  永磁電機的等效磁路
永磁電機的主磁路主要由永磁體、氣隙以及導磁材料組成，其中永磁體既是電機的磁源，又是磁路的組成部分。永磁電機的等效磁路可以分為永磁體等效磁路和外磁路等效磁路兩個部分[36]。 

2.1.1  永磁體等效磁路
對于釹鐵硼永磁材料，其磁性能比較強，具有較高的性價比。本文設計的發(fā)電機選擇釹鐵硼永磁材料，后面將有詳細的介紹。在常溫下，釹鐵硼永磁材料的退磁曲線幾乎為一直線，由于永磁體的工作點在回復線上，所以釹鐵硼永磁材料的回復線與退磁曲線基本重合，在永磁電機中，永磁體作為磁源對外電路提供磁通形成磁路�？偞磐╩可以分為兩個部分，一部分磁通與電樞繞組匝鏈，稱為主磁通 ，它是電機實現(xiàn)機電能量轉換的基礎；另外一部分磁通不與電樞繞組匝鏈，而是在永磁體磁極之間、磁極與對應的結構組成部分之間形成漏磁場，該部分磁通稱作漏磁通。主磁通和漏磁通所經(jīng)過的磁路也相應的被叫作主磁路和漏磁路，對應的磁阻分別稱為主磁阻 R和漏磁阻 R。外磁路的等效磁路如圖 2.3 所示，電機設計時，盡量設法增加氣隙主磁通，減小漏磁通。實際永磁電機的外磁路比較復雜，漏磁場的分布也非常復雜，對外磁路進行分析時，可以依據(jù)磁通分布情況將磁路分成多段，再通過串并聯(lián)組成，這樣主磁阻和漏磁阻是各段磁路磁阻的合成。 
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2.2  圓筒型永磁直線發(fā)電機總體結構設計
在設計一臺電機時，有很多尺寸必須得確定，但是其中最重要的是電機的主要尺寸，因為待主要尺寸確定后，其他相關部分的尺寸也就可以大體確定。對于旋轉同步電機，主要尺寸是定子的內(nèi)徑及其軸向長度。對于本文所設計的是圓筒型永磁直線發(fā)電機，必須將旋轉電機的公式轉換成同樣適用于直線電機的公式。由于對直線電機原理的分析和對同步發(fā)電機原理的分析基本一樣，不同的只是由旋轉運動轉換為直線運動。由于直線電機的結構是從旋轉電機的結構演化過來，因此我們可以通過旋轉電機的主要公式計算直線電機所對應的參數(shù)。旋轉電機和直線電機相比，不同的參數(shù)有：旋轉電機的直徑 D，轉速 n。交流繞組的設計種類有很多，設計時基本要求有：一是要盡量保證三相交流繞組的基波電動勢和磁動勢對稱，也就是說幅值大小相等，相位相差 120 度；二是在導體數(shù)一定的情況下盡可能增大基波電動勢和磁動勢，減小并且削弱諧波分量；三是選擇合適的導線以提高導線的利用率，便于電機的制造和加工。 
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第 3 章 圓筒型永磁直線發(fā)電機有限元分析 ..... 23 
3.1 電機電磁場有限元分析原理 ....... 23
3.2 Ansoft Maxwell 軟件簡介 ..... 25
3.3  有限元分析模型 ...... 26 
3.4 發(fā)電機空載磁場 ....... 29 
3.5 發(fā)電機空載反電動勢 ...... 30 
3.6 不同永磁體充磁方式對空載電勢影響分析 ........ 31 
3.7 電機結構參數(shù)分析 .... 33
3.8 發(fā)電機主要結構參數(shù)優(yōu)化設計 ......... 35
3.9 發(fā)電機電壓調整率 .... 39 
3.10 發(fā)電機負載特性 ...... 40 
3.11 本章小結 ..... 42 
第 4 章 發(fā)電機電感參數(shù)計算 ......... 43 
4.1 電機電感參數(shù)計算的概述 .... 43 
4.2 凍結磁導率法的概述以及基本流程 ....... 44
4.2.1 凍結磁導率法的概述 ..... 44 
4.2.2 凍結磁導率法的基本流程 .... 44 
4.3 自感和互感的計算方法 ........45 
4.3.1 磁鏈電流法 ........ 45 
4.3.2 磁場儲能法 ........ 46 
4.4 交直軸電樞反應電感的計算 ....... 47 
4.5 本章小結 ....... 48 

第5章  圓筒型永磁直線發(fā)電機定位力分析

由于圓筒型永磁直線電機具有結構簡單、繞組利用率高、無橫向邊端效應、方便調節(jié)和控制等一系列的特點，現(xiàn)已得到廣泛的應用。但是它也有其明顯的缺憾，在直線電機的運行過程中會有推力波動的現(xiàn)象出現(xiàn)。推力波動可以引起電機的振動以及噪聲，甚至是共振，影響電機安全穩(wěn)定運行。所以，永磁直線電機的定位力是判斷電機性能優(yōu)劣的一個重要指標。本章將分析圓筒型永磁直線發(fā)電機定位力產(chǎn)生的原因，并且研究減小電機定位力的方法，最后對本文所設計的發(fā)電機模型進行了定位力波動的優(yōu)化。

5.1  定位力產(chǎn)生的原因及其分析

永磁直線電機定位力主要由齒槽力以及邊端力組成。因為直線電機在結構上和傳統(tǒng)的旋轉電機不同，電機定子兩端是斷開的而不像旋轉電機那樣是旋轉閉合的，這樣一來會導致氣隙磁場發(fā)生變化、產(chǎn)生畸變，從而產(chǎn)生邊端力，對于電機的推力來說邊端力是一個很大的擾動因素，所以在對電機進行推力分析時通常不能將其忽略。齒槽力是永磁電機在定子繞組電流為零的情況下永磁體與定子鐵心之間的相互作用產(chǎn)生的作用力，是由永磁體和定子齒之間相互作用力的切向分量。當定子和轉子有相對運動時，在一個或者兩個定子齒所構成的一小段區(qū)間里磁導率變化很大，因此引起了電機磁場儲能的變化，也就形成了齒槽力。 如今，比較常見的計算電機電磁力的方法有能量法以及麥克斯韋張量法。運用能量法的時候首先需要選定一個很小的位移，接著計算出這個位移間的磁場儲能之差，這個值與位移量之比就是電磁力，不過這種方法的缺點是運算量比較大。運用麥克斯韋張量法要簡單一些。 

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結論

論文以一種圓筒型永磁直線發(fā)電機的研究為主線，介紹直線電機的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了圓筒型永磁直線發(fā)電機的基本原理與結構、電磁設計、有限元分析、優(yōu)化分析等，獲得的成果如下： 
(1)介紹了由永磁旋轉發(fā)電機演變成永磁直線發(fā)電機的過程，敘述了直線電機原理以及當今國內(nèi)外永磁直線發(fā)電機的研究概況，給出了幾種常見結構的直線電機，注重介紹了圓筒型永磁直線發(fā)電機。 
(2)從電機主要尺寸的確定、定子繞組的設計、永磁體的選擇、電磁負荷的選擇等方面著重介紹了圓筒型永磁直線發(fā)電機的電磁設計過程，確定了本文設計的發(fā)電機樣機的結構和主要尺寸。
(3)運用有限元分析軟件 Ansoft，建立了圓筒型永磁直線發(fā)電機的仿真模型，對發(fā)電機的性能情況進行了詳盡的分析，包括空載磁場、反電動勢、反電動勢波形畸變率，并對相關結構尺寸對空載電磁參數(shù)的影響情況進行了分析，得到這些參數(shù)隨結構尺寸的變化情況。隨后運用正交優(yōu)化的方法對電機的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，使得發(fā)電機反電動勢波形達到最佳，得到了最優(yōu)的尺寸。將優(yōu)化前后結果對比，優(yōu)化效果明顯。并對優(yōu)化后發(fā)電機進行了負載特性分析，得到了負載電壓與輸出功率的變化曲線。 
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參考文獻(略)

本文編號：48986