圆筒型错齿结构横向磁通永磁直线电机的研究

摘要

将自由活塞式斯特林发动机与直线电机集成在一起可构成自由活塞式斯特林发电系统，该系统可利用多种能源进行发电，在可再生能源发电、小型航空航天电源和舰船推进等领域具有很好的应用前景。自由活塞式斯特林发电系统的关键技术之一是直线电机技术，直线电机的结构和性能对整个系统的能量转换效率具有重要影响。针对自由活塞式斯特林发电系统，本文提出了一种圆筒型错齿结构横向磁通永磁直线电机(Tubular Staggered-Teeth Transverse-Flux Permanent-Magnet Linear Machine,TST-TFPMLM)，该方案为解决传统横向磁通永磁直线电机结构复杂、加工工艺性差、漏磁大和功率因数低的问题提供了思路。本文对TST-TFPMLM进行了深入研究，主要研究工作包括以下几个方面：
　　首先，为了简化分析和优化设计，研究了TST-TFPMLM的数学模型和变速运动时的分析方法。针对TST-TFPMLM的复杂三维磁路结构，建立了该电机的等效磁路模型，得出了关键区域的等效磁阻。针对全模型三维有限元仿真耗时长、计算效率低的问题，研究了其模型简化方法，得到了等效简化有限元模型。针对TST-TFPMLM在自由活塞式斯特林发电系统中的变速运行问题，提出了利用匀速计算数据推导变速计算数据的函数预测法，在保证计算精度的前提下，实现了对电机反电动势的快速求解。
　　其次，以TST-TFPMLM的漏磁、反电动势和推力特性为重点考虑的目标，研究了电机的主要结构参数确定方法，并给出了电机的主要电磁参数计算方法。针对TST-TFPMLM的复杂漏磁特性，研究了其漏磁形式和漏磁评价方法，得出了TST-TFPMLM的漏磁分布规律，以及小漏磁情况下的主要结构参数选取原则。在TST-TFPMLM的初始设计阶段，以反电动势和推力特性为重点关注目标，得到了高反电动势和高推力情况下的定子铁心单元轴向长度、定子齿顶宽度和齿顶厚度等主要结构参数的确定方法。针对TST-TFPMLM系统的精确控制问题，研究了该电机电感参数的计算方法。
　　再次，对TST-TFPMLM的关键性能，包括功率因数、定位力、效率和推力密度进行了深入分析和优化。为了提高电机功率因数，通过解析方法对TST-TFPMLM功率因数的影响因素进行了分析，并从永磁体设计、绕组设计、电枢电流幅值、内功率因数角、定子齿顶部分尺寸等方面提出了功率因数的改善方法。针对定位力影响电机系统运行特性的问题，探讨了该电机的定位力抑制方法。在此基础上，给出了TST-TFPMLM的损耗和效率计算方法，同时对比了两种不同设计方案的电磁性能，最终确定了兼具良好电磁性能和加工工艺性的设计方案。
　　之后，为了使TST-TFPMLM在高温、高压和有限空间环境下安全运行，对该电机的温度场计算和相关因素对电机散热效果的影响进行了研究。针对TST-TFPMLM的温度场建模问题，通过考虑电机实际结构、传热特点和散热条件，建立了简化三维有限元模型，并确定了相关的热参数。在此基础上，得出了电机绕组、绝缘材料、永磁体等关键区域的温度分布规律。进一步地研究了槽满率、材料性能和空气流速对电机散热效果的影响规律。
　　最后，为了验证理论分析正确性和探讨制造工艺，研制了一台TST-TFPMLM样机，设计并搭建了测试平台，对样机的电气参数、空载特性、电动和发电状态下的电机性能进行了测试，为TST-TFPMLM的进一步改进和工程应用提供了理论和实验依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 发电系统概述

1.3 斯特林发电系统发展综述

1.4 横向磁通电机发展综述

1.5 本文主要研究内容

第2章 TST-TFPMLM的数学模型和变速运动的分析方法

2.1 引言

2.2 TST-TFPMLM的基本结构与工作原理

2.3 TST-TFPMLM的磁路模型

2.4 三维有限元模型的简化

2.5 变速运动的分析方法

2.6 本章小结

第3章 TST-TFPMLM的主要结构参数和电磁参数确定

3.1 引言

3.2 主要结构参数对漏磁的影响

3.3主要结构参数对反电动势和推力的影响

3.4 TST-TFPMLM的电感参数

3.5 本章小结

第4章 TST-TFPMLM的关键性能分析

4.1 引言

4.2 TST-TFPMLM的功率因数分析

4.3 TST-TFPMLM的定位力分析

4.4 TST-TFPMLM的效率和推力密度分析

4.5 本章小结

第5章 TST-TFPMLM的温度场分析

5.1 引言

5.2 TST-TFPMLM温度场求解模型的建立

5.3 TST-TFPMLM温度场热参数的确定

5.4 TST-TFPMLM温度场的计算与分析

5.5 TST-TFPMLM温度场相关影响因素研究

5.6 本章小结

第6章 TST-TFPMLM的实验研究

6.1 引言

6.2 TST-TFPMLM的样机研制

6.3 TST-TFPMLM的测试平台

6.4 TST-TFPMLM的参数和性能测试

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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