圆筒型错齿结构横向磁通永磁直线发电机系统的研究

To meet the urgent demand of energy saving and environmental protection, the linear alternator, combining a new engine-the free-piston engine, is investigated to provide a high efficient parallel-series hybrid scheme, i.e., the free-piston energy transducer. This technology is also suitable for the propulsion of small and medium ships and emergency power in high-reliability and low-pollution applications. A tubular teeth-staggered transverse-flux permanent-magnet linear alternator with self-owned intellectual property rights is investigated in this project. First of all, the general operating law and requirement of the linear alternator is studied under the application background of the free-piston energy transducer. Then mathematic models based on analytical and finite element analysis is built for the proposed novel machine. The relations and influence among the electromagnetic performance, the mechanical structure and cooling condition are further analyzed. On this basis, the operating performance and power control problems are investigated for this machine. Finally, a prototype is manufactured and experimental research is carried out. By experimental research, the performance of this machine, like operating characteristics, heating cinditions, ability and reliability, etc., is fully evaluated and the processing technology of this machine is also studied. By analytical and experimental research, the specific theory and practical engineering design method regarding the proposed machine is obtained.

针对当前节能与环保的迫切需求，研究与新型发动机—自由活塞发动机相配合的直线发电机方案，以提供高性能的串联型混合动力方案—自由活塞能量转换器，该技术也可用于小至中型舰船推进，及对可靠性和低污染要求较高场合下的紧急或备用电源。 本项目拟研究一种具有自主知识产权的圆筒型错齿结构横向磁通永磁直线发电机方案。研究用于自由活塞能量转换器应用背景下直线发电机的一般运行规律及运行要求；建立新结构横向磁通永磁直线发电机的解析分析和有限元分析数学模型，研究电机的电磁性能与机械结构和冷却条件等各方面因素的相互关系和相互影响；研究新结构横向磁通永磁直线发电机的工作特性和电能控制问题；研制样机，进行相应的实验研究，通过实验对电机的工作性能、发热情况以及工作稳定性和可靠性等方面进行评价，同时对电机加工的工艺性进行研究。通过理论和实验研究，形成该种电机的专门理论和工程实用的分析设计计算方法。

将自由活塞斯特林发动机与直线电机集成在一起可构成自由活塞斯特林发电系统，该系统在新能源汽车等领域具有很好的应用前景。针对自由活塞斯特林发电系统，本项目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），并对其进行了研究，主要工作如下：.首先，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，建立了其等效磁路模型。研究了TST-TFPMLM的三维有限元模型简化方法。针对TST-TFPMLM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。.第二，以TST-TFPMLM的漏磁、反电动势和推力特性为重点考虑目标，研究了电机的主要结构参数确定方法和主要电磁参数计算方法。研究了TST-TFPMLM的漏磁形式、评价方法和分布规律，以及小漏磁下的主要结构参数选取原则。以反电动势和推力特性为重点目标，得到了TST-TFPMLM在初始设计阶段的主要结构参数确定方法。.第三，对TST-TFPMLM的关键性能，包括功率因数、效率和推力密度进行了深入分析和优化。通过解析方法对TST-TFPMLM的功率因数进行了分析，从定子齿顶优化等方面提出了功率因数的改善方法。给出了TST-TFPMLM的损耗和效率计算方法，对比了不同设计方案，最终确定了兼具良好电磁性能和加工工艺性的设计方案。.第四，对TST-TFPMLM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。建立了TST-TFPMLM的简化三维有限元模型，确定了相关热参数。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，研究了槽满率、材料性能等对电机散热效果的影响规律。.第五，研究了TST-TFPMLM的控制方法和控制系统软硬件。研究了TST-TFPMLM的直接电流前馈解耦控制方法，并搭建仿真模型进行验证，构建了控制系统软硬件并进行了调试。.最后，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。