權(quán)艷娜，郗珂慶

(西安航天動力測控技術(shù)研究所，西安 710025)

0 引 言

永磁直線發(fā)電機(jī)現(xiàn)在正處于高速研發(fā)階段，國外主要研究動磁式、動鐵式和動磁鐵式[1]。動磁式更宜用于自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)中，動磁式直線電機(jī)能夠使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)而能使電機(jī)體積更小、動力更大、效率更高，并且無動圈式驅(qū)動方式存在飛線問題，可靠性和加工性都得到提高[2]。

本文主要介紹了一款小功率圓筒型斯特林直線發(fā)電機(jī)，在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的功率。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)模型

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圓筒型斯特林直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由定子、動子以及板簧、殼體，動子通過板簧與機(jī)殼連接，定子和機(jī)殼固定在一起，定子、動子和板簧安裝在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)。

圖1 圓筒型斯特林直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

永磁體徑向充磁，四組永磁體從左至右充磁方向分別為N極、S極、S極、N極，固定在磁軛表面，共同組成動子結(jié)構(gòu)。當(dāng)活塞帶動動子作周期性往復(fù)運(yùn)動時，在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓隨動子往復(fù)運(yùn)動呈現(xiàn)周期性變化[3]。

1.2 動力學(xué)模型

電機(jī)運(yùn)動時，動子受到電磁力、彈簧力、摩擦力等，當(dāng)動子的運(yùn)動頻率和系統(tǒng)的共振頻率相同時，系統(tǒng)發(fā)生共振，共振時可獲得最大工作效率[4]。

(1)

式中：m為動子質(zhì)量；c為阻尼系數(shù)；k為彈簧的彈性系數(shù)；Fe為電磁力；Ff為摩擦力；Fg為氣體力；x為動子位移，即：

x=sin(2πf·t)

(2)

式中:f為動子運(yùn)行頻率。

動子運(yùn)行頻率與動子質(zhì)量和板簧剛度均有關(guān)，見式(3)。

(3)

當(dāng)動子作近似正弦的往復(fù)運(yùn)動時，繞組感應(yīng)電壓也是正弦變化的量。

Egen=Uout+IdcRdc

(4)

由于電感的作用，有：

(5)

2 電機(jī)方案

圓筒型斯特林直線發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)體，針對其特點(diǎn)，電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)表

圖2 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸

3 仿真模型

3.1 有限元建模

在磁場仿真軟件Maxwell2D下建立該發(fā)電機(jī)模型，設(shè)置電機(jī)運(yùn)動邊界，根據(jù)動子運(yùn)動頻率為50Hz、運(yùn)動幅值為±5mm，設(shè)置運(yùn)動速度，設(shè)置外電路為輸出端開路，得到電機(jī)極限位置的磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3、圖4所示。

圖3 電機(jī)極限位置磁力線分布

圖4 電機(jī)極限位置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

3.2 輸出特性曲線

分別設(shè)置外電路輸出端為開路和負(fù)載5Ω，得到空載和帶載輸出電壓、動子位移，如圖5、圖6所示。

圖5 電機(jī)空載輸出特性曲線

圖6 電機(jī)帶載輸出特性曲線

此外，動子運(yùn)動頻率為50Hz，運(yùn)動幅值為±4mm時的空載和帶載5Ω時的輸出電壓、動子位移分別如圖7、圖8所示。

圖7 電機(jī)空載輸出特性曲線(50Hz,±4mm)

圖8 電機(jī)帶載輸出特性曲線(50Hz,±4mm)

動子運(yùn)動頻率為40Hz，運(yùn)動幅值為±4mm時的空載輸出特性如圖9所示。

圖9 電機(jī)空載輸出特性曲線(40Hz，±4mm)

4 實(shí)測數(shù)據(jù)

將兩臺直線發(fā)電機(jī)對拖進(jìn)行測試，樣機(jī)已交付，未拍攝測試系統(tǒng)照片，測試原理如圖10所示。

圖10 測試原理示意圖

兩臺發(fā)電機(jī)外殼固定于支架上，動子間有聯(lián)軸器，末端有位移傳感器同軸安裝，一臺發(fā)電機(jī)作為直線電動機(jī)與電源連接，另一臺作為發(fā)電機(jī)與負(fù)載連接。電源輸出一定頻率的交流電時，直線電動機(jī)動子以相應(yīng)頻率運(yùn)動，帶動直線發(fā)電機(jī)動子運(yùn)動，在定子繞組上感應(yīng)出電壓。電機(jī)剛度為板簧的剛度和磁場剛度的疊加，實(shí)測直線電動機(jī)剛度k12=29N/mm，直線發(fā)電機(jī)剛度k34=23.7N/mm，兩者為并聯(lián)狀態(tài)，總剛度疊加k=55.7N/mm。根據(jù)式(3)，f=54.7Hz。考慮部分板簧質(zhì)量，實(shí)際共振頻率應(yīng)小于并接近55Hz。

實(shí)測動子在50Hz下運(yùn)動，幅值由±3mm逐漸增加至±5mm過程中，空載輸出電壓和負(fù)載5Ω時輸出電壓情況如圖11所示。由圖11可以看出，動子運(yùn)動幅值增加時，空載和帶負(fù)載輸出電壓均為逐漸增大，且空載輸出電壓增加速度略大。

圖11 輸出電壓隨動子運(yùn)動幅值變化曲線

實(shí)測動子運(yùn)動幅值為±4mm，頻率不同時，空載輸出電壓的變化如圖12所示。由圖12可以看出，動子運(yùn)動頻率增加時，空載輸出電壓逐漸增大，且在45～50Hz變化更明顯。

圖12 輸出電壓隨動子運(yùn)動頻率變化曲線

5 實(shí)測與仿真對比

實(shí)測動子在±5mm，50Hz下運(yùn)動時，空載輸出電壓和5Ω負(fù)載時輸出電壓、功率，與仿真值進(jìn)行對比，如表1所示。

表2 輸出特性對比

由表1可以看出，空載輸出電壓仿真值與測試值差異為0.2%，帶負(fù)載輸出電壓差異為3.5%，帶負(fù)載輸出功率差異為11.4%。

6 結(jié) 語

該直線發(fā)電機(jī)采用動磁式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，仿真結(jié)果合理有效，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。