1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)具有可采用多種能源、效率高、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在許多應(yīng)用領(lǐng)域有取代傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的潛力和廣泛的應(yīng)用前景，尤其在深空探測(cè)和軍事上有不可替代的優(yōu)勢(shì)。本文所進(jìn)行的自由活塞式Stirling發(fā)電機(jī)的概念設(shè)計(jì)就是為了對(duì)大型運(yùn)載工具所排出的廢熱的回收所做的一種嘗試。</p><

2、;p>　　建立基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)，其主要由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)構(gòu)成，對(duì)單缸自由活塞式 Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，運(yùn)用等溫分析法對(duì)Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真分析，得到了Stirling發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)冷腔壓縮p-v圖、熱腔膨脹p-v圖和發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹功和壓縮功相減后的p-v圖等，并由此計(jì)算了單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。此外，運(yùn)用電磁場(chǎng)有限

3、元法對(duì)直線發(fā)電機(jī)定子繞組通一定電流時(shí)的恒穩(wěn)磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，計(jì)算出了穿過(guò)繞組內(nèi)部的磁鏈值，進(jìn)而求出了發(fā)電機(jī)定子繞組電感;運(yùn)用場(chǎng)路禍合時(shí)步有限元法對(duì)永磁直線發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析，得到了永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場(chǎng)、空載電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載運(yùn)行時(shí)電壓電流值等參數(shù)，計(jì)算了永磁直線發(fā)電機(jī)帶適當(dāng)負(fù)載時(shí)可得到最大電功率。同時(shí)，求解并分析了永磁直線發(fā)電機(jī)定子對(duì)自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁反作用力。</p><p&g

4、t;　　這是一種跨電工和熱工學(xué)科研究，以上結(jié)果不僅對(duì)特種永磁式直線發(fā)電機(jī)，而且對(duì)自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)均有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī);永磁直線發(fā)電機(jī);仿真分析</p><p>　　關(guān)鍵詞：自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)；永磁直線發(fā)電機(jī)；仿真分析</p><p>　　Abstract </p>&l

5、t;p>　　The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy. In many applications the sys

6、tem has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of

7、the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle wa</p><p>　　A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engi

8、ne and the permanent magnet linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the Stirling engine performances with the isothermal analysis method analyzed and the Stir

9、ling engine cooler compression p-v diagram, heater expansion p-v diagram and the p-v diagram of the engine obtained using subtracting cooler p-v diagram</p><p>　　Key words: free piston Stirling engine; perma

10、nent magnet linear generator; simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘　　要- 1 -</p><p>　　目 錄- 3 -</p><p>　　第1章 緒 論- 6 -</p><p>　　1.1

11、 課題背景- 6 -</p><p>　　1.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)- 6 -</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究狀況- 7 -</p><p>　　1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀- 7 -</p><p>　　1.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀- 8 -</p><p>　　1.4課題的來(lái)源及意義- 10 -</p>

12、<p>　　1.5課題研究?jī)?nèi)容- 11 -</p><p>　　第2章發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理- 12 -</p><p>　　2.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)- 12 -</p><p>　　2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 12 -</p><p>　　2.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理- 12 -</p><p&

13、gt;　　2.2自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)及其工作原理- 13 -</p><p>　　2.2.1自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)- 14 -</p><p>　　2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的原理- 14 -</p><p>　　2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)- 17 -</p><p>

14、　　2.3永磁直線發(fā)電機(jī)及其工作原理- 19 -</p><p>　　2.3.1永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)- 19 -</p><p>　　2.3.2永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理- 20 -</p><p>　　2.3.3永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)- 21 -</p><p>　　第3章 自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能分析- 22

15、-</p><p>　　3.1自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求- 22 -</p><p>　　3.2工質(zhì)選擇- 23 -</p><p>　　3.3結(jié)構(gòu)尺寸確定- 23 -</p><p>　　3.3.1汽缸直徑- 23 -</p><p>　　3.3.2熱腔、冷腔和無(wú)益容積- 24 -</p

16、><p>　　3.3.3縫隙式回?zé)崞骱团錃饣钊叽? 24 -</p><p>　　3.3.4配氣活塞行程- 25 -</p><p>　　3.3.5動(dòng)力活塞尺寸和質(zhì)量- 25 -</p><p>　　3.3.6緩沖腔容積- 25 -</p><p>　　3.4基于等溫分析法的動(dòng)力特性數(shù)值模擬- 26 -<

17、/p><p>　　3.4.1簡(jiǎn)化假設(shè)- 26 -</p><p>　　3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計(jì)算- 26 -</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)功率和效率- 30 -</p><p>　　3.5本章小結(jié)- 31 -</p><p>　　第4章永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場(chǎng)- 32 -</p>&

18、lt;p>　　及電動(dòng)勢(shì)計(jì)算- 32 -</p><p>　　4.1.1數(shù)學(xué)模型建立- 32 -</p><p>　　4.1.2有限元計(jì)算- 33 -</p><p>　　4.1.3空載磁場(chǎng)分布- 35 -</p><p>　　4.2空載電動(dòng)勢(shì)計(jì)算- 37 -</p><p>　　4.3帶負(fù)載時(shí)磁場(chǎng)分析

19、- 42 -</p><p>　　結(jié) 論- 44 -</p><p>　　致 謝- 45 -</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)- 46 -</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p

20、><p>　　離合器是汽車(chē)傳動(dòng)系中與發(fā)動(dòng)機(jī)直接聯(lián)系的重要部件。對(duì)于以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)汽車(chē)中，離合器是作為一個(gè)獨(dú)立的總成而存在的。離合器通常裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，其主動(dòng)部分與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，從動(dòng)部分與變速器相連。為各類型汽車(chē)所廣泛采用的摩擦離合器，實(shí)際上是一種依靠其主、從動(dòng)部分間的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力且能分離的機(jī)構(gòu)。離合器的主要功用是切斷和實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)傳動(dòng)系的動(dòng)力傳遞，保證汽車(chē)起步時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系平順地接合，確保

21、汽車(chē)平穩(wěn)起步；在換擋時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系分離，減少變速器中換檔齒輪間的沖擊；在工作中受到較大的動(dòng)載荷時(shí)，能限制傳動(dòng)系所承受的最大轉(zhuǎn)矩，以防止傳動(dòng)系各零部件因過(guò)載而損壞；有效地降低傳動(dòng)系中的振動(dòng)和噪音。</p><p><b>　　1.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)</b></p><p>　　1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特·斯特林發(fā)明，又稱“熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)時(shí)已生產(chǎn)出數(shù)干臺(tái)，

22、后由于蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)而被冷落，到二十世紀(jì)初己基本消失。主要因?yàn)槊芊獾墓べ|(zhì)為空氣，加熱溫度較低，只有幾百度，致使機(jī)構(gòu)龐大使用不便。1930年荷蘭菲利蒲公司欣賞它外燃式靜止發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，做為無(wú)線電用發(fā)電機(jī)的動(dòng)力而重新開(kāi)發(fā)，但不久由于電子器件的晶體管化而停頓。以后又做為汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)重新開(kāi)發(fā)，試制了換置式和斜板回轉(zhuǎn)式雙向型發(fā)動(dòng)機(jī)，并做了裝車(chē)試驗(yàn)。由于高溫、高壓產(chǎn)生的高效率和高轉(zhuǎn)矩，在以氫氣為工質(zhì)時(shí)達(dá)到了高速度，初步顯示有可能成為比內(nèi)燃機(jī)效

23、率高的外燃式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。</p><p>　　進(jìn)入八十年代以來(lái)，第二次石油危機(jī)又引起各國(guó)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)心，后石油供應(yīng)雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國(guó)又竟相進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。</p><p>　　菲利浦公司研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的核心人物R.J.密吉爾在菲利浦中止開(kāi)發(fā)后即赴美自行開(kāi)辦了STM公司繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作，并很快試制成功STM-120型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，回轉(zhuǎn)斜板式雙向型，

24、采用了熱管加熱器、可變行程等新技術(shù)，功率達(dá)到40kW，在2800轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，熱效率達(dá)45%，在技術(shù)上有重大突破。</p><p>　　瑞典的USAB公司自1968年購(gòu)入菲利浦公司技術(shù)后，在菲利浦回轉(zhuǎn)斜板式基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出V4曲軸雙向型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，并在客車(chē)和卡車(chē)上做了試驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是可利用原來(lái)內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)部件。以后又改進(jìn)為雙曲軸型，進(jìn)一步擴(kuò)大了其用途。該公司亦參加了美國(guó)能源部組織的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，其主力發(fā)動(dòng)機(jī)為2

25、2kW混合型，由于采用了太陽(yáng)能輔助加熱，熱效率可達(dá)38%，并制造了數(shù)十臺(tái)樣機(jī)。據(jù)計(jì)算如將受熱部改為陶瓷時(shí)，熱效率可達(dá)50%，此機(jī)若用于太陽(yáng)能發(fā)電，則每千瓦時(shí)電的成本僅5美分，因此重點(diǎn)轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能發(fā)電的開(kāi)發(fā)。另外還開(kāi)發(fā)出以純氧燃燒柴油為熱源的V4-275R型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)供法國(guó)潛艇和瑞典海軍使用。與其美國(guó)的子公司共同開(kāi)發(fā)出1 SKW級(jí)二級(jí)活塞型V 160發(fā)動(dòng)機(jī)，供熱泵和小型發(fā)電機(jī)用。</p><p>　　法國(guó)ECA公司

26、開(kāi)發(fā)的熔鹽蓄熱器為熱源的直列雙向型發(fā)動(dòng)機(jī)，供潛艇動(dòng)用，德國(guó)的MAN公司和本茨公司亦在開(kāi)發(fā)類似的發(fā)動(dòng)機(jī)供車(chē)用。由美國(guó)MTI公司和太陽(yáng)能公司共同開(kāi)發(fā)的l}lOkW級(jí)自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)可供熱泵和小型發(fā)電機(jī)用。</p><p>　　日本19761981年進(jìn)行了船用發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，只做了些基礎(chǔ)工作。從1982年起列入目前計(jì)劃大型節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，計(jì)劃投資100億日元，到1987年開(kāi)發(fā)出民用3kw和30kW發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)約3年的開(kāi)

27、發(fā)，試制出的4臺(tái)樣機(jī)于1984年在國(guó)立機(jī)械研究所進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，功率和熱效率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)加熱器、換熱器和活塞環(huán)密封后，發(fā)電用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)亦基本上達(dá)到了規(guī)定的目標(biāo)。</p><p>　　最近幾十年，隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)興趣逐漸增加并進(jìn)行了廣泛的研究。</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　現(xiàn)階段

28、，斯特林機(jī)已在太陽(yáng)能熱發(fā)電、水下動(dòng)力等多個(gè)領(lǐng)域得到運(yùn)用，但還存在熱交換、密封等問(wèn)題制約著斯特林機(jī)的發(fā)展和運(yùn)用。</p><p>　　1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)利用太陽(yáng)能的斯特林發(fā)電系統(tǒng)展開(kāi)了較多研究，如姚睿，</p><p>　　吳克奇提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中采用四缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電</p><p>

29、;　　裝置的概念設(shè)計(jì)模型，確定了整個(gè)概念設(shè)計(jì)的框架，并對(duì)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作了初步設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了未來(lái)的發(fā)展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程為基礎(chǔ)，結(jié)合拋物面光學(xué)特性，建立了設(shè)計(jì)計(jì)算聚光器的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，并采用試算和迭代核算相結(jié)合的方法，對(duì)碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聚光器的尺寸進(jìn)行了計(jì)算。還對(duì)此系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。黃護(hù)林對(duì)太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了模擬，考慮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化，模擬了一天中太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)

30、機(jī)的輸出功率和系統(tǒng)效率曲線。崔海亭、袁修干等，根據(jù)國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)，提出了發(fā)展中國(guó)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的建議。</p><p>　　關(guān)于本文提出的單缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)工作的運(yùn)行方式，還未見(jiàn)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究的報(bào)道。</p><p>　　1.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)階段采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面:<

31、;/p><p><b>　　一、空間發(fā)電應(yīng)用</b></p><p>　　美國(guó)MTI公司和瑞典公司為NASA共同開(kāi)發(fā)了宇航用的25kWSPDE型自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，并通過(guò)了地面測(cè)試工作，由于可用太陽(yáng)能和核能為熱源，相比空間運(yùn)行的其它發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1)降低了懷的使用量;</p><

32、;p>　　2)系統(tǒng)具有高于其它系統(tǒng)4倍的效率;</p><p>　　3)相同質(zhì)量下要比其他系統(tǒng)發(fā)電功率大;</p><p>　　4)因可采用其它能源，特別適用于沒(méi)有太陽(yáng)能的深空探測(cè)。</p><p>　　由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，此系統(tǒng)引起各方的廣泛關(guān)注。 </p><p>　　二、生物質(zhì)斯特林發(fā)電系統(tǒng)</p><p&g

33、t;　　地處美國(guó)密歇根州安阿伯市的STM Powe:公司已成功開(kāi)發(fā)出25kw和SSkw商用Stirling發(fā)電機(jī)，所利用生物質(zhì)燃料[18]。</p><p>　　美國(guó)俄勒岡州科瓦利斯市廢水處理廠于2004年應(yīng)用SSkw商業(yè)Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)建立了一座利用廢水處理中產(chǎn)生的沼氣發(fā)電的示范工程，解決了當(dāng)?shù)匾驌?dān)心使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)新的空氣污染而不能被利用的沼氣的問(wèn)題。該工程證實(shí)了利用廢水站沼氣和其它熱電共生項(xiàng)目

34、熱源的發(fā)電設(shè)備可進(jìn)行成功的商業(yè)應(yīng)用，并提供了一種在有豐富生物能源的地區(qū)可廣泛應(yīng)用的可再生能源利用技術(shù)【19-21】。</p><p>　　三、蝶式聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　20世紀(jì)70年代末到80年代初由瑞典USAB、美國(guó)Advanced corporation,MDAC，NASA及DOE等開(kāi)始對(duì)現(xiàn)代碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，大都采用Silver/glass聚光鏡，管狀

35、直接照射式集熱器及USAB4-95型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。</p><p>　　目前，因碟式發(fā)電裝置的聚光系統(tǒng)與理想拋物面形狀的偏差易造成焦斑直徑過(guò)大和受到鏡面和結(jié)構(gòu)方面的限制，所以容量范圍一般在5-SOkW之間。點(diǎn)聚焦系統(tǒng)聚光比C=1000-40000聚光鏡開(kāi)口直徑一般限制在10-20米之間。</p><p>　　美國(guó)Advanced Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特

36、林太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)，從太陽(yáng)能到電能的最高轉(zhuǎn)換效率是29.4%。以后，MDAC建立了8套碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)凈效率大于30%，后來(lái)MDAC將硬件和技術(shù)全部轉(zhuǎn)讓給Southern California Edison(SEC) o</p><p>　　SEC在1986-1988年間進(jìn)行了試驗(yàn)，年平均效率達(dá)12%。德國(guó)SBP公司于1984年至1988年間建造了兩套大型碟式太陽(yáng)熱發(fā)電裝置，安裝在沙特阿拉伯的利亞德附近。

37、采用張膜結(jié)構(gòu)的聚光鏡，直徑17米，用USAB4-275型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，氫氣工作平均溫度620 0C，工作平均壓力15兆帕。當(dāng)入射光輻照度為1000kW/m2時(shí)，凈輸出53kW，效率達(dá)23.1%。</p><p>　　鑒于碟式太陽(yáng)熱電技術(shù)具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率和廣闊的應(yīng)用前景，上世紀(jì)90年代以來(lái)，美德等國(guó)的若干企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在政府部門(mén)資助下，以項(xiàng)目或計(jì)劃方式加快了碟式太陽(yáng)熱電技術(shù)的研發(fā)步伐，以推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

38、例如:美國(guó)Cummins公司開(kāi)始了自由活塞式的碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)的研究工作，與Sun Lab合資開(kāi)發(fā)了5-IOkW碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，并于1992年率先把自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一直線發(fā)電機(jī)組應(yīng)用于碟式太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)，建造了3套設(shè)計(jì)功率為7.SkW的示范裝置;美國(guó)STM/SAIC聯(lián)合開(kāi)發(fā)了并網(wǎng)25kW碟式斯特林太陽(yáng)熱發(fā)電系統(tǒng)(USJVP計(jì)劃);美國(guó)SAIC建造了25kW的碟式斯特林樣機(jī)，具備了大批量生產(chǎn)和商業(yè)化的條件;美國(guó)能源部與Bo

39、eing Corp等公司簽約合作開(kāi)發(fā)碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng);美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)研制了第一套l 0kW碟式斯特林遙控太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的樣機(jī)，并已運(yùn)行了500多小時(shí)，達(dá)到了功率、效率和自動(dòng)運(yùn)行等所有的性能指標(biāo);美國(guó)SAC, STM及Arizona Public Service三方合作安裝了5套25kW系統(tǒng)，用于進(jìn)行性能評(píng)價(jià)及壽命試驗(yàn)。</p><p>　　1992年，德國(guó)SHP建立了3套7.SkW的裝置;1

40、997年，德國(guó)SBP在西班牙完成了DSTAL II項(xiàng)目，建立了3套9KW的裝置，DSTAL II項(xiàng)目由SBP提供聚光鏡及結(jié)構(gòu)，Solo提供發(fā)動(dòng)機(jī)。雙方聯(lián)合承擔(dān)建立3套碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，聚光鏡采用張膜式結(jié)構(gòu)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為Solo-V 161，實(shí)現(xiàn)全天候(從日出到日落)自動(dòng)控制運(yùn)行，對(duì)性能、可靠性及壽命的評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)，為日后大批量生產(chǎn)成套設(shè)備做技術(shù)準(zhǔn)備。澳大利亞AIVU在Pacific Powe:參與下與DLR和Sun Lab聯(lián)合

41、進(jìn)行了AIVU"400m2 Big Dish”大型化研究，為在澳大利亞的Tennant Creek建一太陽(yáng)能熱電站作技術(shù)準(zhǔn)備工作，在此期間取得了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，鏡體改進(jìn)，蒸汽接收器支撐結(jié)構(gòu)改變等許多技術(shù)突破。以色列魏茲曼科學(xué)院建立了一個(gè)“Big Dish”發(fā)電單元，并進(jìn)行了高溫集熱器/燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)。</p><p>　　1.4課題的來(lái)源及意義</p><p>　　本課題來(lái)源國(guó)家自然

42、科學(xué)基金面上項(xiàng)目:基于電流體力學(xué)的強(qiáng)化冷凝換熱機(jī)理及應(yīng)用研究(資助項(xiàng)目號(hào):No.50076011)</p><p>　　基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)屬于外部燃燒加熱式發(fā)動(dòng)機(jī)。它是對(duì)封入內(nèi)部的氣體工質(zhì)從外部進(jìn)行加熱和冷卻，從而推動(dòng)活塞往復(fù)做功，與內(nèi)燃機(jī)的氣缸內(nèi)燃燒的方式有著明顯的區(qū)別。</p><p>　　由于本系統(tǒng)采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)永磁

43、直線發(fā)動(dòng)機(jī)工作，相比較與內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1)燃料多樣化:由于是外燃機(jī)，可使用多種燃料，從傳統(tǒng)的化石能源、生物質(zhì)燃料、低溫余熱到太陽(yáng)能等均可利用。</p><p>　　2)高效率:由于在加熱器和冷卻器中間設(shè)有蓄熱式換熱器，從理論上可接近卡諾循環(huán)，為效率最高的熱機(jī)。</p><p>　　3)低污染:沒(méi)有進(jìn)排氣閥門(mén)，內(nèi)部壓力

44、變化平穩(wěn)，噪音和振動(dòng)小;且由于連續(xù)燃燒易實(shí)現(xiàn)自節(jié)能技術(shù)和自動(dòng)控制，燃燒完全，排煙污染較小。</p><p>　　4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng):采用單杠自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)直接與直線發(fā)電機(jī)相連的結(jié)構(gòu)，一方面因?yàn)閱胃茏杂苫钊絊tirling發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有磨損部分而具有非常長(zhǎng)的使用壽命，另一方面使用直線發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力活塞直接相連縮小了系統(tǒng)整體體積。</p><p>　　5)可實(shí)現(xiàn)冷熱

45、電聯(lián)產(chǎn)，一次能源利用率可達(dá)90%以上。因具有上述優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的研究具有如下意義:</p><p>　　1)作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的補(bǔ)充，為不方便架設(shè)輸電線路的地區(qū)，提供一種可利用當(dāng)?shù)啬茉吹陌l(fā)電設(shè)備。</p><p>　　2)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，降低其污染特性，減少對(duì)空氣的排污。</p><p>　　3)因?yàn)槠涞驮胍艉涂刹捎枚喾N能源的優(yōu)點(diǎn)

46、，在軍事上是潛艇的AIP(Air Independent Propulsion System)化中一種很實(shí)用的選擇。</p><p><b>　　1.5課題研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文對(duì)基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性的數(shù)值模擬，具體工作如下:</p><p>　　1)單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)

47、幾何尺寸確定;</p><p>　　2)單缸自由活塞式Stirling發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性數(shù)值分析;</p><p>　　3)永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性數(shù)值分析。</p><p>　　第2章發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　2.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)</p><p>　　2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</

48、p><p>　　本發(fā)電系統(tǒng)由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁直線發(fā)電機(jī)、充電回路和蓄電池組組成，如圖2-1所示，自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力活塞與永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)子直接相連，永磁直線發(fā)電機(jī)繞組出線與充電回路相連，充電回路起到將交流整流為直流的作用，蓄電池組將系統(tǒng)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，可供隨時(shí)使用。 </p&g

49、t;<p>　　2.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理</p><p>　　本發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是將外部熱源轉(zhuǎn)化為蓄電池組中的電能，其工作流程如圖2-2所示。</p><p>　　外部熱源包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)燃料、地?zé)岷陀酂岬?，為單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器提供熱量。從外部熱源獲得熱能后，單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，其氣體工質(zhì)的膨脹和壓縮使動(dòng)力活塞獲得機(jī)械能;動(dòng)

50、力活塞帶動(dòng)永磁直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得永磁直線發(fā)電機(jī)定子中的繞組相對(duì)動(dòng)子中的磁極作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);永磁直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過(guò)充電回路整流為直流后充入蓄電池組，系統(tǒng)完成從熱能到電能的轉(zhuǎn)化。</p><p>　　配氣活塞將汽缸分為膨脹腔和壓縮腔兩部分，起到分配膨脹腔和壓縮腔內(nèi)氣體工質(zhì)比例的作用。配氣活塞通過(guò)彈簧與汽缸相連，彈簧對(duì)配氣活塞的運(yùn)動(dòng)起到一定的控制作用，動(dòng)力活塞除

51、與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載相連外還與自己的儲(chǔ)能彈簧相連，彈簧和動(dòng)力活塞的重量形成最大質(zhì)量震動(dòng)系統(tǒng)，使動(dòng)力活塞的運(yùn)動(dòng)接近于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)?；?zé)崞鳛橐环N類似金屬絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其作用相當(dāng)于熱力海綿，根據(jù)工質(zhì)溫度能吸收或放出熱量。</p><p>　　2.2自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)及其工作原理</p><p>　　基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是單作用活塞一配氣活塞式結(jié)構(gòu)，其起到將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

52、的重要作用。</p><p>　　2.2.1自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，由加熱器、回?zé)崞?、冷卻器、配氣活塞、動(dòng)力活塞和汽缸組成。氣體工質(zhì)在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔內(nèi)流動(dòng)。</p><p>　　2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的原理</p><p>　　

53、自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。其運(yùn)行時(shí)工質(zhì)被封閉在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔組成的循環(huán)回路中，通過(guò)配氣活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整氣缸容積的變化，控制工質(zhì)在閉式循環(huán)中的流動(dòng)方向;作為發(fā)動(dòng)機(jī)其要求工質(zhì)在較低的溫度和壓力下被壓縮，并在較高的溫度和壓力下膨脹，即膨脹功大于壓縮功。從而獲得正的循環(huán)功。</p><p>　　Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)遵循的是斯特林循環(huán)，斯特林循環(huán)由等溫壓

54、縮過(guò)程、等容加熱過(guò)程、等溫膨脹過(guò)程和等容冷卻過(guò)程四步組成。為說(shuō)明斯特林循環(huán)，將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸簡(jiǎn)化為如圖4所示，壓縮腔活塞遠(yuǎn)離冷卻器時(shí)為其運(yùn)動(dòng)內(nèi)止點(diǎn)，與冷卻器接觸時(shí)為其運(yùn)動(dòng)外止點(diǎn);膨脹腔活塞靠近加熱器時(shí)為其運(yùn)動(dòng)外止點(diǎn)，遠(yuǎn)離加熱器時(shí)為其運(yùn)動(dòng)內(nèi)止點(diǎn)。其具體循環(huán)過(guò)程如下:</p><p><b>　　1)等溫壓縮過(guò)程</b></p><p>　　循環(huán)開(kāi)始時(shí)，壓縮腔活塞處于內(nèi)

55、止點(diǎn)，壓縮腔容積最大，膨脹腔活塞處于外止點(diǎn)并僅靠加熱器，膨脹腔容積為最小。</p><p>　　因此，工質(zhì)全部在壓縮腔內(nèi)，工質(zhì)為冷腔溫度即循環(huán)最低溫度TC，工質(zhì)在循環(huán)中所處狀態(tài)如圖2-5中點(diǎn)1所示。隨著壓縮活塞向外止點(diǎn)方向移動(dòng)，系統(tǒng)容積逐漸縮小，工質(zhì)在壓縮腔中受到壓縮，壓縮結(jié)束后，如點(diǎn)2所示，此時(shí)系統(tǒng)容積己從最大值V1縮小到最小值V2。壓縮過(guò)程中，壓縮熱QC由氣缸壁從系統(tǒng)內(nèi)部逐漸導(dǎo)出，同時(shí)外界在整個(gè)壓縮過(guò)程中得到

56、系統(tǒng)做功W 1-2。在理想狀態(tài)下，壓縮熱Oc等于壓縮功W1-2。即</p><p>　　式中:R為氣體常數(shù)。</p><p><b>　　2)等容加熱過(guò)程</b></p><p>　　等容加熱過(guò)程如圖2-6所示，從點(diǎn)2開(kāi)始，至點(diǎn)3結(jié)束。過(guò)程開(kāi)始時(shí)，壓縮活塞從點(diǎn)2繼續(xù)向外移動(dòng)，到達(dá)外止點(diǎn)時(shí)過(guò)程結(jié)束;與此同時(shí)，膨脹活塞開(kāi)始由外止點(diǎn)向內(nèi)止點(diǎn)移動(dòng)。兩個(gè)

57、活塞做相反運(yùn)動(dòng)使壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統(tǒng)總?cè)莘e不變，即V2 = V3，過(guò)程是等容的。在這一等容過(guò)程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開(kāi)始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的工質(zhì)全部進(jìn)入到了膨脹腔。工質(zhì)從壓縮腔到膨脹腔前，通過(guò)流經(jīng)回?zé)崞鞑⒌玫交責(zé)崞鞯募訜幔瑹崃縌R從回?zé)崞鱾鹘o工質(zhì)，工質(zhì)溫度從最低循環(huán)溫度TC上升到最高循環(huán)溫度TE后流入膨脹腔。所以，這一過(guò)程稱為等容加熱過(guò)程。在過(guò)程結(jié)束時(shí)，工質(zhì)全部處于膨脹腔，且溫度為T(mén)E，

58、同時(shí)壓力也上升到最高壓力，如圖2-5中的P-V圖所示。在該過(guò)程中，因系統(tǒng)容積不變，故不做功，但工質(zhì)內(nèi)能增大。在理想狀態(tài)下，熱能QR為</p><p>　　式中CV為T(mén)C一TE溫度范圍內(nèi)工質(zhì)的平均等容比熱。</p><p><b>　　3)等溫膨脹過(guò)程</b></p><p>　　在等溫膨脹過(guò)程中，壓縮活塞在外止點(diǎn)保持不動(dòng)，膨脹活塞繼續(xù)向其內(nèi)止點(diǎn)

59、移動(dòng)，結(jié)果系統(tǒng)容積增大，壓力下降，待膨脹活寨移動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)時(shí)過(guò)程結(jié)束。此時(shí)，系統(tǒng)容積已從最小容積}3擴(kuò)大到最大容積氣。為了實(shí)現(xiàn)等溫膨脹，即T3-T4-TE，外源必須通過(guò)氣缸壁向工質(zhì)供給等溫膨脹熱縣同時(shí)系統(tǒng)向外界做等溫膨脹功W3-4。在理想狀態(tài)下，外界向系統(tǒng)榆入的等溫膨脹熱能QE應(yīng)等于等溫膨脹功W3-4，即</p><p><b>　　4)等容冷卻過(guò)程</b></p><p&

60、gt;　　在這一過(guò)程中，壓縮活塞從其外止點(diǎn)移動(dòng)到內(nèi)止點(diǎn)，同時(shí)膨脹活塞從其內(nèi)止點(diǎn)移動(dòng)到外止點(diǎn)，結(jié)果將膨脹腔中一器時(shí)，回?zé)崞鲝墓べ|(zhì)中吸走熱能鳥(niǎo),R，使口低循環(huán)溫度Tc后流入壓縮腔。兩個(gè)活塞f積V4 = V下得到冷卻，故叫做等容冷卻過(guò)的熱能QR’為</p><p>　　斯特林循環(huán)的4個(gè)過(guò)程全部結(jié)束，工質(zhì)狀態(tài)回復(fù)到循環(huán)始點(diǎn)的狀態(tài)。自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)與上述理想斯特林循環(huán)有所區(qū)別，因?yàn)楝F(xiàn)在還不能制作間

61、斷性運(yùn)動(dòng)的活塞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以并沒(méi)有能進(jìn)行理想斯特林循環(huán)的Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)只能接近上述理想熱力循環(huán)。</p><p>　　2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　系統(tǒng)之所以選用單缸自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)是因?yàn)樗幸韵绿攸c(diǎn):</p><p><b>　　1)機(jī)械效率高</b

62、></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)相比較其他機(jī)械沒(méi)有連桿、軸或軸承，只有滑動(dòng)配合，由工質(zhì)本身作為潤(rùn)滑劑，因而有非常高的機(jī)械效率。一臺(tái)榆出功率為1 kw的自由活塞式熱氣機(jī)，機(jī)械效率可達(dá)99%，特別是部分負(fù)荷時(shí)，自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率也相對(duì)較高【30】。</p><p><b>　　2)熱效率高</b></p>

63、<p>　　曲柄連桿式熱氣機(jī)通常采用改變工質(zhì)的平均壓力來(lái)調(diào)節(jié)輸出功，但自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的平均循環(huán)壓力是不變的，輸出功的變化主要是靠改變行程來(lái)達(dá)到。因此，在部分負(fù)荷時(shí)，仍可保持其總的熱效率基本不變。</p><p><b>　　3)能使用多種能源</b></p><p>　　使用多種能源的能力與高效率同等重要。連續(xù)外燃加熱允許使用最廣泛的燃

64、料和能源，包括所有氣體、液體和固體燃料。</p><p><b>　　4)自起動(dòng)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)正確的自由活塞式熱氣機(jī)，只要在冷熱端之間建立起足夠的溫差便能自行起動(dòng)，這是其它動(dòng)力裝置不可比擬的。因此其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用更為可靠，對(duì)維修保養(yǎng)的要求也不高，可用于無(wú)人管理的場(chǎng)所。啟動(dòng)加熱只需數(shù)秒鐘，熱氣機(jī)便能自行起動(dòng)。隨后便可全功率運(yùn)行。</p>

65、;<p><b>　　5)不需要液體潤(rùn)滑</b></p><p>　　和內(nèi)燃機(jī)相比較，由于自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失非常小，其不需要液體潤(rùn)滑劑來(lái)潤(rùn)滑和冷卻有關(guān)部件。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和維修保養(yǎng)很簡(jiǎn)單。</p><p><b>　　6)密封可靠</b></p><p>　　自由活塞式Stirlin

66、g發(fā)動(dòng)機(jī)相比曲柄連桿式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比與內(nèi)燃機(jī)密封壓力小，所以密封問(wèn)題十分簡(jiǎn)單，通常只要將殼體密封即可滿足要求。</p><p><b>　　7)振動(dòng)小、噪音低</b></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的工作腔內(nèi)沒(méi)有爆燃并與大氣隔絕，所以壓力上升的速率沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)高，特別是沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)十分安靜，不必使用隔音或消音裝置【

67、31】。</p><p><b>　　8)有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能</b></p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)有根據(jù)外界負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功的能力。如果外界的負(fù)荷不大，活塞的行程會(huì)變得比較長(zhǎng)，行程往返期間作用力的差也比較小。若負(fù)荷增大，活塞的行程便自動(dòng)縮短，作用力隨之增大。輸出功基本不變。</p><p>　　2.3永磁直線發(fā)電機(jī)及

68、其工作原理</p><p>　　直線發(fā)電機(jī)可以認(rèn)為是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后將電機(jī)的圓周展成直線，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榱藙?dòng)子的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。直線發(fā)電機(jī)較旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)容易改變，因此，其結(jié)構(gòu)型式比普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)有更多的式樣。直線發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式的不同，可以分為扁平型、圓筒型和圓盤(pán)型等。而扁平型直線發(fā)電機(jī)是最有代表性，且應(yīng)用最為廣泛。本發(fā)電系統(tǒng)采用的

69、就是雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)，如下介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。</p><p>　　2.3.1永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　發(fā)電系統(tǒng)中永磁直線發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，發(fā)電機(jī)為雙邊扁平型結(jié)構(gòu)，由動(dòng)子和定子組成。定子鐵心中開(kāi)有兩個(gè)槽，槽中放有定子繞組，上下兩定子中繞組線圈采用串聯(lián)方式以提高輸出電壓。定子采用模塊式設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需求，串聯(lián)更多的定子模塊和延長(zhǎng)動(dòng)子長(zhǎng)度以增加輸

70、出功率。動(dòng)子結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，動(dòng)子由磁極和動(dòng)子框架組成，選用永磁鐵為動(dòng)子磁極，固定在不導(dǎo)磁的鋁框內(nèi)，鋁框中間開(kāi)槽以防止運(yùn)行時(shí)在鋁框上形成大的環(huán)流損耗，相鄰的永磁體磁極相反放置，有利于永磁體通過(guò)定子鐵心形成磁回路。</p><p>　　2.3.2永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　由上述結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，本系統(tǒng)采用的直線發(fā)電機(jī)的工作原理與以往旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同。直線發(fā)電機(jī)工作時(shí)，是將自

71、由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力活塞所連接的傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)動(dòng)子的軸相連而帶動(dòng)動(dòng)子作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的速度和頻率則由自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力活塞速度和頻率決定。永磁直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子磁極通過(guò)定子鐵心形成磁回路，穿過(guò)定子繞組的磁鏈大小與動(dòng)子的位置有關(guān)，如圖2-9所示，動(dòng)子在初始位置，即最左端時(shí)，磁鏈由動(dòng)子永磁體中N極發(fā)出，經(jīng)過(guò)氣隙、定子鐵心和氣隙回到動(dòng)子永磁體中S極，定子繞組線圈中形成了向上的磁通分布，動(dòng)子開(kāi)始往復(fù)運(yùn)動(dòng)后，動(dòng)子

72、永磁體N極發(fā)出的磁鏈與定子鐵心相交聯(lián)部分逐漸減小;當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到最右端位置時(shí)，處在定子中間鐵心齒上的永磁體S極向上，所以定子繞組線圈中形成了向下的磁通分布，隨著動(dòng)子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子中永磁體在鐵心繞組線圈中形成的磁通分布由上到下，再由下到上不斷變化。</p><p>　　根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得定子繞組內(nèi)磁鏈的變化引起的定子繞組線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)</p><p>　　式中:Φ為穿過(guò)定子繞組線

73、圈中的磁通量.N為定子繞組匝數(shù)。</p><p>　　2.3.3永磁直線發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)</p><p>　　永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同，而使之具有以下特點(diǎn)。</p><p>　　1)永磁直線發(fā)電機(jī)采用永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，所以無(wú)需電流勵(lì)磁，沒(méi)有易損壞的電刷和滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，因此使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。</p><p>　　2)采用永磁體

74、勵(lì)磁，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)也使得永磁直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子上無(wú)勵(lì)磁損耗，無(wú)電刷和滑環(huán)之間的摩擦損耗和接觸電損耗。因此，永磁直線發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率比電勵(lì)磁式同步電機(jī)要高。</p><p>　　3)在永磁體框架上使用不導(dǎo)磁材料，并且在框架中采用開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)，消除了電機(jī)工作時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的環(huán)流，從而減少了損耗，降低了動(dòng)子的溫升，提高了電機(jī)效率。</p><p>　　4)發(fā)電機(jī)的極距與活塞的沖程相等。動(dòng)子極距與定

75、子槽寬相配合，使磁路在動(dòng)子兩端位置均能閉合，并關(guān)于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)左右止點(diǎn)位置對(duì)稱。</p><p>　　由于永磁直線發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，使其工作原理不同于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，即使與普通的直線電機(jī)相比也有很大的不同。因此，對(duì)于電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的求解，不能直接套用以往的方法，需根據(jù)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，找出適合其電磁場(chǎng)的求解方法。</p><p>　　自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能分析&

76、lt;/p><p>　　3.1自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　為與永磁直線發(fā)電機(jī)相配合，自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為:</p><p>　　1)輸出功率不低于1kW;</p><p>　　2)所帶負(fù)載重量O.5kg左右;</p><p>　　3)活塞行程為7cm;</

77、p><p>　　4)往復(fù)次數(shù)每分在1800次左右。</p><p><b>　　3.2工質(zhì)選擇</b></p><p>　　從表3-1可以看出氫氣在性能方面優(yōu)于空氣和氦氣，但氫氣和空氣的混合物在空氣占5%--J75%的范圍內(nèi)有著火危險(xiǎn)?？諝馐亲钜椎玫降臍怏w，但熱力性能較差。在低速小功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用氫或氦在熱力學(xué)效果上并不比空氣優(yōu)越多少，然而

78、用空氣作為工質(zhì)可大大降低密封的要求，同時(shí)為以后工質(zhì)的補(bǔ)充也十分方便，故對(duì)于壽命要求長(zhǎng)或設(shè)計(jì)要求不是很高的低功率小型發(fā)電系統(tǒng)，綜合考慮熱力性能和使用方便性，選擇空氣作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)。</p><p><b>　　3.3結(jié)構(gòu)尺寸確定</b></p><p>　　Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的確定取決熱力學(xué)性能和機(jī)械性能兩方面的要求。</p><p

79、><b>　　3.3.1汽缸直徑</b></p><p>　　為了降低活塞一汽缸組的往復(fù)穿梭傳熱損失，同時(shí)限制活塞平均速度，汽缸直徑與活塞行程之比應(yīng)限制在1.5-2.0的范圍內(nèi)。本模型選DC/SC=1.80由斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)所帶的直線發(fā)電機(jī)要求動(dòng)力活塞行程為7cm，所以汽缸直徑DC為12.6cm。</p><p>　　3.3.2熱腔、冷腔和無(wú)益容積</p>

80、;<p>　　冷腔容積耳為動(dòng)力活塞掃氣容積SP}rr' -872.4 c材，系統(tǒng)最大體積與最小體積比</p><p>　　式中:VE為熱腔容積，VD為無(wú)益容積。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中壓縮比一般為2.0左右，大于2.5以上，系統(tǒng)將無(wú)法工作，本模型壓縮比選為1.32。</p><p>　　無(wú)益容積比KD定義為VD/VE,一般在0.5-2.0之間。由經(jīng)驗(yàn)可知，其值越大發(fā)動(dòng)機(jī)效率越

81、接近等溫分析法的計(jì)算值，本模型選擇無(wú)益容積比KD為1.5。即 </p><p>　　聯(lián)立式((3-1)和((3-2)可得發(fā)動(dòng)機(jī)熱腔容積嶺和無(wú)益容積嶺分別為1308.6 cm3，和1962.9 cm。</p><p>　　3.3.3縫隙式回?zé)崞骱团錃饣钊叽?lt;/p><p>　　在采用縫隙式回?zé)崞鞯淖杂苫钊剿固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)中，縫隙式回?zé)崞魅莘eVR無(wú)益容積為VD，即珠為

82、1962.9 cm3。</p><p>　　回?zé)崞魅莘eVR表示為</p><p>　　式中:RD為配氣活塞半徑，LD為配氣活塞長(zhǎng)度。將回?zé)崞魅莘eVR和汽缸直徑DC帶入式(3-3)可得出配氣活塞半徑RD和配氣活塞長(zhǎng)度LD分別為5cm和28.4cm,即縫隙式回?zé)崞鞯沫h(huán)隙長(zhǎng)Lh和環(huán)隙寬Dh分別為28.4cm和1.3cm。</p><p>　　3.3.4配氣活塞行程<

83、/p><p>　　配氣活塞掃氣容積為VE為1308.6 cm3，活塞行程</p><p>　　根據(jù)式(3-4)求出配氣活塞行程SD為16.7cm。</p><p>　　3.3.5動(dòng)力活塞尺寸和質(zhì)量</p><p>　　動(dòng)力活塞直徑即為汽缸內(nèi)徑，所以動(dòng)力活塞半徑RP為6.3cm。動(dòng)力活塞兩側(cè)分別為冷腔和緩沖腔，二者壓強(qiáng)差不斷變化對(duì)動(dòng)力活塞氣密性要求

84、較高，所以厚度不能太小，動(dòng)力活塞厚度HP取6cm。</p><p>　　為使運(yùn)行穩(wěn)定，自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率應(yīng)接近或等于運(yùn)行頻率。</p><p>　　動(dòng)力活塞和與之相連的彈簧組成的最大質(zhì)量震動(dòng)系統(tǒng)，其固有頻率即為自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的固有頻率。</p><p>　　式中:fn為運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，C為常數(shù)，一般為0.7-1.0,CK為彈簧剛度，MP為動(dòng)力活塞質(zhì)量

85、。取C為0.8，選擇彈簧剛度為1.40625N/mm，即得出動(dòng)力活塞和其所帶負(fù)載的質(zhì)量共為lkg。</p><p>　　3.3.6緩沖腔容積</p><p>　　緩沖腔由配氣活塞和配氣活塞桿的內(nèi)部空間和動(dòng)力活塞下方空間組成，其內(nèi)部壓強(qiáng)為動(dòng)力活塞定位的基準(zhǔn)壓強(qiáng)，要求其壓強(qiáng)受動(dòng)力活塞引起的體積變化的影響要小，所以緩沖腔體積為4500cm3。</p><p>　　圖3-1

86、所示單缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，熱腔外圍受加熱器加熱，冷腔外圍與冷卻器相連，冷卻器對(duì)其冷卻，回?zé)崞鞑捎每p隙式回?zé)崞?。縫隙式回?zé)崞骷蠢脛?dòng)力活塞和缸壁之間的縫隙實(shí)現(xiàn)回?zé)峁δ堋?lt;/p><p>　　3.4基于等溫分析法的動(dòng)力特性數(shù)值模擬</p><p>　　實(shí)用等溫計(jì)算法，作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率的初步估算是最適合的一種方法，既簡(jiǎn)單又較準(zhǔn)確，適用于各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不必使用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。

87、實(shí)用等溫計(jì)算法是模擬計(jì)算程序的最直接理論模型。</p><p><b>　　3.4.1簡(jiǎn)化假設(shè)</b></p><p>　　為簡(jiǎn)化模型作出以下假設(shè):</p><p>　　1)循環(huán)各部分皆為等溫和完全回?zé)?，即熱腔中工質(zhì)溫度TE選用750K冷腔溫度界TC取為373K。即冷腔和熱腔溫度為0.516;</p><p>　　2)工

88、質(zhì)空氣為理想氣體[36.37]，無(wú)泄漏;</p><p>　　3)活塞運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計(jì)算</p><p>　　冷腔壓力、熱腔壓力和容積在循環(huán)中的變化。采用實(shí)用等溫分析法進(jìn)行計(jì)算，可求得如下運(yùn)行性能參數(shù):</p><p>　　1)冷、熱腔瞬態(tài)容積</p><p>

89、　　由假設(shè)3知，瞬時(shí)熱腔容積VE可表示為</p><p>　　式中:為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的角速度，t’為從配氣活塞上止點(diǎn)起算的時(shí)間，V0為熱腔的最大容積。</p><p>　　瞬時(shí)冷腔容積v表示為</p><p>　　其中，K為活塞行程容積比，即配氣活塞行程和動(dòng)力活塞行程之比，dr為配氣活塞領(lǐng)先于動(dòng)力活塞運(yùn)行的活塞領(lǐng)先角，VL為配氣活塞和動(dòng)力活塞的行程重疊容積?；钊谐痰闹丿B

90、是自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)之一，可以在活塞行程和汽缸直徑不變的情況下，選擇適當(dāng)?shù)男谐讨丿B容積，使熱性能達(dá)到最佳[38]。由于行程重疊容積的存在，可使冷腔容積為零;則在冷腔容積為零時(shí)，dK/dt’=0，即</p><p>　　由此引出容積相位角，容積相位角V0定義為熱腔容積變化領(lǐng)先于冷腔容積變化的角度，它與活塞領(lǐng)先角是不等的。當(dāng)熱腔容積VE為零時(shí)，有t'=0 0</p><p>

91、　　由式(3-8)可知，當(dāng)</p><p>　　時(shí)，冷腔容積VC = 0，可得容積相位角</p><p>　　活塞行程重疊容積VL可以分成兩部分，即VL = VA + VB其中VA為配氣活塞從冷腔容積為零時(shí)到其下止點(diǎn)的行程容積，VB為動(dòng)力活塞從其上止點(diǎn)到冷腔容積最小時(shí)的行程容積，所以</p><p>　　式(3-14)由式(3-13)代入式(3-7)得</p&

92、gt;<p><b>　　將VE改寫(xiě)為</b></p><p>　　式中:t為從配氣活塞下止點(diǎn)起算的時(shí)間。這樣就得出了冷腔容積和熱腔容積隨時(shí)間的變化，如圖3-2所示。</p><p>　　2)冷、熱腔瞬態(tài)壓力</p><p>　　因?yàn)楣べ|(zhì)假定為理想氣體，所以工質(zhì)總質(zhì)量可以通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程導(dǎo)出</p><p&

93、gt;　　式中:MT為工質(zhì)總質(zhì)量，ME ,MC、MD分別為熱腔、冷腔和無(wú)益容積中工質(zhì)的質(zhì)量;R為氣體常數(shù);VD為無(wú)益容積;TE , TC和TD分別為熱腔、冷腔和無(wú)益容積處的平均溫度。熱氣機(jī)的輸出功率[51.52]可用下式表示:</p><p>　　式中:P為輸出功率(W)，Pmean為平均循環(huán)壓力(MPa),偽循環(huán)頻率(Hz), V為汽缸排氣量。</p><p>　　由式(3-17)算出，

94、功率1 kW，頻率30Hz，汽缸排量2180cm，的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)需要的平均循環(huán)壓力為1.5MPa。將Pmean帶入式(3-16)確定工作工質(zhì)為l.lkg。將容積相位角代入式(3-16)，并令C=MT2RTc/(VE)和TD=(TR + TC )/2化簡(jiǎn)整理后得循環(huán)瞬時(shí)壓力</p><p>　　由循環(huán)瞬時(shí)壓力表達(dá)式計(jì)算出穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)一個(gè)周期的壓力變化波形，如圖3-3所示。</p><p>　　

95、由圖3-3可以看出，當(dāng)t=2時(shí)，即t =48.20o，循環(huán)壓力最小</p><p>　　Pmin=1.18Mpa。</p><p>　　當(dāng)t =2+時(shí)，即t =228.2o，循環(huán)壓力最大環(huán)壓力</p><p>　　PMax=1.82MPa。</p><p>　　壓力比 </p><p>　　平均循環(huán)壓力

96、Pm為 </p><p>　　緩沖腔壓力設(shè)置為與平均循環(huán)壓力相等，這樣可以通過(guò)中點(diǎn)放氣法來(lái)輔助調(diào)整活塞的位置。</p><p>　　3)冷腔、熱腔和總?cè)莘e的P-V圖</p><p>　　根據(jù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等效角度與循環(huán)容積和壓力波關(guān)系，做出循環(huán)P-V圖，其中a), b)和c)分別為熱腔p-v圖、冷腔p-v圖和循環(huán)總p-v圖。</p><

97、p>　　由圖3-4可以看出設(shè)計(jì)的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓力和容積的變化接近于理想斯特林循環(huán)，壓力變化勻稱，無(wú)尖峰，流阻損失小。</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)功率和效率</p><p>　　熱腔p-v圖面積表示熱腔膨脹所做的功，為正功。冷腔p-v圖面積表示冷腔壓縮功，為負(fù)功。二者相減即為循環(huán)功。</p><p>　　對(duì)循環(huán)總p-v圖進(jìn)行面積積分，求出

98、循環(huán)功NCT=99J。</p><p>　　系統(tǒng)功率PW=fNCT=2.9KW。</p><p>　　每循環(huán)熱腔工質(zhì)吸收的熱量QEC=206J。</p><p>　　循環(huán)效率C=NCT/QEC=48%</p><p><b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中自由活塞

99、式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，得到以下結(jié)論:</p><p>　　1)根據(jù)熱力學(xué)性能和機(jī)械性能兩方面的要求。綜合考慮了活塞穿梭傳熱、壓縮比、無(wú)益容積比和掃氣容積比等參數(shù)對(duì)性能的影響和動(dòng)力活塞氣密性要求，確定了自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　2)理論分析了自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過(guò)程并編制計(jì)算機(jī)程序仿真了循環(huán)過(guò)程。得到了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)p-v圖、功率和效率。

100、其功率和效率滿足發(fā)電系統(tǒng)的要求。</p><p>　　第4章永磁直線發(fā)電機(jī)空載磁場(chǎng)及電動(dòng)勢(shì)計(jì)算</p><p>　　永磁直線發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子繞組開(kāi)路，電機(jī)處于空載狀態(tài)，由自由活塞式Stirling發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電機(jī)的定子繞組之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在電機(jī)的電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，但不形成電流，沒(méi)有電樞反應(yīng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響，從而發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)完全由永磁體建立

101、。永磁體產(chǎn)生的空載主磁場(chǎng)強(qiáng)度究竟有多大，永磁體形成的磁場(chǎng)空間分布規(guī)律如何，對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電勢(shì)影響極為重要。所以，獲得正確的磁場(chǎng)分布是準(zhǔn)確計(jì)算永磁發(fā)電機(jī)參數(shù)和性能的重要前提。</p><p>　　4.1.1數(shù)學(xué)模型建立</p><p>　　為了建立合適的電磁場(chǎng)分析模型，根據(jù)永磁直線發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)和實(shí)際計(jì)算需要，將其作如下假設(shè):</p><p>　　1)在動(dòng)子中不存在構(gòu)成

102、回路的導(dǎo)體，因而忽略了動(dòng)子上的渦流損耗;</p><p>　　2)沿鐵心疊片方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度都相同;</p><p>　　3)忽略初級(jí)繞組中的電阻;</p><p>　　4)定子鐵心內(nèi)表面光滑，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦阻力。</p><p>　　根據(jù)以上假設(shè)條件和電機(jī)的幾何尺寸，建立的永磁直線發(fā)電機(jī)的二維有限元模型如圖4-1所示，整個(gè)圖示區(qū)域皆為場(chǎng)求解

103、范圍，1為空氣所占區(qū)域，3表示永磁體磁極，求解區(qū)域外圍邊框?yàn)榍蠼膺吔鐥l件，5所占區(qū)域?yàn)槎ㄗ庸桎撈?表示定子繞組線圈，繞組線圈為漆包銅線，8代表定子鋁框，圖示中間條形區(qū)域?yàn)閯?dòng)子運(yùn)動(dòng)范圍。</p><p>　　4.1.2有限元計(jì)算</p><p>　　(1)賦予材料屬性樣機(jī)所包含的材料有:</p><p>　　1)氣隙及樣機(jī)外圍為空氣，相對(duì)磁導(dǎo)率,Ur=1。</

104、p><p>　　2)定子鐵心沖片選用DW315號(hào)硅鋼片，材料屬性用B-- H曲線表示，如圖4-2所示。</p><p>　　3)定子繞組為銅，相對(duì)磁導(dǎo)率Ur =1，電導(dǎo)率 =5.8e7s/m。</p><p>　　4)永磁體為永磁材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率Ur =1.O5，剩磁密度Br為1.25T，內(nèi)稟矯頑力H為947kA/m和極化強(qiáng)度994 kA/m。</p>

105、<p>　　5)槽楔為非導(dǎo)磁性槽楔，材料Ur=1。</p><p>　　定義完材料屬性之后分別將各種材料賦給模型中的不同部分，使模型中各個(gè)部分具有了實(shí)際的意義。</p><p><b>　　(2)網(wǎng)格剖分</b></p><p>　　電機(jī)的各種場(chǎng)量值在不同媒質(zhì)中的變化程度不同，因此在剖分的過(guò)程中對(duì)電機(jī)中場(chǎng)量變化較大的部分，網(wǎng)格面積相對(duì)

106、其他部分要取的小一些，以提高計(jì)算精度，如對(duì)氣隙部分及槽附近進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)剖。圖4-3是對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的單元剖分圖，永磁體周邊的區(qū)域進(jìn)行了細(xì)剖。</p><p><b>　?。?）控制方程</b></p><p>　　在有限元計(jì)算中，永磁體工作在回復(fù)線上，回復(fù)線為一直線?；貜?fù)線和退磁線重合時(shí)，永磁體工作點(diǎn)的B和H關(guān)系為</p><p>　

107、　式中:U=U0Ur；H為計(jì)算矯頑力;Ur為相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率;U0為真空磁導(dǎo)率。</p><p>　　采用矢量磁位A為求解函數(shù)，根據(jù)麥克斯韋方程，永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題可以表述為</p><p>　　式中:JS為電流源區(qū)電流密度;1為非永磁區(qū)域;2為永磁區(qū)域。</p><p>　　此邊值問(wèn)題的等價(jià)變分問(wèn)題表述為</p><p>　　在二維場(chǎng)中

108、，矢量A,JS只有軸向分量，用A, JS表示。HC可表示為</p><p>　　式中:為磁化方向和x軸的夾角。這就得到了關(guān)于永磁體的控制方程。</p><p>　　麥克斯韋方程的微分形式表示為</p><p>　　式中:HC是永磁體的矯頑力:V是運(yùn)動(dòng)物體的速度;A是磁矢量;JS是電流密度，為電導(dǎo)率。</p><p>　　瞬態(tài)求解時(shí)使用參考框架

109、，固定模型一部分，使其速度為零。運(yùn)動(dòng)物體固定在自身坐標(biāo)系，偏時(shí)間導(dǎo)數(shù)變成A的全時(shí)間導(dǎo)數(shù)，因而運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)?lt;/p><p>　　從而得到了速度，電流和磁場(chǎng)的關(guān)系，求解此方程就可得到運(yùn)動(dòng)中任意時(shí)刻每一點(diǎn)的磁矢量值，由此就可推得電磁場(chǎng)其他場(chǎng)量。</p><p>　　4.1.3空載磁場(chǎng)分布</p><p>　　圖4-4所示為初始時(shí)刻永磁體產(chǎn)生的磁力線分布，磁力線都源自于永磁

110、體，經(jīng)過(guò)氣隙，到達(dá)定子鐵心，依次經(jīng)過(guò)定子齒一定子轆一定子齒一氣隙回到永磁體，定子中的磁力線分布數(shù)明顯多于其余各處的磁力線數(shù)。</p><p>　　圖4-5為用彩色云圖表示的磁密分布，紅色表示磁密最大，藍(lán)色表示最小，其他顏色介于最大值和最小值之間。從圖中可以看出，齒部和扼部磁導(dǎo)率大而磁密較大，輛部因較窄而磁密最大，而繞組和動(dòng)子鋁框架磁密很小。</p><p>　　永磁體形成的磁密分布用矢量圖