机械5

目录 摘要1 目录3 第1章绪论5 1.1课题背景5 1.2斯特林发动机5 1.3国内外研究状况6 1.3.1国内研究现状7 1.3.2国外研究现状7 1.4课题的来源及意义9 1.5课题研究内容10 第2章发电系统的结构及工作原理11 2.1发电系统结构、原理和特点11 2.1.1发电系统结构11 2.1.2发电系统工作原理11 2.2自由活塞式Stirli
ng发动机及其工作原理13 2.2.1自由活塞式Stirli
ng发动机的结构13 2.2.2自由活塞式Stirli
ng发动机的原理13 2.2.3自由活塞式Stirli
ng发动机的特点18 2.3永磁直线发电机及其工作原理19 2.3.1永磁直线发动机结构19 2.3.2永磁直线发动机工作原理21 2.3.3永磁直线发动机特点21 第3章自由活塞式Stirli
ng发动机的尺寸设计和运行性能分析22 3.1自由活塞式Stirli
ng发动机设计要求22 3.2工质选择23 3.3结构尺寸确定23 3.3.1汽缸直径24 3.3.2热腔、冷腔和无益容积24 3.3.3缝隙式回热器和配气活塞尺寸24 3.3.4配气活塞行程25 3.3.5动力活塞尺寸和质量25 3.3.6缓冲腔容积26 3.4基于等温分析法的动力特性数值模拟26 3.4.1简化假设27 3.4.2冷腔压力、热腔压力和容积计算27 3.4.3系统功率和效率32 3.5本章小结32 第4章永磁直线发电机空载磁场32 及电动势计算32 4.1.1数学模型建立33 4.1.2有限元计算34 4.1.3空载磁场分布37 4.2空载电动势计算39 4.3带负载时磁场分析44 结论45 致谢46 参考文献7 系统之所以选用单缸自由活塞式Stirli
ng发动机是因为它有以下特点: 1)机械效率高 自由活塞式Stirli
ng发动机相比较其他机械没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为润滑剂，因而有非常高的机械效率。一台榆出功率为1 kw的自由活塞式热气机，机械效率可达99特别是部分负荷时，自由活塞式Stirli
ng发动机的有效热效率也相对较高【30】。 2)热效率高 曲柄连杆式热气机通常采用改变工质的平均压力来调节输出功，但自由活塞式Stirli
ng发动机的平均循环压力是不变的，输出功的变化主要是靠改变行程来达到。因此，在部分负荷时，仍可保持其总的热效率基本不变。 3)能使用多种能源 使用多种能源的能力与高效率同等重要。连续外燃加热允许使用最广泛的燃料和能源，包括所有气体、液体和固体燃料。 4)自起动 设计正确的自由活塞式热气机，只要在冷热端之间建立起足够的温差便能自行起动，这是其它动力装置不可比拟的。因此其结构相对简单，使用更为可靠，对维修保养的要求也不高，可用于无人管理的场所。启动加热只需数秒钟，热气机便能自行起动。随后便可全功率运行。 5)不需要液体润滑 和内燃机相比较，由于自由活塞式Stirli
ng发动机的机械损失非常小，其不需要液体润滑剂来润滑和冷却有关部件。所以，发动机结构和维修保养很简单。 6)密封可靠 自由活塞式Stirli
ng发动机相比曲柄连杆式斯特林发动机没有复杂的传动机构，相比与内燃机密封压力小，所以密封问题十分简单，通常只要将壳体密封即可满足要求。 7)振动孝噪音低 自由活塞式Stirli
ng发动机的工作腔内没有爆燃并与大气隔绝，所以压力上升的速率没有内燃机高，特别是没有传动机构，因此，运转十分安静，不必使用隔音或消音装置【31】。 8)有自动调节功能 自由活塞式Stirli
ng发动机有根据外界负荷的变化自动调节输出功的能力。如果外界的负荷不大，活塞的行程会变得比较长，行程往返期间作用力的差也比较校若负荷增大，活塞的行程便自动缩短，作用力随之增大。输出功基本不变。 2.3永磁直线发电机及其工作原理 直线发电机可以认为是传统旋转发电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，转子的旋转运动变为了动子的往复直线运动。直线发电机较旋转式发电机磁路结构容易改变，因此，其结构型式比普通感应电机和同步电机有更多的式样。直线发电机按其结构型式的不同，可以分为扁平型、圆筒型和圆盘型等。而扁平型直线发电机是最有代表性，且应用最为广泛。本发电系统采用的就是双边扁平型永磁直线发电机，如下介绍其结构、工作原理和特点。 2.3.1永磁直线发动机结构 发电系统中永磁直线发电机的基本结构如图2-10所示，发电机为双边扁平型结构，由动子和定子组成。定子铁心中开有两个槽，槽中放有定子绕组，上下两定子中绕组线圈采用串联方式以提高输出电压。定子采用模块式设计，可根据实际需求，串联更多的定子模块和延长动子长度以增加输出功率。动子结构如图2-9所示，动子由磁极和动子框架组成，选用永磁铁为动子磁极，固定在不导磁的铝框内，铝框中间开槽以防止运行时在铝框上形成大的环流损耗，相邻的永磁体磁极相反放置，有利于永磁体通过定子铁心形成磁回路。 3.4.3系统功率和效率 热腔p-v图面积表示热腔膨胀所做的功，为正功。冷腔p-v图面积表示冷腔压缩功，为负功。二者相减即为循环功。 对循环总p-v图进行面积积分，求出循环功NCT=99J。 系统功率PW=fNCT=2.9KW。 每循环热腔工质吸收的热量QEC=206J。 循环效率C=NCT/QEC=48势计算 永磁直线发电机空载运行时，发电机的定子绕组开路，电机处于空载状态，由自由活塞式Stirli
ng发动机驱动而作往复直线运动，永磁体产生的磁场和电机的定子绕组之间有相对运动，在电机的电枢绕组中产生感应电势，但不形成电流，没有电枢反应对主磁场的影响，从而发电机的磁场完全由永磁体建立。永磁体产生的空载主磁场强度究竟有多大，永磁体形成的磁场空间分布规律如何，对发电机产生的电势影响极为重要。所以，获得正确的磁场分布是准确计算永磁发电机参数和性能的重要前提。 4.1.1数学模型建立 为了建立合适的电磁场分析模型，根据永磁直线发电机的特点和实际计算需要，将其作如下假设: 1)在动子中不存在构成回路的导体，因而忽略了动子上的涡流损耗; 2)沿铁心叠片方向的磁场强度都相同; 3)忽略初级绕组中的电阻; 4)定子铁心内表面光滑，动子运动时无摩擦阻力。 (1)赋予材料属性样机所包含的材料有: 1)气隙及样机外围为空气，相对磁导率,Ur=1。 2)定子铁心冲片选用DW315号硅钢片，材料属性用B-- H曲线表示，如图4-2所示。 3)定子绕组为铜，相对磁导率Ur =1，电导率=5.8e7s/m。 4)永磁体为永磁材料，其相对磁导率Ur =1.O5，剩磁密度Br为1.25T，内禀矫顽力H为947kA/m和极化强度994 kA/m。 5)槽楔为非导磁性槽楔，材料Ur=1。 定义完材料属性之后分别将各种材料赋给模型中的不同部分，使模型中各个部分具有了实际的意义。 (2)网格剖分 电机的各种场量值在不同媒质中的变化程度不同，因此在剖分的过程中对电机中场量变化较大的部分，网格面积相对其他部分要取的小一些，以提高计算精度，如对气隙部分及槽附近进行了网格细剖。图4-3是对电机模型进行网格划分后的单元剖分图，永磁体周边的区域进行了细剖。 本文设计了单缸自由活塞式Stirli
ng发动机直接带动永磁直线发电机的发电系统，仿真分析了自由活塞式Stirli
ng发动机和永磁直线发电机工作过程，得出了以下结论: 1.根据热力学性能和机械性能，综合考虑活塞穿梭传热、压缩比、无益容积比和扫气容积比等参数对性能的影响，确定了自由活塞式斯特林发动机热腔容积为1308.6cm3和冷腔容积为1962.9 cm3等主要尺寸。 2.根据自由活塞式斯特林发动机循环过程，编制计算机程序。得到了发动机循环p-v图，并在此基础上得到发动机功率和效率分别为2.9kW和48满足发电系统的设计要求。 3.在建立发电机二维模型的基础上，对永磁直线发电机的空载磁尝空载电动势和负载磁场进行了计算，并通过傅里叶分解得出了组成空载电动势的一次、三次和五次谐波及其幅值分别为:118V, 58V和23V。同时计算了负载时磁场，及电枢磁场对永磁体磁场的反作用。 4.采用静磁场分析方法对发电机定子绕组通以一定电流时的电感进行了求解，应用场路藕合法对永磁直线发电机负载运行时的功率进行了计算，并使用虚功原理求解了直线发电机动子所受阻力。计算了发电机最大功率输出时负载;对永磁直线发电机动子对自由活塞式Stirli
ng发动机的反作用力进行了求卜解，并对其进行了傅里叶分析，得到了对发动机动力活塞正弦运动的主要干扰为三次、五次、七次和九次谐波。