用于斯特林热机的动圈式直线电机设计与分析

摘 要： 为了研制用于自由活塞斯特林发电机的直线电机，完成动圈式直线电机结构设计，模拟并
测试电机磁场强度，对发电机的输出特性进行实验研究。采用有限元软件 ANSYS 计算电机的磁场
密度，并与测试结果进行比较，气隙宽度为 6 mm 时，磁通密度为 626 mT，计算结果与测试值一致；
搭建动圈式发电机的输出特性测试系统，进行实验研究。实验结果表明，磁场中线圈长度和电机频
永磁体
气隙
磁轭
远场自 由空间
Y X
0.859E-07
0.482445
0.964889
0.241222
0.723667
1.206
2D%power%generator%static%Analysis
动圈式自由活塞斯特林发电机工作过程中，由 外部热源释放的热量经加热器传输给热腔内的工 质，工质受热膨胀做功，压缩过程产生的热量由冷却 器传递给外界，系统的循环功由直线电机输出。
活塞杆
配气活塞弹簧 压缩活塞弹簧
电机磁路 线圈 冷却器 冷腔 回热器 热控 加热器 隔热层
图 1 动圈式自由活塞斯特林发电机结构 Fig． 1 Configuration of moving coil linear
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电机与控制学报
第 15 卷
0引言
斯特林发动机是一种外部加热闭式循环的能 量 转 化 装 置 ，具 有 同 卡 诺 循 环 相 同 的 热 效 率 ，可 以 采 用 多 种 外 部 热 源 ，如 液 态 燃 料 、煤 、生 物 质 能 、太 阳 能 、同 位 素 热 源 以 及 多 种 余 热 能 ，通 过 工 质 的 热 力循环将热能转化为活塞运动的机械能。自由活 塞斯特林发电机将斯特林发动机与直线电机有机 结 合 ，使 发 电 系 统 结 构 紧 凑 ，效 率 提 高 。 自 由 活 塞 斯特林 交 流 发 电 机 组 多 用 于 空 间 站 和 宇 航 发 电 机 ，输 出 功 率 一 般 在 几 十 瓦 至 千 瓦 之 间 ，用 同 位 素 作 热 源 ，能 够 自 行 工 作 几 年 至 十 几 年 ，无 需 作 任 何 维护，性能不退化。
r = ρl / S，
（ 1）
槡 ( ) L = 1 ω
U2 I2
－
p2 I2 。
（ 2）
式中： ρ 为材料电阻率； l 为线圈长度； S 为截面积； U
为电压； I 为电流有效值； P 为功率； ω 为电源的角
频率。
永磁系统充磁方向有轴向充磁和径向充磁两
种。本文设计的电机结构为圆筒形，径向充磁可以
文献标志码： A
文章编号： 1007－ 449X（ 2011） 12－ 0021－ 05
Design and performance testing of moving coil linear motor for Stirling generator
JIA Hong-shu1，2 ， HONG Guo-tong1 ， CHEN Hou-lei1
motor for Stirling generator
2 动圈式直线电机设计
动圈式电机的电磁系统包含永磁体、轭铁与线 圈。其中，永磁体的材料采用铷铁硼，优点是磁性能 高，矫顽力为 8. 95 × 105 A / m，是目前磁能积最高的 磁性材料，轭铁采用工业纯铁，线圈一般采用铜线绕 制，在直线发电机中线圈特性为电阻特性 r 和自感 特性 L，即
率不变时，有效输出电压随线圈位移线性增大，斜率与线圈阻抗和外接负载有关； 系统的固有频率
计算值为 16. 5 Hz，当工作频率远离系统固有频率时，电机输出电流随工作频率的增大而变小，系统
效率最高为 20% 。
关键词： 动圈式直线电机； 自由活塞斯特林发电机； 磁通密度； 输出特性； 频率
中图分类号： TM 34
为了研制用于自由活塞斯特林发电机的线性电 机，本文采用动圈式结构，完成了电机结构设计，对 直线电机的磁场进行有限元模拟与磁场测试，并对 动圈式电机的输出特性进行了测试。
1 动圈式自由活塞斯特林发电机结构 及工作原理
图 1 为动圈式自由活塞斯特林发电机结构，包 括发动机和电机两部分。发动机由外部热源供热， 换热器包括加热器、回热器和冷却器，保证发动机正 常工作的高低温运行环境； 运动部件包括配气活塞 和压缩活塞，由弹簧固定支撑，实现工质的配送和能 量的传输； 工质分布在热腔、冷腔和电机腔体的空 间中。
第 15 卷 第 12 期 2011 年 12 月
电机与控制学报 ELECTRIC MACHINES AND CONTROL
Vol. 15 No. 12 Dec． 2011
用于斯特林热机的动圈式直线电机设计与分析
贾红书1，2 ， 洪国同1 ， 陈厚磊1
（ 1． 中国科学院 理化技术研究所，北京 100190； 2． 中国科学院研究生院，北京 100049）
第 12 期
贾红书等： 用于斯特林热机的动圈式直线电机设计与分析
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保证气隙内部磁场均匀稳定，因此本文永磁体采用 径向充磁方式。
本文设计的轭铁和永磁体组件结构如图 2 所 示，轭铁按照与永磁体的位置关系分为外磁轭、底磁 轭和内磁轭。
内磁轭 气隙 磁铁
外磁轭 磁钢垫片
底磁轭
图 2 轭铁和永磁体组件 Fig． 2 Iron back and permanent magnet
收稿日期： 2011 － 09 － 07 基金项目： 国家自然科学基金（ 5106112） 作者简介： 贾红书（ 1982—） ，女，博士研究wk.baidu.com，研究方向为斯特林发电机、流体机械；
洪国同（ 1963—） ，男，硕士，研究员，博士生导师，研究方向为低温制冷机、斯特林发电机； 陈厚磊（ 1981—） ，男，博士，副研究员，研究方向为脉冲管优化设计、交变流动。
图 3 为计算得到的磁场强度分布。计算得到的 各部分平均磁密，如表 1 所示。计算结果表明，永磁 体与磁轭间线圈部分磁场分布均匀，磁轭远离饱和 状态。
1
NODAL%SOLUTION
STEP=2
SUB=1
TIME=2
BSUM
（AVG）
RSYS=0
SMN=0.859E-07
SMX=2.171
ANSYS
MAY%%%%3%%%2011 14：59：52
3 电机磁场分布
直线电机性能与磁场强度 B 密切相关，需要对 电机中磁场强度进行理论计算与实验测试。 3. 1 磁场强度计算
电机磁路系统按照稳态的情况处理，边界条件 为第一类边界条件，模型取二维轴对称模型，包括线 圈、磁轭、永磁体及远场自由空间。线圈部分宽度为 6 mm，永磁体厚度为 8 mm，内磁轭和外磁轭厚度均 为 12 mm，底 磁 轭 高 度 为 15 mm。相 对 磁 导 率 为 10 000，线圈在气隙中直线运动，气隙及远场自由空 间相对磁导率均为 1。
Abstract： In order to develop linear motor for free piston Stirling generator，moving coil linear motor structure was designed． Magnetic field of the motor was obtained by finite element simulation and testing， and the output characteristic were studied． The calculated results of magnetic field using the finite element software ANSYS meet the experimental results，and the results show that magnetic flux density achieved 626 mT at the air-gap is 6 mm． Experimental system for testing output characteristics of the moving coil motor was established． Output characteristics testing of moving coil linear motor was conducted． The results show that effective output voltage increases linearly with displacement at constant magnetic field strength，coil length and moving frequency． The slope is the function of coil impedance and external load． Moreover，the output voltage increases at load resistance under conditions of same input voltage at a constant coil displacement． The calculatied natrual frequency is 16. 5 Hz． The output current of the motor decreases with the increasing of work frequency away from the system natural frequency，and the efficiency of the system is 20% ． Key words： moving coil linear motors； free piston Stirling generator； magnetic flux density； output characteristics； frequency
（ 1． Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China； 2． Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
20 世纪 70 年代以来，国内外对自由活塞式斯 特林发动机永磁直线发电机系统进行了研究。Sunpower 公司研究了采用 JP8 燃料的士兵佩带型 35 W 的电源系统［1］。Infinia 公司开发的斯特林发电机功 率从 10 W 到 3 kW 不等，热电转换效率介于 25% 到 40% 之间［2］。美国国家航空航天局 （ national aeronautics and space administration，NASA） 、能源部等研 发了用于空间科学任务的高效斯特林同位素发电机 （ Stirling radioisotope generator，SRG） ［3 － 6］，SRG 的用 途包括为无人火星漫游者和深空任务提供电源。加 拿大原子能协会进行自由活塞斯特林线性交流发电 机相关 研 究 工 作，研 究 了 M10、M100 SPIKE 以 及 10 kW发动机交流发电机［7］。国内哈尔滨工业大学 从控制角度出发，建立了永磁同步直线电机和自由 活塞式斯特林发动机的数学模型，分析了影响斯特 林发动机 输 出 功 率 的 决 定 因 素［8］。 电 子 集 团 第 二 十一研究所提出了用于斯特林制冷机驱动的动磁式 直线电机 设 计 方 法［9］。 浙 江 大 学 提 出 了 一 种 动 磁 式横向磁通线振荡电机，适合应用于冰箱压缩机等 领域［10］。与动磁式直线电机相比，动圈型直线电动 机易于设计，能较好地控制活塞行程，并且动圈上 不存在径向力和转矩［11 － 12］，适 用 于 低 功 率 应 用 条 件。太原理工大学在驱动伺服比例阀的时候就采用 了动圈式直线电 机［13］。 黄 程 伟 等 提 出 了 车 载 尾 气 余热回收系统中采用自由活塞式斯特林发动机和直 线电机组合作为发电装置的概念设计模型，确定了 自由活塞式斯特林发动机的几何结构尺寸，并理论 分析计算了其运行性能［14］。