直线发电机的方案设计_自由活塞式内燃直线发电机研究进展(二)

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直线发电机的方案设计

———自由活塞式内燃直线发电机研究进展(二)

周志宏

Ξ

(江汉石油学院机械系)

摘要　自由活塞式内燃直线发电机是近年来正在研究的发电机种类,具有结构简单、效率高

和单位质量功率大等特点。介绍了感应发电机、永磁直线发电机和同步磁阻直线发电机的结构及特点,这些种类的发电机应力都较低,不会对设计产生多大影响。对方案影响较大的是发电机的效率、功率因数和比功率。3种类型直线发电机中,永磁直线发电机综合性能最好,其中的扁平式永磁直线发电机性能最佳,是自由活塞式内燃发电机组的最佳选择。 关键词　直线发电机　感应直线发电机　永磁直线发电机　磁阻直线发电机

引 言

文献[1]介绍了自由活塞式直线发电机组的基本原理与结构以及HCCI 自由活塞式内燃机特点

和数值模拟的结果。然而,在自由活塞式发电机组中,直线发电机是另一个非常重要的部分。这个部分的设计好坏对整个机组的性能有很大的影响。

直线发电机有较长的发展历史,它与内燃机相结合则是近年来的事情。在研究与设计直线发电机时,应将整个系统综合考虑来确定某些设计参数。例如,发电机供电电路与其运动件的速度有关,而速度与加速度和力有关。作用在发电机运动部件上的力最主要是燃烧时活塞受到的膨胀力。运动部件的加速度取决于它的质量,它的质量是系统的关键参数。在常电负荷下,运动部件的加速度很大,因此在设计时需要特别予以关注,可能会引起高应力、疲劳等问题。此外,运动部件的速度也与正弦曲线相去很远,说明感生电动势的谐波比重很大,这要求对电器和滤波器的设计考虑这些因素。除了技术上的限制外,经济上也会对性能和设计产生约束,例如高效率、高功率质量比和低成本等。所有这些因素都会对直线发电机的方案选择及设计产生影响。

笔者从直线发电机运行应力、效率、功率因数

和比功率等几个对发电机组产生重大影响的方面,

介绍比较3种类型的直线发电机的结构及其优缺点,为在自由活塞式发电机组中选择方案和设计直线发电机提供参考。

发电机的方案

自由活塞式发电机组的成功不仅取决于发动机的设计,也取决于适当的发电机方案。但是不管那种方案,有一个共同点,直线型发电机是不连续的,因此或者是短的运动件或者是短的定子。短的运动件类型运动质量小,而短定子表现出高功率质量比。为了有效地利用作用材料,至少发电机的部件之一是一个冲程长度,另一个至少两个冲程长度。研究直线发电机的方案,先必须对发电机进行分类。

直线发电机有一种分类方法是基于运动件的作用材料,通常可以分为运动线圈、运动磁体和运动铁芯等3类发电机,由这3类组合的也有可能。另一种分类方法是感应发电机、永磁发电机和磁阻发电机。后一种分类方法更适合人们的习惯。以下介绍这几种发电机的结构和基本特性。

11感应发电机

感应发电机是一种稳定的、可靠的和低成本的交流发电机。直线感应发电机的技术已经非常成熟,它的缺点有:低功率质量比和低的功率因数。

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石　油　机　械

CHINA PETROL EUM MACHIN ER Y

2003年　第31卷　第11期

Ξ

周志宏简介见本刊2003年第9期。

(收稿日期:2003-07-31;修改稿收到日期:2003-09-15)

但仍有必要分析它,因为它的应用十分广泛,有不少应用于自由活塞式发电机组中的例子。作为直线感应发电机的先驱,Laithwaite 发现短定子比短运动部件在性能上更优越[2],这是因为在这些发电机中,磁场是通过激励定子线圈产生的,定子的非作用部分将严重地影响到发电机的功率因数和效率。因此,短定子是最佳可选的形式。有几种可能的直线感应发电机。发电机可以是平的,也可以是圆柱形的。对于平的发电机,双边结构更有利,可以避免侧向力。3种不同的双边扁平感应发电机如图1所示。柱状感应直线发电机的结构如图2所示,运动部件的中心可以是实心的,也可以是管状的

。

图1　

双边扁平感应直线发电机的类型

图2　柱状感应直线发电机类型

1,4—铁芯基底;2—气隙;3—线

圈;5—运动件;6—导体;7—铁芯

研究表明,所有的感应直线发电机均制造成本低,机械应力低,但不能满足低运动件质量、高功率质量比、高效率和高功率因数这些更具有意义的要求。造成运动部件质量大的主要原因是铁芯基底的厚度,已经证明,管状发电机是效率最高的。长形的、大槽比和短极距的直线感应发电机更有利。

在这些感应发电机中,最大应力都比较低,没有超过10MPa ;效率比较低,为60%;功率因数仅为30%,比功率(图1c )为0115kW/kg ,图1a

和图1b 两种在013～014kW/kg 之间。

21永磁直线发电机

由于永磁直线发电机不需要直流供电的磁场线圈,因而是同步发电机中不太复杂和效率较高的一种。与旋转的永磁发电机一样,直线发电机的永磁体也是装在运动件上,线圈在硅钢材料的定子铁芯中。定子与感应发电机结构相同,运动部件上没有导体。图3是管状的永磁发电机示意图,特点是在

运动部件上使用圆柱形的永磁材料。

图3　管状永磁直线发电机

1—磁体

;2—气隙;3—铁芯齿;4—线

圈;5—铁芯基底;6—运动件铁芯基底

管状永磁发电机的缺点是运动件质量较大,这

是由于需要运动件基底引起的。扁平式结构可以克服这个不足。扁平式永磁直线发电机的结构如图4所示,它可以看成是管状的发电机沿轴向切开后展开而成。选择双边结构避免铁基底和侧向力。这种发电机的缺点是有端部绕组,这在管状直线发电机中是没有的。

图4　扁平式永磁直线发电机

1—定子铁芯底座;2—线圈;3—齿槽;4—磁体;5—间隔件

以上两种永磁直线发电机归于纵向磁通发电

机,还有一类永磁直线发电机是横向磁通的直线发电机(TFM )

,这类发电机的主磁通所在的平面与运动部件的运动方向垂直,这几年颇受人们重视。

横向磁通的直线发电机的特点是高比力密度、高漏磁通、低功率因数和复杂的工艺过程。尽管有很多缺点,但由于它具有很好的比力密度,还是有一席之地。图5是横向磁通的三相直线永磁发电机,双边型是为了增加比力密度,避免使用运动部件的铁芯基底和消除横向力。在这样的发电机中,永磁体的漏磁通约50%,电枢的漏磁通高达70%。横向磁通的直线型发电机优于旋转型的,因为结构得到了一些简化。

图5　横向磁通三相永磁直线发电机

1,8—间隔件;2,7—磁体;3,6—绕组;4,5—定子铁芯

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36・2003年　第31卷　第11期周志宏:直线发电机的方案设计