斯特林機(jī)用三相永磁直線電機(jī)研究.pdf

1、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)/換能技術(shù)是自由活塞型斯特林熱機(jī)的核心技術(shù)?，F(xiàn)在普遍使用的單相微型交流電機(jī)在功率和性能上具有一定的局限性。而采用三相永磁直線電機(jī)替代傳統(tǒng)的單相交流永磁電機(jī)則可促進(jìn)大功率自由活塞斯特林熱機(jī)與應(yīng)用開發(fā)，使其在克服動(dòng)力型斯特林機(jī)系統(tǒng)固有缺陷的基礎(chǔ)上能夠應(yīng)用于高電壓、大功率的場合，且更便于采用先進(jìn)的電控技術(shù)來改善整個(gè)熱/電/機(jī)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行特性從而獲得更高的整體效能。但關(guān)于三相永磁直線電機(jī)用于自由活塞斯特林熱機(jī)系統(tǒng)的研究還不充分，缺

2、乏系統(tǒng)的理論和方法。本文在深入研究自由活塞斯特林熱機(jī)以及直線電機(jī)機(jī)理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了三相直線電機(jī)應(yīng)用于斯特林系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。主要的內(nèi)容及其意義如下：
　?。?）為在直線電機(jī)的初始設(shè)計(jì)時(shí)能夠快速估算某些關(guān)鍵參數(shù)，基于等效磁路模型，推導(dǎo)了五種可行磁路結(jié)構(gòu)的氣隙磁場和電磁力表達(dá)式。建立了設(shè)計(jì)量與磁場和電磁力之間的函數(shù)關(guān)系。通過對解析解的定性分析，揭示了設(shè)計(jì)量對磁場、電驅(qū)動(dòng)力和各種定位力（包括齒槽力，端部效應(yīng)力和徑向偏心力）的

3、影響，提出了降低定位力不良影響的方法。等效磁路模型及其解析解，也被用于后續(xù)的綜合尋優(yōu)設(shè)計(jì)中。
　?。?）一維模型過于簡化，未能考慮實(shí)際電機(jī)中連接非線性，幾何非線性和材料屬性的非線性等復(fù)雜因素，因此精確的電機(jī)性能研究需要借助更高維度的數(shù)值模型實(shí)現(xiàn)?；谟邢拊碚摰慕Ｅc分析揭示了磁路結(jié)構(gòu)與磁場分布和磁路飽和的關(guān)系以及電磁力和定位力等隨電流和位置參數(shù)變化的規(guī)律。其結(jié)果可用于電機(jī)的選型與設(shè)計(jì)。
　　（3）針對直線電機(jī)設(shè)計(jì)過程中變量

4、多，性能指標(biāo)多樣，且存在相互沖突的取值要求的特點(diǎn)，結(jié)合斯特林熱機(jī)的應(yīng)用背景，提出了一種高效的綜合尋優(yōu)設(shè)計(jì)方法。提出的方法以基于響應(yīng)面理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)法為算法的核心，結(jié)合參數(shù)化的有限元建模技術(shù)，將有限元的計(jì)算耦合到優(yōu)化程序中，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)得到具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的綜合設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化方法中結(jié)合了磁路模型的推導(dǎo)結(jié)果，用以提煉構(gòu)建參數(shù)化有限元模型的變量，提高有限元模型的魯棒性。綜合尋優(yōu)設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)且有偏向的綜合設(shè)

5、計(jì)，且可通過統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，對結(jié)果進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)。運(yùn)用所提出的優(yōu)化方法，對一種新型的電機(jī)作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了性能分析。
　?。?）針對自由活塞斯特林熱機(jī)系統(tǒng)屬于多物理場、多變量強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)過程受熱力過程、電機(jī)特性和控制策略共同決定的特點(diǎn)，建立了綜合的性能仿真模型。研究了矩形波電壓控制策略下系統(tǒng)的運(yùn)行特性。通過修改和補(bǔ)充用于旋轉(zhuǎn)無刷直流電機(jī)控制的的驅(qū)動(dòng)和控制的矩形波控制技術(shù)，提出一種能夠滿足斯特林熱機(jī)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制需要的

6、具體控制方法。通過仿真模型計(jì)算了系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)節(jié)過程，證明了控制策略能夠適應(yīng)自由活塞斯特林熱機(jī)的控制需要。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了方法的合理性。
　?。?）針對矩形波控制技術(shù)用于斯特林用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所存在的電磁力波形不受控而影響機(jī)電效率的特點(diǎn)，提出了一種基于直接轉(zhuǎn)矩控制策略的用于自由活塞斯特林系統(tǒng)的三相永磁直線電機(jī)控制方法。通過修改和補(bǔ)充用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)控制技術(shù)，使提出的方法滿足斯特林熱機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的需要。基于Mat