熱聲發(fā)電系統(tǒng)之永磁直線發(fā)電機設(shè)計
夏加寬，李兵
（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽110178）
摘要：根據(jù)熱聲發(fā)電系統(tǒng)的特點，文章選取圓筒式永磁直線發(fā)電機作為系統(tǒng)的振子性負(fù)載，將傳統(tǒng)單一的軸向或徑向磁路結(jié)構(gòu)改變?yōu)檩S向徑向混合磁路結(jié)構(gòu)，并利用有限元計算仿真軟件ansoftmaxwell 3d，對直線發(fā)電機的內(nèi)部磁場、永磁體所受定位力進行分析計算。計算結(jié)果表明，傳統(tǒng)結(jié)
構(gòu)直線發(fā)電機與新型結(jié)構(gòu)直線發(fā)電機相比定位力減少了百分之25。
關(guān)鍵詞：圓筒式永磁直線發(fā)電機；熱聲；有限元；混合磁路
中圖分類號：tm313；tm359. 4 文獻標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848（2010）03-0008-02
0引言
熱聲發(fā)電是一種全新的熱發(fā)電技術(shù)，具有可靠性高、制作成本低、熱效率高以及環(huán)保等優(yōu)點。將別是熱聲發(fā)電技術(shù)可利用太陽能、工業(yè)余熱以及任何燃料燃燒產(chǎn)生的熱能來工作，因而熱聲發(fā)電機正在成為能源動力研究領(lǐng)域里的一項前沿技術(shù)”1。熱聲發(fā)電系統(tǒng)是通過熱聲發(fā)動機驅(qū)動直線發(fā)電機從而實現(xiàn)熱能向聲能再向電能轉(zhuǎn)換的技術(shù)。它包括兩部分：一是熱聲發(fā)動機；二是直線發(fā)電機。熱聲發(fā)動機利用熱聲效應(yīng)來驅(qū)動直線發(fā)電機的動子，從而將熱聲能轉(zhuǎn)換為電能。
目前，文獻[2-5]在熱聲發(fā)動機特別是行波型熱聲發(fā)動機方面，不論在壓力波動幅值上還是在聲功輸出量和效率方面都已經(jīng)取得了很大的突破。但是他們的研究都是側(cè)重于發(fā)動機方面，對于整個系統(tǒng)的匹配問題、直線發(fā)電機的定位力對于控制精度影響問題等研究相對較少。
本課題針對對熱聲發(fā)電系統(tǒng)中的永磁直線發(fā)電機的定位力進行研究，采用軸向徑向混合磁場的方案來減小發(fā)電機的定位力，降低損耗，提高直線發(fā)電機的效率。
1熱聲系統(tǒng)、圓筒式永磁直線發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點及工作原理
隨著熱聲發(fā)電系統(tǒng)功率等級的不同，需要有不同的直線發(fā)電機與之匹配，本課題提出級聯(lián)式結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案。所謂級聯(lián)就是將直線發(fā)電機每個小單元（以下稱單元直線發(fā)電機或單元電機）連結(jié)起來，知每個單元直線發(fā)電機的發(fā)電功率為0 5 kw，如果將10個這樣的單元電機相連就是5 kw，這個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電范圍可以從很小到很大，如圖1所示。
熱聲發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機我們選擇圓筒式永磁直線發(fā)電機，采用永磁直線發(fā)電機是因為永磁體提供磁場，不需要直流供電的磁場線圈，使電機結(jié)構(gòu)更為簡單，無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電機的效率，減小了整個系統(tǒng)得重量。而熱聲發(fā)電系統(tǒng)之永磁直線發(fā)電機設(shè)計夏加寬，等在直線發(fā)電機的諸多結(jié)構(gòu)中選擇圓筒式結(jié)構(gòu)是因為其具有對稱性，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，且不存在繞阻端部，提高了繞組的利用率，因此不存在橫向
邊端效應(yīng)支撐。
相似于旋轉(zhuǎn)電機，永磁直線發(fā)電機的永磁體鑲嵌于不導(dǎo)磁的不銹鋼動子上，定子是由硅鋼片疊壓而成的。徑向充磁，方向相反的永磁體在水平方向按簡諧運動規(guī)律運動，靜止時相對于鐵心在對稱位置平衡，此時線圈中的磁通為零；運動到****振幅時，其中一塊磁體與鐵心截面重合，此時在鐵心中產(chǎn)生****磁通。當(dāng)磁體又朝相反方向運動至另一個****位移時，產(chǎn)生相反方向的****磁通近似假設(shè)在整個運動周期中由兩塊磁體所產(chǎn)生的合成磁通進入到鐵心和線圈中的磁通符合正弦規(guī)律。如圖2所示：則有線圈中的磁通變化：
線圈中感應(yīng)的電勢為：
其n為線圈的匝數(shù)。
2 電機電磁場分析計算
由于傳統(tǒng)直線電機結(jié)構(gòu)的特殊性，國內(nèi)外對直線電機本體電磁場的仿真分析多限于2d。這樣雖然簡化了分析的復(fù)雜程度，但過多假設(shè)條件的加入， |
