一种圆筒型斯特林直线发电机仿真分析及验证

权艳娜，郗珂庆

(西安航天动力测控技术研究所，西安 710025)

0 引 言

永磁直线发电机现在正处于高速研发阶段，国外主要研究动磁式、动铁式和动磁铁式[1]。动磁式更宜用于自由活塞斯特林发电机中，动磁式直线电机能够使电机结构更加紧凑，进而能使电机体积更小、动力更大、效率更高，并且无动圈式驱动方式存在飞线问题，可靠性和加工性都得到提高[2]。

本文主要介绍了一款小功率圆筒型斯特林直线发电机，在有限体积内实现较高的功率。

1 电机结构和动力学模型

1.1 电机结构

圆筒型斯特林直线发电机的结构如图1所示，主要由定子、动子以及板簧、壳体，动子通过板簧与机壳连接，定子和机壳固定在一起，定子、动子和板簧安装在电机机壳内。

图1 圆筒型斯特林直线发电机结构图

永磁体径向充磁，四组永磁体从左至右充磁方向分别为N极、S极、S极、N极，固定在磁轭表面，共同组成动子结构。当活塞带动动子作周期性往复运动时，在绕组中产生感应电压，感应电压随动子往复运动呈现周期性变化[3]。

1.2 动力学模型

电机运动时，动子受到电磁力、弹簧力、摩擦力等，当动子的运动频率和系统的共振频率相同时，系统发生共振，共振时可获得最大工作效率[4]。

(1)

式中：m为动子质量；c为阻尼系数；k为弹簧的弹性系数；Fe为电磁力；Ff为摩擦力；Fg为气体力；x为动子位移，即：

x=sin(2πf·t)

(2)

式中:f为动子运行频率。

动子运行频率与动子质量和板簧刚度均有关，见式(3)。

(3)

当动子作近似正弦的往复运动时，绕组感应电压也是正弦变化的量。

Egen=Uout+IdcRdc

(4)

由于电感的作用，有：

(5)

2 电机方案

圆筒型斯特林直线发电机为旋转体，针对其特点，电机的主要结构尺寸如图2所示，参数如表1所示。

表1 电机主要参数表

图2 电机主要结构尺寸

3 仿真模型

3.1 有限元建模

在磁场仿真软件Maxwell2D下建立该发电机模型，设置电机运动边界，根据动子运动频率为50Hz、运动幅值为±5mm，设置运动速度，设置外电路为输出端开路，得到电机极限位置的磁力线和磁感应强度分布如图3、图4所示。

图3 电机极限位置磁力线分布

图4 电机极限位置磁感应强度分布

3.2 输出特性曲线

分别设置外电路输出端为开路和负载5Ω，得到空载和带载输出电压、动子位移，如图5、图6所示。

图5 电机空载输出特性曲线

图6 电机带载输出特性曲线

此外，动子运动频率为50Hz，运动幅值为±4mm时的空载和带载5Ω时的输出电压、动子位移分别如图7、图8所示。

图7 电机空载输出特性曲线(50Hz,±4mm)

图8 电机带载输出特性曲线(50Hz,±4mm)

动子运动频率为40Hz，运动幅值为±4mm时的空载输出特性如图9所示。

图9 电机空载输出特性曲线(40Hz，±4mm)

4 实测数据

将两台直线发电机对拖进行测试，样机已交付，未拍摄测试系统照片，测试原理如图10所示。

图10 测试原理示意图

两台发电机外壳固定于支架上，动子间有联轴器，末端有位移传感器同轴安装，一台发电机作为直线电动机与电源连接，另一台作为发电机与负载连接。电源输出一定频率的交流电时，直线电动机动子以相应频率运动，带动直线发电机动子运动，在定子绕组上感应出电压。电机刚度为板簧的刚度和磁场刚度的叠加，实测直线电动机刚度k12=29N/mm，直线发电机刚度k34=23.7N/mm，两者为并联状态，总刚度叠加k=55.7N/mm。根据式(3)，f=54.7Hz。考虑部分板簧质量，实际共振频率应小于并接近55Hz。

实测动子在50Hz下运动，幅值由±3mm逐渐增加至±5mm过程中，空载输出电压和负载5Ω时输出电压情况如图11所示。由图11可以看出，动子运动幅值增加时，空载和带负载输出电压均为逐渐增大，且空载输出电压增加速度略大。

图11 输出电压随动子运动幅值变化曲线

实测动子运动幅值为±4mm，频率不同时，空载输出电压的变化如图12所示。由图12可以看出，动子运动频率增加时，空载输出电压逐渐增大，且在45～50Hz变化更明显。

图12 输出电压随动子运动频率变化曲线

5 实测与仿真对比

实测动子在±5mm，50Hz下运动时，空载输出电压和5Ω负载时输出电压、功率，与仿真值进行对比，如表1所示。

表2 输出特性对比

由表1可以看出，空载输出电压仿真值与测试值差异为0.2%，带负载输出电压差异为3.5%，带负载输出功率差异为11.4%。

6 结 语

该直线发电机采用动磁式方案进行设计，具有体积小、结构紧凑、效率高的特点，根据实测数据与仿真数据对比，仿真结果合理有效，具有较强的指导意义。