基于绕组函数的长定子直线同步电机建模研究

自由活塞斯特林直线发电机结构设计摘要：斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。

其对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。

本文根据自由活塞斯特林发电机的动子运动近似正弦的特点，分别对单相、三相电机在均匀速度和正弦速度下的运动情况进行分析，从提高电机效率和降低电能后处理难度的角度出发，提出了一种单相双定子结构的横向磁通永磁直线电机，并对电机的磁场分布、感应电势、定位力等性能进行了研究和分析。

根据电机的设计要求，对电机的结构和性能参数进行了优化，最后确定了电机的尺寸和参数。

关键词：波浪发电；直线电机；伺服电机；测试平台山东省大学生创新创业训练计划项目：用于深空探测的自由活塞斯特林发电机设计（项目编号：S202210449097）0引言斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。

斯特林发动机对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。

自由活塞发电机系统采用自由活塞发动机和直线发电机直接结合，改变了传统的先将直线运动转换为旋转运动、再带动旋转发电机的发电方式，省去了曲轴连杆等传动环节，使系统发电效率得到较大提高。

斯特林发动机在工作循环过程中，其工质是封闭在一个独立的区域内，与外部气体没有交换，这使得斯特林发动机可以工作在真空环境中。

这为航天领域深空探测的能源供给问题提供了一种解决方案。

1自由活塞斯特林发电系统运动特性分析自由活塞斯特林发电机系统包括自由活塞斯特林发动机和直线发电机两部分[1]。

自由活塞斯特林发动机主要由加热器、冷却器、回热器、配气活塞和动力活塞等部件组成。

发动机内部的气体通过回热器在热端和冷端之间循环。

在图1中，靠近冷却器一侧的空腔称为压缩腔，靠近加热器一侧的空腔称为膨胀腔。

冷腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔连接在一起，构成了完整的工作气体循环回路。

直线发电机部分主要由发电机定子和发电机动子两大部分组成。

饱和效应下的三相感应电动机精确建模在考虑饱和效应的基础上建立了一种三相感应电动机模型。

该模型基于一个气隙通量与磁性调和函数的旋转参照系，通过实验描述非线性行为。

该模型也考虑到了磁场空间三次谐波磁通分布，其中电机自主磁通的饱和度模型经实验验证收到了良好的效果。

标签：三相感应电动机精确模型；气隙磁通；调和函数；三次谐波0 引言磁饱和影响气隙磁通主磁通路径主要有两个方面。

其一，最大空间磁通分布已不再涉及到線性磁化电流，此即为饱和的空间磁场的基本组成部分。

其二为磁饱和度失真，在空间磁通分布上，已经偏离了正弦波形。

而失真主要是由于出现三次谐波成分在空间通量密度分布。

因此本文提出了一种以dq轴为基本框架的三相感应电动机模型。

实验和模拟结果以三角形连接的三相感应电动机为例，验证了本文所提出的模型。

1 试验分析1.1 在气隙通量空间的饱和部分首先考虑饱和磁通的空间基础组成部分：气隙磁通分布。

同时需要将空间三次谐波气隙磁通分布列入考量范畴。

所提出的模型采用了固连于气隙磁通的旋转参考系，以d轴作为该旋转坐标系与磁通量的相对角速度。

图1为三相感应电动机基本模型。

其基本方程为：式中，为定子电压，为定子电阻等效压降，为定子电感，为旋转磁动势的速度，为等效励磁电压，为转定子电阻等效压降，为转子旋转速度，为定转子等效耦合电压。

为定子电流d轴分量，为转子电流d轴分量，为等效励磁电阻，为等效励磁电流，为微分算子。

1.2 考虑空间三次谐波磁通分布的影响当电机进入更深的磁饱和度，空间分布气隙通量没有较长的正弦，没有平坦的流量分配，而是由外部的第三空间谐波分量在这热流分布。

空间三次谐波磁通连接每个定子绕组是相同的，这是由于定子磁链的功能。

该空间三次谐波磁通连接每个转子绕组的空间方程：方程表明，该空间第三谐波磁通是一个零序分量。

在这一点上，有必要考虑到定子绕组连接以及计算的影响。

因此，对一个三角形连接定子绕组，空间三次谐波气隙磁通会诱使电流在转子以及在定子上循环。

直线感应电机的结构如图8-1(a)所示，如果将笼型转子感应电动机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线，就得到图8一l(b)所示的扁平型直线感应电动机．其中定子与初级对应，转子与次级对应图8-1(b)所示的直线电机，其初级和次级的长度是相等的。

由于初级和次级之间要做相对运动，因此为保证初级与次级之间的磁耦台保持不变，实际应用中初级和次级的长度是不相等的。

图8—2所示为扁平型单边直线感应电动机，如果初级的长度较短，则称为短初级；反之，则称为短次级。

由于短初级结构比较简单，成本较低，所以使用较多，只有在特殊情况下才使用短次级。

图8—2所示的直线电机仅在次级的一边具有初级，这种结构称为单边型。

单边型除了产生切向力外，还会在初、次级之间产生较大的法向力，这对电机的运行是不利的。

所以．为了充分利用次级和消除法向力．可以在次级的两侧都装上初级，这种结构称为双边型，如图8—3所示。

如果把扁平型直线电机的初级和次级按图8-4(a)所示的箭头方向卷曲，就形成了图8—4(b)所示的圆筒型直线电机。

在扁平型直线电机中，初级线圈是菱形的．这与普通旋转电机是相同的。

菱形线圈端部的作用是使电流从一个极流向另一个极。

在圆筒型直线电机中，把菱形线圈卷曲起来．就不需要线圈的端部，而成为饼式线圈，这样可以大大简化制造工艺。

还有一种实心转子感应电动机。

它的定子和普通笼型转子感应电动机是一样的，转子是实心钢块。

实心转子既作为导磁体又作为导电体，气隙磁场也会在钢块中感生电流。

产生电磁转矩，驱动转子旋转。

图8 -2、图8—3和图8 4所示的直线电机实际上都是由实心转子感应电动机演变而来的，所以次级均没有笼型导条。

直线感应电机与旋转感应电机的区别直线感应电动机与旋转感应电动机在工阼原理上并无本质区别．只是所得到的机械运动方式不同而已。

但是两者在电磁性能上却存在很大的差剧，主要表现在以下三个方面：(1)旋转感应电动机定子三相绕组是对称的．因而若所施加的三相电压对称．则三相电流就是对称的。