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与目前的动圈线性发电机相比,新型动磁铁线性发电机的优势更大!

2020-11-21 07:10:56

自由活塞发动机作为一种新型的先进发电系统,可应用于电动汽车、通信基站等许多领域。本文针对自由活塞发动机设计了一种新型管状动磁直线发电机系统。研究人员采用带运动求解器的暂态计算方法,建立了所设计的线性发电机的三维有限元模型。详细分析了所设计的线性发电机的电磁力、电动势和发电效率。在实验室条件下制造了样机并进行了测试,然后利用已验证的有限元模型对样机的主要性能进行了评价。电磁分析表明,在额定工作频率为50hz的情况下,动磁直线发电机的发电效率可达91.4%。与现有动圈式直线发电机样机相比,新设计的动磁式直线发电机样机的功率体积密度和功率质量密度分别提高了150%和35%。相关论文以题为“Electromagnetic Characteristics Analysis of a Tubular Moving Magnet Linear Generator System”发表在《Applied Sciences》上。自由活塞发动机(FPE)是传统内燃机技术与现代永磁直线发电机技术相结合的一种新型发电系统。它被认为具有结构简单、效率高、可再生燃料适应性好等优点。它可用于多个领域,如电动汽车、分布式发电和通信基站。图1显示了一个对置活塞FPE系统的典型组成。该系统包括一个中央缸,两个回踢空气弹簧,和两个永磁直线发电机。与传统的曲轴内燃机相比,FPE的活塞不受机械约束,与直线发电机的驱动装置相连。结构简单,使系统更加紧凑、轻便、高效、可靠。图1.自由活塞发动机系统的典型组成。桑迪亚国家实验室设计了一种对置活塞FPE原型。样机测试表明,通过控制产生电流,可以实现对置活塞的同步运动。根据他们的测试结果,该原型机的效率可以与燃料电池媲美。当使用相对较高的压缩比时,该原型可获得50%的燃料到电力的转换效率。线性发电机结构设计,用于FPEs的线性发电机必须具有结构稳定、成本低、可控性好和发电效率高等特点。本文提出了一种管状单相动磁直线发电机(MMLG),以满足FPEs的要求。简化的三维结构提出的线性发生器如图2所示。如图所示,线性发电机可分为三个主要部分:定子、电动机和壳体。图2.设计的线性发电机的结构。线性发电机的驱动装置由两个永磁环、四个磁心环和一个间隔环组成。PM环是轴向磁化与相反的方向。芯环由硅钢片层压,以减少芯损失。非磁间隔环是用来分隔铁心环的。结构设计稳定可靠,保证安全,使线性发电机可以在高达50hz的高速往复运动中工作。线性发电机控制器设计,在FPEs高速往复运动的驱动下,所设计的线性发电机的电动势为准正弦信号。电动势的频率将等于往复运动的频率。这是因为往复运动的行程比线性发电机的极距短,并且在一个行程期间电动势的方向将是恒定的。在一个冲程中不需要电流换相。这一特性使得单相线性发电机的电流控制比报道的设计容易。图3显示了为控制线性发电机所设计的功率变换器。研究人员设计了一种脉宽调制(PWM) h桥功率变换器来控制线性发电机的产生过程。为目标产生电流选择一个标准正弦器。产生电流的幅度根据所需的功率输出进行调整。采用离散比例积分微分(PID)算法进行电流反馈控制。图3.电源转换器为线性发电机设计。所设计的线性发电机的等效电路如图3所示。线性发电机可以等效为一系列线圈电阻,线圈电感,和电动势电压源。电动势可以进一步等于电动势系数与线性发电机的动电机运动速度的乘积。有限元模型,为分析和评价线性发电机的特性和性能,研究人员建立了三维有限元模型,采用了带运动求解器的瞬态计算方法。与简化的二维有限元模型相比,三维有限元模型的精度更高;该模型考虑了线圈的端部效应和定子铁心的漏磁,并考虑了永磁环、壳和轴的涡流损耗。采用商用电磁场分析软件对模型进行有限元分析(FEA)。如图4所示,为减少计算时间,有限元模型为设计的线性发生器的1/12。将有限元模型的两个切面设为通量切向边界。模型采用三角形有限元进行网格划分。为了显示内部结构,将线圈中的磁场和计算区域的气盒隐藏起来。运动器沿x轴运动,如图所示。动点在行程的开始,它被定义为初始点。磁场主要分布在铁磁性材料中。壳体和轴的漏磁相对较小,但也引起了一定的涡流损失。图4.线性发电机的有限元模型:(a)网格,(b)通量。结论,本文提出了一种适用于自由活塞发动机的新型管状动磁直线发电机。在三维有限元模型的基础上,在MATLAB软件中建立了系统的组合仿真模型。制造样机并在35hz的频率和25a的产生电流下进行测试,以验证模型。对其电磁特性和性能进行了详细的仿真和分析。所设计的动磁直线发电机在额定工作频率为50hz、额定行程为36mm、额定电流幅值为15a时,输出功率1.4 kW,效率91.4%。线性发电机的损耗主要来自铜损耗。与动线圈相比,在动磁铁中的损耗大大降低,结构更加稳定,避免了长期运行过热。与已有报道的效率相近的动圈式直线发电机相比,本文设计的新型单相动磁式直线发电机结构更加稳定,功率密度更高。与报道的三相动磁直线发电机相比,它具有更好的可控性,使自由活塞发动机在高达50hz的高速往复运动中工作。这对于自由活塞发动机的应用是一种比较合适的选择。论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3713/htm,
转载:贤集网-电工小二

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