斯特林機用三相永磁直線電機研究.pdf

1、直線電機驅(qū)動/換能技術(shù)是自由活塞型斯特林熱機的核心技術(shù)。現(xiàn)在普遍使用的單相微型交流電機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替代傳統(tǒng)的單相交流永磁電機則可促進大功率自由活塞斯特林熱機與應用開發(fā)，使其在克服動力型斯特林機系統(tǒng)固有缺陷的基礎上能夠應用于高電壓、大功率的場合，且更便于采用先進的電控技術(shù)來改善整個熱/電/機耦合系統(tǒng)的運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用于自由活塞斯特林熱機系統(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以及直線電機機理的基礎上，系統(tǒng)的研究了三相直線電機應用于斯特林系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵技術(shù)。主要的內(nèi)容及其意義如下：
　?。?）為在直線電機的初始設計時能夠快速估算某些關(guān)鍵參數(shù)，基于等效磁路模型，推導了五種可行磁路結(jié)構(gòu)的氣隙磁場和電磁力表達式。建立了設計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，揭示了設計量對磁場、電驅(qū)動力和各種定位力（包括齒槽力，端部效應力和徑向偏心力）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)設計中。
　　（2）一維模型過于簡化，未能考慮實際電機中連接非線性，幾何非線性和材料屬性的非線性等復雜因素，因此精確的電機性能研究需要借助更高維度的數(shù)值模型實現(xiàn)。基于有限元理論的建模與分析揭示了磁路結(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)果可用于電機的選型與設計。
　?。?）針對直線電機設計過程中變量

4、多，性能指標多樣，且存在相互沖突的取值要求的特點，結(jié)合斯特林熱機的應用背景，提出了一種高效的綜合尋優(yōu)設計方法。提出的方法以基于響應面理論的優(yōu)化設計法為算法的核心，結(jié)合參數(shù)化的有限元建模技術(shù)，將有限元的計算耦合到優(yōu)化程序中，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點得到具有實際應用價值的綜合設計方案。優(yōu)化方法中結(jié)合了磁路模型的推導結(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)設計計算與實驗設計方法的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標且有偏向的綜合設

5、計，且可通過統(tǒng)計分析技術(shù)，對結(jié)果進行有效性評價。運用所提出的優(yōu)化方法，對一種新型的電機作了優(yōu)化設計，并進行了性能分析。
　?。?）針對自由活塞斯特林熱機系統(tǒng)屬于多物理場、多變量強耦合非線性系統(tǒng)，動態(tài)過程受熱力過程、電機特性和控制策略共同決定的特點，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)的運行特性。通過修改和補充用于旋轉(zhuǎn)無刷直流電機控制的的驅(qū)動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系統(tǒng)往復運動控制需要的

6、具體控制方法。通過仿真模型計算了系統(tǒng)的啟動、運行、調(diào)節(jié)過程，證明了控制策略能夠適應自由活塞斯特林熱機的控制需要。實驗研究驗證了方法的合理性。
　　（5）針對矩形波控制技術(shù)用于斯特林用直線電機驅(qū)動系統(tǒng)中所存在的電磁力波形不受控而影響機電效率的特點，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控制方法。通過修改和補充用于旋轉(zhuǎn)電機的直接轉(zhuǎn)控制技術(shù)，使提出的方法滿足斯特林熱機往復運動控制和調(diào)節(jié)的需要。基于Mat