基于熵权决策的Halbach直线发电机分层优化设计

为了实现直驱式波浪发电装置的高功率密度及高转化效率,针对Halbach阵列直线发电机,提出了一种基于熵权多属性决策的分层优化设计方法。在分析电机基本原理、发电性能以及试验验证的基础上,以开环电动势幅值、电压波形畸变率为目标,采用灵敏度方法筛选关键变量,建立分层优化模型,进一步结合NSGA-II优化方法开展多目标优化设计;最后,提出通过熵权多属性决策TOPSIS算法对pareto非劣解集开展决策评估,获得电机结构尺寸的最优解。结果表明,电机优化前后电动势幅值提升了13.7%;THD降低了1.06%,验证了所提出的优化设计方法的高效性、可行性,以及决策方法的科学客观性。

用于波浪滑翔器的永磁直线发电机设计

为提高波浪滑翔器发电机的持续供电能力,设计采用波浪能为波浪滑翔器供电的圆筒型永磁直线发电机,并采用有限元法分析其性能。研究表明:圆筒型永磁直线发电机的气隙磁通密度总谐波正弦畸变率为18.8%,电压的总谐波正弦畸变率为4.1%,发电机的磁场性能与空载特性良好,可为波浪滑翔器提供高品质的电能。随外电路等效负载的增大,直线发电机的输出效率逐渐提高,在等效负载为18Ω时,直线发电机既可满足波浪滑翔器的用电需求,又能保持最大输出效率为69.25%。

直线发电机Halbach充磁结构的改进研究

为改善传统Halbach充磁结构在直线发电机的非气隙侧产生漏磁,导致主磁通含量降低、功率密度变小和带负荷能力下降的问题,提出了在传统的Halbach充磁结构上进行改进,用于改善直线发电机的磁场分布。首先对传统矩形永磁体结构形状进行了改变,提出了梯形、T字形和U字形的Halbach充磁结构的变体,通过分析在不同尺寸下的磁通密度基波含量,从而找到各个变体的最佳设计尺寸。仿真结果表明,U字型Halbach充磁结构比其他几种结构对改善非气隙侧的漏磁作用更加明显,输出功率和效率均得到了提高。

基于准比例谐振控制的自由活塞内燃直线发电机发电策略

针对自由活塞内燃直线发电机稳定运行时产生的三相感应电动势难以直接应用到负载或动力电池的问题,提出了基于电压外环比例积分(proportion integration,PI)、电流内环准比例谐振(quasi proportional resonance,QPR)的双闭环交流/直流(alternating current/direct current,AC/DC)控制策略加上基于PI的双向直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)控制策略,将直线发电机产生的三相感应电动势转换为稳定可控的直流电压。首先根据双闭环AC/DC控制策略生成控制三相电压源型整流器开关管通断的信号,将三相感应电动势整流为波动较小的直流电压,然后通过双向DC/DC控制策略将波动的直流电压转换为稳定可控的电压,最后在MATLAB/Simulink环境下搭建了相应的控制模型进行验证。仿真结果表明,双闭环AC/DC控制策略中电流内环采用QPR控制相比于PI和比例谐振(proportional resonance,PR)控制直流侧电压具有更快的响应速度和更小的电压纹波,可以在0.3 s稳定在400 V,电压纹波为48.9 V。在加入DC/DC转换器后直流侧电压可以在0.2 s稳定在300 V。

自由活塞膨胀机-直线发电机流体仿真与运动分析

为提高自由活塞膨胀机-直线发电机装置的集成度,使用计算流体力学方法,运用动网格技术,分析了气缸内气体的运动情况和活塞的运动特性,并利用正交试验分析了气缸结构参数对活塞运动特性的影响程度。结果表明:气体流经进、排气通口处,气体压力和流速的变化较为明显;气缸通口孔径对活塞速度、位移的影响最大;进气时间、活塞质量、气缸直径对活塞的位移、速度也存在不同程度的影响。

单气缸自由活塞膨胀机-直线发电机试验研究

为了提高内燃机能量利用率,自主研发了1台可用于有机朗肯循环余热回收系统的单气缸自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)。在压缩空气试验平台上实现了FPE-LG的连续稳定运行,验证了单气缸FPE-LG工作原理的可行性。在大量试验基础上,分析了驱动压力、外接负载电阻对单气缸FPE-LG输出特性的影响机制。研究结果表明:FPE-LG输出功率呈现较为规律的正弦波动,对于该试验样机而言,当驱动压力为0. 6 MPa、外接负载电阻为50Ω时,峰值输出功率可达到58. 7 W;提高驱动压力可以明显提高均方根电压和峰值电流,但驱动压力的提高对FPE-LG自由活塞膨胀机膨胀功-直线发电机输出电能转换(简称功-电转换)效率影响很小;当外接负载电阻小于60Ω时,随着外接负载电阻的增大,FPE-LG的功-电转换效率从13. 4%上升到24. 7%;对于该FPE-LG而言,当外接负载电阻为60Ω时,单气缸FPE-LG的实际膨胀功最大,功-电转换效率最佳。

直线发电机的方案设计——自由活塞式内燃直线发电机研究进展(二)

自由活塞式内燃直线发电机是近年来正在研究的发电机种类 ,具有结构简单、效率高和单位质量功率大等特点。介绍了感应发电机、永磁直线发电机和同步磁阻直线发电机的结构及特点 ,这些种类的发电机应力都较低 ,不会对设计产生多大影响。对方案影响较大的是发电机的效率、功率因数和比功率。 3种类型直线发电机中 ,永磁直线发电机综合性能最好 ,其中的扁平式永磁直线发电机性能最佳 ,是自由活塞式内燃发电机组的最佳选择。

直线发电机在简谐振动下的感应电动势研究

针对简谐振动下直线发电机感应电动势不规则的问题,提出了小幅振动条件下的改进方法。采用单相绕组,选取Ψ(x)曲线零点附近1/3极距的区间作为振动范围,可使感应电动势接近正弦波。有限元仿真得到优化后的电动势波形,谐波占比不超过4%,验证了该方法的有效性。通过比较发现,在小幅振动条件下单相直线发电机的输出特性更理想,适用于斯特林直线发电系统。通过调整定子长度,改变定位力相位,可使振动中心位置自然稳定。该研究可为斯特林直线发电机的设计提供参考。

直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机的设计与分析

初级永磁直线电机具有次级结构简单的特点,十分适用于直驱式波浪发电。基于广泛应用于波浪发电的游标混合电机和磁通切换直线电机,本文提出一种采用超导绕组的初级励磁直线发电机,该电机的性能的得到大幅提高。通过超导绕组和多齿结构的设计可提高电机的磁场能量并克服易去磁和高定位力等游标直线电机的缺点。首先,介绍了电机的基本结构和工作原理,给出了电机超导励磁绕组和电枢绕组的设计结构,并完成了超导绕组的直流导电性能测试和交流损失计算。然后,通过二维有限元法,对电机的空载特性进行仿真分析,并与相应的游标混合电机和磁通切换直线电机进行了对比。另外,对电机的负载特性进行了仿真,并将其带载能力与磁通切换直线电机进行了对比。最后,采用一台磁通切换永磁直线电机验证了对其带载能力的有限元分析结果。所有结果表明,全超导初级励磁直线发电机相对其它两类电机具有其独特的优势。

热声发电之直线发电机的理论研究

针对热声发动机驱动直线发电机的热声发电技术中的直线发电机的特性进行了理论研究,考察了驱动频率、负载电阻和活塞直径对发电机性能的影响。研究表明,电路谐振可以提高直线发电机的效率,但机械谐振与否对效率没有影响,并且效率对负载电阻存在最大值。当电路和机械均共振时,输出电功对负载电阻实部存在最大值,此时,增加活塞面积可以增加电功输出。

磁浮列车用直线发电机感应电动势的分析计算

以德国TR08型磁浮列车为分析对象,详细介绍了磁浮列车用直线发电机的运行原理,并先利用解析方法推导出其感应电动势计算公式,求得了发电机感应电势的基波频率。继而又采用二维有限元方法建立了一对极下的长定子直线电机模型,系统地分析了电机主要参数的变化对发电机感应电动势的影响,通过傅里叶分解得到了发电机感应电动势基波幅值随动子电流和气隙高度的变化规律,其结果为直线发电机的设计与控制提供了依据。

基于热网络法的FPLG长次级直线发电机温度场分析与热设计研究

自由活塞式内燃直线发电系统(FPLG)是一种新型动力装置,具有效率高、结构紧凑等优点。为了快速准确预估该系统中长次级直线发电机温升,本文建立了考虑绝缘材料属性下的双边扁平式永磁直线发电机(LDF-PMLG)的稳态热网络模型,评估了LDF-PMLG在额定负载工况下的温度分布及不同工况下的稳态温升,以2.5 kW双边扁平式永磁直线发电机为例,分析了其在不同负载下的温升分布规律,与有限元方法和实验结果相比表明,最大误差均不超过5.5%,验证了所提方法的有效性。同时,基于所建热网络模型,修正了电机全工况下能承受的最大电流曲线,提出了绕组、磁钢关键材料的选型方法,为LDF-PMLG的热设计提供参考依据。

自由活塞膨胀机-直线发电机集成系统动力特性研究

为了提高车用内燃机余热能回收系统中膨胀机热功转换效率,通过试验与仿真相结合的方法,在压缩空气平台上对一台自由活塞膨胀机-直线发电机集成系统进行了试验研究,同时,基于MATLAB/Simulink软件搭建了系统仿真模型并进行了验证.基于该仿真模型研究了活塞初始位移、活塞-动子连杆质量以及工作频率等对系统动力特性的影响.结果表明:当仿真进气压力为0.188 MPa、工作频率为2.5 Hz时,初始位移存在唯一值-0.045 307 m,使得活塞以位移0点为中心做往复运动;当进气压力、工作频率一定时,活塞运动行程、速度峰值、加速度峰值以及指示功均随活塞-动子连杆质量增大而减小.当系统启动时,工作频率应高于固有撞击频率f0,避免活塞对气缸顶面(或端面)产生撞击.

斯特林型热声发动机驱动直线发电机的工作特性

为探索发电机负载与热声发动机之间的耦合规律,开展发电机负载和声学传输管对斯特林型热声发动机工作特性影响的理论与实验研究.自行搭建一套斯特林型热声发动机驱动单直线发电机的实验系统,通过控制发动机与发电机间球阀的开关考察发动机在有无负载情况下的工作特性,通过改变声学传输管长度考察声学传输部件对发动机输出特性的影响.研究表明,发电机负载使系统起消振温度提高,而接入发电机负载前后系统工作频率基本不变;通过优化声学传输部件可有效改善发动机的输出特性,提高发动机的输出压力振幅和发电机输出电功;计算结果表明,改善频率匹配可大幅提高热声发动机驱动发电机系统的性能.

电炮用磁通压缩脉冲直线发电机的数学模型

电炮用磁通压缩脉冲直线发电机是一种理想的电炮电源 ,但它的研究尚不成熟。该文首次建立了描述该发电机工作过程的系统的数学模型 ,为它的成功研制提供了理论依据。该数学模型由电磁学模型和力学模型组成。电磁学模型由电路方程组、一维电磁场和温度场扩散方程组、动态电感方程、动态电阻方程和磁通损耗方程构成 。

新型自由活塞膨胀机-直线发电机的性能分析

为深入研究单活塞自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)的运动特性,提出一种可用于小型有机朗肯循环(ORC)余热回收系统的FPE-LG,搭建了单活塞FPE-LG试验台.在压缩空气试验平台上实现单活塞FPE-LG的连续稳定运行,并验证了单活塞FPE-LG工作原理的可行性.试验研究了进气压力、活塞行程、外接负载电阻、进气持续时间对单活塞FPE-LG运动特性的影响.结果表明:活塞位移和速度随时间的变化趋势均近似为正弦曲线,且在左/右止点(LDC/RDC)附近活塞速度最大,当活塞运动到LDC或RDC时获得峰值加速度;改变活塞行程可提高输出功率,但对活塞峰值速度和缸内峰值压力的影响较小;活塞峰值速度和活塞行程利用率(η)均随外接负载电阻的增加而增大,外接负载电阻从20Ω增加到80Ω时,活塞峰值速度和活塞行程利用率分别从0.56 m/s、58.26%增加到0.84 m/s、78.42%;延长进气持续时间有利于获得更高的活塞速度、活塞行程利用率和峰值输出功率,进气持续时间从20 ms变化到40 ms,峰值输出功率从13.87 W增加到37.40 W.

压缩空气驱动自由活塞膨胀机-直线发电机特性试验

提出了一种采用有机朗肯循环(ORC)系统的自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)试验样机,并在压缩空气试验平台上对FPE-LG样机的运动特性进行了试验研究。结果表明,在进气压力较高的工况下,FPE-LG能够稳定运行,基准位置处活塞速度和运行止点位置的循环变动较小。当进气压力为0.2 MPa,工作频率为2.5 Hz时,活塞最大速度接近1.2 m/s;进气角、排气角和进气压力对活塞运动的对称性和直线发电机输出功率有重要影响,减小排气角或增大进气角,有利于提高活塞运动的对称性、减小活塞运动的循环变动、明显改善直线发电机的输出功率。当进气压力为0.19 MPa,工作频率为2.5 Hz时,直线发电机输出功率的峰值最大,约为19.0 W。

用于海浪发电的圆筒型永磁直线发电机性能分析

波浪能是一种清洁的新能源,近几年提出的多种开发波浪能的方案,大多都在波浪能和发电机之间加入转化装置,这样效率低、成本较高。提出了圆筒型永磁直线发电机可以将波浪能直接转化为电能,详细阐述了该发电机的结构和工作原理。该发电机内的电磁场具有轴对称性,故将其三维电磁场简化为二维场。运用电磁场有限元分析软件对发电机进行仿真,并研究其特性,如磁场分布、空载反电动势、绕组磁链、电磁力和绕组电感等,仿真结果可以指导圆筒型永磁直线发电机的理论研究。

磁悬浮列车中直线发电机感应电动势的计算

对磁悬浮列车中,利用气隙磁场的一阶、二阶齿谐波发电的直线发电机进行了理论分析,导出了直线发电机电枢绕组在两种连接方案下感应电动势瞬时值的表达式,继而导出了满足一阶齿谐波感应电动势同相位的条件,为磁悬浮列车中的直线发电机的设计提供了理论依据。

海浪发电用Halbach磁体结构圆筒型直线发电机性能分析

近几年提出了多种对波浪能进行开发的方案,大多都是在波浪能和发电机之间加入转化装置,这样效率低,成本较高。该文提出了Halbach磁体结构的圆筒型直线发电机可以将波浪能直接转化为电能。详细阐述了该发电机的结构和工作原理,并且基于Maxwell 2D对于发电机进行仿真,得到了磁场分布图、空载和负载电压的波形,仿真结果可以指导Halbach磁体结构的圆筒型直线发电机的理论研究。