外文翻译终结版

1、南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译系：机械工程系专 业：车辆工程姓 名：王禹学 号：090102146外文出处：IEEE Transactions on Energy Conversion 附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日 注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文内燃-线性发电集成动力系统的动圈式电机的改进 徐照平 常思勤摘要本文探讨了动圈式线性电机(MCLM)在内燃-线性发电集成动力系统(ICLG) 的使用,这是一个混合动力电动汽车关于分布式发电和应急电源的新颖的解决方案。根据分析MCLM的基本结构,

2、提出一种改进的管状MCLM配备：准·哈尔巴赫磁化磁铁，这是一个分析等效磁路(EMC)模型。在EMC模型中测量一个4 kn原型,结果显示良好。而对比动磁式线性电机(MMLM),该机器的优点是动质量少,响应更快和更好的可控性。关键词自由活塞发动机、线性发电机,线性电机,发电机。I 介绍一个内燃-线性发电集成动力系统(ICLG),也被称为自由活塞能源转换器,是一个集成一个自由活塞发动机和一个线性电机的机器。这个概念提供了一个解决混合电动汽车、分布式发电、和应急电源供应等问题的新颖的方案。作为一个单缸ICLG图1所示,无曲轴在可靠性、效率、燃料消费,和排放等方面有好处。额外的操作能力的具有可

3、变压缩比，允许使用更有前途的、相同质量而费用较低的点火燃烧,更容易过渡到未来燃料。然而,这要求有严格的控制系统和电气机器，这个概念的主要缺点在电力系统。图1 ICLG综合电力系统为实现ICLG概念,电机必须有高推力、低移动的大规模、高发电效率、快速响应和高可控性这些特定的苛刻的要求。这是因为增加的移动质量负面影响了最大频率和转换系统的功率密度。高效率是这一能量变换器竞争力的重要方面。快速响应和高可控性是正确计时每个冲程的活塞的往复运动的两个先决条件，避免活塞和腔室头之间的碰撞。此外，双向可逆控制对达到目的和克服失火也是必须的。一些固定的和信息量很大的工作已经存在。艾尔沙德等人提出了一项横向线性

4、机,它是用于双缸发动机。王老师也提出了一个三相管状机。然而,现有的设计属于类别的动磁式线性电机(MMLM)。虽然效率高,功率密度大,但它们也有一些缺点。首先，一个自由活塞式发动机的工作温度高于钕铁硼磁转变温度得多。如果使用动磁式线性机,设备(包括钕铁硼) 难以被冷却，应该直接连接到自由活塞的发动机。发动机温度的迅速升温,钕铁硼可能会发生退磁。此外,高强度磁铁材料的发动机可能由于施加的压力降低高速度的往复运动。最后，在此应用程序应用中，现有的移动质量块MMLM设计仍然过大。如果一个动圈式线性机加上一个自由活塞发动机,定子之间(包括钕铁硼)和发动机的非接触是可以实现。水的冷却系统的定子(包括钕铁硼

5、)也可以被使用保持温度低于磁钕铁硼转变温度可以达到。与此同时,移动质量可以显著减少。因此,本文研究使用动圈式线性电机(MCLM)作为一个内部燃烧线性发电机应用程序。其主要用最新的报告中的LM设计进行分析和比较，表现MCLM的改进设计原型参数。II 改进MCLM结构作为研究的开始, MCLM的基本结构应当研究。见图2,线性机由永久磁铁(PMs)作为定子, 线圈包装非磁性筒管的原动力,铁芯作为磁通路径。类似的方案已经在大量文献中被报告和被用于应用控制运动或高频振动优化,如压缩机,斯特林发动机和振动发电机。因此,ICLG应用结构应被认为是一种明智的选择。在本设计中，由于定子表面安装时拓扑结构提供高的

6、空气隙的磁通密度和较大的有效的空气间隙与表面安装PM可以降低去磁磁通量，所以它们被选择。为了减弱的泄漏通量的永久磁铁的边缘轭,有一个空间在他们之间被保留。为获得更好的效率，减少动质量和较低的线圈的电感，应采用较短的传输距离和简化铁线圈结构。绕组以这种方式被卷绕，以至于在行程范围没有换向的必要。耦合与位置传感器是一个简单的双向驱动和一个控制器可以产生的系统,这个系统有能力以非常小的成本获得控制推力和ICLG位置。然而,如图2，经过深入研究,得出了结论，设计是不如预期的,尤其是在大电流条件下。首先,推力和发电效率需要优化。第二,随着电流方向往复式推力是不平衡的,因为电枢磁场变化扭曲了一定数量的气隙

7、通量的密度分布。这是类似于同步电机，这被称为电枢反应。第三,由于其不对称结构,变化的线圈电感降低了推力的可控制性。为了ICLG应用程序设计，通过引入一定的复杂的定子，提出了一种改进的MCLM ，如图3。考虑到磁动力（MMF）中的每个线圈的差动绕组相反，在本设计中，用一个二极结构用来最大限度地减少不平衡推力。通过从准Halbach阵列添加轴向磁化的永久磁铁，在空气间隙中的磁通密度得到增强而推力纹波可以得到降低。见图3,磁铁材料踱在内侧和外侧的两个绕组。使用这种结构有很多好处。首先，双面PM结构已被广泛用于精密控制U型线性无刷直流电动机的速度或位置，该结构可以平滑和增强的气隙中的磁通密度。其次，由

8、于该线性电机是一个管状结构,该方法将一半的磁铁材料放在内部定子和一半磁铁材料放在外面的定子绕组，用这个方法可以得到适当的半径和更长的绕组长度。图2 MCLM基本结构图3 改进结构的MCLMIII MCLM解析模型考虑MCLM对性能的主要尺寸的影响，可以用一个简单的方法。在本节中，建立分析模型的等效磁电路（EMC）。在此基础上模型、推力、线圈电感和效率将被考察。因为线性机有一个对称设计,四分之一的几何是用于分析。A.等效磁路模型在空气间隙中的MCLM设计的空间是一个交互的PM及电枢绕组。当电流在电枢线圈中是零，在空气间隙中的磁通是产生的PM独立的。由于忽略了漏通量,相应的等效磁路(EMC)可以简

9、化和图4所示,它描述了在空气间隙位置的主要的通量m和辅助通量a。主磁通m是按主要径向产生的气隙中的磁通磁化的永久磁铁。辅助磁通a是仅在空气间隙中的磁通产生的辅助轴向磁化永久磁铁。图4 磁路的定子磁场另外，在图4，RMO是外面的PM的磁阻，RMI是不愿内PM，Rg是的空气间隙的磁阻，FM O外面的PM，F M I是MMF的内部的PM，RY是不情愿的枷锁。半径为R的辅助通量是未知的,通常接近的阀门Hg通过忽略的磁阻，磁轭中的磁通密度空气间隙可以表示为这里Hc是PM的磁矫顽力，µ0是自由空间的磁导率，L0单一绕组的磁导率，并且当把气隙中部当作线圈半径时，等于 2 ( rm -hm -hg/

10、2)。lm是主要径向磁化PM的轴向长度。 图5. 电枢磁场的磁路当线圈电流非零时，气隙的通量密度会受到电枢反力的影响。考虑到钕铁硼的永磁体的渗透率恢复近似等于自由空间的渗透率，对应的等效磁路可以被简化，如图5所示。假设每个绕组的的数量是N，并且每个线圈的电流是I，在气隙中电枢反应产生的通量密度可以表示成：B主要特征参数只有根据X光运动，并且根据洛仑兹定理。推力常数Ki，无负载的反电动势常数kv，线圈电感Lc，线圈电阻Rc，可以表示成：这里c是铜线每米的电阻率。铁损定义为涡流和磁滞损耗的数量。根据18和19的实验数据。往复运动频率20hz的动圈式线性直流电机的磁滞损耗远比涡流损耗少。另外涡流损耗

11、用代数函数表述很复杂。在这里不做讨论。因此涡流损耗在功率损耗计算被忽略计算。涡流损耗存在于磁轭组件和磁铁的实际工作中。由于硅钢板是用于制造轭磁通的。涡流损耗在轭磁通大量减少，而且远远少于磁铁的涡流损耗。基于之前的论文报告，磁铁的涡流损耗是MCLM设计的主要组成部分。所以轭磁通涡流损耗在本文中也被不做考虑。因此铁损的功率可以表示为：这里V是转子速度，Fe是磁铁每米的电阻率。Kil是机器的铁损系数。尽管Kil只于维值和机器的线圈匝数有关，这可以利用有限元分析手段获得。效率是机器的性能重要参数。尽管大部分情况下线性发电机作为发电机使用。但是当自由活塞发动机需要启动，或者需要克服发动机失火时，线性发电

12、机作为发动机使用。因此线性发电机的效率有两种不同的定义：发电效率和运行效率。当线性发电机作为发电机工作时，发电效率是电能输出和机械能输入的比值。在此状况下，电能输出远少于机械能输入。由于发动机定子和转子是无触点结构，摩擦的能量损失被忽略。机械能简化为：KiIV。只有考虑到铜损时Pcl和铁损Pil时，MCLM的发电效率可以表示为：另一方面，当线性发电机作为发动机启动自由活塞发动机时，运行效率是机械能输出和电能输入的比值。由于忽略摩擦的能量损失，并且仅考虑铜损和铁损。MCLM的运行效率可以表示为：通过使用公式（12）和（13），线性发电机的效率可以利用绕组电流i和转子速度V预测。图6 PM尺寸的优

13、化设计 性能优化根据最后一节中拟定的解析模型，MCLM的尺寸参数可以被优化。在一般情况下，推力的提高是伴随着绕组长度的增加。然而，绕组长度的增加会导致动力加重，对运动线圈机这通常是不希望发生的。因此，在研究中电枢绕组的尺寸应该是固定的。此外，应该注意的是，磁轭的厚度取决于铁芯中气隙磁通密度和最大允许的磁通密度。虽然使用正式的数值方法，可以解决多目标优化问题，它不可以用在开发阶段的系统中。在这项研究中，先进的设计参数是由推力的影响，然后，优化设计的生产效率被影响。在推力密度中对尺寸参数有重大影响的是尺寸比hm/hg和la /hg。参数la是辅助轴向磁化PM的轴向长度。通过辅助PM长度的增加，气隙

14、中的磁通密度能够提高。通过使用适当长度的辅助PM，也可以降低推力波纹。但是，过大的la将减少机器的推力密度。为了得到合适长度的辅助PM，la/hg的比率的选择作为一个重要的变量来优化机器的推力密度。图6表示的是hm/hg和la /hg函数的推力密度的变化。从图中可以看出，对于给定的la /hg，产生的最大推力密度的hm/hg有一个最优的比率。该比率表示对于机器给定的电枢绕组获得最佳的磁负载。同样的，对于一个给定的值hm /hg，它存在一个最佳值的la/hg，也导致最大推力密度。如图6所示，hm/hg的最佳尺寸比是1.2 和 la /hg的最佳尺寸比是0.5，导致最大推力密度463kN/m3。图

15、7表示的是在恒定的速度和一个恒定的推力下操作是发电效率优化设计的图纸。图7 MCLM的发电效率表1 原型的规格项目符号规格空气间隙的径向宽度PM的径向宽度PM的外半径辅助PM的长度主PM 的长度内磁轭的径向宽度外磁轭的径向宽度绕组的匝数PM的保持性NdFeB PM的磁矫顽力hghmrmlalmhyihyNBrHc10mm12mm110mm5mm95mm30mm10mm1041.28T-990kA/m图8 MCLM的原型结构 原型和实验已有的原型优化设计参数见表，图8所示的是详细的结构原型。表2列出了测量和预测性能参数的原型。为了进行比较，表还列出了现有的MMLM报告的设计，这是在相同的应用程序

16、的性能参数。正如可以看到的，所测得的推力常数和电感与预测值一致。测量的线圈电阻比预测的大约高了10，外导线和线圈连接的引线不包含在预测内。表 主要技术参数和与现有的设计项目预测值测量值MMLM运动质量电感线圈3kg2.09mH3kg2.11mH6kg0.3mH最大电流最大推力推力纹波力常数电耦合时间常数100A41202%41.2N/A0.27ms/40602%40.6N/A0.31ms300A40505%13.2N/A0.62ms图9气隙磁通密度分布图10 MCLM的测量系统如表所示，实验的机器比现有的设计在减少运动质量，增加响应速度，减少推力纹波方面有更好的综合性能。同时，这两个设计可以提

17、供相同的最大推力。此外，如图9所示使用磁通计测量与额定负载100A在空气间隙中的磁通密度分布，测量结果与预测的阀门较好的吻合了。图10所示的是该系统测量发电效率的示意图。力传感器是用于测量驱动力FL。位置传感器用于采集的位移和速度V。原型是建立在实际的应用程序中由恒定的频率20Hz来驱动，吸收负载电阻R所产生的能量。因此，发电效率的计算方法是当负载电阻为10时，可以得到95的发电效率。图11示出了在一个冲程中电枢由以驱动频率为20Hz的移动速度做往复运动测得的反电动势。在图11中，位置传感器通过差分方法来测量速度。因此，曲线的小幅波动不是数学计算上的错误引起的。EMF的速度与电枢的同步。这是因为，在原型中的电枢中的感应电动势的移动速度的比率（电动势常数）是变量。为了进行比较，被移植的反电动势的移动磁体线性机如图12所示（图中所示的只有一相的EMF）。一个三相移动磁铁同步机的一些性能参数和某些测试条件下所产生的EMF。在EMF的高次谐波的套管中绕组的换向和电枢的