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    (3) 实用商品阶段(1971年至今)

    从1971年开始到目前这个阶段,直线电机进入了独立应用的阶段,各类直线电机的应用得到了迅速的推广,制成了许多具有实用价值的产品和装置,例如直线电机驱动的钢管输送机、起重机、空压机、冲压机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车,其速度已超过500km/h,接近航空的飞行速度。在这一时期,直线电机以直线电机系统与旋转电机系统进行竞争,找到了自己发挥特长的地方。

    1.4  论文主要内容 

    如果设计出一个动圈式电机加上一个自由活塞发动机,那么定子(包括NdFeB)和电机之间可以使用无触头连接,定子(包括NdFeB)也可以使用水冷系统,从而可以使NdFeB的温度低于磁转换温度,与此同时,运动质量可以大大减轻,而且以线圈为动子,永磁为定子,将永磁固定在铁心上,其强度会大大提高,这样高速运动产生的压力对磁材料强度的影响会减少。因此,这篇文章研究了在内燃-直线发电设备中动圈直线电机的应用。

    本设计针对内燃直线发电系统的需求,参考国内外研究成果,探究合适的基本结构,设计了一种动圈式永磁直线电机,本文的主要工作有:首先研究内燃直线发电系统用直线电机的发展现状,然后进行直线电机的电磁仿真分析,以及机械结构的设计。

    针对目前国内外内燃直线发电系统的需求以及直线电机技术水平,对本设计中的直线电机提出了预期的性能要求:最大推力4000N,电枢电流100A,行程70mm。

    2  直线电机结构方案确定

    直线电机的核心部位是永磁及铁心,电机的性能很大程度上是由永磁及铁心的结构、材料、尺寸决定,比如推力的大小,推力的波动性,推力密度等关键性能。在设计的开始阶段首先要确定直线电机的结构方案,也就是确定永磁以及铁心的基本结构,然后外围的结构就能够由它们的结构与尺寸来确定。永磁及铁心的设计主要任务有:(1)永磁以及铁心基本结构的选择,(2)永磁及铁心材料的选择,(3)永磁及铁心基本尺寸的确定。

    2.1  永磁以及铁心基本结构的选择

    永磁以及铁心基本结构的选择将决定电机中磁场的分布与大小,从而决定电机的推力大小以及波动情况,所以是直线电机的核心部分,本节将从比较现有直线电机常见基本结构出发,通过比较各自的优点与缺点,综合考虑,然后选用一种合适的基本结构,也对材料进行比较研究,选择合适的永磁以及铁心材料。

    对于永磁以及铁心的结构,动圈式直线电机常采用的基本结构有单边型,双边型和采用Halbach永磁阵列的双边型三种结构。

    2.1.1  单边型

    单边型基本结构如图2.1所示,直线电机的定子由永磁铁与铁心构成,动子由线圈包装无磁性的筒子构成,其中铁心作为磁通回路。类似的方案已被大量的文献报道,也已经被用于需要运动控制或者需要高频振动的设备当中,比如压缩机、斯特林发动机和振动器,因此,这种结构也可以作为ICLG设备适当的选择方案。

     单边型基本结构

    这种结构的特点是结构简单便于制造,成本小,然而经研究发现,在图2.1中的设计不能满足预期的要求,特别是在大电流的情况下,存在一些问题,首先,推力和发电效率还需要优化。其次,因为在一定量上电枢磁场转移和扭曲了气隙磁场密度的分布,导致沿着运动方向上往复运动中的推力是不平衡的(这种现象与同步电机中的相似,被称为电枢反应)。最后,因为该设计的不对称结构,使线圈自感有变化,结果减小了推力,降低了运动的可控制性。

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