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)

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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
)

周志宏
Ξ
(江汉石油学院机械系)

摘要　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。

关键词　直线发电机　感应直线发电机　永磁直线发电机　磁阻直线发电机

引 言
文献[1]介绍了自由活塞式直线发电机组的基本原理与结构以及HCCI自由活塞式内燃机特点和数值模拟的结果。然而,在自由活塞式发电机组中,直线发电机是另一个非常重要的部分。这个部分的设计好坏对整个机组的性能有很大的影响。直线发电机有较长的发展历史,它与内燃机相结合则是近年来的事情。在研究与设计直线发电机时,应将整个系统综合考虑来确定某些设计参数。例如,发电机供电电路与其运动件的速度有关,而速度与加速度和力有关。作用在发电机运动部件上的力最主要是燃烧时活塞受到的膨胀力。运动部件的加速度取决于它的质量,它的质量是系统的关键参数。在常电负荷下,运动部件的加速度很大,因此在设计时需要特别予以关注,可能会引起高应力、疲劳等问题。此外,运动部件的速度也与正弦曲线相去很远,说明感生电动势的谐波比重很大,这要求对电器和滤波器的设计考虑这些因素。除了技术上的限制外,经济上也会对性能和设计产生约束,例如高效率、高功率质量比和低成本等。所有这些因素都会对直线发电机的方案选择及设计产生影响。笔者从直线发电机运行应力、效率、功率因数和比功率等几个对发电机组产生重大影响的方面,介绍比较3种类型的直线发电机的结构及其优缺点,为在自由活塞式发电机组中选择方案和设计直线发电机提供参考。
发电机的方案
自由活塞式发电机组的成功不仅取决于发动机
的设计,也取决于适当的发电机方案。但是不管那
种方案,有一个共同点,直线型发电机是不连续的
,

因此或者是短的运动件或者是短的定子。短的运动
件类型运动质量小,而短定子表现出高功率质量比。
为了有效地利用作用材料,至少发电机的部件之一
是一个冲程长度,另一个至少两个冲程长度。研究
直线发电机的方案,先必须对发电机进行分类。
直线发电机有一种分类方法是基于运动件的作
用材料,通常可以分为运动线圈、运动磁体和运动
铁芯等3类发电机,由这3类组合的也有可能。另
一种分类方法是感应发电机、永磁发电机和磁阻发
电机。后一种分类方法更适合人们的习惯。以下介
绍这几种发电机的结构和基本特性。
1
1感应发电机
感应发电机是一种稳定的、可靠的和低成本的
交流发电机。直线感应发电机的技术已经非常成
熟,它的缺点有:低功率质量比和低的功率因数。

・26・

石　油　机　械
CHINAPETROLEUMMACHINERY

2003年　第31卷　第11
期

Ξ
周志宏简介见本刊2003年第9期。
(收稿日期:2003-07-31;修改稿收到日期:2003-09-15)

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
但仍有必要分析它,因为它的应用十分广泛,有不少应用于自由活塞式发电机组中的例子。作为直线感应发电机的先驱,Laithwaite发现短定子比短运动部件在性能上更优越[2],这是因为在这些发电机中,磁场是通过激励定子线圈产生的,定子的非作用部分将严重地影响到发电机的功率因数和效率。因此,短定子是最佳可选的形式。有几种可能的直线感应发电机。发电机可以是平的,也可以是圆柱形的。对于平的发电机,双边结构更有利,可以避免侧向力。3种不同的双边扁平感应发电机如图1所示。柱状感应直线发电机的结构如图2所示,运动部件的中心可以是实心的,也可以是管状的。图1　双边扁平感应直线发电机的类型图2　柱状感应直线发电机类型1,4—铁芯基底;2—气隙;3—线圈;5—运动件;6—导体;7—铁芯 研究表明,所有的感应直线发电机均制造成本低,机械应力低,但不能满足低运动件质量、高功率质量比、高效率和高功率因数这些更具有意义的要求。造成运动部件质量大的主要原因是铁芯基底的厚度,已经证明,管状发电机是效率最高的。长形的、大槽比和短极距的直线感应发电机更有利。在这些感应发电机中,最大应力都比较低,没有超过10MPa;效率比较低,为60%;功率因数仅为30%,比功率(图1c)为0115kW/kg,图1a和图1b两种在013～014kW/kg之间。21永磁直线发电机由于永磁直线发电机不需要直流供电的磁场线圈,因而是同步发电机中不太复杂和效率较高的一种。与旋转的永磁发电机一样,直线发电机的永磁体也是装在运动件上,线圈在硅钢材料的定子铁芯中。定子与感应发电机结构相同,运动部件上没有导体。图3是管状的永磁发电机示意图,特点是在运动部件上使用圆柱形的永磁材料。
图3　管状永磁直线发电机
1—磁体;2—气隙;3—铁芯齿;4
—线
圈;5—铁芯基底;6—运动件铁芯基底
管状永磁发电机的缺点是运动件质量较大,这
是由于需要运动件基底引起的。扁平式结构可以克
服这个不足。扁平式永磁直线发电机的结构如图
4

所示,它可以看成是管状的发电机沿轴向切开后展
开而成。选择双边结构避免铁基底和侧向力。这种
发电机的缺点是有端部绕组,这在管状直线发电机
中是没有的。

图4　扁平式永磁直线发电机
1—定子铁芯底座;2—线圈;3—齿槽;4—磁体;5
—间隔件
以上两种永磁直线发电机归于纵向磁通发电
机,还有一类永磁直线发电机是横向磁通的直线发
电机(TFM),这类发电机的主磁通所在的平面与
运动部件的运动方向垂直,这几年颇受人们重视。
横向磁通的直线发电机的特点是高比力密度、
高漏磁通、低功率因数和复杂的工艺过程。尽管有
很多缺点,但由于它具有很好的比力密度,还是有
一席之地。图5是横向磁通的三相直线永磁发电
机,双边型是为了增加比力密度,避免使用运动部
件的铁芯基底和消除横向力。在这样的发电机中
,

永磁体的漏磁通约50%,电枢的漏磁通高达70%。
横向磁通的直线型发电机优于旋转型的,因为结构
得到了一些简化。

图5　横向磁通三相永磁直线发电机
1,8—间隔件;2,7—磁体;3,6—绕组;4,5
—定子铁芯

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2003年　第31卷　第11期周志宏:
直线发电机的方案设计
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在3种永磁直线发电机中,扁平直线发电机的各种性能最好,效率超过90%,比功率约0155kW/kg,功率因数接近1,制造成本中等;TFM的直线型发电机效率也超过90%,比功率略低,功率因数仅016,制造成本高。管状直线发电机的效率90%,功率因数接近1,但比功率较低,约014kW/kg。最大应力以TFM最大,为55MPa;扁平式的次之,为30MPa;管状的最低,为5MPa。31同步磁阻直线发电机图6所示的同步磁阻直线发电机(SRM)是基于改变磁阻的原理运行的。它有较好的性能,与其它直线发电机一样,可以是扁平的,也可以是管状的。主绕组为三相交流绕组,次级绕组凸起。与图6　双边同步磁阻发电机纵向截面图1—运动件铁芯;2—间隔件;3—定子线圈;4—定子铁芯感应发电机一样,定子既有主电流,又有磁化电流,因此,只有短定子设计是可行的。SRM的主要优点是在运动件中既没有磁体,又没有导体,因而与振动相关的磁体的应力和运动件中导体的冷却等问题都不会产生。在燃烧室和运动杆件中的热绝
缘已不是关键。
同步磁阻直线发电机制造成本低,其最大应力
为20MPa;效率高,可达90%;比功率也可达
015kW/kg;但功率因数只有0115,
因此需要巨大
的变流器。

结 论
感应、永磁和磁阻的直线发电机没有一种能够
满足自由活塞式直线发电机组的所有要求。在这些
种类的发电机中,应力都较低,最大为
55MPa,

不会对设计产生多大影响。对方案选择影响较大的
是发电机的效率、功率因数和比功率。在3种类型
发电机中,永磁直线发电机综合性能最好,其中扁
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。

参　考　文　献
1　周志宏1HCCI
自由活塞式内燃机运行参数设计———自
由活塞式内燃直线发电机研究进展(一)1石油机械
,

2003,31(10):62～64,69
2LaithwaiteER1Inductionmachinesforspecialpurpos
2
es1GeorgeNewensLimitedLondon11966:74～76
(本文编辑　王志权)

(上接第61页)
当钢丝绳受力后,不能真正在组股钢丝产生相互运动时起到有效的润滑减磨作用,再加上油品质量不高,与钢丝绳表面附着力不强,在环境温度作用下,容易滑落,这是钢丝绳自身制造时润滑工艺方式不合理和使用油脂品质不佳所致。例如,进口用于钻井的钢丝绳、岸边集装箱装卸桥用钢丝绳、大型装卸机抓斗用钢丝绳,从传统思维看,在这种恶劣环境下,应该选择纤维芯结构钢丝绳或表面经过防腐处理的钢丝绳(如镀锌),其实情况不然。实际考察发现,上述钢丝绳全部为光面、钢芯结构。其根本原因就在于钢丝绳生产过程实施了捻股淋油工艺(在捻股钢丝成捻处淋油),普遍使用NY2ROSTEN、ELASKON或与之性能相似的高品质润滑油脂。对于重载荷、高速、复绕系统使用的钻井钢丝绳,使用普通油脂,不仅对延长其使用寿命起不到明显效果,而且会污染作业环境,若飞溅到刹车制动部位,将对钻井作业安全造成潜在威胁。
3
1改进生产工艺和提高钢丝绳质量
在APISpec9A中将钢丝绳分为PS级、
IPS

级、EIPS级和EEIPS级,而对于钻井钢丝绳,国
内目前使用IPS级、EIPS级两个强度级别。根据
国外经验,采用EIPS级似乎更加合理。适当提高
钢丝绳强度级别,可以提高作业安全系数和增加钢
丝的耐磨性,这也是延长钢丝绳使用寿命的有效方
法。在提倡使用EIPS级钢丝绳的同时,企业也应
清醒认识到强度级别的提高,意味着钢丝韧性的降
低,而后者对钢丝绳使用寿命将带来负面影响。在
提高钢丝绳强度级别的同时,要通过合理选材、优
化生产工艺等途径,积极研究用高强度、高韧性钢
丝生产EIPS级钻井钢丝绳的新方法,绝不能靠过
度牺牲钢丝韧性来换取高强度,这一点极为重要。
(本文编辑　赵连禄)

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石　油　机　械2003年　第31卷　第11期
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