外文翻譯終結(jié)版

1、南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯系：機(jī)械工程系專 業(yè)：車輛工程姓 名：王禹學(xué) 號(hào)：090102146外文出處：IEEE Transactions on Energy Conversion 附 件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文 指導(dǎo)教師評(píng)語： 簽名： 年 月 日 注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。附件1：外文資料翻譯譯文內(nèi)燃-線性發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)圈式電機(jī)的改進(jìn) 徐照平 常思勤摘要本文探討了動(dòng)圈式線性電機(jī)(MCLM)在內(nèi)燃-線性發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)(ICLG) 的使用,這是一個(gè)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車關(guān)于分布式發(fā)電和應(yīng)急電源的新穎的解決方案。根據(jù)分析MCLM的基本結(jié)構(gòu),

2、提出一種改進(jìn)的管狀MCLM配備：準(zhǔn)·哈爾巴赫磁化磁鐵，這是一個(gè)分析等效磁路(EMC)模型。在EMC模型中測(cè)量一個(gè)4 kn原型,結(jié)果顯示良好。而對(duì)比動(dòng)磁式線性電機(jī)(MMLM),該機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)質(zhì)量少,響應(yīng)更快和更好的可控性。關(guān)鍵詞自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、線性發(fā)電機(jī),線性電機(jī),發(fā)電機(jī)。I 介紹一個(gè)內(nèi)燃-線性發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)(ICLG),也被稱為自由活塞能源轉(zhuǎn)換器,是一個(gè)集成一個(gè)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)線性電機(jī)的機(jī)器。這個(gè)概念提供了一個(gè)解決混合電動(dòng)汽車、分布式發(fā)電、和應(yīng)急電源供應(yīng)等問題的新穎的方案。作為一個(gè)單缸ICLG圖1所示,無曲軸在可靠性、效率、燃料消費(fèi),和排放等方面有好處。額外的操作能力的具有可

3、變壓縮比，允許使用更有前途的、相同質(zhì)量而費(fèi)用較低的點(diǎn)火燃燒,更容易過渡到未來燃料。然而,這要求有嚴(yán)格的控制系統(tǒng)和電氣機(jī)器，這個(gè)概念的主要缺點(diǎn)在電力系統(tǒng)。圖1 ICLG綜合電力系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)ICLG概念,電機(jī)必須有高推力、低移動(dòng)的大規(guī)模、高發(fā)電效率、快速響應(yīng)和高可控性這些特定的苛刻的要求。這是因?yàn)樵黾拥囊苿?dòng)質(zhì)量負(fù)面影響了最大頻率和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功率密度。高效率是這一能量變換器競(jìng)爭(zhēng)力的重要方面?？焖夙憫?yīng)和高可控性是正確計(jì)時(shí)每個(gè)沖程的活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)先決條件，避免活塞和腔室頭之間的碰撞。此外，雙向可逆控制對(duì)達(dá)到目的和克服失火也是必須的。一些固定的和信息量很大的工作已經(jīng)存在。艾爾沙德等人提出了一項(xiàng)橫向線性

4、機(jī),它是用于雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)。王老師也提出了一個(gè)三相管狀機(jī)。然而,現(xiàn)有的設(shè)計(jì)屬于類別的動(dòng)磁式線性電機(jī)(MMLM)。雖然效率高,功率密度大,但它們也有一些缺點(diǎn)。首先，一個(gè)自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度高于釹鐵硼磁轉(zhuǎn)變溫度得多。如果使用動(dòng)磁式線性機(jī),設(shè)備(包括釹鐵硼) 難以被冷卻，應(yīng)該直接連接到自由活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的迅速升溫,釹鐵硼可能會(huì)發(fā)生退磁。此外,高強(qiáng)度磁鐵材料的發(fā)動(dòng)機(jī)可能由于施加的壓力降低高速度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。最后，在此應(yīng)用程序應(yīng)用中，現(xiàn)有的移動(dòng)質(zhì)量塊MMLM設(shè)計(jì)仍然過大。如果一個(gè)動(dòng)圈式線性機(jī)加上一個(gè)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī),定子之間(包括釹鐵硼)和發(fā)動(dòng)機(jī)的非接觸是可以實(shí)現(xiàn)。水的冷卻系統(tǒng)的定子(包括釹鐵硼

5、)也可以被使用保持溫度低于磁釹鐵硼轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到。與此同時(shí),移動(dòng)質(zhì)量可以顯著減少。因此,本文研究使用動(dòng)圈式線性電機(jī)(MCLM)作為一個(gè)內(nèi)部燃燒線性發(fā)電機(jī)應(yīng)用程序。其主要用最新的報(bào)告中的LM設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和比較，表現(xiàn)MCLM的改進(jìn)設(shè)計(jì)原型參數(shù)。II 改進(jìn)MCLM結(jié)構(gòu)作為研究的開始, MCLM的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)研究。見圖2,線性機(jī)由永久磁鐵(PMs)作為定子, 線圈包裝非磁性筒管的原動(dòng)力,鐵芯作為磁通路徑。類似的方案已經(jīng)在大量文獻(xiàn)中被報(bào)告和被用于應(yīng)用控制運(yùn)動(dòng)或高頻振動(dòng)優(yōu)化,如壓縮機(jī),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和振動(dòng)發(fā)電機(jī)。因此,ICLG應(yīng)用結(jié)構(gòu)應(yīng)被認(rèn)為是一種明智的選擇。在本設(shè)計(jì)中，由于定子表面安裝時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高的

6、空氣隙的磁通密度和較大的有效的空氣間隙與表面安裝PM可以降低去磁磁通量，所以它們被選擇。為了減弱的泄漏通量的永久磁鐵的邊緣軛,有一個(gè)空間在他們之間被保留。為獲得更好的效率，減少動(dòng)質(zhì)量和較低的線圈的電感，應(yīng)采用較短的傳輸距離和簡(jiǎn)化鐵線圈結(jié)構(gòu)。繞組以這種方式被卷繞，以至于在行程范圍沒有換向的必要。耦合與位置傳感器是一個(gè)簡(jiǎn)單的雙向驅(qū)動(dòng)和一個(gè)控制器可以產(chǎn)生的系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)有能力以非常小的成本獲得控制推力和ICLG位置。然而,如圖2，經(jīng)過深入研究,得出了結(jié)論，設(shè)計(jì)是不如預(yù)期的,尤其是在大電流條件下。首先,推力和發(fā)電效率需要優(yōu)化。第二,隨著電流方向往復(fù)式推力是不平衡的,因?yàn)殡姌写艌?chǎng)變化扭曲了一定數(shù)量的氣隙

7、通量的密度分布。這是類似于同步電機(jī)，這被稱為電樞反應(yīng)。第三,由于其不對(duì)稱結(jié)構(gòu),變化的線圈電感降低了推力的可控制性。為了ICLG應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，通過引入一定的復(fù)雜的定子，提出了一種改進(jìn)的MCLM ，如圖3?？紤]到磁動(dòng)力（MMF）中的每個(gè)線圈的差動(dòng)繞組相反，在本設(shè)計(jì)中，用一個(gè)二極結(jié)構(gòu)用來最大限度地減少不平衡推力。通過從準(zhǔn)Halbach陣列添加軸向磁化的永久磁鐵，在空氣間隙中的磁通密度得到增強(qiáng)而推力紋波可以得到降低。見圖3,磁鐵材料踱在內(nèi)側(cè)和外側(cè)的兩個(gè)繞組。使用這種結(jié)構(gòu)有很多好處。首先，雙面PM結(jié)構(gòu)已被廣泛用于精密控制U型線性無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度或位置，該結(jié)構(gòu)可以平滑和增強(qiáng)的氣隙中的磁通密度。其次，由

8、于該線性電機(jī)是一個(gè)管狀結(jié)構(gòu),該方法將一半的磁鐵材料放在內(nèi)部定子和一半磁鐵材料放在外面的定子繞組，用這個(gè)方法可以得到適當(dāng)?shù)陌霃胶透L(zhǎng)的繞組長(zhǎng)度。圖2 MCLM基本結(jié)構(gòu)圖3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的MCLMIII MCLM解析模型考慮MCLM對(duì)性能的主要尺寸的影響，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。在本節(jié)中，建立分析模型的等效磁電路（EMC）。在此基礎(chǔ)上模型、推力、線圈電感和效率將被考察。因?yàn)榫€性機(jī)有一個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì),四分之一的幾何是用于分析。A.等效磁路模型在空氣間隙中的MCLM設(shè)計(jì)的空間是一個(gè)交互的PM及電樞繞組。當(dāng)電流在電樞線圈中是零，在空氣間隙中的磁通是產(chǎn)生的PM獨(dú)立的。由于忽略了漏通量,相應(yīng)的等效磁路(EMC)可以簡(jiǎn)

9、化和圖4所示,它描述了在空氣間隙位置的主要的通量m和輔助通量a。主磁通m是按主要徑向產(chǎn)生的氣隙中的磁通磁化的永久磁鐵。輔助磁通a是僅在空氣間隙中的磁通產(chǎn)生的輔助軸向磁化永久磁鐵。圖4 磁路的定子磁場(chǎng)另外，在圖4，RMO是外面的PM的磁阻，RMI是不愿內(nèi)PM，Rg是的空氣間隙的磁阻，F(xiàn)M O外面的PM，F(xiàn) M I是MMF的內(nèi)部的PM，RY是不情愿的枷鎖。半徑為R的輔助通量是未知的,通常接近的閥門Hg通過忽略的磁阻，磁軛中的磁通密度空氣間隙可以表示為這里Hc是PM的磁矯頑力，µ0是自由空間的磁導(dǎo)率，L0單一繞組的磁導(dǎo)率，并且當(dāng)把氣隙中部當(dāng)作線圈半徑時(shí)，等于 2 ( rm -hm -hg/

10、2)。lm是主要徑向磁化PM的軸向長(zhǎng)度。 圖5. 電樞磁場(chǎng)的磁路當(dāng)線圈電流非零時(shí)，氣隙的通量密度會(huì)受到電樞反力的影響?？紤]到釹鐵硼的永磁體的滲透率恢復(fù)近似等于自由空間的滲透率，對(duì)應(yīng)的等效磁路可以被簡(jiǎn)化，如圖5所示。假設(shè)每個(gè)繞組的的數(shù)量是N，并且每個(gè)線圈的電流是I，在氣隙中電樞反應(yīng)產(chǎn)生的通量密度可以表示成：B主要特征參數(shù)只有根據(jù)X光運(yùn)動(dòng)，并且根據(jù)洛侖茲定理。推力常數(shù)Ki，無負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)kv，線圈電感Lc，線圈電阻Rc，可以表示成：這里c是銅線每米的電阻率。鐵損定義為渦流和磁滯損耗的數(shù)量。根據(jù)18和19的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率20hz的動(dòng)圈式線性直流電機(jī)的磁滯損耗遠(yuǎn)比渦流損耗少。另外渦流損耗

11、用代數(shù)函數(shù)表述很復(fù)雜。在這里不做討論。因此渦流損耗在功率損耗計(jì)算被忽略計(jì)算。渦流損耗存在于磁軛組件和磁鐵的實(shí)際工作中。由于硅鋼板是用于制造軛磁通的。渦流損耗在軛磁通大量減少，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于磁鐵的渦流損耗?；谥暗恼撐膱?bào)告，磁鐵的渦流損耗是MCLM設(shè)計(jì)的主要組成部分。所以軛磁通渦流損耗在本文中也被不做考慮。因此鐵損的功率可以表示為：這里V是轉(zhuǎn)子速度，F(xiàn)e是磁鐵每米的電阻率。Kil是機(jī)器的鐵損系數(shù)。盡管Kil只于維值和機(jī)器的線圈匝數(shù)有關(guān)，這可以利用有限元分析手段獲得。效率是機(jī)器的性能重要參數(shù)。盡管大部分情況下線性發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用。但是當(dāng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需要啟動(dòng)，或者需要克服發(fā)動(dòng)機(jī)失火時(shí)，線性發(fā)電

12、機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)使用。因此線性發(fā)電機(jī)的效率有兩種不同的定義：發(fā)電效率和運(yùn)行效率。當(dāng)線性發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作時(shí)，發(fā)電效率是電能輸出和機(jī)械能輸入的比值。在此狀況下，電能輸出遠(yuǎn)少于機(jī)械能輸入。由于發(fā)動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子是無觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，摩擦的能量損失被忽略。機(jī)械能簡(jiǎn)化為：KiIV。只有考慮到銅損時(shí)Pcl和鐵損Pil時(shí)，MCLM的發(fā)電效率可以表示為：另一方面，當(dāng)線性發(fā)電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，運(yùn)行效率是機(jī)械能輸出和電能輸入的比值。由于忽略摩擦的能量損失，并且僅考慮銅損和鐵損。MCLM的運(yùn)行效率可以表示為：通過使用公式（12）和（13），線性發(fā)電機(jī)的效率可以利用繞組電流i和轉(zhuǎn)子速度V預(yù)測(cè)。圖6 PM尺寸的優(yōu)

13、化設(shè)計(jì) 性能優(yōu)化根據(jù)最后一節(jié)中擬定的解析模型，MCLM的尺寸參數(shù)可以被優(yōu)化。在一般情況下，推力的提高是伴隨著繞組長(zhǎng)度的增加。然而，繞組長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力加重，對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈機(jī)這通常是不希望發(fā)生的。因此，在研究中電樞繞組的尺寸應(yīng)該是固定的。此外，應(yīng)該注意的是，磁軛的厚度取決于鐵芯中氣隙磁通密度和最大允許的磁通密度。雖然使用正式的數(shù)值方法，可以解決多目標(biāo)優(yōu)化問題，它不可以用在開發(fā)階段的系統(tǒng)中。在這項(xiàng)研究中，先進(jìn)的設(shè)計(jì)參數(shù)是由推力的影響，然后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的生產(chǎn)效率被影響。在推力密度中對(duì)尺寸參數(shù)有重大影響的是尺寸比hm/hg和la /hg。參數(shù)la是輔助軸向磁化PM的軸向長(zhǎng)度。通過輔助PM長(zhǎng)度的增加，氣隙

14、中的磁通密度能夠提高。通過使用適當(dāng)長(zhǎng)度的輔助PM，也可以降低推力波紋。但是，過大的la將減少機(jī)器的推力密度。為了得到合適長(zhǎng)度的輔助PM，la/hg的比率的選擇作為一個(gè)重要的變量來優(yōu)化機(jī)器的推力密度。圖6表示的是hm/hg和la /hg函數(shù)的推力密度的變化。從圖中可以看出，對(duì)于給定的la /hg，產(chǎn)生的最大推力密度的hm/hg有一個(gè)最優(yōu)的比率。該比率表示對(duì)于機(jī)器給定的電樞繞組獲得最佳的磁負(fù)載。同樣的，對(duì)于一個(gè)給定的值hm /hg，它存在一個(gè)最佳值的la/hg，也導(dǎo)致最大推力密度。如圖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，導(dǎo)致最大推力密度463kN/m3。圖

15、7表示的是在恒定的速度和一個(gè)恒定的推力下操作是發(fā)電效率優(yōu)化設(shè)計(jì)的圖紙。圖7 MCLM的發(fā)電效率表1 原型的規(guī)格項(xiàng)目符號(hào)規(guī)格空氣間隙的徑向?qū)挾萈M的徑向?qū)挾萈M的外半徑輔助PM的長(zhǎng)度主PM 的長(zhǎng)度內(nèi)磁軛的徑向?qū)挾韧獯跑椀膹较驅(qū)挾壤@組的匝數(shù)PM的保持性NdFeB PM的磁矯頑力hghmrmlalmhyihyNBrHc10mm12mm110mm5mm95mm30mm10mm1041.28T-990kA/m圖8 MCLM的原型結(jié)構(gòu) 原型和實(shí)驗(yàn)已有的原型優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)見表，圖8所示的是詳細(xì)的結(jié)構(gòu)原型。表2列出了測(cè)量和預(yù)測(cè)性能參數(shù)的原型。為了進(jìn)行比較，表還列出了現(xiàn)有的MMLM報(bào)告的設(shè)計(jì)，這是在相同的應(yīng)用程序

16、的性能參數(shù)。正如可以看到的，所測(cè)得的推力常數(shù)和電感與預(yù)測(cè)值一致。測(cè)量的線圈電阻比預(yù)測(cè)的大約高了10，外導(dǎo)線和線圈連接的引線不包含在預(yù)測(cè)內(nèi)。表 主要技術(shù)參數(shù)和與現(xiàn)有的設(shè)計(jì)項(xiàng)目預(yù)測(cè)值測(cè)量值MMLM運(yùn)動(dòng)質(zhì)量電感線圈3kg2.09mH3kg2.11mH6kg0.3mH最大電流最大推力推力紋波力常數(shù)電耦合時(shí)間常數(shù)100A41202%41.2N/A0.27ms/40602%40.6N/A0.31ms300A40505%13.2N/A0.62ms圖9氣隙磁通密度分布圖10 MCLM的測(cè)量系統(tǒng)如表所示，實(shí)驗(yàn)的機(jī)器比現(xiàn)有的設(shè)計(jì)在減少運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，增加響應(yīng)速度，減少推力紋波方面有更好的綜合性能。同時(shí)，這兩個(gè)設(shè)計(jì)可以提

17、供相同的最大推力。此外，如圖9所示使用磁通計(jì)測(cè)量與額定負(fù)載100A在空氣間隙中的磁通密度分布，測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)的閥門較好的吻合了。圖10所示的是該系統(tǒng)測(cè)量發(fā)電效率的示意圖。力傳感器是用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)力FL。位置傳感器用于采集的位移和速度V。原型是建立在實(shí)際的應(yīng)用程序中由恒定的頻率20Hz來驅(qū)動(dòng)，吸收負(fù)載電阻R所產(chǎn)生的能量。因此，發(fā)電效率的計(jì)算方法是當(dāng)負(fù)載電阻為10時(shí)，可以得到95的發(fā)電效率。圖11示出了在一個(gè)沖程中電樞由以驅(qū)動(dòng)頻率為20Hz的移動(dòng)速度做往復(fù)運(yùn)動(dòng)測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)。在圖11中，位置傳感器通過差分方法來測(cè)量速度。因此，曲線的小幅波動(dòng)不是數(shù)學(xué)計(jì)算上的錯(cuò)誤引起的。EMF的速度與電樞的同步。這是因?yàn)?，在原型中的電樞中的感?yīng)電動(dòng)勢(shì)的移動(dòng)速度的比率（電動(dòng)勢(shì)常數(shù)）是變量。為了進(jìn)行比較，被移植的反電動(dòng)勢(shì)的移動(dòng)磁體線性機(jī)如圖12所示（圖中所示的只有一相的EMF）。一個(gè)三相移動(dòng)磁鐵同步機(jī)的一些性能參數(shù)和某些測(cè)試條件下所產(chǎn)生的EMF。在EMF的高次諧波的套管中繞組的換向和電樞的