熱聲發電系統之永磁直線發電機設計
夏加寬，李兵
（沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽110178）
摘要：根據熱聲發電系統的特點，文章選取圓筒式永磁直線發電機作為系統的振子性負載，將傳統單一的軸向或徑向磁路結構改變為軸向徑向混合磁路結構，并利用有限元計算仿真軟件ansoftmaxwell 3d，對直線發電機的內部磁場、永磁體所受定位力進行分析計算。計算結果表明，傳統結
構直線發電機與新型結構直線發電機相比定位力減少了百分之25。
關鍵詞：圓筒式永磁直線發電機；熱聲；有限元；混合磁路
中圖分類號：tm313；tm359. 4 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848（2010）03-0008-02
0引言
熱聲發電是一種全新的熱發電技術，具有可靠性高、制作成本低、熱效率高以及環保等優點。將別是熱聲發電技術可利用太陽能、工業余熱以及任何燃料燃燒產生的熱能來工作，因而熱聲發電機正在成為能源動力研究領域里的一項前沿技術”1。熱聲發電系統是通過熱聲發動機驅動直線發電機從而實現熱能向聲能再向電能轉換的技術。它包括兩部分：一是熱聲發動機；二是直線發電機。熱聲發動機利用熱聲效應來驅動直線發電機的動子，從而將熱聲能轉換為電能。
目前，文獻[2-5]在熱聲發動機特別是行波型熱聲發動機方面，不論在壓力波動幅值上還是在聲功輸出量和效率方面都已經取得了很大的突破。但是他們的研究都是側重于發動機方面，對于整個系統的匹配問題、直線發電機的定位力對于控制精度影響問題等研究相對較少。
本課題針對對熱聲發電系統中的永磁直線發電機的定位力進行研究，采用軸向徑向混合磁場的方案來減小發電機的定位力，降低損耗，提高直線發電機的效率。
1熱聲系統、圓筒式永磁直線發電機的結構特點及工作原理
隨著熱聲發電系統功率等級的不同，需要有不同的直線發電機與之匹配，本課題提出級聯式結構設計的方案。所謂級聯就是將直線發電機每個小單元（以下稱單元直線發電機或單元電機）連結起來，知每個單元直線發電機的發電功率為0 5 kw，如果將10個這樣的單元電機相連就是5 kw，這個發電系統的發電范圍可以從很小到很大，如圖1所示。
熱聲發電系統中的發電機我們選擇圓筒式永磁直線發電機，采用永磁直線發電機是因為永磁體提供磁場，不需要直流供電的磁場線圈，使電機結構更為簡單，無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電機的效率，減小了整個系統得重量。而熱聲發電系統之永磁直線發電機設計夏加寬，等在直線發電機的諸多結構中選擇圓筒式結構是因為其具有對稱性，結構簡單等優點，且不存在繞阻端部，提高了繞組的利用率，因此不存在橫向
邊端效應支撐。
相似于旋轉電機，永磁直線發電機的永磁體鑲嵌于不導磁的不銹鋼動子上，定子是由硅鋼片疊壓而成的。徑向充磁，方向相反的永磁體在水平方向按簡諧運動規律運動，靜止時相對于鐵心在對稱位置平衡，此時線圈中的磁通為零；運動到****振幅時，其中一塊磁體與鐵心截面重合，此時在鐵心中產生****磁通。當磁體又朝相反方向運動至另一個****位移時，產生相反方向的****磁通近似假設在整個運動周期中由兩塊磁體所產生的合成磁通進入到鐵心和線圈中的磁通符合正弦規律。如圖2所示：則有線圈中的磁通變化：
線圈中感應的電勢為：
其n為線圈的匝數。
2 電機電磁場分析計算
由于傳統直線電機結構的特殊性，國內外對直線電機本體電磁場的仿真分析多限于2d。這樣雖然簡化了分析的復雜程度，但過多假設條件的加入， |
