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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）摘要基于Stirling循环的直线发电系统具有可采用多种能源、效率高、寿命长和可靠性高等优势，在许多应用领域有取代传统发电系统的潜力和广泛的应用前景，尤其在深空探测和军事上有不可替代的优势。本文所进行的自由活塞式Stirling发电机的概念设计就是为了对大型运载工具所排出的废热的回收所做的一种尝试。建立基于Stirling循环的直线发电系统，其主要由单缸自由活塞式Stirling发动机和直线发电机构成，对单缸自由活塞式 Stirling发动机的几何尺寸进行了初步设计，运用等温分析法对Stirling发动机运行性能进行了仿真分析，得到了Stirlin
2、g发电机运行时冷腔压缩p-v图、热腔膨胀p-v图和发动机膨胀功和压缩功相减后的p-v图等，并由此计算了单缸自由活塞式Stirling发动机功率和效率。此外，运用电磁场有限元法对直线发电机定子绕组通一定电流时的恒稳磁场进行了分析，计算出了穿过绕组内部的磁链值，进而求出了发电机定子绕组电感;运用场路祸合时步有限元法对永磁直线发电机空载运行、负载运行进行了瞬态仿真分析，得到了永磁直线发电机空载磁场、空载电动势和负载运行时电压电流值等参数，计算了永磁直线发电机带适当负载时可得到最大电功率。同时，求解并分析了永磁直线发电机定子对自由活塞式Stirling发动机的电磁反作用力。这是一种跨电工和热工学科研究
3、，以上结果不仅对特种永磁式直线发电机，而且对自由活塞式发动机的设计均有一定的参考价值。 关键词自由活塞式Stirling发动机;永磁直线发电机;仿真分析关键词：自由活塞式Stirling发动机；永磁直线发电机；仿真分析 Abstract The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy.
4、 In many applications the system has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of the free piston Stirling engine is an attempt on th
5、e large vehicle waste heat recovery.A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engine and the permanent magnet linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the St
6、irling engine performances with the isothermal analysis method analyzed and the Stirling engine cooler compression p-v diagram, heater expansion p-v diagram and the p-v diagram of the engine obtained using subtracting cooler p-v diagram from heater p-v diagram: So the free piston Stirling engine pow
7、er and efficiency are calculated.Key words: free piston Stirling engine; permanent magnet linear generator; simulation目 录摘要1 目 录3 第1章 绪 论5 1.1 课题背景5 1.2斯特林发动机5 1.3国内外研究状况6 1.3.1国内研究现状7 1.3.2国外研究现状7 1.4课题的来源及意义9 1.5课题研究内容10 第2章发电系统的结构及工作原理11 2.1发电系统结构、原理和特点11 2.1.1发电系统结构112.1.2发电系统工作原理11 2.2自由活塞式Stir
8、ling发动机及其工作原理13 2.2.1自由活塞式Stirling发动机的结构13 2.2.2自由活塞式Stirling发动机的原理13 2.2.3自由活塞式Stirling发动机的特点18 2.3永磁直线发电机及其工作原理19 2.3.1永磁直线发动机结构19 2.3.2永磁直线发动机工作原理 21 2.3.3永磁直线发动机特点21 第3章 自由活塞式Stirling发动机的尺寸设计和运行性能分析22 3.1自由活塞式Stirling发动机设计要求22 3.2工质选择23 3.3结构尺寸确定23 3.3.1汽缸直径24 3.3.2热腔、冷腔和无益容积24 3.3.3缝隙式回热器和配气活塞尺
9、寸24 3.3.4配气活塞行程25 3.3.5动力活塞尺寸和质量25 3.3.6缓冲腔容积26 3.4基于等温分析法的动力特性数值模拟26 3.4.1简化假设27 3.4.2冷腔压力、热腔压力和容积计算27 3.4.3系统功率和效率32 3.5本章小结32 第4章永磁直线发电机空载磁场32 及电动势计算32 4.1.1数学模型建立33 4.1.2有限元计算 34 4.1.3空载磁场分布37 4.2空载电动势计算39 4.3带负载时磁场分析44 结 论45 致 谢46 参 考 文 献7 第1章 绪 论1.1 课题背景离合器是汽车传动系中与发动机直接联系的重要部件。对于以内燃机作为动力的机械传动汽
10、车中，离合器是作为一个独立的总成而存在的。离合器通常装在发动机与变速器之间，其主动部分与发动机飞轮相连，从动部分与变速器相连。为各类型汽车所广泛采用的摩擦离合器，实际上是一种依靠其主、从动部分间的摩擦来传递动力且能分离的机构。离合器的主要功用是切断和实现发动机对传动系的动力传递，保证汽车起步时将发动机与传动系平顺地接合，确保汽车平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换档齿轮间的冲击；在工作中受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，以防止传动系各零部件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪音。1.2斯特林发动机1816年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明，又称“热空气发动
11、机，当时已生产出数干台，后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初己基本消失。主要因为密封的工质为空气，加热温度较低，只有几百度，致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。由于高温、高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达到了高速度，初步显示有可能成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机的潜力。进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后石油供应虽有缓和，但从环保和能源角度出发
12、各国又竟相进行斯特林发动机的开发工作。菲利浦公司研究斯特林发动机的核心人物R.J.密吉尔在菲利浦中止开发后即赴美自行开办了STM公司继续进行开发工作，并很快试制成功STM-120型斯特林发动机，回转斜板式双向型，采用了热管加热器、可变行程等新技术，功率达到40kW，在2800转每分钟时，热效率达45%，在技术上有重大突破。瑞典的USAB公司自1968年购入菲利浦公司技术后，在菲利浦回转斜板式基础上，开发出V4曲轴双向型斯特林发动机，并在客车和卡车上做了试验，其优点是可利用原来内燃机的相关部件。以后又改进为双曲轴型，进一步扩大了其用途。该公司亦参加了美国能源部组织的汽车发动机开发项目，其主力发动
13、机为22kW混合型，由于采用了太阳能辅助加热，热效率可达38%，并制造了数十台样机。据计算如将受热部改为陶瓷时，热效率可达50%，此机若用于太阳能发电，则每千瓦时电的成本仅5美分，因此重点转向太阳能发电的开发。另外还开发出以纯氧燃烧柴油为热源的V4-275R型斯特林发动机供法国潜艇和瑞典海军使用。与其美国的子公司共同开发出1 SKW级二级活塞型V 160发动机，供热泵和小型发电机用。法国ECA公司开发的熔盐蓄热器为热源的直列双向型发动机，供潜艇动用，德国的MAN公司和本茨公司亦在开发类似的发动机供车用。由美国MTI公司和太阳能公司共同开发的llOkW级自由活塞式发动机可供热泵和小型发电机用。日
14、本19761981年进行了船用发动机的开发，只做了些基础工作。从1982年起列入目前计划大型节能技术开发项目，计划投资100亿日元，到1987年开发出民用3kw和30kW发动机。经过约3年的开发，试制出的4台样机于1984年在国立机械研究所进行了运行试验，功率和热效率均达到设计要求，改进加热器、换热器和活塞环密封后，发电用斯特林发动机亦基本上达到了规定的目标。最近几十年，随着能源问题和环境问题的日益突出，国内外广大学者对斯特林发动机兴趣逐渐增加并进行了广泛的研究。1.3国内外研究状况现阶段，斯特林机已在太阳能热发电、水下动力等多个领域得到运用，但还存在热交换、密封等问题制约着斯特林机的发展和运
15、用。1.3.1国内研究现状国内许多学者对利用太阳能的斯特林发电系统展开了较多研究，如姚睿，吴克奇提出了空间太阳能发电系统中采用四缸自由活塞式斯特林发动机发电装置的概念设计模型，确定了整个概念设计的框架，并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计，同时对相关问题进行了探讨，提出了未来的发展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立了设计计算聚光器的一个数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对碟式斯特林太阳能发电系统聚光器的尺寸进行了计算。还对此系统的经济性进行了分析。黄护林对太阳能斯特林发动机的性能进行了模拟，考虑太阳辐射强度的变化，模拟了一天中太阳能斯特林发动机的输出功率和系统效率曲线。崔海亭、袁修干等，根据国外研究经验，提出了发展中国空间太阳能热动力发电系统研究的建议。关于本文提出的单缸自由活塞式斯特林发动机带动直线发电机工作的运行方式，还未见国内学者对其进行研究的报道。1.3.2国外研究现状现阶段采用斯特林发动机的发电系统主要应用在以下几个方面:一、空间发电应用美国MTI公司和瑞典公司为NASA共同开发了宇航用的25kWS
