热声发电系统之永磁直线发电机设计
夏加宽，李兵
（沈阳工业大学电气工程学院，沈阳110178）
摘要：根据热声发电系统的特点，文章选取圆筒式永磁直线发电机作为系统的振子性负载，将传统单一的轴向或径向磁路结构改变为轴向径向混合磁路结构，并利用有限元计算仿真软件ansoftmaxwell 3d，对直线发电机的内部磁场、永磁体所受定位力进行分析计算。计算结果表明，传统结
构直线发电机与新型结构直线发电机相比定位力减少了百分之25。
关键词：圆筒式永磁直线发电机；热声；有限元；混合磁路
中图分类号：tm313；tm359. 4 文献标志码：a 文章编号：1001-6848（2010）03-0008-02
0引言
热声发电是一种全新的热发电技术，具有可靠性高、制作成本低、热效率高以及环保等优点。将别是热声发电技术可利用太阳能、工业余热以及任何燃料燃烧产生的热能来工作，因而热声发电机正在成为能源动力研究领域里的一项前沿技术”1。热声发电系统是通过热声发动机驱动直线发电机从而实现热能向声能再向电能转换的技术。它包括两部分：一是热声发动机；二是直线发电机。热声发动机利用热声效应来驱动直线发电机的动子，从而将热声能转换为电能。
目前，文献[2-5]在热声发动机特别是行波型热声发动机方面，不论在压力波动幅值上还是在声功输出量和效率方面都已经取得了很大的突破。但是他们的研究都是侧重于发动机方面，对于整个系统的匹配问题、直线发电机的定位力对于控制精度影响问题等研究相对较少。
本课题针对对热声发电系统中的永磁直线发电机的定位力进行研究，采用轴向径向混合磁场的方案来减小发电机的定位力，降低损耗，提高直线发电机的效率。
1热声系统、圆筒式永磁直线发电机的结构特点及工作原理
随着热声发电系统功率等级的不同，需要有不同的直线发电机与之匹配，本课题提出级联式结构设计的方案。所谓级联就是将直线发电机每个小单元（以下称单元直线发电机或单元电机）连结起来，知每个单元直线发电机的发电功率为0 5 kw，如果将10个这样的单元电机相连就是5 kw，这个发电系统的发电范围可以从很小到很大，如图1所示。
热声发电系统中的发电机我们选择圆筒式永磁直线发电机，采用永磁直线发电机是因为永磁体提供磁场，不需要直流供电的磁场线圈，使电机结构更为简单，无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电机的效率，减小了整个系统得重量。而热声发电系统之永磁直线发电机设计夏加宽，等在直线发电机的诸多结构中选择圆筒式结构是因为其具有对称性，结构简单等优点，且不存在绕阻端部，提高了绕组的利用率，因此不存在横向
边端效应支撑。
相似于旋转电机，永磁直线发电机的永磁体镶嵌于不导磁的不锈钢动子上，定子是由硅钢片叠压而成的。径向充磁，方向相反的永磁体在水平方向按简谐运动规律运动，静止时相对于铁心在对称位置平衡，此时线圈中的磁通为零；运动到****振幅时，其中一块磁体与铁心截面重合，此时在铁心中产生****磁通。当磁体又朝相反方向运动至另一个****位移时，产生相反方向的****磁通近似假设在整个运动周期中由两块磁体所产生的合成磁通进入到铁心和线圈中的磁通符合正弦规律。如图2所示：则有线圈中的磁通变化：
线圈中感应的电势为：
其n为线圈的匝数。
2 电机电磁场分析计算
由于传统直线电机结构的特殊性，国内外对直线电机本体电磁场的仿真分析多限于2d。这样虽然简化了分析的复杂程度，但过多假设条件的加入， |
