Halbach动圈式永磁直线电机的设计(3)

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（3）实用商品阶段（1971年至今）

从1971年开始到目前这个阶段，直线电机进入了独立应用的阶段，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的产品和装置，例如直线电机驱动的钢管输送机、起重机、空压机、冲压机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超过500km/h，接近航空的飞行速度。在这一时期，直线电机以直线电机系统与旋转电机系统进行竞争，找到了自己发挥特长的地方。

1.4 论文主要内容

如果设计出一个动圈式电机加上一个自由活塞发动机，那么定子（包括NdFeB）和电机之间可以使用无触头连接，定子（包括NdFeB）也可以使用水冷系统，从而可以使NdFeB的温度低于磁转换温度，与此同时，运动质量可以大大减轻，而且以线圈为动子，永磁为定子，将永磁固定在铁心上，其强度会大大提高，这样高速运动产生的压力对磁材料强度的影响会减少。因此，这篇文章研究了在内燃-直线发电设备中动圈直线电机的应用。

本设计针对内燃直线发电系统的需求，参考国内外研究成果，探究合适的基本结构，设计了一种动圈式永磁直线电机，本文的主要工作有：首先研究内燃直线发电系统用直线电机的发展现状，然后进行直线电机的电磁仿真分析，以及机械结构的设计。

针对目前国内外内燃直线发电系统的需求以及直线电机技术水平，对本设计中的直线电机提出了预期的性能要求：最大推力4000N，电枢电流100A，行程70mm。

2 直线电机结构方案确定

直线电机的核心部位是永磁及铁心，电机的性能很大程度上是由永磁及铁心的结构、材料、尺寸决定，比如推力的大小，推力的波动性，推力密度等关键性能。在设计的开始阶段首先要确定直线电机的结构方案，也就是确定永磁以及铁心的基本结构，然后外围的结构就能够由它们的结构与尺寸来确定。永磁及铁心的设计主要任务有：（1）永磁以及铁心基本结构的选择，（2）永磁及铁心材料的选择，（3）永磁及铁心基本尺寸的确定。

2.1 永磁以及铁心基本结构的选择

永磁以及铁心基本结构的选择将决定电机中磁场的分布与大小，从而决定电机的推力大小以及波动情况，所以是直线电机的核心部分，本节将从比较现有直线电机常见基本结构出发，通过比较各自的优点与缺点，综合考虑，然后选用一种合适的基本结构，也对材料进行比较研究，选择合适的永磁以及铁心材料。

对于永磁以及铁心的结构，动圈式直线电机常采用的基本结构有单边型，双边型和采用Halbach永磁阵列的双边型三种结构。

2.1.1 单边型

单边型基本结构如图2.1所示，直线电机的定子由永磁铁与铁心构成，动子由线圈包装无磁性的筒子构成，其中铁心作为磁通回路。类似的方案已被大量的文献报道，也已经被用于需要运动控制或者需要高频振动的设备当中，比如压缩机、斯特林发动机和振动器，因此，这种结构也可以作为ICLG设备适当的选择方案。

单边型基本结构

这种结构的特点是结构简单便于制造，成本小，然而经研究发现，在图2.1中的设计不能满足预期的要求，特别是在大电流的情况下，存在一些问题，首先，推力和发电效率还需要优化。其次，因为在一定量上电枢磁场转移和扭曲了气隙磁场密度的分布，导致沿着运动方向上往复运动中的推力是不平衡的（这种现象与同步电机中的相似，被称为电枢反应）。最后，因为该设计的不对称结构，使线圈自感有变化，结果减小了推力，降低了运动的可控制性。