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系統識別號 U0026-3107201820303300
論文名稱(中文) 線性交流發電機與自由活塞式史特靈引擎整合系統之動力分析
論文名稱(英文) Dynamics Analysis of a Linear Alternator Integrated with Free-Piston Stirling Engine
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生(中文) 謝坤植
研究生(英文) Kun-Chia hsieh
學號 p46054155
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 94頁
口試委員 指導教授-鄭金祥
口試委員-陳文立
口試委員-李劍
口試委員-謝旻甫
中文關鍵字 線性交流發電機  自由活塞式  史特靈引擎  熱力模型  電磁模型  動力模型 
英文關鍵字 Linear alternator  Free-piston  Stirling engine  Thermodynamic model  Dynamic model  Electromagnetic model 
學科別分類
中文摘要 本研究目的是將線性交流發電機結合自由活塞式史特靈引擎進行數值分析,了解線性交流發電機之發電效率及自由活塞式史特靈引擎之動態特性。由於自由活塞式史特靈引擎啟動運作參數範圍極小,當與線性交流發電機作耦合後,必須了解兩者結合後之運作特性。控制引擎運轉的參數相當多且複雜,因此將自行開發與設計線性交流發電機之原型機,透過電磁模擬軟體JMAG進行參數分析,提供未來進行線性交流發電機的設計方向,掌握其關鍵之技術。此外將熱力模型、電磁模型及動力模型結合後進行數值分析,探討動子永久磁鐵尺寸、不同負載電阻、不同磁路設計等參數影響,來了解自由活塞式史特靈引擎與線性交流發電機耦合後之運作頻率、衝程與發電效率。
英文摘要 The aim of this study is to perform a numerical analysis of a linear alternator with a free-piston Stirling engine for the electrical efficiency of a linear alternator and the dynamic characteristics when it is integrated with a free-piston Stirling engine. Since the free-piston Stirling engine can only operate with a very small range of design and operating parameters, it is necessary to understand the dynamic behaviors of the integrated system. In parallel, a prototype linear alternator is developed and designed, with the help of the electromagnetic simulation software JMAG, which could provide the design concepts. The numerical analyses are composed of the thermodynamic model, dynamic model and electromagnetic model In addition, the influences of permanent magnet size, load resistance and the magnetic circuit design are predicted the operating frequency, stroke and electrical efficiency when the linear alternator is combined with the free-piston Stirling engine.
論文目次 摘要 I
ABSTRACT II
致謝 XII
目錄 XIII
表目錄 XVII
圖目錄 XVIII
符號索引 XXI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 史特靈引擎 2
1.2.1 介紹與工作原理 2
1.2.2 自由活塞式史特靈引擎 3
1.3 線性交流發電機 4
1.3.1 介紹及原理 4
1.3.2 電磁模擬與分析 6
1.4 研究方法與目標 7
1.5 論文架構 8
第二章 理論模式 9
2.1 基本假設 9
2.2 動力模式 10
2.2.1 運動方程式 11
2.3 熱力模式 12
2.3.1 初始設定 12
2.3.2 各腔室體積變化 14
2.3.3 壓力與引擎功率 15
2.4 電磁模式 15
2.4.1 統御方程式 16
2.4.2 邊界條件 19
2.4.3 加權餘量法 20
2.4.4 磁力計算 22
2.4.5 感應電動勢 23
2.4.6 輸出電功率 24
2.4.7 線性交流發電機發電效率 25
2.5 碰撞處理 25
2.6 計算流程 27
第三章 線性交流發電機設計與數值模擬 29
3.1 線性交流發電機設計 29
3.1.1 軟磁鐵芯 29
3.1.2 永久磁鐵 30
3.1.3 線圈 31
3.2 數值模擬 32
3.2.1 幾何模型 32
3.2.2 網格設定 33
3.2.3 條件設定 33
3.2.4 電路設計 34
第四章 結果與討論 35
4.1 不同參數對線性交流發電機的影響 35
4.1.1 衝程對線性交流發電機的影響 35
4.1.2 運作頻率對線性交流發電機的影響 36
4.1.3 磁鐵厚度對線性交流發電機的影響 37
4.1.4 氣隙寬度對線性交流發電機的影響 37
4.1.5 定子軛部寬度對線性交流發電機的影響 38
4.1.6 定子軛部孔洞對線性交流發電機的影響 39
4.1.7 負載電阻對線性交流發電機的影響 39
4.2 自由活塞式史特靈引擎結合線性交流發電機 40
4.2.1 位置變化圖 40
4.2.2 動力活塞與動子永久磁鐵受力關係 41
4.2.3 感應電動勢與感應電流關係圖 42
4.2.4 線性交流發電機之電磁場分布圖 43
4.3 不同參數之性能分析 44
4.3.1 負載電阻對性能的影響 44
4.4 新型線性交流發電機設計改進 45
第五章 結論 47
參考文獻 49
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