孫 蕓, 張洪信,趙清海,梁 震

(1. 青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071;2. 青島大學(xué) 動(dòng)力集成及儲(chǔ)能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東 青島 266071)

0 引 言

永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)將傳統(tǒng)的活塞式內(nèi)燃機(jī)與直線電機(jī)結(jié)構(gòu)原理集成一體，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能和電能的輸出，具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了多元?jiǎng)恿π枨?，在?dòng)力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

關(guān)于直線動(dòng)力結(jié)構(gòu)仿真建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化國(guó)內(nèi)外有很多研究。法國(guó)科學(xué)研究中心Ruellan等人針對(duì)雙自由活塞微同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了直驅(qū)管式直線感應(yīng)發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究并對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證[1]。約旦大學(xué)Alrbai等人結(jié)合動(dòng)力學(xué)對(duì)自由活塞式直線動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，通過增加彈簧等裝置提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高效的化學(xué)能量到電能的轉(zhuǎn)換[2]。上海理工大學(xué)使用有限元軟件FLUX，基于改進(jìn)熵值TOPSIS法的多目標(biāo)優(yōu)化算法，最終確定了多目標(biāo)優(yōu)化后海浪直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸[3]。劉韌等人在此基礎(chǔ)上提出基于克里金模型的全局優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)無鐵心永磁直線電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。有限元仿真是一種能高效實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，武漢理工大學(xué)徐鑫鑫等人通過有限元仿真分析Halbach型次級(jí)永磁同步直線電機(jī)次級(jí)永磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)、永磁體材料等對(duì)電磁推力的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)了永磁同步直線電機(jī)的次級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸，有效提高了電機(jī)的電磁性能[5]。上海理工大學(xué)洪昊等人利用數(shù)值分析和有限元模擬兩種不同分析方法得到了電機(jī)多項(xiàng)性能參數(shù)，利用模擬結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)磁式直線電機(jī)的優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性[6]。

國(guó)內(nèi)外研究者運(yùn)用了多種優(yōu)化方法，從不同方面實(shí)現(xiàn)了直線動(dòng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但目前主要集中在單一優(yōu)化變量或者優(yōu)化目標(biāo)上，多目標(biāo)綜合性能指標(biāo)優(yōu)化研究不足，降低了優(yōu)化效果。本文針對(duì)青島大學(xué)提出的永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)建立全面的設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，基于ISIGHT集成Maxwell有限元仿真法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)、定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效改善了永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁性能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化后性能給予全面評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案獲得優(yōu)于初始結(jié)構(gòu)的性能，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

本文研究對(duì)象是能夠根據(jù)動(dòng)力需求輸出電能和機(jī)械能的雙元?jiǎng)恿Πl(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)集成了直線電機(jī)與傳統(tǒng)活塞式內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，目前已存在多種與此相關(guān)的直線發(fā)電結(jié)構(gòu)。其中，自由活塞式直線發(fā)電機(jī)(FPLG)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、燃料適應(yīng)性好、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，但其活塞的運(yùn)動(dòng)行程不固定，點(diǎn)火正時(shí)困難，很難保證工作穩(wěn)定性，沒有得到廣泛應(yīng)用。為探索能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的新技術(shù)新方法，有研究者發(fā)明設(shè)計(jì)了海浪直線發(fā)電機(jī)，充分利用海浪中蘊(yùn)藏的能量，但海浪發(fā)電面臨的環(huán)境較為復(fù)雜，很難形成產(chǎn)業(yè)化的海浪發(fā)電機(jī)[9-10]。青島大學(xué)張鐵柱提出了一種電力約束發(fā)動(dòng)機(jī)，該結(jié)構(gòu)是依靠傳統(tǒng)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)約束活塞行程，實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能明顯地改善自由活塞式發(fā)電機(jī)輸出電能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，同時(shí)，節(jié)能與動(dòng)力提高效果顯著。但該結(jié)構(gòu)是通過增加連桿的長(zhǎng)度，并在連桿處安裝永磁體和定子繞組線圈，體積龐大不適合在轎車等小型裝置上使用，適用范圍較小[11]。

為了克服上述弊端，青島大學(xué)進(jìn)一步提出了永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)，樣機(jī)如圖1所示，目前已完成原理樣機(jī)的研制和初步的性能試驗(yàn)。

圖1 永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)圖

永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)除了包括傳統(tǒng)的燃燒室、噴油器、曲柄連桿組件外，還包括活塞與永磁體集成的運(yùn)動(dòng)組件以及定子線圈(如圖2所示)。該發(fā)動(dòng)機(jī)依靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)來約束動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)和行程，驅(qū)動(dòng)附屬系統(tǒng)工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作定時(shí)。動(dòng)子永磁體通過螺栓連接在活塞裙部，永磁體成環(huán)狀，內(nèi)外表面為圓弧面，與活塞的外圓柱面同心。另外，在內(nèi)部永磁體上端面與活塞之間有隔熱墊，減少活塞向永磁體傳熱，防止永磁體過熱退磁。電磁線圈纏繞在定子槽內(nèi)，可通過接線端子輸出電壓與電流。電磁線圈因永磁體的往復(fù)移動(dòng)，內(nèi)部磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并對(duì)外輸出電動(dòng)力，同時(shí)曲軸的端部仍可對(duì)外輸出機(jī)械動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了雙元?jiǎng)恿敵觥?/p>

圖2 永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃料充分燃燒后產(chǎn)生熱能推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)動(dòng)子永磁體上下運(yùn)動(dòng)，切割磁感線，輸出電能。同時(shí)，曲軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)并在飛輪中儲(chǔ)能，進(jìn)而輸出機(jī)械能。永磁活塞式機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)可以將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能單獨(dú)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能輸出，也可以同時(shí)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能輸出。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端子與負(fù)載斷開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在做功行程中儲(chǔ)能，在排氣沖程、吸氣沖程和壓縮沖程中飛輪釋放能量，使曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并從曲軸端對(duì)外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。當(dāng)輸出端子與負(fù)載連通時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為負(fù)載提供電能。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

(1)設(shè)計(jì)變量

如圖3所示，x1為動(dòng)子永磁體徑向?qū)挾?，x2為動(dòng)子永磁體高度。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體的位置及尺寸影響發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和性能，以永磁體的尺寸為設(shè)計(jì)變量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅可以改善電動(dòng)力結(jié)構(gòu)尺寸也能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。圖3中x3為定子槽高度，x4為定子槽寬度。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，優(yōu)化定子槽型有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)損耗，其中槽的寬度和高度對(duì)損耗影響較大，因此選為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

X=[x1,x2,x3,x4]

(1)

(2)優(yōu)化目標(biāo)

以永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出電流(I)最大，定子損耗(W)最小為目標(biāo)：

α1I(X)/Imax+α2Wmin/W(X)

(2)

式中，X為設(shè)計(jì)變量；Imax為輸出電流最大值；Wmin為定子鐵心損耗最小值；α1、α2為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取α1=α2=0.5。

(3)約束條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)容許，確定各優(yōu)化變量的取值范圍如下：

3 mm≤x1≤14.5 mm;2 mm≤x2≤8 mm;2.5 mm≤x3≤9.5 mm;5 mm≤x4≤17.5 mm;

(3)

對(duì)永磁體體積進(jìn)行約束：

由于強(qiáng)度和重量的限制，在優(yōu)化過程中，將永磁體體積設(shè)為定值。

(4)

式中，D為活塞裙部的內(nèi)徑。

通常電機(jī)的槽滿率限制在50%-80%，其大小取決于電機(jī)槽口的大小和導(dǎo)線面積，槽的大小會(huì)直接影響電機(jī)的性能[12-13]。

槽滿率為

(5)

式中，N為導(dǎo)線并聯(lián)根數(shù)，Ac為導(dǎo)線截面積，S為槽有效面積。

在優(yōu)化過程中，以定子截面積為定值進(jìn)行約束。

S=x3×x4=30 mm2

(6)

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化與結(jié)果

3.1 優(yōu)化過程

采用ISIGHT軟件與ANSOFT Maxwell軟件聯(lián)合仿真的方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，Maxwell軟件通過Simcode組件實(shí)現(xiàn)集成，并選用NSGA-II算法對(duì)永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[14-15]。利用Maxwell軟件腳本錄制功能生成vbs文件和csv文件集成到simcode組件中，simcode在此基礎(chǔ)上生成bat文件，驅(qū)動(dòng)ANSOFT Maxwell運(yùn)行，如圖4所示，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，得到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解。

圖4 優(yōu)化模型

3.2 優(yōu)化結(jié)果

基于ISIGHT的Optimization模塊，依據(jù)設(shè)置的參數(shù)范圍選出最佳優(yōu)化方案。運(yùn)用NSGA-II算法對(duì)永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)展開多目標(biāo)優(yōu)化。輸出電流迭代過程如圖5所示，損耗迭代過程如圖6所示。其中三角形代表不可行解，正方形代表可行解，圓形代表最優(yōu)解。隨著永磁體和定子槽的結(jié)構(gòu)尺寸不斷改變，永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)輸出不同的目標(biāo)值，最終得到滿足約束條件的最優(yōu)解。

圖5 輸出電流迭代過程圖

圖6 損耗迭代過程圖

優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果表明，通過對(duì)直線電動(dòng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，得到動(dòng)、定子最優(yōu)尺寸參數(shù)。由于定子槽體積減小，因槽滿率限制，單槽內(nèi)線圈由原來的100匝減少為90匝。優(yōu)化后輸出電流和損耗值均有所改善，永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁性能得到顯著提高，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

4 優(yōu)化樣機(jī)性能分析

為滿足工程需要，節(jié)省計(jì)算資源，利用Maxwell軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)2D仿真模型(如圖7所示)，對(duì)優(yōu)化前后電動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能仿真研究[16-17]。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)2D仿真模型

4.1 空載分析

永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)的磁密分布與永磁體的尺寸密切相關(guān)，優(yōu)化后模型瞬態(tài)磁力線分布如圖8所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖9所示。從圖中可以看出，優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)磁通分布比較均勻，永磁體和磁軛利用率較高，軸向充磁比徑向充磁永磁體利用率高。

圖8 磁力線分布云圖

圖9 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布矢量圖

比較優(yōu)化前后空載電動(dòng)勢(shì)值，結(jié)果如圖10所示，優(yōu)化后空載電動(dòng)勢(shì)明顯增加。優(yōu)化前空載電動(dòng)勢(shì)最大值為87.2 V，通過計(jì)算有效值為29.4 V，優(yōu)化后最大值為94.1 V，通過計(jì)算有效值為32.3 V，增加了8.8%，有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，永磁體得到充分利用，得到理想的空載電勢(shì)值。

圖10 空載電動(dòng)勢(shì)優(yōu)化前后對(duì)比圖

4.2 輸出電流

如圖11所示外接固定負(fù)載后，輸出電流變化如圖12所示，采用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電流的最大值增加。優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電流最大值為4.7 A，通過分析計(jì)算有效值為1.6 A；優(yōu)化后最大值為6.1 A，有效值為2.1 A，增加了31.3%，有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁性能，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

圖11 等效電路圖

圖12 輸出電流優(yōu)化前后對(duì)比圖

4.3 電磁力

電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由電樞電流在磁場(chǎng)中受到電磁力產(chǎn)生的，電磁力的大小影響發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁性能。優(yōu)化前后電磁力對(duì)比如圖13所示，優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)電磁力最大值為91.1 N，分析計(jì)算得有效值為82.3 N；優(yōu)化后最大值為125.7 N，計(jì)算后得有效值為90.4 N，增加了10.2%，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)電磁力。

圖13 電磁力優(yōu)化前后對(duì)比圖

4.4 定子損耗

通過優(yōu)化定子槽的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)了降低定子鐵心損耗的目標(biāo)，優(yōu)化前后對(duì)比如圖14所示，優(yōu)化后定子損耗最大值明顯減小。通過仿真分析，優(yōu)化前損耗最大值為2.3 W，計(jì)算得有效值為0.72 W；優(yōu)化后損耗最大值為1.4 W，計(jì)算得有效值為0.56 W，減少了21.2%，有效減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的能量損失，也為后期溫度場(chǎng)研究提供了基礎(chǔ)。

圖14 損耗優(yōu)化前后對(duì)比圖

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)青島大學(xué)提出的新型雙元?jiǎng)恿ρb置-永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)，論述了其結(jié)構(gòu)與工作原理，建立了電動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。

(2)永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基于ISIGHT聯(lián)合ANSOFT Maxwell有限元仿真的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)后續(xù)優(yōu)化研究具有一定的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

(3)運(yùn)用NSGA-II算法對(duì)永磁活塞機(jī)械電力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，最終得到電動(dòng)力結(jié)構(gòu)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(4)優(yōu)化后空載電動(dòng)勢(shì)有效值為32.3 V，提高了8.8%；優(yōu)化后輸出電流有效值為2.1 A，提高了31.3%；優(yōu)化后電磁力有效值為90.4 N，提高了10.2%；優(yōu)化后定子損耗有效值為0.56 W，降低了21.2%，驗(yàn)證了優(yōu)化模型與優(yōu)化方法的有效性。