（车辆工程专业论文）单缸ecpe电磁分析.pdf

目录 a b s t r a c t t h es t u d yo b j e c to ft h i sp a p e ri s s i n g l e - c y l i n d e re l e c t r i cp o w e rc o n f i n e dp i s t o n e n g i n e ( e c p e ) t r a d i t i o n a le n g i n e - e l e c t r i cg e n e r a t o rs y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rf r e e p i s t o ne n g i n ca r ei n t e g r a t e dh e r e a tt h es a m et i m e ，t h ea d v a n t a g e s o ft h et w o t e c h n o l o g i e sa r ea s s i m i l a t e d a san e wp o w e rs y s t e m ，i tc a nc o n v e r s et h eh e a te n e r g y r e l e a s e dd u r i n gt h eb u r n i n gi n t oe l e c t r i c a le n e r g yd i r e c t l ya c c o r d i n gt ot h er e c i p r o c a l m o t i o no fe n g i n ep i s t o n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o ne n g i n ea n dg e n e r a t o rg r o u ps y s t e mi n h y b r i dv e h i c l ea r e aa n dt h eb a c k g r o u n do ft h es i n g l e c y l i n d e re l e c t r i cp o w e rc o n f i n e d p i s t o ne n g i n e t h es t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lf e a t u r e so fs i n g l e - c y l i n d e re l e c t r i cp o w e r c o n f i n e dp i s t o ne n g i n ea r ei n t r o d u c e d ，t h ea d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n go ft h r e ek i n d so f h e a tt oe l e c t r i c i t yc o n v e r s es y s t e ma r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d t h ea n a l y s er e s u l t ss h o w t h a te c p ec a nc h a n g eh e a te n e r g yp r o d u c e db yb u r n i n gt oe l e c t r i ce n e r g ys i m p l yh i g h e f f i c i e n t l ya n de x p e d i e n t l ya n di san e we n e r g y s a v i n ge n v i r o n m e n t a lh e a tt oe l e c t r i c i t y c o n v e r s es y s t e m t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs i n g l e c y l i n d e re l e c t r i cp o w e rc o n f i n e dp i s t o ne n g i n ei s i n t r o d u c e da n dt h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cm o d e li s e s t a b l i s h e d c o m p a r e dw i t h t r a d i t o n a le n g i n e s ，e c p ec a np r o d u c es i n e - w a v ec u r r e n t ，t h ev o l tc a nr e a c h2 1 0v i n n o l o a dc o n d i t i o n m a g n e t i cf i e l di sa n a l y s ew i t hf i n i t ee l e m e n t f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m i se s t a b l i s h e dw i t hl a r g e s i z e df i n i e t ee l e m e n ts o f t w a r e t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f a c t i v ec e l ld i s p l a c e m e n ti s c a l c u l a t e d , i n c l u d i n gt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nw h e n a c t i v ec e l li nt h ep o s i t i o no fq u a d r a t u r ea x i sa n dd i r e c ta x i s ，t h er e s u l t sa r cs h o w ni n g r a p h i c sd i r e c t l y t h er e s e a r c hl a yt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rk n o w i n gt h e r e l a t i o no fn o - l o a dg e n e r a t e dv o l t a g ea n dl o a d e de l e c t r i cm a g n e t i cf o r c ea n dd e t e r m i n i n g t h es t r u c t u r eo fe l e c t i ce n g i n e t h ep r o g r a mi su n i v e r s a la n dc a nb eu s e di nm a g n e t c if i e l d a n a l y s ei nr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e m ，p o l a rc o o r d i n a t es y s t e ma n dc i r c u l a rc y l i n d r i c a l c o o r d i n a t es y s t e m d e e p e rk n o w l e d g eo ft h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t i ce n g i n ei nn o l o a da n d l o a d e dc o n d i t i o ni sa c h i e v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tc a nb eu s e da sar e f e r e n c eb a s i so f p r o d u c to p t i m i z a t i o na n dp r o m o t i o n k e yw o r d s ：s i n g l e - e y l i n d e re n g i n e ；f e m ；n o - l o a de m f ；e l e c t r o - m a g n e t i cf o r c e 青岛大学硕士学位论文 目录 第一章引言l 1 1 课题的意义1 1 2 电力约束活塞发动机的概述3 1 2 1 电力约束活塞发动机的结构3 1 2 2 电力约束活塞发动机的主要技术特征及优点。4 1 3 主要研究内容和解决的主要问题5 1 3 1 主要研究内容5 1 3 2 解决的主要问题6 第二章单缸e c p e 的工作原理及动力学模型7 2 1 单缸e c p e 工作原理7 2 2 单缸电力约束活塞发动机运动系统动力学模型8 2 2 1 单缸e c p e 运动学分析9 2 2 2 单缸e c p e 的动力学分析。9 2 2 3 系统的动力学方程n 2 2 4 系统结构的模型参数。1 2 2 3 本章小节。1 3 第3 章直线发电机有限元分析基础二1 4 3 1 电磁场基本理论1 4 3 1 1 麦克斯韦方程1 4 3 1 2 一般形式的电磁场微分方程1 5 3 1 3 电磁场中常见边界条件1 6 3 2 电磁场分析的传统方法。1 7 3 3 有限元法及有限元软件概述：1 7 3 4 电磁场的有限元法。1 9 3 4 1 正弦时变场的条件变分表述1 9 3 4 2 单元剖分插值。2 2 3 4 3 单元分析。2 3 3 4 4 总体合成。2 6 3 4 5 边界条件。2 7 3 4 6 求解总体方程2 8 3 5 电机结构有限元模型2 8 3 6 本章小结3 0 第四章单缸e c p e 空载电磁分析。3 1 4 1 解析法求解单缸e c p e 空载电动势3 1 4 2e c p e 试验样机空载电动势试验结果。3 4 4 3 有限元法求解空载电动势3 5 4 3 1 直线发电机有限元实体模型的建立3 6 目录 4 3 2 空载电动势分析计算。3 7 4 4 本章小结3 8 第五章单缸e c p e 负载电磁分析3 9 5 1 负载磁场分析3 9 5 2 求解单缸e c p e 负载电磁力3 9 5 2 1 麦克斯韦张量法3 9 5 2 2 虚功法4 0 5 3 负载电磁力的计算4 0 5 3 本章小结4 2 第六章结论与展望4 3 6 1i 占论z i ：； 6 2 展望。4 3 参考文献4 4 攻读学位期间的研究成果4 6 致谢4 7 学位论文独创性声明4 8 学位论文知识产权权属声明4 8 青岛大学硕士学位论文 1 1 课题的意义 第一章引言 1886 年，世界上第一辆装有发动机的汽车问世。自此，人类告别了“马车时 代”，跨入了“汽车时代”。至今世界汽车工业已经有了1 0 0 多年的发展历史，发生自 上世纪7 0 年代的能源危机，使石油价格节节攀升，汽车尾气排放成为加速全球变暖 的重要因素。在这种大环境下，世界各国都在研究和开发更环保节能的产品，替代 能源汽车、纯电动汽车和混合动力汽车成为各国汽车工业研究的重点【。 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称髓是指同时装备两种动力来 源熟动力源( 由传统的汽油机或者柴油机产生) 与电动力源( 电池与电动机) 的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行 工况灵活调控，而发动机则能在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。 混合动力汽车采用了够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装 置提供加速与爬坡所需的附加动力，从而起到了提高总体效率而又不牺牲性能的作 用。混合动力车还可以回收制动能量。在传统汽车中，当汽车制动时，这种本可用 来给汽车加速的能量作为热量被白白浪费掉了。而混合动力车却能大部分回收这些 能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。这种状况在城市用车辆中更加明显，尤 其以公交车最为典型。在对汽车动力要求不高的工况下可以单独使用电动机或发动 机驱动汽车，或者二者结合以取得更好的效果。例如在低速行驶时可以单靠电机驱 动，而在公路巡航时可以单靠发动机驱动，在仅用电机驱动时就算是在发动机关闭 时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。 目前混合动力汽车行业广泛采用的热电转换方式是传统的内燃机发电 机组合系统。串联、并联和混连是该组合系统主要的三种连接方式1 7 h 1 2 1 。这种组合 形式是内燃机和旋转式发电机的组合。 串联式混合动力系统示于图1 1 ，是一种广泛应用于城市公交车中的一种动力传 递系统，该动力系统一般通过内燃机带动发电机发电，然后将产生的电能储存在电 池中，再通过电池将电能传递给电动机将电能转换为动能，最后再通过相应的变速 装置来驱动汽车。为保证车辆正常工作，该连接方式通过电池在电动机的需要和发 电机产生的电能之间进行调节。 并联式混合动力系统示于图1 2 ，是本田雅阁和本田思域经常采用的一种动力传 递系统，该系统结构简单、成本低，适用于多种不同的行驶工况，特别是复杂的行 驶工况。并联式混合动力系统的两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统 既可以同时驱动车辆也可以各自单自工作驱动车辆行驶。 第一章引言 屯； ：一。 ? ? i ，jj 晦：，j j 毗一意黪t 舔e i ? ；搋 图1 1 串联式混合动力系统图1 2 并联式混合动力系统 混联式混合动力系统示于图1 3 ，是丰田普锐斯经常采用的一种动力传递方式。 混联式动力系统虽然可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运 转但是此联结方式系统复杂，成本高。因为其系统两种驱动系统有各自的变速机构， 两套机构通过行星轮式机构或者齿轮系结构连接在一起，以便调节内燃机于电动机 之间的转速关系。 t ，峰赣力嘲曩方痨一壤蠢懒秘 ，。一蕞 图1 3 混联式混合动力系统 还有就是把内燃机与直线发电机相结合的形式，该形式的系统分为两种，一种 是发动机的活塞自由运动，故称其为电力自由活塞发动机或者是内燃式自由活塞直 线发电机( e l e c t r i cp o w e rf r e ep i s t o ne n g i n e ，简称e f p e ) e f p e 典型结构及工作原 理示意图示于图1 4 【3 1 1 。在有活塞一电机动子的2 个工作室中完成能量转换工作。在 第一、第二两个工作室中分别完成热能向机械能的转换和机械能电能的转换和输出。 l23 4 5 电鞴于 图1 4e n e 结构及工作原理示意图 1 燃烧室；2 活塞；3 移动杆( 接直线电机动子) ；4 直线电机定子；5 热绝缘 e f p e 方案主要有两大类，一类是采用传统结构的直线发电机，采用该类方案的 主要有瑞典阜家工学院和马来西亚的马来亚大学采用的轴向充磁的圆筒形直线发电 机方案，加拿大女王大学采用的简单的动线圈型永磁发电机方案，美国西维吉尼亚 大学采用径向充磁的圆筒形直线发电机方案；另一类则采用了特殊的结构设计，主 2 孕o ，娥锚，0一 簿竺 遁。一 青岛大学硕士学位论文 要有瑞典皇家工学院采用横向磁通的模块化设计和英国谢菲尔德大学采用的 h a l b a c h 型永磁体的模块化设计1 3 1 。 还有一种是活塞运动受到约束的发动机，故称其为电力约束活塞发动机( e l e c t r i c p o w e rc o n f m e dp i s t o ne n g i n e ，简称e c p e ) 。e c p e 是青岛大学车辆电子技术研究所 在研究传统的内燃机一发电机组合系统及e f p e 的基础上提出的一种新的现场热一 电转换系统解决方案，该系统巧妙地利用了曲柄连杆机构对活塞一动子的运动约束 及电力自由活塞发动机e f p e 直接进行热一电转换的优点，形成一种新的现场热一 电能量转换系统h 3 。该系统能明显地改善应用装备的工作性能，节能与动力提高效 果显著。 1 2 电力约束活塞发动机的概述 1 2 1 电力约束活塞发动机的结构 电力约束活塞发动机结构及工作原理示意图示于图1 5 。 图1 5e c p e 典型结构及工作原理示意图 卜第一工作室；2 一第二工作室；3 一第三工作室；4 一曲轴箱体：5 气门挺杆；6 一凸轮；7 一正 时大齿轮；8 _ 正时小齿轮；9 _ 曲轴一飞轮组件；1 0 _ 连杆；1 1 - 通气孔；1 2 - 滑块；1 3 - 活塞一动子 组件；1 4 - 定子组件；1 5 - 定子壳体；1 6 _ 电力输出接线盒；1 7 一绕组线圈；1 8 - 汽缸体；1 9 - 活塞； 2 0 _ 汽缸盖 内空柱式结构由固定式主机壳体通过汽缸体和汽缸盖、定子壳体、台式曲轴箱 体自上而下依次固定连接构成，在其右侧制作了气门挺杆，挺杆下端与凸轮形成非 连续式联动机构，内空柱式结构。第一工作室和第二工作室，动子组件顶端的活塞 3 第一章引言 做上下往复移动形成。第二工作室中有永磁式动子和定子绕组线圈构成的可以切割 磁力线产生电能的机制，活塞一动子组件通过滑块与连杆对接联动带动第三工作室内 的曲轴一飞轮组件组合成直线机械能向旋转机械能转换的机构；定子绕组线圈中产生 的感应电流通过接线盒对外输出。 ( 1 ) 第一工作室主要由汽缸盖、汽缸体、活塞三部分组成，每一个工作循环活 塞运动两个或四个行程，实现一次热能向直线机械能的转换。活塞运动四个行程实 现一次能量转换的称为四冲程直线内燃式发电机，活塞运动两个行程实现一次能量 转换的称为二冲程直线内燃式发电机，二冲程、四冲程的直线内燃式发电机第一工 作室的组成和工作机理与传统二冲程、四冲程内燃发动机燃烧室基本相同，但是因 为除去了传统内燃式发动机中连杆摆动引起的侧向力，活塞与汽缸壁间的摩擦情况 大大降低并且机械效率大大提高。 ( 2 ) 第二工作室由定子组件、活塞一动子组件组成主要完成机械能分流和电能 转换。活塞一动子组件的平板部由永磁材料钕铁硼和不导磁的铝合金材料制成，其两 端分别与活塞和滑块相连接，定子组件由采用双边结构形成的硅钢片叠成，动子活 塞往复机械动力的带动下，实现能量的转换和输出。 ( 3 ) 第三工作室是通过曲轴一飞轮组件实现直线机和旋转机械能相互转换的工 作室，主要是为了保证内燃机往复运动的连续性并承担着系统定时和辅助系统的驱 动工作。 ( 4 ) 内燃式直线发电机的构成还包括其他辅助系统和发动机主体，其结构组成 和工作原理于传统内谈及辅助系统于主题类似。 1 2 2 电力约束活塞发动机的主要技术特征及优点 电力约束活塞发动机的样机如图1 6 ，青岛大学已经研制成功，相比较传统的内 燃机发电机组合系统以及e f p e 存在的诸多问题。单缸电力约束活塞发动机充 分考虑了这两种装置的优缺点，结合力两种装置的优点，尽量避免了其缺点带来的 一系列问题。单缸电力约束活塞发动机实现了活塞式内燃机与发电机的一体化，将 传统内燃机发电机组合系统集成。既可以单独提供机械能或电能也可以同时输出两 种能量，实现了e f p e 与传统内燃机发电机的结合，应用范围广；e c p e 止点、 行程固定，附属系统驱动容易，可以制成四冲程或二冲程，适应面更加广泛，；能量 传递转换更加简单，效率高，省去了传统内燃机发电机组和系统中的中间环节 和由此带来的一些影响；e c p e 提供柔性动力，易于实现无级变速和动力的瞬时中 断，并能更好地实现应用系统的动力特性，使整车具有最佳的工作工况；不仅效率 高还能实现制动能的回收很好得实现了节能环保的汽车工业发展需求；因为零件数 4 青岛大学硕士学位论文 量少，所以体积小重量轻，其生产成本更低，经济性更好。 图1 6 平版型1 1 k v a 单缸f z p e 样机 1 3 主要研究内容和解决的主要问题 电力约束活塞发动机是一台可以直接将燃料燃烧产生的热能转换成直线机械能 再将直线能转换成电能的内燃式直线发电机。该装置的能量传递转换更加简单，效 率更高，省去了传统内燃机发电机组合系统中的中间环节和由此带来的一些影 响，因为零件数量少，所以体积小重量轻，其生产成本更低，经济性更好。但是前 期的研究成果有很大的局限，单缸电力约束活塞发动机的结构仅仅是由经验值粗略 设计，研制的单缸轴向e c p e 样机由1 7 8 f 柴油机改造而来，飞轮的大小、曲轴及连 杆的结构尺寸没有改变，并且发动机和电机的匹配也没有详细的研究。由于种种原 因，尚未开展对发动机的电场分布和电磁力的细致研究工作。而作为一种直线发电 装置对其进行电磁力分析是很有必要的。发电机的研究，磁路结构是关键，磁路结 构设计的合理性直接关系到发电机的性能的提高和状态的稳定性。研究发电机磁路 结构就要研究其电磁场，电机中的电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交 链情况各不相同，而这又是直接影响着电机的状态和性能阻1 。因此，对电机电磁场 的设计和分析对发电机的研究具有重要意义。 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 参考内燃机和直线发电机相关研究成果，根据流体力学、热力学、电动力 学、多体动力学理论，构建新型直线式内燃发电机的工作过程的力学模型，进行运 动学和动力学分析。 ( 2 ) 应用有限元软件建立e c p e 有限元模型。 ( 3 ) 通过有限元软件编制的磁场有限元程序分析e c p e 磁场和电磁力分布。 5 第一章引言 1 3 2 解决的主要问题 ( 1 ) 深入揭示单缸e c p e 系统结构特点、工作原理和能量转化规律，提出单缸 电力约束活塞发动机热电转换的基础理论。 ( 2 ) 把握影响单相e c p e 的工作性能的因素。 ( 3 ) 分析发动机工作和载荷变化时的磁场分布和电磁力变化。 6 青岛大学硕士学位论文 第二章单缸e c p e 的工作原理及动力学模型 2 1 单缸e c p e 工作原理 下面分别介绍了二冲程和四冲程内燃式直线发电机的工作原理。二冲程内燃式 直线发电机工作原理如图2 1 所示。 第一行程 第二行程 第一工作室进行燃烧膨胀、换气等工作，将 热能转换为直线机械能，以便向活塞一动子 组件提供直线机械能量：活塞一动子组件在 该行程由上止点向下止点移动 直线机械能分为两路，第一路作为维持本室工作的能量，第 二路则作为向第二工作室传递的能量，能量分流后通过活塞 一动子组件实现第二路分流直线机械能量向第三工作室的传 递，同时利用第一路分流直线机械能量带动动子组件与定子 组件产生直线相对运动，使永磁磁场与定子线圈相互作用， 从而切割磁力线，依据电磁工作原理实现第一路分流直线机 械能量向电能的转换与输出 在第三工作室中将活塞一动子组件的第路分流直 线运动转换为曲柄一飞轮系统的旋转运动，同时将 该路的分流能量分成三部分，一部分用丁对外旋转 机械能的持续输出，一部分用于驱动辅助系统，一 部分用于活塞一动子组件其他行程的能量储备 第一工作室在第二路分流直线机械能作用下进行换 气、压缩等工作，为下循环的的第一行程作准 备。这样就实现了二冲程双元动力装置一个完整的 热能和机械能，机械能和电能转换并输出的循环 第二工作室先进行惯性直线机械能量的分流，将活塞一动子 组件的惯性直线机械能量分成了两路，一路作为本室：i ：作的 能量，另一路作为向第一工作室传递的能量，然后不仪通过 活塞动子组件实现第二路分流直线机械能量向第- - i 作窀 的传递，还利用第+ 。路分流直线机械能量带动动子组件与定 子组件产生直线相对运动，从而使永磁磁场与行波磁场年l i 互 作用，实现第一路分流直线机械能量向电能的转换与输出 第三工作室先将曲柄一飞轮系统的旋转运动转换为 活塞一动子组件的直线运动，向活塞一动子组件提 供惯性直线机械能量，与此同时持续的对输 外旋 转机械能以辅助系统的驱动一j ：作；活塞一动子组件 在惯性直线机械能量带动下由下止点向上止点运动 图2 1 二冲程e c p e 工作原理 7 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学模型 对于四冲程内燃式直线发电机，其工作原理如图2 2 所示。 第一行程 第二行程 第三行程 第四行程 帚一上r i ：配堪仃船碗膨胀n 任，尢开吁熙眶村 换为a 线机械能。向活塞一动f 组件提供直 线机械能：活塞一动r 鲺i 件、第二i ：作窀、 第i 上作室： 作过程与_ 二冲鞭装冤的第行 程相同 第一工作窀在分流a 线机城能1 的作h i 下进行柞气 过程，其他过脞1 ：_ 二冲程装簧中第冲稚相同 第二工作砸将曲枘一匕柁糸统嗍凝转廷功转快为请 塞一动r 组【件的a 线运动。m 时向活塞一动f 组件 提供惯性r 【线机械能破并持续对输f f i 外旋转的机 械能并辅助系统的驱动i ：作：惯性“线机械能量带 动活塞一动r 组件i l li ：j j 点向下止点移动 第二工作室先进行惯性豇线机械能最的分流，将活塞一动| f 组件的惯性直线机械能皱分成了两路 路作为本审上作的 能量，另路作为向第l ：作宅传递的能毓。然后不仪通过 活塞一动f 组件实现第_ 二路分流r f 线机械能鬣向第一j 作窄 的传递，还利h i 第。路分流f 线机械能醢带动动下组件与定 子组件产生直线相对运动，从咖使永磁磁场与行波磁场栩f 作用，实现第路分流虹线机械能鞋向电能的转换与输 l j 第一工作室在第二路分流组线机械能量作用下完成吸气过程 活塞一动子组件、第二+ f 作室，第tl ：作帑i ：作过秤与本装 置第一二行程的1 ：作过程相r d ，第i ：作帑佳分流机械能越作 用下进行压缩行程，为下循e f ：的燃烧膨胀做准备。这样就 实现了四冲程双冗动力装置个完整的热能向机械能，机城 能向电能转换并输出的循环，如此周咖复始 图2 2 四冲程双元动力装置工作原理 2 2 单缸电力约束活塞发动机运动系统动力学模型 f i l 图2 3 单缸e c p e 曲柄连杆机构受力图 8 青岛大学硕士学位论文 2 2 1 单缸e c p e 运动学分析 单缸e c p e 的动子与活塞是刚性连接的，整个电机组件中动子的速度就等于活 塞的往复运动速度。该装置中，连杆作平面运动，活塞作往复直线运动，曲柄作旋 转运动。该样机由1 7 8 f 内燃机改制，一般认为曲柄是匀速转动的。其角速度( r a d s ) 为 兀旦2-(1to- 2 - ( 1 ) 兀， 3 0 其中：n 为曲轴转速，r m i n 。 曲柄连杆机构如图2 3 所示，活塞位移为( 上止点o 作为起点) z 一，【( 1 一c o s 缈) + 一 - 0 一l 一矛s i n 2 妒) 1 2 - ( 2 ) 其中：f 为连杆长度；a r l l 为曲柄连杆比；妒为曲柄转角； ，为曲柄半径； 于是活塞的速度为 l ，。等丝攀+ o f f 5 n 妒2-(3)n l ，i 1 = = = = 兰= = = +5够 1 一s n 。妒 加速度为 4 一! 生：盖 笔善铲+ 竺兰释一2 ，s 伽妒 2 一c q 图中其它参数的含义如下： y 活塞的速度，m s ； 西一曲轴转动角加速度，r a d s z ； 赫塞的加速度，m s 2 ； ，一曲轴转角，r a d ，起始位置为做工冲程的上止点。 l 琏杆长度，m ； 卜曲柄半径，m ； 麟杆摆角，r a d ： & 卜曲轴角速度，r a d s ； a 连杆半径曲柄长度比，a 一，- ，。 2 2 2 单缸e c p e 的动力学分析 动力学模型是对单缸电力约束活塞发动机进行仿真和优化的基础。建模之前首 先对单缸e c p e 进行受力分析。装置正常工作时，单缸e c p e 受力情况如图2 3 所示， 9 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学模型 并依照受力情况建立其动力分析微分方程。e c p e 的受力分析包括两部分：活塞动 子组件受力分析和曲柄连杆机构受力分析。 由图2 3 可知，活塞一动子组件在运动的过程中共受到6 个力作用，分别是： 导套和活塞之间的摩擦力，、作用于活塞上表面的力、缸套与活塞环之间的摩 擦力巴、往复惯性力f f 、活塞一动子组件受到的连杆作用力在垂直方向的分量f 、 动子和定子之间的相对运动而产生的电磁力瓦。 对活塞动子组件进行受力分析，建立受力平衡方程： - f + + e 。+ e ：+ 瓦 2 - ( 5 ) ( 1 ) 导套和活塞之间的摩擦力 导套和活塞之间的摩擦力巴：为 e ，一疋j c ： 2 ( 6 ) e f t a n p 2 - ( 7 ) 式中：夕为连杆摆角；：为导套和活塞之间的摩擦系数；f 为活塞- 动子组件受到的 连杆作用力在垂直方向的分量；e 为导套所受活塞作用的侧向力；。 ( 2 ) 作用于活塞上表面的力 作用于活塞上表面的力f ，为 一5 一p o 胭2 4 2 - ( 8 ) 式中：d 为活塞直径；p o 为曲轴箱内气体压力；p 。为工质压力。 ( 3 ) 缸套与活塞环之间的摩擦力 缸套与活塞环之间的摩擦力e 。为 e 一c j c l 2 - ( 9 ) 式中：他为活塞环与缸套之间摩擦系数；r 为活塞环对汽缸表面压力。 ( 4 ) 往复惯性力 f 为往复惯性力 一聊加口 2 - ( 1 0 ) 式中，朋加为活塞一动子组往复运动的等效质量，单位为k g 。 ( 5 ) 活塞动子组件受到的连杆作用力在垂直方向的分量 f 为活塞动子组件受到的连杆作用力在垂直方向的分量 f 。墨二墨二墨! 二墨! 二墨 2 ( 1 1 ) 1 + 弘3 t a n0 、。 1 0 青岛大学硕士学位论文 连杆对曲柄销产生的切向力丘与法向力e 为 f ti f s i n l 甲+ p ) c o s f l2 - ( 1 2 ) e - f c o s ( 妒+ d ) c o s p2 - ( 1 3 ) 式中：f 为曲轴转角；8 为连杆摆角( 上止点时等于0 ) 。 连杆对曲轴的作用力矩r 为 t 一互厂2 - ( 1 4 ) 式中：e 为连杆对曲柄销产生的切向力；r 为曲柄半径。 曲轴飞轮组的力矩平衡方程为 t 一乙+ + i o o ) 2 - ( 1 5 ) 式中： 乙为输出转矩，西为曲轴转动角加速度，l 为曲轴飞轮组的转动惯量， 为机械损失扭矩。 ( 6 ) 电磁力 电磁力e 负载时动子和定子之间的相互运动产生。 只而u2 百( 2 p n b c l ，) 24 p 2 2 b c 2 l 2 v4 p 2 n 2 曰。2 l 2 尺r (而wa21sinc p c o s q 口+ w r s 妯刁i 正面一wj 2 - ( 1 6 ) 式中：w 为曲轴角速度，z 为连杆长度； ，为曲柄半径；a r l 为曲柄连杆比；b 。 为铁心的磁通密度；9 为曲柄转角；l ，为活塞一动子组件运动速度；l 为线圈的有效 长度；p 为极对数；r 为负载电阻；u 为直线电机的电动势；n 为线圈的匝数。 2 2 3 系统的动力学方程 对e c p e 进分析建立其数学模型首先要确定系统状态的最小一组变量即系统的 状态变量。如果知道这些状态变量任意初始时刻f o 的值及以后的系统输入，便能完 整的确定系统在时刻f 的状态。这样一组最小的变量称为系统的状态变量。对单缸 e c p e 进行受力分析后，将系统的动力学方程列出。取状态变量，x ，x ”屯，进行 研究，其中：墨为活塞位移，零点为做功冲程的上止点，向下为j 下， 置一，+ z - r c o s ( x 3 ) - l c o s f l ，- a r c s i n a s i n ( x 3 ) 】：x 2 为活塞速度；黾为曲轴转角( 以 曲轴的旋转方向为正) ；x 4 为飞轮角速度；f i 为惯性力；m 抽为活塞动子组往复运 动的等效质量；i 。为曲轴飞轮组的转动惯量；死为机械损失扭矩；c 为输出转矩； 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学模型 z 为连杆对曲轴的作用力矩。 摩擦力可以简化为压力和定长摩擦系数积，那么运动系统动力微分方程可记作： x l 。x 2 扣 x 3 。z 4 戈4 。卜乙一 10 2 - ( 1 7 ) 初值条件为： 葺k - 0 ，x 2 i ，- 0 一o ，屯l 瑚一0 ，x 。i ，- o - j m 3 0 。式中， 为曲 轴转速。 在半个周期内，其负载电磁力曲线的函数表达式为 只。2 1 2 9 4 t 6 2 5 2 7 t 5 + 8 8 2 身4 3 5 4 5 9 t 3 2 4 7 9 t 2 + 7 8 1 8 8 t + 3 9 6 5 【0 t 墨5 j2 - ( 1 8 ) 而单缸e c p e - r 作过程总体动力学方程为： 如| f j | m j 南一 文。- ( r - r 一t c 、| l 。 南一1 2 7 7 6 ( 著) 5 1 2 6 s s ( 詈) 4 + 3 5 2 兜( 詈) 3 1 嘶3 8 ( 詈) 2 一笛9 8 ( 詈) + 7 8 1 8 8 2 - ( 1 9 ) 式中x 。为电磁力，初始条件为： 五i ，- o - o ，x ：i ，1 0 0 ，x 3 i ，o 一0 ，x 4 l ，o - 刀m 3 0 ，鼍i ，- o - 3 9 6 5 。 2 2 4 系统结构的模型参数 单缸e c p e 结构是以1 7 8 f 型直喷式风冷汽油机为原型，除自行研制永磁式直线 发电机部分外其他结构参数实际测出。曲轴与轴瓦、活塞与缸套之问的摩擦系数直 接由1 7 8 f 的额定工况实验校准。发动机与直线发电机的主要参数如表2 1 ( 采用国 际标准单位) ： 1 2 青岛大学硕士学位论文 表2 1j f 3 4 0 型风冷汽油机的主要参数 参数名称参数值 系统转动惯量，o o 1 8 活塞一动子行程s 0 0 6 4 曲柄半径r 0 0 4 5 活塞直径d 0 1 1 2 4 压缩比8 主轴径d 2 0 0 3 5 连杆长度l 0 1 1 2 4 连杆轴径d 3 0 0 3 6 活塞中心线偏离曲轴中心 0 0 0 1 活塞与缸套之间摩擦系数j c l l 0 0 9 3 5 活塞一动子组件与导套之间摩擦系数j 1 2 o 0 6 曲轴与轴瓦的摩擦系数j l l 3 0 0 0 2 2 3 2 3 本章小节 本章首先介绍了单缸电力约束活塞发动机的工作原理和结构特点，分析了电 e c p e 的运动系统对整机结构及工作性能的影响。在进行了更深一步的研究之后， 建立了它的运动系统的运动学和动力学模型，列出了系统结构的模型参数。为进一 步建立其有限元模型，用有限元法对其进行电磁分析打下了基础。 第三章直线发电机有限元分析基础 第3 章直线发电机有限元分析基础 e c p e 是混合动力最前沿的方向，也是青岛大学在国际上首次提出的现场热一 电转换概念。与其说这是一台发动机，不如说这是一台发电机，其本质是一台内燃 式永磁直线发电机。它较之现有的发动机所做的最大的改变，是增加了直线发电的 部分，该部分实质上就是直线发电机。 发电机的研究对其磁路结构的研究至关重要，因为磁路结构设计的是否合理对 提高电机的性能有着很重要的作用。电机中的电磁场在不同媒介中的分布、变化及 与电流的交链情况决定了电机的状态和性能。因此，研究电机中的电磁场对分析和 设计电机具有重要意义。 3 1 电磁场基本理论 3 1 1 麦克斯韦方程 电磁场理论中最基本的是麦克斯韦方程电磁理论，这是分析和研究电磁场的理 论基础，其出发点是由安培定律法拉第电磁感应定律高斯定律和磁通连续定律组成 的麦克斯韦方程组f 1 舛。 ( 1 ) 安培环路定律 磁场中的磁场强度沿着任何一条闭合路径的线积分等于穿过该积分路径所确定 的曲面o 的电流的总和，无论介质和磁场强度的分布如何。 ，r 删- f f + 詈) 峦 3 删 式中j 为传导电流密度矢量( a m 2 ) ；d 为电通密度( c m 2 ) ；a d o t 为位移电流密 度。 ( 2 ) 法拉第电磁感应定律 穿过此回路的磁通量和闭合回路中的感应电动势随时间的变化率成正比。其积 分表示形式为 ，r 删一一f f + 詈) 施 3 - ( 2 ) 式中，b 为磁感应强度( t 或w b m 2 ) ；e 为电场强度( v 细) 。 ( 3 ) 高斯定律 电场中，穿出任何一个闭合曲面的电通量等于这一闭合曲面所包围的电荷量， 1 4 青岛大学硕士学位论文 与电介质与电通密度矢量的分布如何无关，该表述中电通量也是电通密度矢量对此 闭合曲面的积分，其积分形式表示为 昏sd d s | l 、p d v 3 - ( 3 ) 式3 ( 3 ) 中， v 为闭合曲面s 所围成的体积区域；p 为电荷密度( c m 3 ) 。 ( 4 ) 磁通连续性定律 磁场中，穿出任何一个闭合曲面的磁通量恒等于零，与磁介质与磁通密度矢量 的分布无关，该表述中磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向积分。用积分形 式表示为 伊。b d s 昌0 3 - ( 4 ) 上述四式还分别有自己的微分形式，也就是微分形式的麦克斯韦方程组，他们分别 对应如下式所示： v h j + 里3 ( 5 ) v e 。望 a t v di p 3 ( 6 ) 3 ( 7 ) 篁o 3 ( 8 ) 以上几组方程就是麦克斯韦方程组的积分与微分形式，是解决电磁场问题的基 本方法，电磁场的计算实际上就是对上述微分方程进行求解。a n s y s 以麦克斯韦方 程组作为电磁场分析的出发点，利用有限元法计算主要的未知量磁位或磁通量，从 而可以进一步求解其他未知量。 3 1 2 一般形式的电磁场微分方程 电磁计算中，偏微分方程的计算量很大，因此在实际计算中经常用到三角函数 或者一些特殊函数对麦克斯韦方程组进行简化，常用的简化方法是分离变量法和格 林函数法。工程实际中，除个别问题外，很难得到问题的解析解，所以只能根据实 际情况，在给定条件下用数值法求解。其中有限元法是应用最为广泛，最有效的一 种数值计算方法。 在实际的计算中经常用两个量来把电场和磁场分离从来将问题简化，简化后分 第三章直线发电机有限元分析基础 别得到电场和磁场的偏微分方程，这样更容易进行求解。这两个量一个是标量电势 币，另一个是矢量磁势a ，他们的定义如下： 标量电势可定义为 昱一v 3 ( 9 ) 矢量磁势定义为 曰vx a 3 ( 1 0 ) 上式所描述的标量电势和矢量磁标可以满足高斯磁通定律和法拉第电磁感应定 律。将其应用到高斯电通定律和安培环路定律中可以推导出磁场偏微分方程3 ( 1 1 ) 和电场偏微分方程3 ( 1 2 ) v 2 舢j c l 軎一j ， 3 - ( 1 1 ) v 2 m 唯窘一詈 3 m 2 ， 和g 分别为介质的磁导率和介电常数，v 2 为拉普拉斯算