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内燃—直线发电集成动力系统的关键技术研究及其系统实现

徐照平  
【摘要】: 自由活塞式直线发电机具有结构紧凑、燃料适应性好、能源利用率高等优点,近十年来成为车载发电装置领域的研究热点。目前相关研究以两冲程技术方案为主,而两冲程内燃机的节能环保性能显著低于四冲程内燃机,在汽车等应用领域已基本不再使用。为实现更加清洁高效地利用能源,本文创新性地提出了四冲程自由活塞式直线发电机的技术方案并开展了以下几方面的理论研究和样机实验工作: (1)提出并完善了“内燃-直线发电集成动力系统”的技术方案,对系统的四冲程工作循环进行了规划。建立了系统的动力学仿真模型,对给定参数的虚拟样机进行了分析计算,给出了自由活塞的位移、速度、缸内压力等各个参数的动态变化规律。分析了主要参数对系统动态特性的影响,揭示了系统内部的能量转化与传递过程,对系统性能进行了初步预测。仿真模型为关键部件及样机的研制提供了设计依据。 (2)为满足系统对低动子质量、高发电效率及高可控性的要求,提出了一类新型的动圈式永磁直线发电机。建立了相应的等效磁路模型,推导了电磁力、电枢电感、发电效率等各个性能参数的计算公式,对主极磁环厚度、辅助磁环长度等结构参数进行了优化计算。结合有限元分析,确定了直线发电机的推力和发电特性。为实现对电机动子高速往复运动的测量,设计了基于磁阻原理的非接触式直线位移传感器。 (3)针对所设计的永磁直线发电机,提出了一类新型的四象限可控直流电源,对主电路的四种工作状态进行了分析。给出了以保证电机电枢电流连续和实现开关损耗最低为目标的PWM开关频率的确定方法。基于SimPowerSystems工具箱建立了新型四象限可控直流电源的仿真模型,结合系统仿真模型,对四象限工作过程进行了仿真研究,重点分析了电枢电流的脉动及电能在两个超级电容器组间的存储情况。 (4)研制了一台额定推力为4kN的永磁直线发电机样机,建立了电机力特性试验台,对直线发电机样机的推力-位移特性及推力-电流特性进行了测定,对实验测定结果与分析设计结果进行了对比验证。完成了可控直流电源硬件系统的搭建及控制程序的编制,以所研制永磁直线发电机作为控制对象,对电机的四象限工作过程进行了实验研究。实验结果验证了相关技术方案、设计理论及仿真技术的正确性。 (5)分析了自由活塞往复运动的主要干扰因素,论证了对自由活塞往复运动进行主动控制的必要性,提出了基于电机电磁力控制活塞运动规律的系统控制方案,确定了以四个冲程终点作为控制目标的运动规律。提出了基于电机工作状态切换的活塞运动规律控制器,设计了电机工作状态切换的Bang-Bang控制率及相应的迭代学习调整策略。建立了运动控制器的混合状态机模型,对系统控制过程进行了仿真研究。 (6)实际研制了一台内燃-直线发电集成动力系统的原理性样机。在实现样机连续稳定运行的基础上,开展了不同工况的样机实验研究。样机目前已经取得了34%的发电效率,并仍然存在较大性能提升空间。对比分析了样机不同膨胀冲程终点、不同进气冲程终点及不同进气压力的实验数据。利用仿真模型对样机典型工况的热力学过程进行了参数回归分析,揭示了导致样机实验数据与仿真数据差异的主要原因。


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