CN112836290A - 一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法 - Google Patents

一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，解决了现有技术中发动机和直线电机运行不够匹配的问题，具有提高系统整体运行效率的有益效果，具体方案如下：一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，包括定义匹配优化设计系统参数；匹配优化设计目标：发动机与直线电机额定功率相匹配，且发动机实际输出功率能够达到发动机额定功率；以系统输出要求为基础的优化匹配设计：确定系统输出功率要求，确定直线电机额定输出功率，对电机进行选型或设计；根据直线电机额定功率和直线电机额定频率匹配初始发动机额定功率；获得系统动子组件质量；计算实际输出功率；当实际输出功率和额定功率相对误差超出某一值时，重新匹配。

Description

一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车增程器技术领域，尤其是一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
自由活塞直线电机(FPLG)通过发电机将发动机燃烧产生的热能转换为电能输出，可替代增程式混合动力汽车的辅助动力单元，自由活塞直线电机作为一种新兴的动力装置，是未来新能源汽车动力系统的重要研究方向。
FPLG由发动机和直线电机组成。其中发动机和传统发动机有相似的热力学原理，但在结构上省略了曲轴和飞轮机构，将燃烧产生的热能通过直线电机转换为所需的能量输出，具有高效率、低油耗等诸多潜在性能优势。
FPLG在结构上将发动机和直线电机串联连接，其中发动机活塞、连杆及直线电机动子相连组成了系统动子组件。启动时，直线电机作为电动机拖动动子运动直到达到启动条件；之后，发动机点火燃烧，推动动子运动，直线电机作为发电机发电。发动机产生的热能一方面用于提供足够的动能保证动子运行到设计位置，一方面因为摩擦或散热被耗散，剩下的能量则用于发电。当FPLG系统工作频率一定时，摩擦及散热等消耗的能量趋于稳定，动子动能也可看成常数，因此，发动机输出的能量和发电机发出的电能成正比，即在FPLG工作时发动机和直线电机需要相互协调及配合。发明人发现，若两者匹配较差，则会产生系统工作频率低、发动机额定功率和直线电机额定功率不匹配问题，导致发动机和直线电机都不能工作在最佳状态，工作效率低，出现如“大马拉小车或动力不足”等现象，导致FPLG的优势无法发挥。
例如，某FPLG系统，当采用的发动机额定功率为3kW时，若为了匹配发动机功率，而设计一个额定功率也为3kW的直线电机，则可能出现“由于直线电机动子和活塞等动子组件质量较大，导致实际FPLG系统的工作频率较低，系统的实际输出只有1.5kW”的问题，使得发动机和直线电机都没有工作在最佳状态，系统整体效率低下。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，获得发动机与直线电机的最佳匹配，使发动机和直线电机都能有效利用，提高FPLG系统整体运行效率。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，包括：
定义匹配优化设计系统参数；
匹配优化设计目标：发动机与直线电机额定功率相匹配，且发动机实际输出功率能够达到发动机额定功率；
以系统输出要求为基础的优化匹配设计：确定系统输出功率要求，确定直线电机额定输出功率P2，并对直线电机进行选型或设计；根据直线电机额定功率P2和直线电机额定频率f2匹配初始发动机额定功率P1和额定工作频率f1；获得初始发动机能够输出的最大扭矩T1，获得系统动子组件质量m；计算匹配后系统实际运行频率f和发动机实际输出功率P实际，通过发动机实际输出功率P实际与其额定功率P1差值的绝对值与额定功率P1的比值同设定阈值的比较，来决定是否继续进行优化。
上述优化方法中，根据FPLG系统输出要求，首先对直线电机进行选型或设计，选择或设计与系统输出功率要求相匹配的直线电机，进而确定直线电机相应参数，然后根据直线电机额定功率和额定工作频率，选择匹配的发动机作为动力源，根据发动机参数和直线电机参数，确定匹配后系统实际运行频率，确定发动机实际输出功率能否满足要求，若不满足要求，则重新进行发动机的选型或设计，最终获得发动机与直线电机的最佳匹配，提高FPLG系统整体运行效率。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，所述比值若小于等于设定阈值，则优化完成；
若比值大于设定阈值，则重新匹配发动机，并获取重新匹配发动机的活塞及连杆质量，获得重新匹配后系统动子组件质量，以获取发动机实际输出功率。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，所述系统动子组件质量m为发动机活塞及连杆的质量m1和直线电机动子质量m2之和，重新获取的是发动机活塞及连杆的质量；
对直线电机选型或设计后，可获取直线电机动子质量，对发动机选型后，可获取发动机活塞及连杆的质量。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，所述初始发动机额定功率匹配为：发动机额定功率P1大于等于直线电机额定功率P2；初次匹配时，可匹配发动机额定功率P1等于直线电机额定功率P2，发动机额定工作频率f1等于电机额定频率f2。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，所述发动机实际输出功率P实际通过如下公式计算：
P实际＝60T1f/9549
T1为发动机最大输出扭矩，f为系统实际运行频率，系统实际运行频率与发动机实际运行频率一致，通过系统动子运行时间t来获得。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，所述重新匹配发动机包括如下内容：
以上次匹配后系统的实际运行频率f为再次匹配时发动机的额定运行频率；
保证发动机额定功率P1不变，计算再次匹配时，发动机期望输出的扭矩值T；
T＝9549P1/60f
根据运行频率f、期望输出扭矩T和额定功率P1对发动机进行重新选型和设计，实现发动机和直线电机的再次匹配。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，通过重新选型和设计发动机实现发动机和直线电机的再次匹配，并重新获取发动机活塞及连杆质量，重新获得系统动子质量，计算重新匹配后系统的实际运行频率和发动机实际输出功率，判断实际输出功率是否满足要求，不满足要求则对发动机进行再次匹配。
如上所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，对发动机进行重新选型和设计时，应满足如下条件：发动机额定功率与直线电机额定功率相匹配；发动机额定频率与实际运行频率相同。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过对FPLG系统发动机和直线电机的优化匹配设计，保证发动机和直线电机能够有效在额定功率下工作，避免大马拉小车现象或动子不足现象；工作在额定工况下的FPLG系统，可提高系统整体运行效率。
2)本发明根据FPLG系统输出要求，首先设计与系统输出相匹配的直线电机，并确定直线电机相应参数，然后根据输出要求，选择匹配的发动机作为动力源，然后根据发动机参数和直线电机参数，确定实际输出能否满足要求，若不满足要求，则重新进行发动机的选型和设计，最终获得发动机与直线电机的最佳匹配，使发动机和直线电机都能有效利用，提高FPLG系统整体运行效率。
3)本发明通过发动机实际输出功率与其额定功率差值的绝对值与额定功率的比值同设定阈值的比较来判断是否需要对发动机重新选型和设计，该比值设置合理，通过该比值对发动机重新选型，以保证发动机和直线电机二者较好的匹配。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明背置式自由活塞直线电机结构示意图。
图2是本发明自由活塞受力分析示意图。
图3是以输出为基础的匹配优化设计过程流程图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1.左侧气缸，2.直线电机，3.右侧气缸；4.连接法兰和螺栓；5.约束支架；6.试验台；7.动子组件。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在发动机与直线电机匹配交叉的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法。
本发明的一种典型的实施方式中，一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，包括如下内容：
1)定义匹配优化设计系统参数：
设发动机额定功率为P1，额定功率运行时的转速为n1，最大输出扭矩为T1，额定频率为f1，活塞和连杆质量为m1，直线电机功率为P2，直线电机动子质量为m2，额定频率为f2。
背置式FPLG系统，参考图1和图2所示，包括左侧气缸1、直线电机2、右侧气缸3，直线电机通过机体进行支撑，两侧的气缸与机体通过连接法兰和螺栓4进行连接，基体通过约束支架进行支撑，约束支架5通过试验台6支撑，两侧气缸之间设置动力组件7。
2)匹配优化设计目标
发动机与直线电机额定功率相匹配，且发动机实际输出功率能够达到额定功率。
3)以系统输出要求为基础的优化匹配设计过程如下，如图3所示：
(1)首先，确定FPLG系统应用条件，即确定FPLG系统输出功率要求，根据应用条件确定FPLG系统中直线电机额定输出功率P2，根据额定输出功率P2，对直线电机进行选型或设计，设计时提高单位质量输出功率，以减小系统动子组件总质量，设计完成后，获得直线电机额定功率P2、额定频率f2、直线电机动子质量m2等参数。
(2)为了实现功率匹配，完成直线电机选型或设计后，根据直线电机额定功率P2和额定频率f2，初步对发动机进行选型或设计；
选择的发动机额定功率P1可大于等于直线电机额定功率P2，但P1不宜太大，一般可按P1与P2相等进行初选型，同时发动机额定转速对应的额定频率f1与直线电机额定运行频率f2相近。
发动机额定频率f1与额定转速度n1关系为：f1＝n1/60。初选发动机后，发动机各参数表示为：发动机活塞及连杆的质量为m1、额定功率为P1、达到额定功率时的转速为n1、额定频率f1、最大输出扭矩为T1。各参数关系近似满足：
P1＝T1n1/9549＝60T1f1/9549 (1)
(3)初始匹配后，FPLG系统动子组件质量为m＝m1+m2。
(4)FPLG系统运行过程中，系统动子组件的运动取决于发动机缸内燃烧压力、摩擦力和电磁负载的大小，如图2所示。
设FPLG系统发动机工作在额定工况，系统动子组件质量m确定后，FPLG系统实际运行频率f基本确定。
根据动力学分析可得：运动过程中，动子的运动加速度为(以背置式FPLG系统为例进行分析)：
Figure BDA0002889619020000091
其中：
a:动子运动加速度
m：系统动子质量
Fp左：左缸气体压力
Fp右：右缸气体压力
Ff：摩擦力
Fe：电磁力
动子从一侧上止点运动到另一侧上止点过程中，速度的表达式为：
Figure BDA0002889619020000092
设动子从一侧上止点到另一侧上止点的位移为S，则该过程对应的行程和速度关系满足公式(4)：
Figure BDA0002889619020000093
(5)当行程位移S确定，动子实时运动速度v确定，那么根据公式(4)可获得行程(系统动子)运行时间t，则系统的实际运行频率，即发动机的实际运行频率f＝1/2t。若此时发动机能够输出最大扭矩，则发动机实际输出功率P实际可近似表达为：
P实际＝60T1f/9549 (5)
(6)若发动机实际输出功率P实际和额定功率P1相近，说明初次匹配的FPLG系统发动机和直线电机匹配良好，两者能够协调工作，发动机可以在额定工况下运行并输出额定功率，直线电机也可以工作在额定工况，因此，无需再进行优化设计。
需要注意的是，本发明所指的功率相近，是指两者误差不超过设定阈值，设定阈值用a表示，则满足|P实际-P1|/P1≤a，a的值可根据匹配精度进行设定，例如可设为10％。
(7)若FPLG系统中系统实际运行频率f<f1，实际输出功率P实际<P1，或FPLG系统实际运行频率f>f1，实际输出功率P实际>P1，且满足|P实际-P1|/P1>a，说明FPLG系统发动机和直线电机匹配较差，意味着发动机和直线电机的作用没有发挥到最大，存在“大马拉小车”现象或“发动机动力不足”现象。需要对发动机进行重新匹配选型。
实际上，由于FPLG系统动子组件质量包含发动机活塞及连杆质量和直线电机动子质量，因此，FPLG系统中的运动组件质量m大于发动机动子(仅包含活塞及连杆)质量m1和直线电机动子质量m2；另外，由于FPLG系统无飞轮储能机构，动子运动取决于燃烧压力、摩擦力和电磁负载，动子速度总是从零增加到某一值然后再降为零，导致动子最大运动速度低。
综合以上几个因素，即使发动机缸内产生的燃烧压力达到最大压力，在对FPLG系统不进行特殊控制时，系统更容易出现实际运行频率f比发动机额定运行频率f1和直线电机额定运行频率f2低，实际输出功率也要比额定功率低的状况。但无论是那种状况，只要满足|P实际-P|/P>a，就应该对发动机进行重新匹配优化。
(8)以系统输出要求对直线电机进行了设计，因此，重新匹配优化时，直线电机的设计不变，对发动机重新选型或设计。
重新选型或设计的发动机功率仍需要和设计的直线电机匹配，且为了保证实际输出功率和额定功率相近，发动机的额定频率f1应进行调整，使额定频率能和实际运行频率f相匹配和接近。
(9)由公式(1)和公式(5)可知，发动机输出功率等于输出扭矩T和实际运行频率f乘积再乘一个常数。因此，要保证在实际运行频率为f时，实际输出功率P实际与额定功率P1相接近，就要保证发动机在工作频率为f时输出的扭矩T满足下式：
T＝9549P1/60f (6)
(10)确定了发动机在实际运行频率f下的输出扭矩T后，即可根据频率f、扭矩T和功率P1对发动机进行重新选型和设计。二次选型或设计的发动机应满足以下条件：
1)发动机额定功率P1仍应和设计的直线电机功率P2相匹配；
2)二次选型发动机的额定频率f1＝f；
3)发动机设计或选型的输出扭矩T＝9549P1/60f；
(11)二次设计或选型后，重新获取发动机活塞及连杆质量m1，并重新计算系统动子组件总质量m，根据公式(2)-公式(5)重新计算系统实际运行频率f和实际输出功率P实际。
(12)若得到的FPLG实际运动频率f近似等于f1，实际输出功率P实际也应近似等于额定功率P1，即满足|P实际-P1|/P1≤a条件时，说明二次匹配的FPLG系统发动机和直线电机匹配良好，两者能够协调工作，无需再进行优化设计。
(13)若二次选型或匹配后，实际输出功率和额定功率满足|P实际-P1|/P1>a，则重复步骤(8)-(10)再次进行优化匹配。直到实际输出功率和发动机额定功率能够满足|P实际-P1|/P1≤a条件为止。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，包括如下内容：
定义匹配优化设计系统参数；
匹配优化设计目标：发动机与直线电机额定功率相匹配，且发动机实际输出功率能够达到发动机额定功率；
以系统输出要求为基础的优化匹配设计：确定系统输出功率要求，确定直线电机额定输出功率P2，并对直线电机进行选型或设计；根据直线电机额定功率P2和直线电机额定频率f2匹配初始发动机额定功率P1和额定工作频率f1；获得初始发动机能够输出的最大扭矩T1，获得系统动子组件质量m；计算匹配后系统实际运行频率f和发动机实际输出功率P实际，通过发动机实际输出功率P实际与其额定功率P1差值的绝对值与额定功率P1的比值同设定阈值的比较，来决定是否继续进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，所述比值若小于等于设定阈值，则优化完成；
若比值大于设定阈值，则重新匹配发动机，并获取重新匹配发动机的活塞机及连杆质量，获得重新匹配后系统动子组件质量，以获取发动机实际输出功率。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，所述系统动子组件质量m为发动机活塞及连杆的质量m1和直线电机动子质量m2之和。
4.根据权利要求1所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，所述初始发动机额定功率匹配为：发动机额定功率P1大于等于直线电机额定功率P2。
5.根据权利要求1所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，所述发动机实际输出功率P实际通过如下公式计算：
P实际＝60T1f/9549
T1为发动机最大输出扭矩，f为系统实际运行频率。
6.根据权利要求2所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，所述重新匹配发动机包括如下内容：
以上次匹配后系统的实际运行频率f为再次匹配时发动机的额定运行频率；
保证发动机额定功率P1不变，计算再次匹配时，发动机期望输出的扭矩值T；
T＝9549P1/60f
根据运行频率f、期望输出扭矩T和额定功率P1对发动机进行重新选型和设计，实现发动机和直线电机的再次匹配。
7.根据权利要求6所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，通过重新选型和设计发动机实现发动机和直线电机的重新匹配，并获取重新匹配发动机的活塞及连杆质量，获得重新匹配后系统动子质量，计算重新匹配后系统的实际运行频率和发动机实际输出功率，判断实际输出功率是否满足要求，不满足要求则对发动机进行再次匹配。
8.根据权利要求6所述的一种基于系统输出的自由活塞直线电机匹配优化方法，其特征在于，对发动机进行重新选型和设计时，应满足如下条件：发动机额定功率与直线电机额定功率相匹配；发动机额定频率与实际运行频率相同。
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毛金龙;左正兴;: "压燃式自由活塞直线发电机工作过程数值仿真", 北京理工大学学报, no. 09, pages 32 - 36 *

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CN114151191A (zh) * 2021-12-14 2022-03-08 山东理工大学 一种内燃约束直线发电系统的解耦设计方法
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