摘要：介紹了車用尾氣余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)車用尾氣余熱回收
裝置中的永磁直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，得到了電機(jī)磁場(chǎng)分布情況、電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)和功率，計(jì)算結(jié)果為其進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考。
關(guān)鍵詞：永磁直線發(fā)電機(jī)；仿真分析；余熱回收
中圖分類號(hào)：TM359．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)10一0030—03
0引 言
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油能量中，20％轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作為動(dòng)力；35％為尾氣損失；35％為冷卻液和機(jī)油損失；10％為摩擦損失。。按車速90 km／h、耗油O.10 L／km和汽油發(fā)熱量63．6 MJ／L計(jì)算，1小時(shí)由尾氣排出的熱量高達(dá)200．34 MJ。為了回收汽車尾氣中的熱量，提高汽車能源利用率，提出了一種新型車載尾氣余熱回收裝置。
如圖l所示，
該裝置主要由自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和永磁直線發(fā)電機(jī)組成。自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器從汽車尾氣中獲得熱能，將汽車尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化為動(dòng)力活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，從而帶動(dòng)永磁直線發(fā)電機(jī)運(yùn)行。永磁直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)充電電路整流變換為直流后給蓄電池組供電本文利用有限元法分析永磁直線發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)和空載特性。
1永磁直線發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
永磁直線發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該電機(jī)為扁平型結(jié)構(gòu)，由動(dòng)子和定子組成。定子鐵心中
開有兩個(gè)槽，槽中放有定子線圈，上下兩定子中線圈采用并聯(lián)方式以提高輸出電壓。定子采用模塊式設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需求，串聯(lián)更多的定子模塊和延長動(dòng)子長度以增加輸出功率。動(dòng)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，永磁體固定在不導(dǎo)磁的鋁框內(nèi)，相鄰的磁體磁極相反放置。永磁體通過定子鐵心形成回路。動(dòng)子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，定子齒中磁通發(fā)生變化，使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
2有限元方法和二維瞬態(tài)場(chǎng)求解方程
有限元法是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為“單元”或“有限元”，將求解邊界問題的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每個(gè)、單元，通過選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，使得對(duì)每個(gè)單元的計(jì)算變得非常簡(jiǎn)單，經(jīng)過對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行重復(fù)而簡(jiǎn)單的計(jì)算，再將結(jié)果總和起來，便可以得到用整體矩陣表達(dá)的整個(gè)區(qū)域的解。
麥克斯韋方程的微分形式表示為
瞬態(tài)求解器使用參考框架，固定模型一部分，使其速度為零。運(yùn)動(dòng)物體固定在自身坐標(biāo)系，偏時(shí)間導(dǎo)數(shù)變成A的全時(shí)間導(dǎo)數(shù)，因而運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋?IMG border=0 src="http://www.wlywrsj.cn/issuance/eWebEditor_v280_Free/UploadFile/2009113145636670.jpg">從而得到了速度、電流和磁場(chǎng)的關(guān)系，求解此方程可得到任意時(shí)刻每一點(diǎn)的電磁場(chǎng)。
3繞組電感的求解
發(fā)電機(jī)瞬態(tài)分析時(shí)，需要設(shè)定發(fā)電機(jī)定子繞組電感，所以求解發(fā)電機(jī)定子電感具有非常重要的意
義。本文利用電感和磁鏈的關(guān)系求解電感4。
ψ=Li （1）
式中：ψ為穿過線圈的磁鏈；L為電感；i為繞組中總電流。
在定子線圈中通一定量的電流，可得到發(fā)電機(jī)定子二維截面中磁通分布，如圖4所示。 由圖4可以看出，定子中有一小部分磁通通過空氣形成回路，成為漏磁通。大部分磁鏈通過鐵心形成回路，為主磁通。對(duì)繞組鐵心中各個(gè)位置的磁通密度進(jìn)行積分并求取平均值，得到不同電流時(shí)線圈中磁鏈的大小，如表1所示。 將表1中數(shù)據(jù)代人式(1)，求出繞組電感值為40. 43 μH。線圈電感不隨其通過的電流大小而變化。
4永磁直線發(fā)電機(jī)建模過程
利用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真5，具體過程如下：
(1)模型生成：根據(jù)模型幾何尺寸，利用模塊在笛卡爾坐標(biāo)平面中，繪制包括在內(nèi)的計(jì)算模型，如圖5所示。是用來將運(yùn)動(dòng)物體和靜止物體分開，包圍動(dòng)子的即為靜止的物體和運(yùn)動(dòng)的物體不能穿過沿自身滑動(dòng)，帶動(dòng)所有運(yùn)動(dòng)物體做平移運(yùn)動(dòng)。
 (2)材料屬性設(shè)定：線圈為銅，鐵心為硅鋼，動(dòng)子支架為鋁，磁極采用相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1.05和剩磁Br=1．25 T的永磁鐵。背景設(shè)置為空氣。
(3)邊界條件和線圈繞組參數(shù)設(shè)定：邊界條件設(shè)置成氣球邊界。對(duì)氣球邊界條件，磁場(chǎng)既不平行
也不垂直邊界，而是在無窮遠(yuǎn)處場(chǎng)量為0。線圈設(shè)置為100匝，電阻率為4.37 Ω／km。
(4)網(wǎng)格剖分：在求解設(shè)置中可手動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格面積，細(xì)化氣隙內(nèi)網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分如圖6所示。 (5)運(yùn)動(dòng)設(shè)置：根據(jù)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞提供的直線速度，將速度v指定為6 .603．8sln(2π×30×T)，式中T表示時(shí)間。
(6)起動(dòng)求解器：設(shè)置求解時(shí)間為O 5 s，求解步長為0.0011s后起動(dòng)求解器。
5仿真結(jié)果
計(jì)算得到了線圈中磁鏈、直線電機(jī)電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)分布、功率。
(1)圖7為初始時(shí)刻電機(jī)磁場(chǎng)分布，由圖可見磁場(chǎng)分布均勻，無渦流。圖8、圖9和圖10分別為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到中間位置、右端和回到初始位置時(shí)磁場(chǎng)分布，由于磁極的移動(dòng)和磁滯效應(yīng)，可見磁場(chǎng)分布不再均勻并出現(xiàn)渦流  (2)空載電動(dòng)勢(shì)的求解直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子由自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度和位移如圖11和圖12所示。
動(dòng)子運(yùn)動(dòng)在不同位置時(shí)，動(dòng)子中磁極發(fā)出的磁通通過定子鐵心穿過繞組線圈形成回路。線圈中磁
鏈與時(shí)間的關(guān)系如圖13所示。
電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)：
式中：s為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；φ為穿過線圈的總磁鏈。根據(jù)式(2)，對(duì)磁鏈進(jìn)行求導(dǎo)，得到電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)，如圖14所示．
(3)發(fā)電機(jī)功率發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)動(dòng)子所受外力如圖15所示，由動(dòng)子速度和外力可求出動(dòng)子所獲得的功率如圖【6所示。
發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)電路等效如圖17所示 R1、R2和L1、L2分別為定子繞組等效電阻和等效電感；R3和V1為負(fù)載等效電阻、電容；A1和V1分別為電流表和電壓表。
平均功率：
式中：P為平均功率；T為總時(shí)間。
將動(dòng)子損失功率和負(fù)載消耗功率代人式(3)，計(jì)算得到發(fā)電機(jī)從自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)處獲得
功率和發(fā)出電功率分別為908.73 w和548．45 w．發(fā)電機(jī)效率為60.35％。
6結(jié)論
本文對(duì)車載尾氣余熱回收裝置中永磁直線發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)、空載電動(dòng)勢(shì)和滿足****功率傳輸定律的
負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行了仿真分析，由仿真結(jié)果可見：
(1)電機(jī)不運(yùn)行時(shí)，定子中磁場(chǎng)分布均勻，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)分布不均，集中在靠近線圈周圍鐵
心處。
(2)根據(jù)線圈通電時(shí)線圈中磁鏈，計(jì)算了定子電感。
(3)利用發(fā)電機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)分布，求得不同時(shí)刻線圈中磁鏈，對(duì)其求導(dǎo)得到了發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)。
(4)根據(jù)****功率傳輸定律求得發(fā)電機(jī)****功率為548．45 w，效率為60 35％。
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