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摘要：介紹了車用尾氣余熱回收裝置的結構，應用有限元分析軟件對車用尾氣余熱回收
裝置中的永磁直線發(fā)電機進行仿真分析，得到了電機磁場分布情況、電機空載電動勢和功率，計算結果為其進一步優(yōu)化提供了參考。
關鍵詞：永磁直線發(fā)電機；仿真分析；余熱回收
中圖分類號：TM359．4 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)10一0030—03
0引 言
汽車發(fā)動機燃油能量中，20％轉換為機械能，作為動力；35％為尾氣損失；35％為冷卻液和機油損失；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計算，1小時由尾氣排出的熱量高達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)動機和永磁直線發(fā)電機組成。自由活塞式斯特林發(fā)動機加熱器從汽車尾氣中獲得熱能，將汽車尾氣中的熱量轉化為動力活塞往復運動的機械能，從而帶動永磁直線發(fā)電機運行。永磁直線發(fā)電機發(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)電機磁場和空載特性。
1永磁直線發(fā)電機的結構
永磁直線發(fā)電機的基本結構如圖2所示，該電機為扁平型結構，由動子和定子組成。定子鐵心中
開有兩個槽，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。定子采用模塊式設計，可根據(jù)實際需求，串聯(lián)更多的定子模塊和延長動子長度以增加輸出功率。動子結構如圖3所示，永磁體固定在不導磁的鋁框內，相鄰的磁體磁極相反放置。永磁體通過定子鐵心形成回路。動子做往復運動時，定子齒中磁通發(fā)生變化，使線圈中產(chǎn)生感應電動勢。
2有限元方法和二維瞬態(tài)場求解方程
有限元法是將整個區(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用于這些子區(qū)域中，求解每個、單元，通過選取恰當?shù)膰L試函數(shù)，使得對每個單元的計算變得非常簡單，經(jīng)過對每個單元進行重復而簡單的計算，再將結果總和起來，便可以得到用整體矩陣表達的整個區(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。運動物體固定在自身坐標系，偏時間導數(shù)變成A的全時間導數(shù)，因而運動方程變?yōu)椋?img doc360img-src='http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/05/2511/42015858_4.jpg' border="0" src="http://image72.360doc.com/DownloadImg/2014/05/2511/42015858_4.jpg">從而得到了速度、電流和磁場的關系，求解此方程可得到任意時刻每一點的電磁場。
3繞組電感的求解
發(fā)電機瞬態(tài)分析時，需要設定發(fā)電機定子繞組電感，所以求解發(fā)電機定子電感具有非常重要的意
義。本文利用電感和磁鏈的關系求解電感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。對繞組鐵心中各個位置的磁通密度進行積分并求取平均值，得到不同電流時線圈中磁鏈的大小，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)電機建模過程
利用有限元分析軟件對模型進行電磁場仿真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平面中，繪制包括在內的計算模型，如圖5所示。是用來將運動物體和靜止物體分開，包圍動子的即為靜止的物體和運動的物體不能穿過沿自身滑動，帶動所有運動物體做平移運動。
 (2)材料屬性設定：線圈為銅，鐵心為硅鋼，動子支架為鋁，磁極采用相對磁導率μr=1.05和剩磁Br=1．25 T的永磁鐵。背景設置為空氣。
(3)邊界條件和線圈繞組參數(shù)設定：邊界條件設置成氣球邊界。對氣球邊界條件，磁場既不平行
也不垂直邊界，而是在無窮遠處場量為0。線圈設置為100匝，電阻率為4.37 Ω／km。
(4)網(wǎng)格剖分：在求解設置中可手動設置網(wǎng)格面積，細化氣隙內網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分如圖6所示。 (5)運動設置：根據(jù)自由活塞式斯特林發(fā)動機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表示時間。
(6)起動求解器：設置求解時間為O 5 s，求解步長為0.0011s后起動求解器。
5仿真結果
計算得到了線圈中磁鏈、直線電機電動勢、磁場分布、功率。
(1)圖7為初始時刻電機磁場分布，由圖可見磁場分布均勻，無渦流。圖8、圖9和圖10分別為動子運動到中間位置、右端和回到初始位置時磁場分布，由于磁極的移動和磁滯效應，可見磁場分布不再均勻并出現(xiàn)渦流  (2)空載電動勢的求解直線發(fā)電機動子由自由活塞式發(fā)動機帶動做往復運動，動子運動速度和位移如圖11和圖12所示。
動子運動在不同位置時，動子中磁極發(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
鏈與時間的關系如圖13所示。
電機空載電動勢：
式中：s為感應電動勢；φ為穿過線圈的總磁鏈。根據(jù)式(2)，對磁鏈進行求導，得到電機空載電動勢，如圖14所示．
(3)發(fā)電機功率發(fā)電機負載運行時動子所受外力如圖15所示，由動子速度和外力可求出動子所獲得的功率如圖【6所示。
發(fā)電機帶負載運行時電路等效如圖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為總時間。
將動子損失功率和負載消耗功率代人式(3)，計算得到發(fā)電機從自由活塞式斯特林發(fā)動機處獲得
功率和發(fā)出電功率分別為908.73 w和548．45 w．發(fā)電機效率為60.35％。
6結論
本文對車載尾氣余熱回收裝置中永磁直線發(fā)電機的磁場、空載電動勢和滿足最大功率傳輸定律的
負載運行進行了仿真分析，由仿真結果可見：
(1)電機不運行時，定子中磁場分布均勻，電機運行時電機磁場分布不均，集中在靠近線圈周圍鐵
心處。
(2)根據(jù)線圈通電時線圈中磁鏈，計算了定子電感。
(3)利用發(fā)電機瞬態(tài)運行時磁場分布，求得不同時刻線圈中磁鏈，對其求導得到了發(fā)電機空載電動勢。
(4)根據(jù)最大功率傳輸定律求得發(fā)電機最大功率為548．45 w，效率為60 35％。
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