本發(fā)明涉及一種活塞位移預(yù)測方法，尤其涉及一種自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測方法，屬于發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、活塞斯特林發(fā)電機(jī)的工作原理基于斯特林循環(huán)，通過封閉系統(tǒng)內(nèi)氣體的熱膨脹和冷收縮來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)的斯特林發(fā)動機(jī)不同，自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)取消了機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，采用了自由活塞設(shè)計，使其能夠更高效地進(jìn)行熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。在自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)中。工質(zhì)(一般為氫氣、氦氣或空氣)被封閉在循環(huán)回路中，通過氣缸容積的變比控制工質(zhì)在閉式循環(huán)回路中的流動方向；在較低的溫度和壓力下壓縮工質(zhì)，在較高的溫度和壓力下膨脹，從而獲得正的循環(huán)功。其熱力過程是按斯特林循環(huán)進(jìn)行的。

2、自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)雖然具備結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢，但這也帶來了位移檢測上的挑戰(zhàn)。由于沒有傳統(tǒng)的機(jī)械傳動部件，活塞的運(yùn)動完全依賴于氣體壓力的變化，這使得實時檢測活塞位置和運(yùn)動狀態(tài)尤為重要。然而，常用的高精度非接觸式傳感器(如光電或磁感應(yīng)傳感器)價格昂貴，不僅提高了整體系統(tǒng)的成本，還可能在某些應(yīng)用中削弱其經(jīng)濟(jì)性。此外，發(fā)電機(jī)的緊湊結(jié)構(gòu)也使得這些傳感器的安裝變得困難，特別是在有限空間內(nèi)需要確保精確測量時，傳感器的布置、維護(hù)和信號傳輸都會遇到技術(shù)障礙。這些因素共同加大了在自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)中實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)位移檢測的難度。

3、自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，活塞的位移是由作用在它上面的力耦合作用導(dǎo)致的，這些力包括氣體壓力、回彈裝置的彈力以及電機(jī)的反作用力。這些力之間的相互作用決定了活塞的運(yùn)動規(guī)律，因此，準(zhǔn)確預(yù)測活塞的位移對優(yōu)化發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能和提高其效率具有重要意義。傳統(tǒng)方法是簡單的將活塞的運(yùn)動形式定義為正弦曲線，無法描述自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各個過程。因此，通過傳統(tǒng)方法計算的結(jié)果有較大的誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法精確測量自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)位移的問題，本發(fā)明的目的是提供一種自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測方法，自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，活塞的位移是由作用在它上面的力耦合作用導(dǎo)致的，所述力包括氣體壓力、回彈裝置的彈力以及電機(jī)的反作用力。所述力之間的相互作用決定活塞的運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)構(gòu)建的運(yùn)動規(guī)律準(zhǔn)確預(yù)測活塞的位移，進(jìn)而能夠根據(jù)工作條件調(diào)整自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)設(shè)計參數(shù)，提高發(fā)電效率，減少能量損耗。本發(fā)明還能夠用于實時監(jiān)控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提升發(fā)電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

3、本發(fā)明公開的一種自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測方法，包括如下步驟：

4、步驟s1：確定自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的布置結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)；所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括動力活塞質(zhì)量mp、置換塞質(zhì)量md、動力活塞面積ap、置換活塞直徑ad、摩擦系數(shù)k、阻尼系數(shù)c、電機(jī)繞組內(nèi)阻rs、緩沖腔初始體積vb0；

5、步驟s2：確定自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)；所述運(yùn)行參數(shù)包括熱端溫度th和冷端溫度tk；

6、步驟s3：結(jié)合活塞質(zhì)量、活塞直徑、板簧剛度以及摩擦系數(shù)，建立發(fā)電機(jī)中兩個活塞的動力學(xué)方程；

7、步驟s4：結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)活塞直徑、活塞質(zhì)量、緩沖腔初始體積以及熱端溫度、冷端溫度，分別建立發(fā)電機(jī)中緩沖腔、壓縮腔、膨脹腔以及換熱器的熱力學(xué)方程；

8、步驟s5：結(jié)合電機(jī)繞組內(nèi)阻大小建立直線電機(jī)的電磁學(xué)方程；

9、步驟s6：將s3的動力方程、s4的四個熱力學(xué)方程、s5的電磁學(xué)方程耦合，得到耦合方程，求解耦合方程得到活塞的位移曲線，即實現(xiàn)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測。

10、進(jìn)一步的，步驟s1所述布置結(jié)構(gòu)根據(jù)置換活塞的支撐形式不同分為兩種不同結(jié)構(gòu)，形式一：支撐形式為氣體彈簧；形式二：支撐形式為置換活塞通過穿過動力活塞的置換活塞桿和板簧相連。

11、進(jìn)一步的，對于以氣體彈簧為支撐的自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)，動力學(xué)方程為：

12、

13、

14、式中，a指的是橫截面積，指的是活塞加速度，m指的是活塞質(zhì)量，下標(biāo)d和下標(biāo)p指的是置換活塞和動力活塞；arod指的是置換活塞桿橫截面積，pe指的是膨脹腔壓力，pc指的是壓縮腔壓力，pb指的是緩沖腔壓力，pd指的是氣體彈簧壓力，fload指的是作用在動力活塞上的電機(jī)力。

15、對于以活塞桿以及板簧為支撐的自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)，動力學(xué)方程為：

16、

17、

18、式中，x指的是活塞位移，指的活塞速度，c指的是阻尼系數(shù)，k指的是摩擦系數(shù)，下標(biāo)d和下標(biāo)p指的是置換活塞和動力活塞。

19、進(jìn)一步的，步驟s4熱力學(xué)方程為：

20、

21、

22、pe＝pc+δp?(7)

23、式中，pmean指的是初始充氣壓力，vb0指的是緩沖腔初始體積，δp指的是換熱器中的壓降，γ指的是比熱比系數(shù)，s指的是氣體質(zhì)量簡化系數(shù)，te指的是膨脹腔溫度，tc指的壓縮腔溫度。

24、進(jìn)一步的，δp指的是換熱器中的壓降，換熱器由熱端，冷端，回?zé)崞鹘M成，因此換熱器中的壓降等于這三部分的壓降之和，對于每一部分的壓降，計算公式為：

25、

26、式中，cfi指的是達(dá)西摩擦系數(shù)，ρ指的是氣體的密度，l指的是長度，dh指的是水力直徑，u指的是氣體流速，下標(biāo)h,r,k指的是熱端，回?zé)崞鳎涠耍?/p>

27、達(dá)西摩擦系數(shù)cfi，相應(yīng)關(guān)系如下表所示，表中re代表雷諾數(shù)，是一種用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)；作為流體力學(xué)中表征粘性影響的相似準(zhǔn)數(shù)，雷諾數(shù)越小意味著粘性力影響越顯著，越大則慣性力影響越顯著；

28、

29、雷諾數(shù)re計算方程：

30、

31、式中，μ是流體黏性系數(shù)，ρ是氣體密度，dh是水力直徑，u是氣體流速。

32、進(jìn)一步的，步驟s5所述電磁學(xué)方程表示為：

33、

34、

35、

36、式中，rs指的是電機(jī)繞組內(nèi)阻，ia,ib,ic指的是a,b,c三相電流，ea,eb,ec指的是a,b,c三相反電動勢，ua,ub,uc指的是a,b,c三相電壓。

37、三相反電動勢表示為：

38、

39、

40、

41、式中，ψf指的是a,b,c三相磁鏈，v指的是電機(jī)速度，θ指的是電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，θ0指的是電機(jī)旋轉(zhuǎn)初始角度，τ指的是電機(jī)極距。

42、進(jìn)一步的，步驟s6所述將s3的動力方程、s4的四個熱力學(xué)方程、s5的電磁學(xué)方程耦合的方法為：

43、直線電機(jī)在沒有與動力活塞相連時，動力方程為：

44、

45、式中，mm指的是電機(jī)動子的質(zhì)量，fe指的是施加在電機(jī)動子上的外力，bv指的是粘滯摩擦系數(shù)；

46、對于以氣體彈簧為支撐的自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)，將公式(1)，(2)以及(5)～(16)耦合得到耦合方程，耦合方程為：

47、

48、

49、式中，vd指的是氣體彈簧體積，th,tk指的是熱端溫度，冷端溫度；

50、對于以板簧為支撐的自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)，將公式(3)，(4)以及(5)～(16)耦合得到耦合方程，耦合方程為：

51、

52、

53、有益效果：

54、1、本發(fā)明公開了一自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測方法，通過結(jié)合活塞的動力學(xué)方程、氣體的熱力學(xué)方程和電機(jī)端的電磁學(xué)方程，實現(xiàn)對活塞位移曲線的精準(zhǔn)預(yù)測，顯著提高了預(yù)測精度，降低了設(shè)計階段的調(diào)試時間和成本。

55、2、本發(fā)明提出的活塞位移預(yù)測方法，采用耦合模型考慮多種物理現(xiàn)象的相互影響，充分利用各方程的獨特性質(zhì)，從而在復(fù)雜工作環(huán)境下，能夠更準(zhǔn)確地反映活塞的實際運(yùn)動狀態(tài)，相比傳統(tǒng)單一方程預(yù)測方法，降低了預(yù)測誤差，進(jìn)一步優(yōu)化了自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的整體性能。

56、3、針對現(xiàn)有活塞位移預(yù)測方法在多變量影響下可能出現(xiàn)的不準(zhǔn)確性，本發(fā)明公開了一種綜合考慮動力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)的耦合預(yù)測模型。該模型通過精確的數(shù)學(xué)描述，有效克服了傳統(tǒng)方法的局限性，實現(xiàn)了更高的預(yù)測精度，擴(kuò)展了活塞預(yù)測的適用范圍。

57、4、本發(fā)明公開的一種自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)活塞位移預(yù)測方法，在實現(xiàn)上述有益效果1、2基礎(chǔ)上，能夠在設(shè)計階段為自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)提供科學(xué)依據(jù)。該策略確保系統(tǒng)在高效運(yùn)行的同時，降低能耗，進(jìn)而提升整體經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境可持續(xù)性，為推動相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展提供支持。