面向能量回收的集成式高动态液压发电单元关键技术研究

A hydraulic power generation unit is the key component of an electrical energy recovery system in construction machinery. However, the conventional structure consisting of a hydraulic motor and an electrical generator connected coaxially has large installation volume and low dynamic performance, which restrict the development and application of energy recovery technology. A novel compact structure is proposed according to the characteristics of working conditions. With the self-shielding property of a Halbach array, the barrel of an axial piston hydraulic motor and the rotor of a permanent magnet generator are highly integrated. The installation volume and the moment of inertia are effectively reduced and a high flux density in airgap can be achieved simultaneously. Matching relationship and entire design method are researched by analyzing the structural and kinematic restrictions of the integration design. Considering the multi-physics coupling effects on rotor motion stability, stress strain distribution and inner temperature rise, structural parameter optimization is implemented to obtain the expected performance. Dynamic characteristics, stability conditions and energy losses under variable input and output are investigated, and a control algorithm is designed to guarantee high dynamic and efficiency in hydraulic power generation. Prototype fabrication and tests are carried out after analytical design and simulation. With the established design, optimization and control methods, it aims to provide the further development of electrical energy recovery technology with theoretical and experimental basis.

液压发电单元是工程机械电气式能量回收系统的核心部件，然而现有分立的液压马达和发电机同轴连接结构，存在装机体积大和动态性能不足等问题，已成为制约能量回收技术发展及实用化的重要因素。项目拟针对工况特点提出新型一体式的液压发电单元结构，利用Halbach阵列的单侧磁屏蔽性将轴向柱塞液压马达缸体和永磁发电机转子集成为有机整体，有效减小装机体积和旋转部件惯量且同时保证高气隙磁感应强度；根据集成化所需结构与运动约束建立匹配关系及整体设计方法；探明多物理场耦合作用对运动平稳性、应力应变分布和内部温升的影响，以综合性能为目标进行结构参数优化；研究时变输入输出下的动力学特性、稳定作业条件和损耗机理，提出保证液压发电过程高动态且兼顾效率的控制方法。在理论和仿真分析基础上完成物理样机制造与试验。项目将建立集成式高动态液压发电单元的设计、优化和控制方法，为促进电气式能量回收技术发展提供理论与试验基础。

项目以面向能量回收的液压发电单元为对象，围绕其集成化设计和控制方法以及损耗、热力学、电磁学等特性展开研究，为进一步应用于工程机械能量回收系统提供了理论和试验基础，主要研究工作包括：(1) 建立了液压发电单元的集成化设计方法。分析了液压发电单元集成结构的演变过程，提出将Halbach永磁体阵列安装于液压马达缸体表面构成复合型转子的新型结构；根据集成化共性特征建立了功率匹配模型和电磁设计模型并在此基础上完成了某原理样机的参数设计与优化，加工了原理样机。(2) 研究了集成型液压发电单元的效率特性。理论分析了集成型液压发电单元的电磁损耗、机械损耗和容积损耗；搭建了试验台架并测试了不同工况下的原理样机性能，建立了空载压降与转子转速的动态数学关系；结合损耗模型和测试数据获得了各部分损耗分布，提出了进一步优化效率的若干方法。(3) 研究了集成型液压发电单元的热力学特性以及冷却方法。建立了自然冷却过程的热阻网络模型，根据稳态和瞬态数据辨识获得热阻热容等参数，通过试验验证了热力学模型的有效性；提出了利用主回路液压油对壳体进行冲洗的冷却方法，理论校核与试验结果一致。(4) 研究了集成型液压发电单元转子偏转时的电磁特性。运用摄动法理论解析了油隙电磁场分布，结果表明转子偏转会使油隙磁感应强度波形产生一定畸变；建立了转子偏转产生的不平衡电磁转矩计算模型，分析了不平衡电磁转矩对转子动力学的负刚度作用以及与铁芯长度、油隙长度等参数的关系。(5) 建立了集成型液压发电单元的控制方法。针对基于PWM整流器的集成型液压发电单元控制系统，采用了前馈补偿和反馈控制相结合的方法以降低反电动势的影响，并引入了扰动补偿改善系统抗干扰能力。提出了二极管整流器及DC-DC变换器控制方案，理论分析了系统的变负载控制性能并通过试验进行了验证。通过项目的实施，已发表SCI/EI检索论文7篇，申请专利3项 (授权2项)。