新型管状横向磁通动磁式直线振荡发电机在自由活塞发动机中的应用设计与优化

本文针对自由活塞发动机发电机系统中直线振荡发电机(Linear Oscillating Generator, LOG)的关键技术难题，研究团队创新性地提出了一种管状横向磁通动磁式直线振荡发电机(Tubular Transverse-Flux Moving-Magnet Linear Oscillating Generator, TFLOG)。通过等效磁路分析和三维有限元仿真，优化了永磁体厚度、气隙长度等核心参数，最终实现91.5%的发电效率和161 W/kg的功率密度。该设计显著降低了制造成本和永磁体涡流损耗，为车载自由活塞发电系统提供了高效可靠的解决方案。

　　

在新能源汽车快速发展的背景下，传统增程器存在能量转换效率低、结构复杂等问题。自由活塞发动机与直线发电机的直接耦合系统因其结构简单、效率高等优势备受关注，但配套的直线振荡发电机(LOG)面临永磁体高温退磁、定位力波动等技术瓶颈。特别是横向磁通结构虽然空间利用率高，但存在磁路复杂、制造成本高等问题，严重制约其在车载场景的应用。

南京理工大学机械工程学院的Zhaoping Xu、Qian Yao和Liang Liu团队在《Next Energy》发表研究，创新设计了一种管状横向磁通动磁式直线振荡发电机(TFLOG)。该设计采用分段绕组和分段定子结构，通过等效磁路理论分析关键参数影响，结合Infolytica Magnet软件进行三维有限元电磁仿真，最终通过多目标遗传算法优化性能指标。研究特别关注了永磁体厚度(h_m)、气隙长度(h_g)、纵向齿距(l_v)和线圈匝数(N)等核心参数。

在结构设计方面，研究人员采用"长定子短动子"布局，使永磁体始终处于定子齿范围内，有效降低交变磁场导致的涡流损耗。通过建立1/12对称模型进行仿真，发现12齿结构在功率因数(0.67)和涡流损耗(348.5 W)之间取得最佳平衡。静态电磁分析显示，优化后的TFLOG在170 A电流下可产生7000 N电磁力，电动势系数达45 V/(m/s)。

瞬态仿真结果表明，在30 Hz工作频率、90 mm行程条件下，发电机平均输出功率24.23 kW，效率达91.5%。特别值得注意的是，多目标优化使电感从9.83 mH降至5.47 mH，功率因数提升20%至0.79，同时将永磁体涡流损耗控制在370 W以下。与现有横向磁通电机相比，TFLOG的涡流损耗降低70%，硅钢片叠片模具成本减少33%。

该研究的创新价值主要体现在三个方面：首先，管状结构与自由活塞发动机高度兼容，显著提升系统集成度；其次，分段绕组设计简化磁路，使制造成本降低30%以上；最后，通过多物理场耦合优化，在保持高效率的同时解决了永磁体高温退磁风险。这些突破为自由活塞发电系统的商业化应用奠定了关键技术基础，对推动新能源汽车动力系统革新具有重要意义。未来研究将聚焦永磁体分段优化，预计可进一步将涡流损耗降低至190 W，并开展样机试验验证。