《Case Studies in Thermal Engineering》：Temperature field analysis and thermal management optimization of the free piston engine generator based on electromagnetic-thermal coupling
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摘要：自由活塞发动机发电机(FPEG)是一种极具应用前景的能量转换系统，具有高效率、高功率密度和广泛的燃料适应性等特点。然而，其紧凑的结构设计、极端的工作条件以及复杂的多源热相互作用对热管理提出了严峻挑战。本研究开发了一种考虑实际运行工况的多物理场耦合温度场模
摘要：自由活塞发动机发电机(FPEG)是一种极具应用前景的能量转换系统，具有高效率、高功率密度和广泛的燃料适应性等特点。然而，其紧凑的结构设计、极端的工作条件以及复杂的多源热相互作用对热管理提出了严峻挑战。本研究开发了一种考虑实际运行工况的多物理场耦合温度场模型，并通过实验验证了其准确性。基于验证后的模型，分析了关键部件的温度特性和传热路径，评估了不同冷却方法的散热性能及适用边界。针对已识别的热管理局限性，从热源抑制、热路径中断和散热增强三个方面提出了优化策略。结果表明：在冷启动阶段，自然冷却条件下平均推力应限制在280 N以下，而强制风冷可有效抑制室温下的温升；在发电阶段，入口风速至少需要5 m/s才能使直线发电机(linear generator, LG)的最高温度保持在100 °C以下；虽然水冷可显著降低整体温度，但动子端部和连杆区域仍存在局部热点；冷却水流速对温度的影响呈边际递减趋势，当流速超过3 m/s时冷却效果趋于饱和；采用低导热系数连杆材料可有效减少热传导，但需考虑对活塞散热的不利影响；通过将活塞平均温度控制在147 °C以下并增强表面 convective 换热，可确保整体热安全性。
自由活塞发动机发电机热管理研究：温度场特性分析与优化策略解读
自由活塞发动机发电机(FPEG)作为一种新型能量转换系统，将自由活塞发动机(FPE)与直线发电机(LG)直接连接，省去了传统机械传动机构，具有结构紧凑、能量转换链短、功率密度高等显著优势。在全球能源转型和“双碳”目标背景下，FPEG在增程式电动汽车、分布式发电和混合能源系统等领域展现出广阔应用前景。然而，其高功率密度和紧凑结构导致容积发热率显著增加，电磁损耗、燃烧放热和摩擦热等多源热负荷在有限空间内强耦合，造成温度分布不均匀。同时，系统非线性往复运动带来的瞬态特性和多物理场耦合效应进一步加剧了温度场的时空不均匀性。这些热问题可能导致绕组绝缘退化、永磁体(PM)不可逆退磁以及热应力引发的结构失效，严重威胁FPEG的可靠运行。
现有研究主要集中于FPE或LG局部或独立热行为，对完整FPEG系统的耦合多物理场热特性关注较少。FPE的紧凑结构、恶劣运行条件和瞬态传热过程给散热带入相当的复杂性和不确定性，直接威胁FPEG长期稳定运行。此外，关于FPEG集成系统的温升特性和热管理优化研究仍然有限，现有成果不足以给工程设计和性能优化提供全面的理论支持。
研究人员针对上述问题，开发了一种考虑FPEG实际运行工况的多物理场耦合温度场模型，并通过实验平台验证模型精度。首先，建立了直线发电机的二维电磁场有限元模型(FEM)以获取电磁损耗分布；随后构建了等效三维温度场模型，将电磁损耗作为热源载荷映射至热模型，并结合计算流体动力学(CFD)方法对耦合热流场进行迭代求解。研究人员分析了FPEG在冷启动和发电阶段的温升演变规律与传热机制，比较评估了不同冷却方法的散热效率和边界适用性，并从热源抑制、热路径中断和散热增强三个层面提出热管理优化策略。该研究成果发表在《Case Studies in Thermal Engineering》。
关键技术与方法：研究人员采用电磁-热多物理场耦合分析方法。电磁场分析基于二维轴对称有限元模型(FEM)，在Maxwell中建立直线发电机模型并求解得到铁损、铜损和涡流损耗分布；热场分析采用等效三维模型，在ANSYS Workbench中通过损耗映射接口将电磁损耗自动传递为热源载荷。等效密度、等效比热容和等效导热系数基于各组分物理属性和几何比例按公式(1)-(3)计算。热边界条件根据不同冷却方式设置：自然冷却下外壳壁面设为压力出口模拟自然对流，强制风冷下顶面设为压力出口而周围壁面设为速度入口，水冷下入口设速度边界而出口设压力边界。实验验证平台包含直线发电机样机、力传感器、线性驱动电机、NI数据采集卡、功率分析仪及PT100铂电阻温度传感器和贴片热电偶等设备。
研究结果分析如下：
在自然冷却条件下的温度场特性：冷启动阶段，直线发电机主体呈现最高温度区域，热量向外传递至动子、连杆和活塞，绕组区域温度最高。随推力增加，各部件温度逐渐上升，绕组和定子温升最明显。当平均推力超过280 N时，定子和绕组平均温度将超过100 °C，接近热极限。发电阶段，自然冷却下活塞和定子平均温度分别达到331 °C和345 °C，远超材料热极限，表明自然冷却无法满足高频发电工况的散热需求。
在强制风冷条件下的温度场特性：冷启动阶段，入口风速3 m/s时强制风冷显著降低整体温升，绕组最高温度仅约32.3 °C，温度呈轴向梯度分布，中部绕组散热较差而端部绕组换热较强。发电阶段，入口风速3 m/s时活塞温度最高，热量沿连杆传导至LG侧，动子端部局部峰值温度约121 °C，接近永磁体退磁温度阈值。当入口风速超过5 m/s时，LG内所有部件最高温度可保持在100 °C以下，但FPE侧部件温度仍较高，说明单纯依靠强制风冷不足以确保FPEG整体热安全。
在水冷条件下的温度场特性：入口水流速3 m/s时，入口水流速3 m/s时，水冷显著降低LG温度，最高温度仅37.3 °C，但活塞区域依赖自然对流散热，平均温度约344.4 °C。热量从两端活塞向中间传导，连杆底部温度仍高达206 °C。动子内部PM和硅钢片高温区域主要集中在两端，有效工作行程范围内PM平均温度低于100 °C，无退磁风险，但动子两端PM高温仍是当前水冷方案的薄弱环节。随入口水流速增加，定子和绕组温度降低，当流速超过3 m/s时冷却效益趋于饱和，流速从3 m/s增至5 m/s时定子和绕组最高温度仅分别降低0.5 °C和0.4 °C。
热管理优化与性能提升研究：关于活塞组件热行为优化，研究发现活塞顶温度是决定下游传热部件温度水平的关键因素。当活塞顶温度降至150 °C以下时，各部件最高温度可维持在100 °C安全范围内，对应活塞平均温度为147 °C。因此，水冷条件下需将活塞平均温度控制在147 °C以下以保证LG运行安全。关于连杆材料选择优化，研究人员比较了铝合金、钛合金和PEEK三种材料，发现钛合金和PEEK连杆均能有效减少FPE向LG的热传导，PEEK连杆隔热性能最优但其低导热性会阻碍活塞散热，导致活塞温度明显升高，表明连杆材料优化需权衡隔热性能与活塞散热效率之间的制约关系。冷却结构设计与散热增强方面，表面 convective 换热系数增加时连杆、动子和PM的最高温度呈显著非线性下降，当换热系数超过50 W/(m·°C)时各部件最高温度均降至100 °C以下，而定子、绕组和冷却壳的温度对表面换热系数变化不敏感，表明水冷系统已有效控制LG温度，应重点增强FPE侧部件和连杆的散热能力。
讨论与结论：研究结论指出，FPEG的主要热源为电磁损耗和燃烧热负荷，形成了从活塞经连杆、动子和永磁体至定子的主导传热路径。冷启动阶段自然冷却无法抑制定子和绕组温升，平均推力超过280 N时将超过热极限，强制风冷可显著降低温度。发电阶段自然冷却不满足散热需求，强制风冷降低整体温度但无法消除局部过热风险，水冷有效控制LG温度但FPE传导热量仍在动子两端产生局部高温区。关键部件温度随入口水流速增加呈非线性降低，超过3 m/s后冷却效果饱和。通过控制活塞温度和使用低导热系数连杆材料减少热传导，同时增强表面换热提高散热能力，可改善FPEG热性能，但需平衡隔热与散热之间的关系以优化综合性能。本研究结论适用于当前FPEG结构配置和特定环境条件及冷却参数范围，计算所得温度场为系统达到热平衡后的稳态响应，模型未显式解析缸内燃烧过程，FPE侧热效应通过等效热边界条件引入，未来可基于所得温度场进行热-结构耦合分析，研究热应力、热变形及材料性能随温度退化对关键部件强度和长期可靠性的影响。
