可拓创新方法在发电机创新设计中的应用

李仔浩，杨春燕，李文军

（1. 广东工业大学 可拓学与创新方法研究所，广东 广州 510006；2. 广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006；3. 广州市德百顺电气科技有限公司，广东 广州 510700）

机械产品设计的革新使现代工业技术获得了长足发展的动力，各种机械设备的创新设计让社会自动化的程度越来越高。现代机械设计除了要有传统设计理念，还要不断完善与开拓，保证新的设计产品兼具生命力和经济实用性[1]。

预混胰岛素在2型糖尿病治疗中的地位综合评价…………………………………………………… 卢 岩等（4）：571

近年来，国内外对发电机等机械产品的现代创新设计提出了许多新的研究成果，如文献[2]提出了机械创新设计的具体步骤与流程，对现代机械设计的创新方法进行了研究。文献[3]基于仿生学原理，设计了一款以风力为动力源的扑翼式风力发电机。文献[4]基于郎肯循环原理，提出一种通过菲涅尔镜聚集太阳能提供能量的太阳能发电机。文献[5]设计出一种悬臂梁式压电陶瓷风力发电机，实现能量的自供给。文献[6]提出了一种基于实体模式基因的机电产品外观新设计方法，利用计算机输出多种样条曲线. 文献[7]通过建立超网络模型，分析子元素及其之间的子网络关系，对复杂机械产品进行设计。文献[8]提出了一种生态设计知识的本体表达模型，从粗糙集知识出发，运用粗糙集理论得到了满足设计要求的机械产品，提高了设计效率和精度。文献[9]以可拓设计方法为理论基础，提出了一种关于机械产品的多功能产品设计创造法。

在发电机的设计中，设计师需要追求高产品质量和高设计精度要求，文献[2-9]和各项国内外研究成果，把高科技和各类学科的领域知识深度融合起来，把先进的现代设计理论运用在发电机等机械产品设计中，使设计更加简单、高效。可拓创新方法[10]是一门基于可拓学[11]理论的创新设计方法，通过研究特定对象的可拓展性与可变换性，构建特定对象设计过程中的相关基元[11]，从解决矛盾问题[12]的角度去识别事物，进而拓展、变换，最终生成新产品设计创意。本文把可拓创新方法应用于发电机产品的创新中，对预设计发电机进行分析推理，并结合典型直流发电机产品进行创新设计，获得了系列专利研究成果，实验证明其有效性与可行性。

1 基于可拓创新方法进行发电机创新设计的一般步骤及流程

可拓创新方法广泛应用于产品创新、工程技术、人工智能等各个领域，尤其在产品创新方面发挥了其独特、高效的优点。在产品创新方面，可拓创新方法利用可拓论的思想，从消费者的需要或现有产品缺点出发进行创新设计，通过拓展、变换等步骤，解决设计过程中遇到的矛盾问题，最后对产生的新设计创意进行优度评价，选出较优设计创意。本文从现有发电机的缺点出发，对其进行改善、创新，形成新产品设计方案，主要步骤如下。

结构关系元集：

(5) 通过上述的拓展分析和可拓变换，得到多种不同组合方式的新发电机设计创意。

(3) 在建立上述发电机的基元集后，对其现有缺点可能对应的物元、事元和关系元分别进行拓展分析，获得发电机新创意设计的依据。拓展分析方法包括发散分析法、相关分析法、蕴含分析法、可扩分析等分析方法，具体请参考文献[11]。

(4) 根据(3)可以获得基元实施可拓变换的途径，对上述所拓展生成新的基元模型实施可拓变换，然后根据其变换的结果选择性实施可拓变换的运算，多角度地对新基元进行组合，可拓变换及其运算方法详见文献[11]，此不赘述。

(2) 对该发电机实现的功能、原理和结构进行分析，采用共轭分析法列出其共轭部，根据领域知识获取其特征及对应的量值，利用可拓模型建立方法，建立其相关的部件物元集、功能事元集和结构关系元集。

(6) 评价选优，获得较优设计创意。利用优度评价方法[11]，对生成的多个创新设计评价选优。根据领域知识和原有缺点特征及其期望实现的目标量值，具体确定评价该发电机的衡量指标及其权系数，建立每一衡量指标的关联函数[13]，并选择综合优度计算方法，最终计算出其综合优度，确定满足设计目标的较优产品设计创意。

(7) 对较优的产品设计创意模型，利用领域知识，具体化形成新产品设计方案。

对部分结构关系元进行发散分析：

上述设计过程如图1所示。

2 在直流发电机创新设计中的应用

发电机的发明实现了从机械能到电能的转换，从最初的实验室模型走向了千家万户，经过不断的优化和改进，已经成为了人类社会发展不可或缺的一种重要机械产品。目前的发电机类型主要包括典型直流发电机、整体式交流发电机、永磁体交流发电机等，本文利用可拓创新方法对现有典型直流发电机进行创新设计，具体步骤如下。

1) 界定发电机设计目标G

针对现有某一典型直流发电机D0体积普遍较大，使用领域不广泛，无法适应在一些特殊场合；整个动力装置过于复杂，对制造工艺要求高，制造成本增加；控制响应速度慢，发电效率较低，易发生故障；散热效率低下，从而增加线圈的电量消耗。其主要依赖于化石燃料的能量转化，对生态环境和气候造成无法弥补的污染和影响。因此，建立起发电机设计目标的基元模型G。

图1 基于可拓创新方法的发电机设计步骤及流程Fig.1 Design procedures and procedures of generators based on extension innovation method

③ 对M03，A03，A05，R01，R02同时实施主动可拓变换：

典型直流发电机工作时，其工作原理如下：首先由外部能源进行能量转换，产生机械能，进而机械力带动导体线圈在磁场中转动，并不断切割磁感线，由此产生感应电动势。采用软硬共轭分析法列出该发电机D0的硬部和软部，其构成的主要部件如图2所示。

因此，根据直流发电机的工作原理、结构部件和实际需要，建立发电机D0相关的部件物元集、功能事元集或结构关系元集。

图2 直流发电机主要部件结构图Fig.2 Structural chart of main components of DC generator

(1) 对某一现有特定发电机进行分析，从其缺点出发，界定其设计目标G，使用基元对该目标进行形式化表示，设O为 发电机，c为现有特定发电机的缺点特征，关于特征c所对应的量值v为期望实现的目标量值，n表示目标的维度。其表示形式为

对照组患者采用氯氮平片联合碳酸锂进行治疗:患者开始服用的剂量为每天50mg,14天内增加药物剂量至每天150mg到300mg之间,具体根据患者病情状况进行调整。整个治疗过程中,氯氮平片的平均剂量为每天(210±31.5)mg,碳酸锂的平均剂量为每天1g。

3) 进行拓展分析

根据实际的领域知识和问题的目标要求，选取上述步骤所建立的部分相关的功能事元、部件物元以及结构关系元做进一步的拓展分析。

（6）优化工程施工资料的检查记录工作。航道项目具有隐蔽工程的施工占据主要地位的特点，工程档案记录显得尤为重要，需要全过程记录真实完整、闭环可追溯，隐蔽工程形成过程佐证资料齐全。目前作为施工企业还需在以下几个方面进行改进：

对部分部件物元进行发散分析：

无论英语，还是汉语，都拥有数量庞大的人体词。人体词，也叫人体部位词，是我们最为熟悉的词类之一，英语中的人体词有“face”“eye”“nose”“mouth”“ear”“heart”“foot”等，对应地，汉语中也有“面”“耳”“鼻”“口”“耳”“心”“足”等。在实际应用中，人体词除了具有指示人体各部位的基本含义之外，往往还具有多义的特征。多项词义的构建使得原本意义和所指单一的身体词具有了更广泛的延伸意义。

在道路桥梁路线设计阶段，设计单位应该综合自身掌握的地形地质条件、周边自然环境资料等对工程投入运营后可能会出现的问题进行分析预测，在此基础上制定科学合理的维护养护和检测维护计划，促进道路桥梁工程使用寿命的提升。

4) 实施可拓变换及运算

(3)受高岩温影响，在施工期应采取持续降温措施降低支护结构温度梯度，减小热胀压应力；在运行初期应采取适当降温措施，降低对支护结构应力冲击的影响；160 d后的支护结构表面温度仍高于设计运行水温，支护结构表面温度和运行水温相同需要相当长的运行过程。

province ZHANG Ting FU Bi-chang ZHOU Zhi-guo et al.(12)

① 对M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同时实施如下主动可拓变换：

李若的生日，房东简东亮送了她一双GUCCI的鞋。李若浅浅地笑了一下，说谢谢。她猜这鞋一定是他淘来的A货，顶多也就值个500块。像简东亮这样的房奴怎么舍得给她买一双真的GUCCI鞋呢？

则上述变换的与变换为

由此可获得新产品设计创意：一种单缸直线式永磁发电机，以新型能源为输入动力源，采用矩形活塞轴向串联绕线方式在磁场中做直线往复式切割磁感线运动产生电流，电流储存器为中介传递电流，采用三菱型散热片进行冷却散热，模型为

② 对M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同时实施主动可拓变换：

则上述变换的与变换为

由此可获得新产品设计创意：一种多缸(五缸)发电机，以新型能源为输入动力源，采用圆柱活塞轴向串联绕线方式在磁场中做直线往复式切割磁感线运动产生电流，导电液为中介传递电流，采用V型散热片进行冷却散热。模型为

2) 建立发电机D0的可拓模型

则上述变换的与变换为

近年来,冠心病的发病率和死亡率呈上升趋势。帮助冠心病患者掌握相关疾病知识并采取相应措施可以有效预防疾病的发展,降低心绞痛,心肌梗塞的发生率,提高患者的生活质量非常重要[4]。通过实施高质量的护理,医务人员在患者入院后制定了针对患者个人状况的系统化,科学化的个性化护理方案,并开展了有计划的,有目的的逐步护理干预措施[5]。这不仅减轻了患者的痛苦,而且心理,心理和社会方面都使患者感到愉悦并促进了患者的康复。

通过对上述步骤相关的物元、事元和关系元进行拓展分析，可以得到多个新的基元模型，根据可拓学中的可拓变换理论，对所拓展出的基元模型实施可拓变换及其运算，最终获得相应的新产品创意。

由此可获得新产品设计创意：一种压电陶瓷风力发电机，用压电发电装置代替电磁耦合装置，以风力动力源，风车叶片带动悬臂梁转动使压电振子前后运动产生压电效应。模型为

④ 对M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同时实施主动可拓变换：

则上述变换的与变换为

由此可获得新产品设计创意：一种多缸(五缸)压电陶瓷发电机，动力源带动偏心轮使压电振子直线拉压产生压电效应。模型为

通过对发电机进行可拓创新，生成了4个关于发电机的新产品设计创意。

5) 评价选优

通过上述步骤实施不同的可拓变换及运算后，获得了4个新发电机产品设计创意，再利用文献[11]的优度评价方法对生成的新设计创意进行评价选优，选取D1和D2为较优设计创意. 限于篇幅，具体评价选优方法省略。

观察组为针对性护理,内容为[3]:①针对性心理护理:受到多方面因素的影响,患者极易滋生各类负面情绪,使得患者的生活质量和依从性受到严重的降低,不利于治疗和护理措施的实施,护理人员应与患者建立良好关系,找出负面情绪滋生原因,实施针对性心理辅导,改善心理状况。②针对性饮食护理:遵循多餐少食原则,多食用水果、蔬菜,戒烟戒酒,使用低胆固醇、低脂、易于消化食物,多喝水,促进排便。③针对性大便护理:老年患者胃肠分泌消化液的分泌减少,肠道蠕动能力减弱,食物消化时间过长,进而导致便秘的出现,掌握患者的身体状况,引导患者多食用水果、蔬菜,多喝水,促进肠道蠕动和软化大便,提升大便顺畅率。

1.2.2 仪器与试剂 罗氏全自动电化学发光免疫分析仪cobas e411。罗氏公司的可溶性fms酪氨酸激酶-1(sFlt-1)检测试剂盒(电化学发光法)，胎盘生长因子PLGF(电化学发光法)检测试剂盒。

6) 具体化形成设计方案

根据领域知识，将较优创意D1和D2具体化，形成设计方案：单缸直线式永磁发电机[14]和多缸发电机[15]，其实施例结构图分别如图3和图4所示，现均已获得实用新型专利授权，相应的发明专利已进入实审阶段。

图3 单缸直线式发电机结构图[14]Fig.3 Structure diagram of single cylinder linear generator

图4 多缸发电机结构图[15]Fig.4 Structural diagram of multi-cylinder generator

3 结论

本文通过对国内外关于发电机等机械产品设计的研究现状进行分析，提出基于可拓创新方法的发电机创新设计步骤与流程，进行形式化、定量化的分析，增强了发电机产品设计过程中每个阶段的可操作性。以直流发电机的创新设计案例为设计基础，现已授权多个关于发电机的实用新型专利，相关发明专利也已进入实审阶段。该方法的步骤与流程不局限于单一直流发电机产品的创新设计，还能够为不同类型的发电机产品提供创新设计思路，提高发电机产品创新设计的可行性与高效性，具有广阔的应用前景。