可拓創(chuàng)新方法在發(fā)電機創(chuàng)新設計中的應用

李仔浩，楊春燕，李文軍

（1. 廣東工業(yè)大學 可拓學與創(chuàng)新方法研究所，廣東 廣州 510006；2. 廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006；3. 廣州市德百順電氣科技有限公司，廣東 廣州 510700）

機械產(chǎn)品設計的革新使現(xiàn)代工業(yè)技術獲得了長足發(fā)展的動力，各種機械設備的創(chuàng)新設計讓社會自動化的程度越來越高。現(xiàn)代機械設計除了要有傳統(tǒng)設計理念，還要不斷完善與開拓，保證新的設計產(chǎn)品兼具生命力和經(jīng)濟實用性[1]。

預混胰島素在2型糖尿病治療中的地位綜合評價…………………………………………………… 盧 巖等（4）：571

近年來，國內外對發(fā)電機等機械產(chǎn)品的現(xiàn)代創(chuàng)新設計提出了許多新的研究成果，如文獻[2]提出了機械創(chuàng)新設計的具體步驟與流程，對現(xiàn)代機械設計的創(chuàng)新方法進行了研究。文獻[3]基于仿生學原理，設計了一款以風力為動力源的撲翼式風力發(fā)電機。文獻[4]基于郎肯循環(huán)原理，提出一種通過菲涅爾鏡聚集太陽能提供能量的太陽能發(fā)電機。文獻[5]設計出一種懸臂梁式壓電陶瓷風力發(fā)電機，實現(xiàn)能量的自供給。文獻[6]提出了一種基于實體模式基因的機電產(chǎn)品外觀新設計方法，利用計算機輸出多種樣條曲線. 文獻[7]通過建立超網(wǎng)絡模型，分析子元素及其之間的子網(wǎng)絡關系，對復雜機械產(chǎn)品進行設計。文獻[8]提出了一種生態(tài)設計知識的本體表達模型，從粗糙集知識出發(fā)，運用粗糙集理論得到了滿足設計要求的機械產(chǎn)品，提高了設計效率和精度。文獻[9]以可拓設計方法為理論基礎，提出了一種關于機械產(chǎn)品的多功能產(chǎn)品設計創(chuàng)造法。

在發(fā)電機的設計中，設計師需要追求高產(chǎn)品質量和高設計精度要求，文獻[2-9]和各項國內外研究成果，把高科技和各類學科的領域知識深度融合起來，把先進的現(xiàn)代設計理論運用在發(fā)電機等機械產(chǎn)品設計中，使設計更加簡單、高效?？赏貏?chuàng)新方法[10]是一門基于可拓學[11]理論的創(chuàng)新設計方法，通過研究特定對象的可拓展性與可變換性，構建特定對象設計過程中的相關基元[11]，從解決矛盾問題[12]的角度去識別事物，進而拓展、變換，最終生成新產(chǎn)品設計創(chuàng)意。本文把可拓創(chuàng)新方法應用于發(fā)電機產(chǎn)品的創(chuàng)新中，對預設計發(fā)電機進行分析推理，并結合典型直流發(fā)電機產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計，獲得了系列專利研究成果，實驗證明其有效性與可行性。

1 基于可拓創(chuàng)新方法進行發(fā)電機創(chuàng)新設計的一般步驟及流程

可拓創(chuàng)新方法廣泛應用于產(chǎn)品創(chuàng)新、工程技術、人工智能等各個領域，尤其在產(chǎn)品創(chuàng)新方面發(fā)揮了其獨特、高效的優(yōu)點。在產(chǎn)品創(chuàng)新方面，可拓創(chuàng)新方法利用可拓論的思想，從消費者的需要或現(xiàn)有產(chǎn)品缺點出發(fā)進行創(chuàng)新設計，通過拓展、變換等步驟，解決設計過程中遇到的矛盾問題，最后對產(chǎn)生的新設計創(chuàng)意進行優(yōu)度評價，選出較優(yōu)設計創(chuàng)意。本文從現(xiàn)有發(fā)電機的缺點出發(fā)，對其進行改善、創(chuàng)新，形成新產(chǎn)品設計方案，主要步驟如下。

結構關系元集：

(5) 通過上述的拓展分析和可拓變換，得到多種不同組合方式的新發(fā)電機設計創(chuàng)意。

(3) 在建立上述發(fā)電機的基元集后，對其現(xiàn)有缺點可能對應的物元、事元和關系元分別進行拓展分析，獲得發(fā)電機新創(chuàng)意設計的依據(jù)。拓展分析方法包括發(fā)散分析法、相關分析法、蘊含分析法、可擴分析等分析方法，具體請參考文獻[11]。

(4) 根據(jù)(3)可以獲得基元實施可拓變換的途徑，對上述所拓展生成新的基元模型實施可拓變換，然后根據(jù)其變換的結果選擇性實施可拓變換的運算，多角度地對新基元進行組合，可拓變換及其運算方法詳見文獻[11]，此不贅述。

(2) 對該發(fā)電機實現(xiàn)的功能、原理和結構進行分析，采用共軛分析法列出其共軛部，根據(jù)領域知識獲取其特征及對應的量值，利用可拓模型建立方法，建立其相關的部件物元集、功能事元集和結構關系元集。

(6) 評價選優(yōu)，獲得較優(yōu)設計創(chuàng)意。利用優(yōu)度評價方法[11]，對生成的多個創(chuàng)新設計評價選優(yōu)。根據(jù)領域知識和原有缺點特征及其期望實現(xiàn)的目標量值，具體確定評價該發(fā)電機的衡量指標及其權系數(shù)，建立每一衡量指標的關聯(lián)函數(shù)[13]，并選擇綜合優(yōu)度計算方法，最終計算出其綜合優(yōu)度，確定滿足設計目標的較優(yōu)產(chǎn)品設計創(chuàng)意。

(7) 對較優(yōu)的產(chǎn)品設計創(chuàng)意模型，利用領域知識，具體化形成新產(chǎn)品設計方案。

對部分結構關系元進行發(fā)散分析：

上述設計過程如圖1所示。

2 在直流發(fā)電機創(chuàng)新設計中的應用

發(fā)電機的發(fā)明實現(xiàn)了從機械能到電能的轉換，從最初的實驗室模型走向了千家萬戶，經(jīng)過不斷的優(yōu)化和改進，已經(jīng)成為了人類社會發(fā)展不可或缺的一種重要機械產(chǎn)品。目前的發(fā)電機類型主要包括典型直流發(fā)電機、整體式交流發(fā)電機、永磁體交流發(fā)電機等，本文利用可拓創(chuàng)新方法對現(xiàn)有典型直流發(fā)電機進行創(chuàng)新設計，具體步驟如下。

1) 界定發(fā)電機設計目標G

針對現(xiàn)有某一典型直流發(fā)電機D0體積普遍較大，使用領域不廣泛，無法適應在一些特殊場合；整個動力裝置過于復雜，對制造工藝要求高，制造成本增加；控制響應速度慢，發(fā)電效率較低，易發(fā)生故障；散熱效率低下，從而增加線圈的電量消耗。其主要依賴于化石燃料的能量轉化，對生態(tài)環(huán)境和氣候造成無法彌補的污染和影響。因此，建立起發(fā)電機設計目標的基元模型G。

圖1 基于可拓創(chuàng)新方法的發(fā)電機設計步驟及流程Fig.1 Design procedures and procedures of generators based on extension innovation method

③ 對M03，A03，A05，R01，R02同時實施主動可拓變換：

典型直流發(fā)電機工作時，其工作原理如下：首先由外部能源進行能量轉換，產(chǎn)生機械能，進而機械力帶動導體線圈在磁場中轉動，并不斷切割磁感線，由此產(chǎn)生感應電動勢。采用軟硬共軛分析法列出該發(fā)電機D0的硬部和軟部，其構成的主要部件如圖2所示。

因此，根據(jù)直流發(fā)電機的工作原理、結構部件和實際需要，建立發(fā)電機D0相關的部件物元集、功能事元集或結構關系元集。

圖2 直流發(fā)電機主要部件結構圖Fig.2 Structural chart of main components of DC generator

(1) 對某一現(xiàn)有特定發(fā)電機進行分析，從其缺點出發(fā)，界定其設計目標G，使用基元對該目標進行形式化表示，設O為 發(fā)電機，c為現(xiàn)有特定發(fā)電機的缺點特征，關于特征c所對應的量值v為期望實現(xiàn)的目標量值，n表示目標的維度。其表示形式為

對照組患者采用氯氮平片聯(lián)合碳酸鋰進行治療:患者開始服用的劑量為每天50mg,14天內增加藥物劑量至每天150mg到300mg之間,具體根據(jù)患者病情狀況進行調整。整個治療過程中,氯氮平片的平均劑量為每天(210±31.5)mg,碳酸鋰的平均劑量為每天1g。

3) 進行拓展分析

根據(jù)實際的領域知識和問題的目標要求，選取上述步驟所建立的部分相關的功能事元、部件物元以及結構關系元做進一步的拓展分析。

（6）優(yōu)化工程施工資料的檢查記錄工作。航道項目具有隱蔽工程的施工占據(jù)主要地位的特點，工程檔案記錄顯得尤為重要，需要全過程記錄真實完整、閉環(huán)可追溯，隱蔽工程形成過程佐證資料齊全。目前作為施工企業(yè)還需在以下幾個方面進行改進：

對部分部件物元進行發(fā)散分析：

無論英語，還是漢語，都擁有數(shù)量龐大的人體詞。人體詞，也叫人體部位詞，是我們最為熟悉的詞類之一，英語中的人體詞有“face”“eye”“nose”“mouth”“ear”“heart”“foot”等，對應地，漢語中也有“面”“耳”“鼻”“口”“耳”“心”“足”等。在實際應用中，人體詞除了具有指示人體各部位的基本含義之外，往往還具有多義的特征。多項詞義的構建使得原本意義和所指單一的身體詞具有了更廣泛的延伸意義。

在道路橋梁路線設計階段，設計單位應該綜合自身掌握的地形地質條件、周邊自然環(huán)境資料等對工程投入運營后可能會出現(xiàn)的問題進行分析預測，在此基礎上制定科學合理的維護養(yǎng)護和檢測維護計劃，促進道路橋梁工程使用壽命的提升。

4) 實施可拓變換及運算

(3)受高巖溫影響，在施工期應采取持續(xù)降溫措施降低支護結構溫度梯度，減小熱脹壓應力；在運行初期應采取適當降溫措施，降低對支護結構應力沖擊的影響；160 d后的支護結構表面溫度仍高于設計運行水溫，支護結構表面溫度和運行水溫相同需要相當長的運行過程。

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

① 對M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同時實施如下主動可拓變換：

李若的生日，房東簡東亮送了她一雙GUCCI的鞋。李若淺淺地笑了一下，說謝謝。她猜這鞋一定是他淘來的A貨，頂多也就值個500塊。像簡東亮這樣的房奴怎么舍得給她買一雙真的GUCCI鞋呢？

則上述變換的與變換為

由此可獲得新產(chǎn)品設計創(chuàng)意：一種單缸直線式永磁發(fā)電機，以新型能源為輸入動力源，采用矩形活塞軸向串聯(lián)繞線方式在磁場中做直線往復式切割磁感線運動產(chǎn)生電流，電流儲存器為中介傳遞電流，采用三菱型散熱片進行冷卻散熱，模型為

② 對M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同時實施主動可拓變換：

則上述變換的與變換為

由此可獲得新產(chǎn)品設計創(chuàng)意：一種多缸(五缸)發(fā)電機，以新型能源為輸入動力源，采用圓柱活塞軸向串聯(lián)繞線方式在磁場中做直線往復式切割磁感線運動產(chǎn)生電流，導電液為中介傳遞電流，采用V型散熱片進行冷卻散熱。模型為

2) 建立發(fā)電機D0的可拓模型

則上述變換的與變換為

近年來,冠心病的發(fā)病率和死亡率呈上升趨勢。幫助冠心病患者掌握相關疾病知識并采取相應措施可以有效預防疾病的發(fā)展,降低心絞痛,心肌梗塞的發(fā)生率,提高患者的生活質量非常重要[4]。通過實施高質量的護理,醫(yī)務人員在患者入院后制定了針對患者個人狀況的系統(tǒng)化,科學化的個性化護理方案,并開展了有計劃的,有目的的逐步護理干預措施[5]。這不僅減輕了患者的痛苦,而且心理,心理和社會方面都使患者感到愉悅并促進了患者的康復。

通過對上述步驟相關的物元、事元和關系元進行拓展分析，可以得到多個新的基元模型，根據(jù)可拓學中的可拓變換理論，對所拓展出的基元模型實施可拓變換及其運算，最終獲得相應的新產(chǎn)品創(chuàng)意。

由此可獲得新產(chǎn)品設計創(chuàng)意：一種壓電陶瓷風力發(fā)電機，用壓電發(fā)電裝置代替電磁耦合裝置，以風力動力源，風車葉片帶動懸臂梁轉動使壓電振子前后運動產(chǎn)生壓電效應。模型為

④ 對M01，M03，A03，A05，A06，R01，R02同時實施主動可拓變換：

則上述變換的與變換為

由此可獲得新產(chǎn)品設計創(chuàng)意：一種多缸(五缸)壓電陶瓷發(fā)電機，動力源帶動偏心輪使壓電振子直線拉壓產(chǎn)生壓電效應。模型為

通過對發(fā)電機進行可拓創(chuàng)新，生成了4個關于發(fā)電機的新產(chǎn)品設計創(chuàng)意。

5) 評價選優(yōu)

通過上述步驟實施不同的可拓變換及運算后，獲得了4個新發(fā)電機產(chǎn)品設計創(chuàng)意，再利用文獻[11]的優(yōu)度評價方法對生成的新設計創(chuàng)意進行評價選優(yōu)，選取D1和D2為較優(yōu)設計創(chuàng)意. 限于篇幅，具體評價選優(yōu)方法省略。

觀察組為針對性護理,內容為[3]:①針對性心理護理:受到多方面因素的影響,患者極易滋生各類負面情緒,使得患者的生活質量和依從性受到嚴重的降低,不利于治療和護理措施的實施,護理人員應與患者建立良好關系,找出負面情緒滋生原因,實施針對性心理輔導,改善心理狀況。②針對性飲食護理:遵循多餐少食原則,多食用水果、蔬菜,戒煙戒酒,使用低膽固醇、低脂、易于消化食物,多喝水,促進排便。③針對性大便護理:老年患者胃腸分泌消化液的分泌減少,腸道蠕動能力減弱,食物消化時間過長,進而導致便秘的出現(xiàn),掌握患者的身體狀況,引導患者多食用水果、蔬菜,多喝水,促進腸道蠕動和軟化大便,提升大便順暢率。

1.2.2 儀器與試劑 羅氏全自動電化學發(fā)光免疫分析儀cobas e411。羅氏公司的可溶性fms酪氨酸激酶-1(sFlt-1)檢測試劑盒(電化學發(fā)光法)，胎盤生長因子PLGF(電化學發(fā)光法)檢測試劑盒。

6) 具體化形成設計方案

根據(jù)領域知識，將較優(yōu)創(chuàng)意D1和D2具體化，形成設計方案：單缸直線式永磁發(fā)電機[14]和多缸發(fā)電機[15]，其實施例結構圖分別如圖3和圖4所示，現(xiàn)均已獲得實用新型專利授權，相應的發(fā)明專利已進入實審階段。

圖3 單缸直線式發(fā)電機結構圖[14]Fig.3 Structure diagram of single cylinder linear generator

圖4 多缸發(fā)電機結構圖[15]Fig.4 Structural diagram of multi-cylinder generator

3 結論

本文通過對國內外關于發(fā)電機等機械產(chǎn)品設計的研究現(xiàn)狀進行分析，提出基于可拓創(chuàng)新方法的發(fā)電機創(chuàng)新設計步驟與流程，進行形式化、定量化的分析，增強了發(fā)電機產(chǎn)品設計過程中每個階段的可操作性。以直流發(fā)電機的創(chuàng)新設計案例為設計基礎，現(xiàn)已授權多個關于發(fā)電機的實用新型專利，相關發(fā)明專利也已進入實審階段。該方法的步驟與流程不局限于單一直流發(fā)電機產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，還能夠為不同類型的發(fā)電機產(chǎn)品提供創(chuàng)新設計思路，提高發(fā)電機產(chǎn)品創(chuàng)新設計的可行性與高效性，具有廣闊的應用前景。