Analysis of the workflow of linear generator of reciprocating motion type

Abstract

This article considers the integrated propulsion system, consisting of internal combustion engine with a free piston and linear electrical inductor machine with permanent magnet on the stator. The authors investigate the regenerative mode of the linear inductor machine operation and compare two systems of permanent magnets layout. There are data presenting calculation of linear electric machine performance.

Full Text

Введение Интегральная силовая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем и линейной электрической машины, рассматривается в настоящее время в качестве альтернативного бортового источника энергии для гибридных транспортных средств, а также как мобильный источник электроэнергии. Особенностью этого устройства является отсутствие жесткой механической связи в виде коленчатого вала, определяющей конструктивно заданную степень сжатия и параметры протекания термодинамического процесса сгорания топлива. Эти параметры определяются динамическим равновесием сил давления, действующих на поршни, сил трения, силы инерции и электродинамических сил, возникающих в линейной электрической машине вследствие индуцирования электрических токов. Экспериментальная установка для исследования линейной электрической машины спроектирована в двух исполнениях, показанных на рисунках 1 и 2. На рисунке 1 показан общий вид экспериментальной установки, предназначенной для исследования линейной электрической машины с приводом от стороннего первичного механического силового привода (асинхронного двигателя с кривошипным преобразователем). Это исследование предполагается провести на первом этапе. На рисунке 2 изображена экспериментальная силовая установка вместе с линейным двухтактным двигателем внутреннего сгорания. Шток соединяет поршни, двигающиеся в цилиндрах оппозитного двигателя внутреннего сгорания. На блоках цилиндров установлены головки цилиндров с клапанными механизмами, свечами зажигания и инжекторами топлива. На штоке жестко закреплен подвижный элемент электрической машины, двигающийся возвратно-поступательно в кольцевой проточке статора электрической машины. Рисунок 1 – Общий вид экспериментальной линейной электрической машины: 1- стакан направляющий; 2 – фланец; 3- кожух; 4 – шпилька; 5 – статор; 6 – опорный каркас; 7 – подвижный элемент Рисунок 2 – Общий вид ГСП Выбор конструкции В литературе по линейным электрическим генераторам рассматриваются в основном конструкции электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов, закрепленных на подвижном элементе, что объясняется необходимостью создания достаточного большого магнитного потока в воздушном зазоре [1]. При этом встречаются магнитные системы с постоянными магнитами кольцевой формы радиальной или осевой чередующейся намагниченностью, а также магнитные системы с неосесимметричным типом магнитных полей. Последние магнитные системы, используемые в машинах с поперечным магнитным полем, требуют исследования трехмерных магнитных полей и потоков, что требует разработки новых аналитических методов и больших затрат вычислительного времени при расчете численными методами. При размещении постоянных магнитов на подвижном элементе требуется учитывать воздействие как тепловых потоков от двигателя внутреннего сгорания, снижающих магнитную индукцию магнитов, так и вибрационное воздействие на хрупкий материал магнитов. Кроме того, как правило, за пределами рассмотрения оказываются механические или другие способы закрепления системы постоянных магнитов на подвижном элементе. В связи с этим в настоящей статье рассматривается линейная индукторная электрическая машина с возбуждением от системы кольцевых постоянных магнитов, размещенных на наружной поверхности статора, и подвижным элементом, выполненным в виде трубы с кольцевыми выступами из магнитомягкого материала. Поскольку в индукторных машинах магнитная индукция в каждой точке воздушного рабочего зазора меняется только по величине, а ее направление остается постоянным, то индукция в зазоре имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие [2]. Достоинствами индукторных машин являются простота конструкции подвижного элемента, высокая надежность, работоспособность в сложных окружающих условия, удаленность постоянных магнитов от источников тепловых потоков двигателя внутреннего сгорания, возможность организации естественного или принудительного охлаждения постоянных магнитов [3, 4]. При выборе системы магнитов возбуждения сначала была выбрана конструкция, состоящая из последовательности кольцевых магнитов чередующейся осевой намагниченности и кольцевых магнитопроводов, располагаемых между ними, показанная на рисунке 3а. В результате расчетов методом конечных элементов была получена диаграмма распределения магнитных потоков (рисунок 3 ,б), откуда видно, что до 25% магнитных потоков постоянных магнитов рассеивается, не доходя до воздушного зазора. а) схема машины с кольцевыми магнитами б) линии магнитных потоков Рисунок 3 Для более полного использования магнитного потока постоянных магнитов рассматривалась комбинированная магнитная система из кольцевых магнитов с радиальной и осевой намагниченностью в виде так называемого Холбах-массива (Halbach-array) [5]. Холбах-массив представляет собой последовательность постоянных магнитов с циклически изменяемой угловой ориентацией вектора намагниченности. При этом, во-первых, в идеальном случае вектор намагниченности синусоидально изменяется в пространстве, что приводит к минимизации пульсации межзубцового сцепления без применения специальных мер в виде скоса пазов, а во-вторых, магнитные потоки замыкаются внутри электрической машины, не рассеиваясь снаружи и создавая эффект самоэкранирования (рисунок 4). а) схема машины с кольцевыми магнитами б) линии магнитных потоков Рисунок 4 Основные параметры электрической машины Для анализа были выбраны основные параметры электрической машины, приведенные в таблице 1 (см. также эскиз на рисунке 4а). Для исключения взаимного влияния токов и ЭДС каждая из катушек статора присоединялась к выпрямительному диодному мосту. Общие точки всех диодных мостов соединялись общим проводом, подключенным к сопротивлению нагрузки. Схема электрического соединения фазных катушек и нагрузки приведена на рисунке 5. Диоды принимались идеальными, то есть без учета переходных процессов. Таблица 1 Наименование параметра Обозначение Размерность Величина Радиус внутренней проточки статора мм 60 Наружный радиус статора мм 102 Внутренний радиус трубы коммутатора R1 мм 46,3 Внутренний радиус катушек Rcoil мм 62 Внутренний радиус постоянных магнитов Rmagn мм 84 Внутренний радиус доп. пост. магнитов Rmagn1 мм 97,4 Воздушный зазор delta мм 1 Толщина стенки трубы коммутатора a1 мм 4,4 Шаг полюсов статора TAUst мм 22 Шаг кольцевых выступов коммутатора мм 16,5 Толщина кольцевых постоянных магнитов Amagn мм 6,6 Половина толщины магнитопровода b мм 3,08 Толщина кольцевого выступа коммутатора Acom мм 6,16 Относительный размер уступа магнитопровода – 0,6 Число витков катушки NC – 50 Толщина провода катушки D1_wire мм 2,6 Активное сопротивление катушки Res_coil Ом 0.0385 Сопротивление нагрузки RLOAD Ом 2 Рисунок 5 – Электрическая схема соединения катушек При динамическом расчете параметры движения подвижного элемента перемещение S и скорость V задавались следующими зависимостями: , (1) где: – рабочий ход подвижного элемента; – частота, Гц; . (2) Графики движения подвижного элемента приведены на рисунке 6. Рисунок 6 – Кинематические параметры движения подвижного элемента Для постоянных магнитов был выбран спеченный материал на основе сплавов неодима с железом и бором марки МАЕР43ML (ТУ 1984-001-18785310-2003). Расчет характеристик электрической машины в режиме генерации проводился методом конечных элементов в программе ANSYS-Emag. Для учета насыщения стали в магнитопроводах и нелинейных магнитных характеристик постоянных магнитов были введены зависимости B=B(H) для указанных материалов. Результаты расчетов Задача решалась в осесимметричной постановке, для чего была разработана осесимметричная конечно-элементная модель электрической машины, в которой методом перемещения сетки моделировалась нестационарная задача перемещения подвижного элемента относительно магнитной системы статора. Вихревые токи в магнитопроводах и постоянных магнитах не учитывались. Поскольку нагрузка машины полагалась чисто активной, то электрическая мощность машины P вычислялась по формуле: , (3) где: - суммарный мгновенный ток, А; T - период колебаний, , с; Рисунок 7 – Зависимость мощности линейного генератора от величины рабочего хода (при частоте 50 Гц) Рисунок 8 – Зависимость мощности линейного генератора от частоты колебаний (при рабочем ходе 100 мм) Для анализа производительности электрической машины при работе вместе с двигателем внутреннего сгорания были проведены расчеты мощности машины при различных величинах рабочего хода (амплитуды линейных колебаний) при фиксированной частоте 50 Гц (рисунок 7), а также мощности машины при различных частотах при фиксированной величине рабочего хода мм (рисунок 8). На рисунке 9 показана зависимость магнитной индукции в воздушном зазоре от времени. Отметим достаточно высокую амплитуду изменения магнитной индукции 1,25 тл. Рисунок 9 – Зависимость величины магнитной индукции в воздушном зазоре Рисунок 10 – Зависимость суммарного тока через сопротивление нагрузки На рисунке 10 показана зависимость суммарного тока от катушек, проходящего через активное сопротивление нагрузки, от времени. На рисунке 11 приведен график осевой силы, действующей на подвижный элемент. Необходимо отметить высокий уровень пульсации осевой силы, что приводит к вибрации и шуму во время работы. Рисунок 11 – Осевая сила, действующая на подвижный элемент Коэффициент полезного действия электрической машины в приведенном диапазоне частот изменялся незначительно и составлял 0,93-0,95. В результате расчетов получены следующие удельные характеристики электрической машины при частоте 50 Гц и рабочем ходе 100 мм (таблица 2): Таблица 2 Наименование Ед. изм. Величина Удельные параметры Удельная мощность на единицу поверхности воздушного зазора Вт/м2 8734 Удельная мощность на единицу объема статора Вт/м3 100 747 Удельная мощность на единицу массы электрической машины Вт/кг 16,8 Массовые параметры Масса подвижного элемента (без элементов крепления) кг 5,9 Масса магнитного материала кг 8,00 Заключение Необходимо отметить следующее: 1. Невысокие удельные мощностные характеристики рассмотренной линейной электрической машины требуют оптимизации как геометрических, так и кинематических параметров ее работы. 2. Достаточно большая масса постоянных магнитов приводит к удорожанию электрической машины. Вместе с этим устройство пригодно для лабораторного моделирования в дальнейшем. В результате расчета линейной электрической машины методом конечных элементов можно детально исследовать распределение магнитного поля с учетом нелинейных характеристик магнитных материалов. При возросших вычислительных мощностях современных компьютеров появляется возможность проводить оптимизацию параметров электрических машин при моделировании движения частей электрической машины относительно друг друга.