Автомобиле- и тракторостроение в россии: приоритеты развития и подготовка кадров



Pdf просмотр
Дата02.02.2017
Размер1.41 Mb.
Просмотров289
Скачиваний0

1
Международная научно-техническая конференция ААИ
“АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ:
ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА КАДРОВ”,
посвященная 145-летию МГТУ “МАМИ”.



ДОКЛАД
Автомобильный генератор возвратно-поступательного
движения.
Анализ конструкции.




Кафедра «Электротехника и
компьютеризированные электромеханические
системы»
Докладчик аспирант ДУХАНИН В.И.
Научный руководитель к.т.н. КЕЦАРИС А.А.






17 ноября 2010 года
МГТУ “МАМИ” Москва

2
Автомобильный генератор возвратно-поступательного движения.
Анализ конструкции
Аннотация:
В настоящей статье рассматривается автомобильный генератор возвратно-поступательного движения со свободным поршнем, являющийся интегральным устройством, преобразующим механическую энергию возвратно-поступательную движения поршня двигателя внутреннего сгорания
(ДВС) в электрическую энергию для использования в качестве бортового источника питания гибридных транспортных средств.
Рассматриваются преимущества этого способа преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и проблемы проектирования. Сформулированы требования к линейному электрогенератору со свободным поршнем. Дан краткий обзор разработок линейных электрогенераторов.
1. Вступление


Генератор возвратно-поступательного движения или линейный электрогенератор со свободным поршнем (далее – линейный генератор) является относительно новым видом устройств, вырабатывающих электроэнергию, и представляет интерес как перспективная концепция энергоустановки для гибридного транспорта, а также для передвижных и стационарных электрических энергоуcтановок. Появление линейного генератора объясняется поиском оптимального промежуточного звена между классическими ДВС и
«чистой» электротягой. В настоящее время эту нишу интенсивно занимает гибридный электротранспорт. Использование в гибридных схемах малоразмерного ДВС, механической трансмиссии, отдельного генератора, несмотря на оптимизацию параметров системы является громоздким, дорогим и трудно оптимизируемым решением преобразования тепловой энергии сгорания топлива в электрическую энергию. Вместо этого предлагается использование на борту транспортного средства интегрированной силовой установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем и линейного электрического генератора.
Рассматривать линейный генератор в качестве альтернативного решения для бортовых источников энергии транспортных средств стало возможным благодаря ряду важных технических событий, произошедших за последние 15-20 лет:
- ускоренное развитие силовой электроники на основе мощных IGBT транзисторов;
- разработаны углубленные математические модели электродвигателей, в частности, линейных мотор-генераторов на основе редкоземельных постоянных магнитов;
- появилась схемотехническая, элементная и программная база для управления и оптимизации быстропротекающих процессов в режиме реального времени, характерных для двигателей внутреннего сгорания;
- проведены газодинамические исследования в области оптимизации сгорания топлива в ДВС (режим сгорания гомогенной топливного заряда с зажиганием от сжатия,
HCCI-
Homogeneous charge compression ignition).
С другой стороны, в сфере транспортной энергетической политики укрепилась устойчивая тенденция к ужесточению экологических требований к энергетическим

3 устройствам. Все это заставляет по-новому взглянуть на линейный генератор как на перспективную энергетическую установку 21 века.
Линейный генератор является интегрированной конструкцией двух- или четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором. Одна из возможных схем приведена на рис.1.
Рис. 1 Линейный электрогенератор со свободным поршнем (ЛЭСП).
Двухцилиндровый двигатель оппозитной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно- поступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Подвижная магнитная система размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленным на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора. В сущности это и есть принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев. Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, обеспечивает старт двигателя внутреннего сгорания.
Электронная система управления должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров.
Преимущества этого принципа преобразования энергии:
- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию ДВС;
- повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;
- повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие отсутствия шатунов, что приводит к исключению боковых сил, действующих на зеркало цилиндра и уменьшению трения в цилиндропоршневой группе;
- возможность динамического изменения степени сжатия в процессе работы не механическими способами, а установкой параметров системы управления;
- возможность работы с различными видами топлива;
- реализация различных режимов сгорания топлива: электроискровое зажигание смеси, организация дизельного цикла, режим сгорания HCCI.

4
- исключение стартера для запуска ДВС, так как вследствие обратимого действия генератора, система обладает свойством самозапуска;
- снижение объема аккумуляторных батарей;
- снижение расходов на производство.
Становится возможной применение модульной конструкции двигательной установки в виде нескольких распределенных блоков, что приводит к новым принципам компоновки транспортных средств, а также повышает надежность для использования в военных и других критических областях применения транспортной техники.
Вместе с тем необходимо обратить внимание и на проблемы, связанные с этой концепцией:
- термоизоляция между камерой сгорания и генераторной частью;
- высокая величина циклически повторяющихся сил, действующих на шток и индуктор;
- высокая стоимость материала постоянных магнитов, изменение их рабочих характеристик при влиянии тепловых потоков и знакопеременных нагрузок;
- необходимость создания специального программного обеспечения для управления работой генератора и двигателя;
- недостаточные удельные характеристики созданных прототипов.
Эти проблемы, как можно надеяться, будут решены в ближайшем будущем по мере разработки этой технологии.
2. Обзор разработок и прототипов.

Генератор со свободным поршнем был применен вместе с двигателем Стирлинга в космическом полете и труднодоступных областях применения. Однако, двигатели внешнего сгорания достаточно тяжелы (по сравнению с двигателями внутреннего сгорания) и не подходят для использования в транспортной технике. Известные работы по использованию генераторов со свободным поршнем в комбинации с двигателем внутреннего сгорания редки и кратко приведены ниже.
2.1. Компанией Sunpower (США, штат Огайо, Афины)[11] разработан ряд линейных генераторов с двигателем Стирлинга для NASA и министерства обороны. Диапазон электрических мощностей моделей генераторов 40-1000 Вт.
2.2. В национальной лаборатории Сандиа, США, Ливермор (Sandia National Laboratories,
Livermore) создан прототип генератора мощностью 15 кВт.
2.3. Отделением электрического оборудования университета Западной Вирджинии разработан генератор со свободным поршнем мощностью 500 Вт. Он был испытан и использовал два оппозитных цилиндра с электроискровым зажиганием. Постоянные магниты монтируются на подвижном поршне, а катушки размещены в пазах сердечника статора. Была поставлена цель в исследовании использования процесса компрессионного зажигания и повышения диапазона мощности устройства.
2.4. В центре электромеханики университета Техаса г.Остин (США) были разработаны схема, конструкция и проведены испытания генератора со свободным поршнем, использующим преобразователь индукторного типа. В конструкции индукторного генератора продолжение юбки поршня использовалось в качестве каркаса для крепления постоянных магнитов, вместо обычно применяемого отдельного индуктора с постоянными магнитами. Это придало устройству жесткость и компактность. Однако устройство имело низкую удельную мощность, хотя и компенсируемую достаточным набором отдельных модулей.
Первичная цель этой разработки – применение в военной области и других критических областях транспорта.
2.5. Исследовательская корпорация Галилео (Galileo Research Inc.) несомненно на сегодня лидер в исследованиях технологии генератора со свободным поршнем. Был

5 разработан коммерческий блок, который имеет один подвижный компонент: сборный шток поршня, интегрированный с двигателем внутреннего сгорания. В конструкции использовался подвижный элемент с постоянными магнитами.
2.6. В университете Регины (США) было также разработано подобное устройство, конструкция которого имела как один, так и с два цилиндра. Электрическая выходная мощность достигала 1000 Вт. Применялся коммерчески производимый линейный генератор, который также служил и мотором.
2.7. Исследовательская группа факультета электрического оборудования, чешского технического университета г.Прага в составе П.Немечек, О. Высоки и др. исследовала систему управления двухтактным двигателем со свободным поршнем на реальной действующей лабораторной установке. Была разработана схема управления системой двигатель-генератор, исследованы законы управления, получены экспериментальные результаты.
2.8. Австралийская компания Pempek Systems начала в феврале 2001 г. проект энергетического модуля на основе ДВС и в 2004 г. создала прототип модуля с ДВС искрового зажигания с оригинальной запатентованной системой газообмена. В настоящее время фирма анонсирует энергетический модуль с электрической мощностью 100 кВт.
2.9. Европейским сообществом в 2002 г. был выделен гранд стоимостью 3,7 млн.евро на три года для исследования преобразователя энергии со свободным поршнем, в котором приняли участие европейские компании и исследовательские институты:
AB Volvo Corporation
– Швеция;
Noax V.V.
- Нидерланды;
Институт топлива Франции
- Франция;
АВВ АВ
- Швеция;
Innas B.V.
- Нидерланды;
Университет технологии Чалмерса
– Швеция;
Королевская высшая техническая школа - Швеция;
Университет Шеффилда
- Великобритания.
Задачи проекта:
- разработать чистую и энергетически эффективную технологию для транспортных силовых установок, основанную на принципе свободного поршня;
- включить в состав систему сжигания топлива HCCI (Homogeneous Charge
Compression Ignition);
- запустить установку на дизельном топливе, и энергетический компактный линейный электрический генератор, преобразующий механическую энергию поршня непосредственно в электрическую энергию;
- разработать испытательную установку мощностью 25 кВт, для демонстрации технологии FPEC (Free Piston Energy Converter), с удельной мощностью не менее 0,6 кВт/кг, удовлетворяющей требованиям на выбросы транспортных двигателей Euro V.
3. Технические требования к линейной электрической машине.
Для конструкции с двигателем со свободным поршнем могут применяться различные типы электрических машин. Как и для проектирования любого технического устройства, для нахождения оптимального конструктивного решения необходимо задать технические требования к электрической машине. Для определения возможного диапазона изменений исходных параметров генератора рассмотрим ряд серийных двигателей внутреннего сгорания легкового и грузового транспорта, приведенных в таблице 1.
Принимая для упрощения анализа, что кинематические параметры движения поршня изменяются по синусоидальному закону, получаем следующие диапазоны изменения параметров (таблица 2).

6
Необходимо отметить высокие значения знакопеременной инерционной нагрузки действующей на подвижный элемент, так как он в сущности исполняет роль шатуна в обычном ДВС. Однако по сравнению с шатуном, инерционную нагрузку на индуктор можно считать строго осевой, что несколько ослабляет требования к устойчивости и прочности его конструкции. Знакопеременные нагрузки будут действовать и на все элементы магнитных цепей, образуемых в процессе движения подвижного элемента. В связи с этим следует обратить внимание на требования к клеевому и механическому креплениям постоянных магнитов, а также и на распределение нагрузок в самом материале постоянных магнитов, который достаточно хрупок.
На конструкцию индуктора воздействуют два типа тепловых потоков:
1) тепловой поток со стороны поршня от сгорания топлива в камере сгорания;
2) внутренние распределенные тепловые потоки от вихревых токов.
Для уменьшения воздействия тепловых потоков первой группы необходимо предусмотреть конструктивные решения: теплоизоляция между корпусом поршня и подвижным элементом, уменьшение эффективной площади теплопередачи, применение низко теплопроводных конструкционных материалов, а для тепловых потоков второй
Таблица 1. Характеристики двигателей автомобилей
Наименование параметра
1 2
3 4
5 6
7
Тип двигателя
ВАЗ
2101
ГАЗ-
3111
ЗМЗ
4062.10
ГАЗ-
3111
ЗМЗ
4052.10
ЗМЗ-
4061
ЗИЛ-130
КАМАЗ
7403.10
КАМАЗ-
740.11-
240
Число цилиндров
4 4
4 4
8 8
8
Степень сжатия
8,8 9,3 9,3 9,5 6,5 16,5 16.5
Диам. цилиндра, мм
76 92 95.5 92 100 120 120
Ход поршня, мм
66 86 86 86 95 120 120
Раб.объем дв-ля, л
1.198 2,3 2,5 2,3 6
10,85 10,85
Ном. мощность, кВт
45,6 96 100 80,9 110,3 260 176
Частота вращения вала, об/мин/об/сек
Макс. крутящий момент при частоте вращения вала.
Нм/об.в мин
Мощность на один цилиндр, кВт
11,4 24 25 20,2 12,5 32,5 22
Средняя сила, кН
5,18 6,44 6,71 6,27 5,44 12,5 10,0
Максимальная скорость, м/с
38,8 47 47 40,6 31,9 32,8 27,7
Максимальное ускорение, g
2322 2609 2609 1954 1091 910 652

7 группы - рассечение путей вихревых токов (шихтование), применение конструкционных материалов с низкой электропроводностью (порошковые магнитные материалы).
Колебательное движение подвижного элемента можно в некотором приближении описать, рассматривая механическую систему, состоящую из массы, газовой пружины, импульсной внешней силы (процесс сгорания), тормозящей силы (воздействие генератора). Система будет иметь собственную частоту колебаний, зависящую от массы подвижного элемента. Для повышения удельных энергетических характеристик линейного генератора, как и для вращающейся электрической машины, необходимо стремиться к увеличению скорости движения подвижного механизма относительно магнитной системы статора, то есть - частоты колебаний подвижного элемента, а, следовательно, и собственной частоты колебаний механической системы. Поэтому следует уменьшать массу подвижного элемента.
Таблица 2
Наименование параметра
Единица измерения
Величина
Мощность на один цилиндр кВт
11,4 – 32,5
Частота колебаний поршня
Гц
34 – 94
Средняя сила кН
5,18 – 12,5
Максимальная скорость м/с
27,7 – 47
Максимальное ускорение
G (9,81 м/с
2
)
652 – 2609
Факторы, ухудшающие эффективность линейной электрической машины:
3.1. Собственная частота поршневой конструкции значительно ниже, чем частота вращающегося двигателя, что приводит к снижению удельной мощности по отношению к объему активного материала машины.
3.2. Всегда имеются части статора или подвижного элемента линейной машины, которые неактивны. Это приводит к снижению удельной мощности. Для рационального использования активного материала длина статора либо транслятора должна быть равен длине рабочего хода, а другой должен быть в два раза больше этого значения.
3.3. Имеются разрывности магнитных полей как в статоре, так и в подвижном элементе (в виде краевых эффектов), которые понижают производительность переноса энергии от краевых зон.
3.4. Имеются высокие требования к конструкции магнитопровода (например, требование полного замыкания магнитного потока полюсов на краевых полюсах), что снижает удельную производительность.
3.5. Масса подвижной конструкции ограничена, что существенно ограничивает количество доступного активного материала в подвижной конструкции, величину доступной области активного воздушного зазора и может служить ограничением мощности машины при заданных габаритах.
3.6. Зависимость скорости от времени является пульсирующей и прерывной. Это ухудшает производительность машины по сравнению со случаем постоянной скорости машины.
Для обеспечения старта двигателя внутреннего сгорания, а также при использовании четырехтактного цикла электрическая машина должна иметь возможность работы в двигательном режиме. Переключение режимов должно осуществляться динамически в процессе работы.
Требование отсутствия механических узлов, обслуживаемых в процессе работы, таких как механический коммутатор и щеточные узлы, исключают из рассмотрения

8 щеточные машины постоянного тока, обладающими к тому же большей стоимостью и увеличенными габаритами по сравнению с машинами переменного тока. Следовательно, электрическая машина должна быть бесконтактной.
Линейные асинхронные машины, перспективные в качестве тяговых двигателей для транспорта на магнитной подушке, также не рассматриваются по причине невысокой удельной мощности машины в расчете на рабочий объем электрической машины.
Общие требования к электрической машине приведены в таблице 3.
4. Типы электрических машин.

Одним из главных вопросов проектирования генератора со свободным поршнем является выбор типа и конструкции электрической машины.
Выбор должен производиться не только с учетом параметров производительности самой машины, но и с учетом оптимизации таких параметров энергоустановки транспортного средства в целом, как эффективность, высокая удельная мощность, конкурентноспособность с другими решениями гибридного транспорта.
По соотношению размеров статора и подвижного элемента линейные машины можно разделить на две группы: короткий подвижный элемент - длинный статор, длинный подвижный элемент - короткий статор, как показано на рис.2. Конструкция с коротким подвижным элементом имеет меньшую массу индуктора, но увеличивает массу меди в длинном статоре, что приводит к увеличению стоимости электрической машины. Конструкция с длинным индуктором, несмотря на увеличенную его массу подвижного элемента, показывает более высокую удельную производительность. Для эффективного использования активного материала по крайней мере одна из составных частей машины должна быть не меньше длины хода, а другая – длиннее на величину рабочего хода. В конструкциях с коротким подвижным элементом, последний определяет активную длину, в то время как в конструкциях с коротким статором определяющей становится длина статора.
Конструктивно линейный генератор может быть выполнен в виде:
- плоской односторонней машины;
- плоской двух сторонней машины;
- цилиндрической машины;
- машины сложной геометрии
Таблица 3
Рабочий ход мм
100
Частота
Гц
30
Мощность преобразователя
(механическая), кВт
50
Количество фаз машины
3
Магнитный поток в магнитопроводе , не менее
Т
1,4
Потери на трение
%
5
Плотность тока в обмотке
А/мм
2 6,5
Максимальная длина машины мм
500
Тип магнитов
NdFeB
КПД
0,9
Коэффициент мощности, cos(

)
0,8
Удельная мощность, не менее кВт/кг
1,0

9
Плоские машины вследствие поперечного краевого эффекта имеют рассеивание магнитных потоков, приводящее к снижению производительности этих машин, к тому же их форма вызывает затруднение для компоновки в моторном отсеке транспортного средства. Однако они могут быть удобны для лабораторных и экспериментальных исследований прототипов силовых установок, поскольку рядом фирм налажено их серийное производство. а) б) в) г)
Рис.3 Классификация линейных электрических машин, основанная на типе конструкции ПЭ: а) подвижные катушки; б) подвижные магниты; в) подвижный стальной подвижный элемент сердечник с электромагнитным возбуждением; г) подвижный стальной сердечник с возбуждением от постоянных магнитов.
Одна из возможных схем основана на различных исполнениях конструкции подвижного элемента, приведенных на рис.3: а) подвижный элемент с подвижными катушками; б) подвижный элемент с постоянными магнитами; в) подвижный элемент в виде стального сердечника (коммутатора) с электромагнитным возбуждением; а) б)
Рис.2. Варианты соотношения размеров линейной электрической машины: а) короткий ПЭ - длинный статор; б) длинный ПЭ - короткий статор.

10 г) подвижный элемент в виде стального сердечника (коммутатора) с возбуждением от постоянных магнитов.
Возможны также машины с подвижным элементом комбинированных схем.
Из возможных типов структурно-функциональных схем электрических машин для анализа выбраны варианты индукторных машин, машин с радиальной ориентацией полюсов постоянных магнитов и синхронных реактивных машин.
Для сравнительного анализа были приняты исходные параметры предполагаемой линейной электрической машины, приведенные в таблице 3. В следующих разделах показаны схемы и характерные особенности этих машин, даны результаты и комментарии. Для оценочных расчетов принято, что потери в воздушном зазоре, насыщение в стали и краевые индуктивные потери в обмотках пренебрежимо малы.
5. Сравнение электрических машин с подвижными магнитами и подвижной обмоткой.
В работе [2] проводится сравнение силовых и удельных характеристик линейных синхронных двигателей. Хотя приведенные примеры касаются двигателей, они, вследствие обратимости синхронных машин, пригодны и для генераторов.
При равных объемах активного пространства двигатель с высокоэнергетическими подвижными редкоземельными магнитами существенно выигрывает по развиваемой осевой силе в сравнение с двигателем с подвижной обмоткой возбуждения по величине осевой силы, развиваемой на единицу его объема и единицу массы, а, следовательно, и по удельной мощности. При остаточной индукции постоянного магнита тл и допустимой плотности тока это отношение равно 17.
При условии одинаковой индукции в рабочем зазоре масса меди обмотки возбуждения должна превышать массу меди рабочей обмотки двигателя с постоянными магнитами более, чем в пять раз. Увеличение площади поперечного сечения обмотки двигателя приведет к увеличению размеров и массы магнитопровода, корпуса и других элементов двигателя.
При использовании подвижного элемента в виде конструкции проводников с током, пространство между которыми с целью уменьшения магнитного сопротивления заполнено магнитопроводящей средой, двигатель с постоянными магнитами оказался существенно более эффективным по использованию объема, чем двигатель с подвижной обмоткой. Отношение осевой силы достигает в приведенном примере 3,25, а в реальных условиях – не менее 6,5. Кроме того, КПД двигателя с постоянными магнитами заметно больше, а условия охлаждения гораздо более благоприятны, чем для двигателей, имеющих обмотки на подвижной или неподвижной частях. Необходимо отметить, что двигатель с подвижными магнитами значительно надежнее, чем двигатель с подвижной обмоткой ввиду отсутствия скользящих контактов или гибких токопроводов, работающих в условиях вибрации.

6. Синхронные цилиндрические машины с постоянными магнитами.
6.1. Машины с магнитами с радиальной намагниченностью на подвижном элементе.
В работе [3] проведен анализ устройства статорных обмоток с различной комбинацией фаз и продольных размеров постоянных магнитов. Был выбран вариант обмотки с одним пазом на полюс, парой на фазу. Общий вид машины и схема фазных обмоток приведена на рис.4. Исходя из аналитической модели цилиндрической машины с кольцевыми постоянными магнитами из NdFeB, была проведена оптимизация геометрических параметров магнитной системы с учетом потерь в преобразователе.

11
Показано, что для расчетной модели машины постоянной выходной мощности 44 кВт существуют оптимальные отношения и
, которые приводят к максимальному
КПД машины
0,942. Однако, фактор мощности при этих значениях 0,73, что потребовало рассмотрения оптимизации с учетом потерь в преобразователе. При учете этого оптимум происходил при параметрах и
, при котором
КПД системы привода 0,9. а) б)
Рис.4. Машина с радиально намагниченными магнитами на подвижном элементе. а) общий вид; б) схема фаз и полярности постоянных магнитов [3].
Цилиндрическая трехфазная машина с постоянными магнитами, имеющая 9 пазов и 10 полюсов, оборудована модульными статорными обмотками, которые расположены рядом друг с другом, как показано на рис.5. Особенностью конструкции является подвижная магнитная система, использующая намагниченные магниты в виде квази-
Halbach-структуры. Каждый полюс составлен из комбинации двух кольцевых магнитов, один из которых имеет радиальную намагниченность, а другой - аксиальную намагниченность. При этом получитается синусоидально распределенный магнитный поток в воздушном зазоре. Особенность квази-Halbach намагниченности состоит в том, что осевые намагниченные магниты предоставляют обратный путь для потока в воздушном зазоре, и, следовательно, поток во внутреннем отверстии арматуры относительно мал. Таким образом, постоянные магниты могут устанавливаться на немагнитной несущей трубе с высокой прочностью без большого снижения осевой несущей способности, вследствие чего значительно снижается масса подвижной конструкции, которая существенна для достижения высокой выходной мощности линейного генератора.
Как и в конструкции машины, рассматриваемой выше, исследовалось влияние конструктивных параметров и на производительность машины и системы в целом, включая преобразователь. Показано, что при фиксированной при расчетах мощности 44 кВт КПД системы составляет 0,9.
Таблица 4
Радиус магнитов мм
46,8
Толщина магнитов мм
5
Воздушный зазор
G
мм
1
Наружный радиус статора

мм
100
Шаг магнитов мм
27,6
Шаг полюсов мм
27,6

12 6.2. Машины с магнитами с осевой намагниченностью на подвижном элементе.
Кольцевые магниты на подвижном элементе могут иметь осевую (продольную) намагниченность. При этом магниты устанавливаются одноименными полюсами навстречу друг к другу. Преимуществом конструкции является возможность достижения более высоких значений магнитного потока в магнитном зазоре до 1,5-2,0 Т. а) б)
Рис.5. Схема трехфазной цилиндрической машины с постоянными магнитами с квази-
Halbach структурой намагниченности [4].
Рис.6.
Основные конструктивные параметры ПМ-машины с квази-Halbach структурой [4].
Рис.7. Прототип генератора
Рис.8.
Магнитопровод статора, изготовленный из модулей, шихтованных I- образными листовыми заготовками. а) б)
Рис.9. Машина с осевой намагниченностью постоянных магнитов на подвижном элементе. а) общий вид; б) схема последовательности фаз и полярности постоянных магнитов [3].

13 6.3. Индукторные машины.
Индукторные машины (ИМ) [1], у которых магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора меняется только по величине, имея постоянное направление, обладают следующими преимуществами:
- способность генерировать или использовать токи повышенной частоты;
- простота конструкции подвижного элемента;
- высокая надежность;
- хорошее регулирование;
- работоспособность в сложных окружающих условиях.
Однако главный недостаток индукторных машин проявляется в наличии постоянной составляющей магнитного потока, которая не участвует в наведении рабочей ЭДС, но и загружает магнитопровод, что приводит к существенному увеличению объема и массы магнитопровода по сравнению с другими типами синхронных машин.
Индукторные машины по типу делятся на одноименнополюсные и разноименнополюсные. В ИМ первого типа к якорю примыкают магнитные полюсы только одной полярности, а в ИМ второго типа - полюсы различной полярности.
Одноименнополюсные машины являются машинами с радиально-осевым потоком и могут использоваться в линейных машинах с небольшим отношением длины машины к поперечному размеру активной области, то есть для небольших рабочих ходов..
Конструкция разноименнополюсной ИМ с возбуждением от постоянных магнитов приведена на рис.6.
Рис.10. Индукторная машина с подвижным сердечником.
Рис.11. Коммутаторная линейная машина с периферийным

14
К индукторным машинам также относится коммутаторный генератор, в котором поток, сцепленный с обмотками статора, периодически изменяет знак, но в каждой точке зазора индукция не меняется по направлению. Поскольку коммутаторный генератор с обмотками возбуждения малоэффек-тивен из-за значительных потерь на возбуждение и пульсаций потока в обмотке возбуждения, в коммутаторном генераторе используются постоянные магниты.

6.4. Машины с поперечным магнитным потоком (transverse-flux machine - TFM).
Машины, рассматриваемые выше, принадлежат к основной группе машин с продольным магнитным полем. Машины с поперечным магнитным полем (TFM) имеют расположение магнитного потока в плоскости перпендикулярной движению индуктора и имеют в настоящее время нарастающую популярность. Они характеризуются высокой удельной плотностью момента, но и высокими потерями потока, низким фактором мощности и сложным производственным процессом. Этот тип машин рассматривается здесь из-за его многообещающей удельной плотности силы, не обращая внимания на многие его недостатки. На рис.10 показана трехфазная линейная TFM-машина с постоянными магнитами [5]. Двухсторонний вариант выбран для того, чтобы повысить плотность момента, избежать использования ярма индуктора и исключить нормальные силы. В этих машинах потери магнитного потока составляют примерно 50%, а потери потока в якоре могут быть выше, чем 70%. Линейный вариант TF-машины превосходит вариант вращающейся машины, поскольку в линейном исполнении конструкция выходит несколько проще. Это происходит из-за того, что легче разместить вторичную обмотку
(рис.10), а также облегчена сборка частей прямолинейных индуктора и статора.
Характеристики машины приведены в таблице 5. расположением постоянных магнитов на статоре.
Рис.12. Поперечный разрез конструкции машины с поперечным магнитным потоком.
Рис.13. Осевые потери магнитного потока для конструкции с утопленными магнитами.
Таблица 5.
Масса подвижного элемента, кг
5,8
Фактор мощности
0,78
Развиваемое усилие, кН
4,1
КПД, %
94
Количество полюсов
19

15
Коммутаторная машина, выполненная в виде машины с поперечным магнитным потоком, показана на рис.11.
4.3.5 Заключение.
Хотя в настоящее время не найдена конструкция линейной электрической машины пригодной для использования в качестве ЛЭСП, анализ прототипов и расчетных моделей показывает, что существуют перспективные конструкции и параметрические модели.
Средства анализа методом конечных элементов расширяют возможности создания параметрических моделей и позволяют проводить вычислительный эксперимент с оптимизацией параметров. Это особенно важно, поскольку магнитные системы линейных машин становятся все более сложными с развитой трехмерной структурой и точный анализ другими методами часто невозможен.
Разработка и оптимизация линейной машины должны проводится вместе с расчетом параметров преобразователя, рассматривая линейную машину и преобразователь как единую систему.
Список литературы:
[1] Бут Д.А. «Бесконтактные электрические машины», Москва, «Высшая школа»,
1985.
[2] Хитерер М.Я., Овчинников И.Е. «Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения»,Санкт –Петербург, Корона принт, 2008.
[3] Wang, J., Howe, D. «Design Optimization of Radially Magnetized, Iron-Cored,
Tubular Permanent-Magnet Iron-Cored, Tubular Permanent-Magnet» IEEE Transactions on magnetic, Vol.40, No.5, September 2004
[4] Wang, J., West M., Howe, D., Zelaya-De La Parra, Y. «Design and Experimental
Verification of a Linear Permanent Magnet Generator for a Free-Piston Energy Converter» IEEE
Transactions on energy conversion, Vol.22, No.2, June 2007
[5] Cosic, A., Sadarangani, C., Carlsson, F.” A novel concept of a Transverse Flux Linear
Free-Piston Generator”, Royal Institute of Technology, Department of Electrical Engineering,
Sweden, 2005
[6] Arshad W. M., Bäckström T., Thelin P., and Sadarangani C., “Integrated free-piston generators: An overview”. IEEE NORPIE-02, Stockholm, 2002.
Высота магнита, мм
3,8
Магнитопровод подвижного элемента, мм
6,8
Рис.14. Коммутаторная машина с поперечным магнитным потоком.

16
[7] Centre of Electromechanics, University of Texas, Research activities, www.utexas.edu/research/cem/
[8] Galileo Research Inc (USA) web site, www.galileoresearch.com
[9] Say M. G., Alternating current machines, Pitman Publishing, Bath ,1976.
[10] Finding an Appropriate Electrical Machine for a Free Piston Generator
Waqas M. Arshad, Chandur Sadarangani, Thomas Bäckström & Peter Thelin
[11] www.sunpower.com
[12] Peter Van Blarigan «ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ELECTRICAL
GENERATOR», Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review
[13] United States Patent No: US 7,352,088 B2 Linear electrodynamic system and method.
Qiu, Apr.1,2008

Каталог: wp-content -> uploads
uploads -> «чем великобритания интересна для россии?» Великобритания входит в число крупнейших мировых держав
uploads -> Персональные компьютеры, история создания и развития
uploads -> Сборник Из опыта проектной деятельности учащихся гимназии №524 в 2012-2013 учебном году Санкт-Петербург 2013
uploads -> Использование икт на логопедических занятиях
uploads -> Государственное областное бюджетное
uploads -> Компьютерные игры – новый вид деятельности для дошкольников с зпр и. Ю. Заболотникова, Е. Ф. Половинкина, воспитатели мдоу детского сада комбинированного вида№2
uploads -> Информационный доклад
uploads -> В. П. Зинченко писал о том, что если человек в детстве не дополучил некую норму участия в игровом времяпрепровождении, он приобретает социально-психологическую ущербность вроде «игровой дистрофии», которую в последу


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал