vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-2-229-243vestift-382Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERМЕТОДИКА СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА КОМБИНИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯMETHODS OF STRUCTURAL AND PARAMETRIC SYNTHESIS OF COMBINED GENERATOR OF RECIPROCATING POWER PLANTS FOR ROBOTIC SYSTEMS ON THE BASIS OF A FREE PISTON ENGINEМенжинскийА. Б.MenzhinskyA. B.

Менжинский Андрей Борисович – адъюнкт (аспирант), кафедра электротехники и систем электропитания.

пр. Независимости, 220, 220057, Минск.

Andrei B. Menzhinsky – Postgraduate Student, Chair of electrical equipment and power supply systems.

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk.

volna05011990@mail.ruМалашинА. Н.MalashinA. N.

Малашин Андрей Николаевич – кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электротехники и систем электропитания.

пр. Независимости, 220, 220057, Минск.

Andrey N. Malashin – Ph. D. (Engineering), Assistant Professor, Professor of the Chair of electrical equipment and power supply systems.

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk.

Военная академия Республики Беларусь.Military Academy of Republic of Belarus.201803072018632229243Copyright © Менжинский А.Б., Малашин А.Н., 20182018Менжинский А.Б., Малашин А.Н.Menzhinsky A.B., Malashin A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/382

Система энергоснабжения современных робототехнических комплексов требует разработки электромеханических преобразователей энергии с высокими энергетическими и минимальными массогабаритными показателями. В связи с этим в качестве перспективной энергоустановки рассматривается свободнопоршневой двигатель с электрическим генератором.

Интерес к исследованию энергоустановок на базе свободнопоршневых двигателей обусловлен рядом преимуществ в сравнении с классическими двигателями внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом: относительной простотой конструкции; на 40 % меньшим количеством элементов, что в 2,5–3 раза увеличивает габаритную мощность, удельную массу и металлоемкость свободнопоршневого двигателя; сниженным на 30 % расходом топлива. Также важное конструктивное преимущество энергоустановок на базе свободнопоршневых двигателей – это сравнительно легкое их модульное исполнение. В разрабатываемых энергоустановках на базе свободнопоршневых двигателей зарубежных стран (США, Россия, Германия, Китай, Великобритания, Япония, Швеция, Израиль и др.) в качестве электрической машины переменного тока чаще всего применяются возвратно-поступательные электрические генераторы с поперечным приращением магнитного потока. Основным недостатком такого типа генераторов являются отсутствие согласования электрической и механической подсистем энергоустановки в крайних точках рабочего цикла, что ограничивает эффективность использования свободнопоршневого двигателя и снижает надежность энергоустановки.

Для решения этой проблемы было предложено использовать электромеханический преобразователь энергии с поперечным и продольным приращением магнитного потока (комбинированный генератор). Однако в настоящее время отсутствует научно обоснованная методика синтеза такого типа генератора. С целью решения этой задачи была разработана методика структурно-параметрического синтеза комбинированного генератора возвратно-поступательного типа для энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя, основанная на использовании удельной массы комбинированного генератора в качестве целевой функции, что позволяет синтезировать электрическую машину возвратно-поступательного типа с заданным КПД и минимальной удельной массой.

Power supply system of advanced robotic systems requires the development of electromechanical energy converters with high energy and minimum weight and overall dimensions. In this regard, a free piston engine with an electric generator is considered as a promising plant.

Interest in the study of power plants based on free piston engines is caused by several advantages compared to conventional internal combustion engines with a crank mechanism: relative simplicity of the design, 40 % fewer elements, which reduces the overall capacity, specific gravity and metal content of the free piston engine in 2.5–3 times. In addition, the fuel consumption is 30 % lower. Also an important design advantage of power plants based on free piston engines is a relatively simple modular construction. Reciprocating electric generators with transverse increment of the magnetic flux are the most commonly used ones in currently developed power plants based on free piston engines of foreign countries (USA, Russia, Germany, China, UK, Japan, Sweden, Israel, etc.) as the electrical AC machines. The main disadvantage of this type of generators are the absence of coordination of electrical and mechanical subsystems of the power plant at the extreme points of the operating cycle, which limits the efficiency of the free piston engine and reduces the reliability of the power plant.

To solve this problem it is proposed to use Electromechanical energy Converter with transverse and longitudinal increment of the magnetic flux (combo generator). However, currently there is no scientifically valid method of synthesis of this type of generator. To address this problem we have developed the methodology of structural and parametric synthesis of combined generator of the reciprocating type for a plant on the basis of free piston engine, which is based on the use of the specific gravity of the combined generator as the objective function. It allows synthesizing electric machine of the reciprocating type with the specified efficiency and minimum specific mass. 

методика структурно-параметрического синтезакомбинированный генератор возвратно- поступательного типавозвратно-поступательный электрический генераторсвободнопоршневой двигательmethods of structurally-parametrical synthesiscombined reciprocating generatorreciprocating electric generatorfree piston engineReferencesОтвага: военно-патриотический сайт Российской Федерации [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.otvaga2004.ru/na-zemle/na-zemle-11/modern_land_robots_1/ – Дата доступа: 28.10.2017.Military-patriotic site of “Courage” of the Russian Federation. Available at: http://www.otvaga2004.ru/na-zemle/na-zemle-11/modern_land_robots_1/ (Accessed 28 October 2017) (in Russian).Пинский, Ф. И. Энергоустановки со свободнопоршневыми двигатель-генераторами / Ф. И. Пинский // Мобильная техника. – 2004. – № 2. – С. 13–17.Pinskii F. I. Power plants with free piston engine generators. Mobil'naya Tekhnika [Mobile Technology], 2004, no. 2, pp. 13–17 (in Russian).Cawthorne, W. R. Optimization of a Brushless Permanent Magnet Linear Alternator for Use with a Linear Internal Combustion Engine / W. R. Cawthorne. – Morgantown, 1999. – 113 р.Cawthorne, W. R. Optimization of a Brushless Permanent Magnet Linear Alternator for Use with a Linear Internal Combustion Engine. Morgantown, 1999. 113 р.Темнов, Э. С. Разработка теоретических основ расчета и конструирования малоразмерных двигатель – генераторных установок как единой динамической системы: дис. … канд. техн. наук / Э. С. Темнов. – Тула, 2005. – 134 л.Temnov E. S. Development of theoretical bases for the calculation and design of small-sized engine-generator sets as a single dynamic system. Tula, 2005. 134 p. (in Russian).Использование возвратно-поступательной схемы электрического генератора для повышения эффективности энергоустановок автономных образцов вооружения / А. Б. Менжинский [и др.] // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2016. – № 4 (53). – С. 108–114.Menzhinskii A. B., Malashin A. N., Kaleda A. E., Sidyako O. V. Using the reciprocating scheme of an electric generator to increase the efficiency of power plants of autonomous weapons. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus' = Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus, 2016, no. 4 (53), pp. 108–114 (in Russian).Применение короткоходовой схемы возвратно-поступательного электрического генератора для повышения механического КПД и эффективной мощности энергоустановок на базе свободнопоршневых двигателей / А. Б. Менжинский [и др.] // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – № 1 (54). – С. 101–108.Menzhinskii A. B., Malashin A. N., Kaleda A. E., Kolchin E. V. The use of a short-circuit scheme of a reciprocating electric generator to increase the mechanical efficiency and effective power of power plants based on free piston engines. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus' = Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus, 2017, no. 1 (54), pp. 101–108 (in Russian).Применение возвратно-поступательного генератора комбинированной конструкции для повышения КПД и уменьшения удельной массы энергоустановок автономных образцов вооружения / А. Б. Менжинский [и др.] // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – № 4 (57). – С. 62–72.Menzhinskii A. B., Malashin A. N., Mityanov I. V. The use of a reciprocating generator of a combined design to increase the efficiency and reduce the specific weight of power plants of autonomous weapons. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus' = Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus, 2017, no. 4 (57), pp. 62-72 (in Russian).Хитерер, М. Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения / М. Я. Хитерер, И. Е. Овчинников. – СПб.: КОРОНА-принт, 2013. – 368 с.Khiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronous electric reciprocating machines. St. Petersburg, KORONA-print Publ., 2013. 368 p. (in Russian).Вольдек, А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. – 2-е изд., испр. и доп. – Л.: Энергия, 1974. – 840 с.Vol'dek A. I. Electric cars. 2 ed. Leningrad, Energy Publ., 1974. 840 p. (in Russian).Балагуров, В. А. Проектирование специальных машин переменного тока / В. А. Балагуров. – М.: Высш. шк., 1982. – 272 с.Balagurov V. A. Design of special machines for alternating current. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1982. 272 p. (in Russian).Балагуров, В. А. Электрические генераторы с постоянными магнитами / В. А. Балагуров, Ф. Ф. Галтеев. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 280 с.Balagurov V. A., Galteev F. F. Elektricheskie generatory s postoyannymi magnitami. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 280 p. (in Russian).Влияние исходных данных проектирования на оптимальные в симметричной двухкатушечной П-образной клапанной магнитной системе с цилиндрическими сердечниками и полюсными наконечниками / О. А. Никитина [и др.] // Вест. Чуваш. ун-та. – 2015. – № 1. – С. 81–90.Nikitina O. A., Petrov O. A., Russova N. V., Savin M. L., Svintsov G .P. Influence of initial design data on the optimal in a symmetrical two-coil P-shaped valve system with cylindrical cores and pole pieces. Vestnik Chuvashskogo universiteta = Bulletin of the Chuvash University, 2015, no. 1, pp. 81–90 (in Russian).Абрамов, О. В. Методы и алгоритмы параметрического синтеза стохастических систем / О. В. Абрамов // Проблемы управления – 2006. – № 4. – С. 3–8.Abramov O. V. Methods and algorithms for the parametric synthesis of stochastic systems. Problemy upravleniya, 2006, no. 4, pp. 3–8 (in Russian).Линейный генератор с постоянными магнитами для систем электропитания автономных объектов/ В. Е. Высоцкий [и др.] // Изв. вузов. Электромеханика. – 2010. – №1 – С. 80–82.Vysotskii V. E., Tarashev S. A., Sinitsin A. P. Linear generator with permanent magnets for power systems of autonomous objects. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika = Russian Electromechanics, 2010, no. 1, pp. 80–82 (in Russian).Голубцов, С. Г. Электроснабжение узлов связи: учеб. пос. / С. Г. Голубцов, В. М. Калинин, Г. А. Леонович. – Минск: Воен. акад. Респ. Беларусь, 2016. – 176 с.Golubtsov S. G., Kalinin V. M., Leonovich G. A. Power supply of communication centers. Minsk, Military Academy of the Republic of Belarus Publ., 2016. 176 p. (in Russian).БМЕ-дизель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.bme-diesel.ru. – Дата доступа: 19.01.2018.BME-dizel'. Available at: www.bme-diesel.ru. (Accessed 19 January 2018) (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.