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"10.29235/1561-8358-2021-66-4-458-469vestift-703Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERМетодика параметрического анализа электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитамиMethod of parametric analysis of reciprocating electric generators with permanent magnetsМенжинскийА. Б.MenzhinskiA. B.

Менжинский Андрей Борисович – кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и систем электропитания

пр. Независимости, 220, 220057, Минск, Республика Беларусь

Andrei B. Menzhinsky – Ph. D. (Engineering), Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Power Supply Systems

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk, Republic of Belarus

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

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

пр. Независимости, 220, 220057, Минск, Республика Беларусь

Andrei N. Malashin – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Department of Electrical Engineering and Power Supply Systems

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk, Republic of Belarus

КаледаА. Е.KaledaA. E.

Каледа Андрей Евгеньевич – кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электротехники и систем электропитания

пр. Независимости, 220, 220057, Минск, Республика Беларусь

Andrei E. Kaleda – Ph. D. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Department of Electrical Engineering and Power Supply Systems

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk, Republic of Belarus

Военная академия Республики БеларусьMilitary Academy of the Republic of Belarus202126122021664458469Copyright © Менжинский А.Б., Малашин А.Н., Каледа А.Е., 20212021Менжинский А.Б., Малашин А.Н., Каледа А.Е.Menzhinski A.B., Malashin A.N., Kaleda A.E.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/703

Разработана методика параметрического анализа электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами, которая позволяет при заданном значении коэффициента полезного действия выявить значения параметров магнитопровода (площадь поперечного сечения) и рабочей обмотки (количество витков), обеспечивающих минимум удельной массы генератора. Методика параметрического анализа электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами состоит из трех этапов. Первый и второй этапы – это электромагнитный расчет генератора: на первом этапе определяются основные геометрические размеры магнитной системы и параметры рабочей обмотки генератора, на втором – проверка электромагнитного расчета генератора, расчет номинального режима, расчет коэффициента полезного действия и оценка теплового состояния генератора. На третьем этапе осуществляется параметрический анализ электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами с заданными ограничениями, а также уточнение геометрических размеров и конфигурации магнитной системы генератора по двумерной конечно-элементной модели магнитного поля. В результате этого для обеспечения лучшего использования электротехнической стали магнитопровода генератора и уменьшения тем самым его массы определяются наиболее насыщенные участки и участки, которые характеризуются низкими значениями напряженности магнитного поля. Отличительными особенностями предложенной методики являются: использование в качестве целевой функции минимума удельной массы электрических генераторов возвратно-поступательного движения с продольным, поперечным или комбинированным изменением магнитного потока, проходящего через рабочую обмотку; комбинированный подход к электромагнитному расчету; учет влияния рабочей температуры на параметры постоянного магнита, а также перегрев отдельных частей генератора.

A method for the parametric analysis of electric generators of reciprocating motion with permanent magnets has been developed, which allows revealing the values of the parameters of the magnetic circuit (cross-sectional area) and the working winding (number of turns) at a given value of the efficiency, providing a minimum specific gravity of the generator. The method of parametric analysis of electric generators of reciprocating motion with permanent magnets consists of three stages. The first and second stages are the electromagnetic calculation of the generator: at the first stage, the main geometric dimensions of the magnetic system and the parameters of the working winding of the generator are determined; at the second stage, the verification of the electromagnetic calculation of the generator, calculation of the nominal mode, calculation of the efficiency and assessment of the thermal state of the generator are fulfilled. At the third stage, a parametric analysis of electric generators of reciprocating motion with permanent magnets with specified constraints is carried out, as well as the refinement of the geometric dimensions and configuration of the magnetic system of the generator using a two-dimensional finite element model of the magnetic field. As a result, to ensure better use of the electrical steel of the magnetic circuit of the generator and thereby reduce its mass, the most saturated areas and areas, which are characterized by low values of the magnetic field strength, are determined. Distinctive features of the proposed technique are: the use of a minimum specific gravity of electric generators of reciprocating motion with longitudinal, transverse or combined changes in the magnetic flux passing through the working winding as an objective function; combined approach to electromagnetic calculation; taking into account the influence of the operating temperature on the parameters of the permanent magnet, as well as overheating of individual parts of the generator.

методика параметрического анализаэлектрический генераторэлектромагнитный расчетудельная массапостоянный магнитparametric analysis techniqueelectric generatorelectromagnetic calculationspecific gravitypermanent magnetReferencesDynamic modeling of a SI/HCCI free-piston engine generator with electric mechanical valves / C. J. Chiang [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 102. – P. 336–346. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.033Chia-Jui Chiang, Jing-Long Yang, Shao-YaLan, Tsung-Wei Shei, Wen-Shu Chiang, Bo-Liang Chen. Dynamic modeling of a SI/HCCI free-piston engine generator with electric mechanical valves. Applied Energy, 2013, vol. 102, pp. 336–346. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.033Multi-dimensional scavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical simulation / Jinlong Mao [et al.] // Appl. Energy. – 2011. – Vol. 88, №4. – P. 1140–1152. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.10.003Mao, Jinlong, Zuo Zhengxing, Li Wen, Feng Huihua. Multi-dimensional scavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical simulation. Applied Energy, 2011, vol. 88, no. 4, pp. 1140–1152. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.10.003Design considerations of a linear generator for a range extender application / Un-Jae Seo [et al.] // Arch. Electrical Eng. – 2015. – Vol. 64, №4. – P. 581–592. https://doi.org/10.1515/aee-2015-0043Un-Jae Seo, Riemer B., Appunn R., Hameyer K. Design considerations of a linear generator for a range extender application. Archives of Electrical Engineering, 2015, vol. 64, no. 4, pp. 581–592. https://doi.org/10.1515/aee-2015-0043Decoupling design and verifcation of a free-piston linear generator / Peng Sun [et al.] // Energies. – 2016. – Vol. 9, №12. – 1067. https://doi.org/10.3390/en9121067Peng Sun, Chi Zhang, Jinhua Chen, Fei Zhao, Youyong Liao, Guilin Yang, Chinyin Chen. Decoupling design and verification of a free-piston linear generator. Energies, 2016, vol. 9, no. 12, 1067. https://doi.org/10.3390/en9121067Wang, J. Design optimization of radially magnetized, iron-cored, tubular permanent-magnet machines and drive systems / J. Wang, D. Howe // IEEE Trans. Magn. – 2004. – Vol. 40, №5. – P. 3262–3277. https://doi.org/10.1109/TMAG.2004.833424Wang J., Howe D. Design optimization of radially magnetized, iron-cored, tubular permanent-magnet machines and drive systems. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, vol. 40, no. 5, pp. 3262–3277. https://doi.org/10.1109/TMAG.2004.833424A low-power, linear, permanent-magnet generator/energy storage system / Jiabin Wang [et al.] // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2002. – Vol. 49, № 3. – P. 640–648. https://doi.org/10.1109/TIE.2002.1005391Jiabin Wang, Weiya Wang, Jewell G. W., Howe D. A low-power, linear, permanent-magnet generator/energy storage system. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002, vol. 49, no. 3, pp. 640–648. https://doi.org/10.1109/TIE.2002.1005391Faiz, J. Reduction of cogging force in linear permanent-magnet generators / J. Faiz, M. Ebrahimi-Salari, Gh. Shahgholian // IEEE Trans. Magn. – 2010. – Vol. 46, № 1. – P. 135–140. https://doi.org/10.1109/tmag.2009.2027900Faiz J., Ebrahimi-Salari M., Shahgholian J. Reduction of cogging force in linear permanent-magnet generators. IEEE Transactions on Magnetics, 2010, vol. 46, no. 1, pp. 135–140. https://doi.org/10.1109/tmag.2009.2027900Conventional and TFPM linear generators for direct-drive wave energy conversion / H. Polinder [et al.] // IEEE Trans. EnergyConvers. – 2005. – Vol. 20, № 2. – P. 260–267. https://doi.org/10.1109/tec.2005.845522Polinder H., Mecrow B. C., Jack A. G., Dickinson P. G., Mueller M. A. Conventional and TFPM linear generators for direct-drive wave energy conversion. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, vol. 20, no. 2, pp. 260–267. https://doi.org/10.1109/tec.2005.845522Зачепа, Ю. В. Автономные системы электроснабжения на базе асинхронных генераторов, основные требования и структура / Ю. В. Зачепа // Электромех. і энергозберігаючі системи. – 2010. – Вип. 2. – С. 32–40.Zachepa Yu. V. Autonomous power supply systems based on asynchronous generators, basic requirements and structure. Elektromekhanichni i energozberigayuchi sistemi = Electromechanical and Energy Saving Systems, 2010, iss. 2, pp. 32–40 (in Russian).Цыркин, М.И. Дизельные агрегаты резервного питания / М. И. Цыркин, А.Я. Гольдингер. – СПб.: Чистое письмо, 2003. – 276 с.Tsyrkin M. I., Gol’dinger A. Ya. Diesel Backup Power Units. St. Petersburg, Chistoepis’mo Publ., 2003. 276 p. (in Russian).Hansson, J. Analysis and сontrol of a hybrid vehicle powered by a free-piston energy converter: licentiate thesis in electrical systems / J. Hansson. – Stockholm, 2006. – XI, 111 l.Hansson J. Analysis and Control of a Hybrid Vehicle Powered by a Free-Piston Energy Converter. Stockholm, 2006. 111 p.Темнов, Э.С. Разработка теоретических основ расчета и конструирования малоразмерных двигатель-генераторных установок как единой динамической системы: дис. … канд. техн. наук : 05.04.02 / 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).Тракторы XXI века: состояние и перспективы / С.Н. Поддубко [и др.]. – Минск: Беларус. навука, 2019. – 207 с.Poddubko S. N., Amel’chenko P. A., Stasilevich A. G., Vityaz’ P. A., Dubovik D. A., Vashchula A. V., Zhukovskii I. N., Klyuchnikov A. V. 21st Century Tractors: State and Prospects. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2019. 207 p. (in Russian).Менжинский, А.Б. Методика структурно-параметрического синтеза комбинированного генератора возвратно-поступательного типа для энергоустановок робототехнических комплексов на базе свободнопоршневого двигателя / А.Б. Менжинский, А.Н. Малашин // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. – 2018. – Т. 63, № 2. – С. 229–243. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-2-229-243Mеnzhinskii A. В., Malashin A. N., Method of structural-parametric synthesis of a combined reciprocating generator for power plants of robotic complexes based on a free-piston engine. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2018, no. 2, pp. 229–243 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-2-229-243Менжинский, А.Б. Универсальная методика электромагнитного расчета возвратно-поступательных электрических генераторов с поперечным и продольным нелинейным изменением магнитного потока / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, Ю.Г. Коваль // Изобретатель. – 2019. – №5–6. – С. 38–48.Mеnzhinskii A. В., Malashin A. N., Koval’ J. G. Universal method for electromagnetic calculation of reciprocating electric generators with transverse and longitudinal nonlinear changes in magnetic flux. Izobretatel’ = Inventor, 2019, no. 5–6, pp. 38–48 (in Russian).Хитерер, М. Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения: учеб. пособие / М.Я. Хитерер, И.Е. Овчинников. – СПб.: Корона принт, 2013. – 357 с.Khiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronous Electric Reciprocating Machines. St. Petersburg, Korona-print Publ., 2013. 368 p. (in Russian).Тарашев, С. А. Вентильный линейный генератор для систем электропитания автономных объектов: дис. … канд. техн. наук : 05.09.01 / С.А. Тарашев. – Самара, 2011. – 129 л.Tarashev S. A. Valve Linear Generator for Power Supply Systems of Autonomous Objects. Samara, 2011. 129 p. (in Russian).Брускин, Д. Э. Электрические машины и микромашины: учебник / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, B. C. Хвостов. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 527 с.Bruskin D. E., Zorohovich A. E., Hvostov B. C. Electric Machines and Micromachines. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1990. 527 p. (in Russian).Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины: учеб. пособие / Д. А. Бут. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 416 с.But D. A. Contactless Electrical Machines. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1990. 416 p. (in Russian).Балагуров, В. А. Электрические машины с постоянными магнитами / В. А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А. Н. Ларионов; под ред. А.Н. Ларионова. – М.; Л.: Энергия, 1964. – 480 с.Balagurov V. A., Galteev F. F., Larionov A. N. Electric Generators with Permanent Magnets. Moscow, Energiya Publ., 1964. 480 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. Electric Generators with Permanent Magnets. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 280 p. (in Russian).Менжинский, А. Б. Разработка уточненных электромагнитных моделей электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, П.Б. Менжинский // Энергетика. Изв. вузов. и энергет. об-ний СНГ. – 2021. – Т. 64, №4. – С. 291–302. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-291-302Mеnzhinskii A. В., Malashin A. N., Menzhinskii P. B. Development of Refined Electromagnetic Models of Reciprocating Electric Generators with Permanent Magnets. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij i energeticheskih ob”edinenij SNG = ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations, 2021, vol. 64, no. 4, pp. 291–302 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-291-302Фираго, Б. И. Теория электропривода: учеб. пособие / Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик. – Изд. 2-е. – Минск: Техноперспектива, 2007. – 585 с.Firago B. I., Pavlyachik L. B. Electric Drive Theory. Minsk, Tekhnoperspektiva Publ., 2007. 585 p. (in Russian).Менжинский, А.Б. Исследование электромагнитных процессов в возвратно-поступательных электрических генераторах с продольным и комбинированным нелинейным изменением магнитного потока / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, О.В. Сидяко // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П.О. Сухого. – 2019. – № 4. – С. 45–59.Mеnzhinskii A. В., Malashin A. N., Sidyako O. V. Investigation of electromagnetic processes in reciprocating electric generators with longitudinal and combined nonlinear changes in magnetic flux. Vestnik Gomel’skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. P. O. Sukhogo = Bulletin of Gomel State Technical University named P. O. Sukhoi, 2019, no. 4, pp. 45–59 (in Russian).Белопольский, И. И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И.И. Белопольский, Л.Г. Пикалова. – М.: Л., Госэнергоиздат, 1963. – 272 с.Belopol’skii I. I., Pikalova L. G. Calculation of Transformers and Low-Power Inductors. Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1963. 272 p. (in Russian).Абрамов, О. В. Методы и алгоритмы параметрического синтеза стохастических систем / О. В. Абрамов // Проблемы управления. – 2006. – № 4. – С. 3–8.Abramov О. V. Methods and algorithms for the parametric synthesis of stochastic systems. Problemy upravleniya [Management Problems], 2006, no. 4, pp. 3–8 (in Russian).ELCUT. Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Версия 6.3.1 [Электронный ресурс]: рук. пользователя. – СПб.: Тор, 2018. – Режим доступа: https://elcut.ru/downloads/manual_r_pocket.pdf – Дата доступа: 24.05.2018.ELCUT Modeling of electromagnetic, thermal, and elastic fields by the finite element method. Version 6.3.1. St. Petersburg, Tor Publ., 2018. Available at: https://elcut.ru/downloads/manual_r_pocket.pdf (accessed 24 May 2018) (in Russian).Менжинский, А.Б. Математическая модель генератора комбинированной конструкции возвратно-поступательного типа / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, Ю.Г. Коваль // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П.О. Сухого. – 2018. – № 2. – С. 74–85.Mеnzhinskii A. В., Malashin A. N., Koval’ Yu. G. Mathematical model of the generator of the combined design of reciprocating type. Vestnik Gomel’skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. P. O. Sukhogo = Bulletin of Gomel State Technical University named P. O. Sukhoi, 2018, no. 2, pp. 74–85 (in Russian).

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