Согласование сил механической и электрической подсистем энергоустановки со свободнопоршневым двигателем и электрическим генератором возвратно-поступательного типа

Автономная система энергоснабжения современных мобильных средств специального назначения требует разработки электромеханических преобразователей энергии с высокими энергетическими и минимальными массогабаритными показателями. В промышленно развитых странах в качестве перспективной энергоустановки рассматривается система «свободнопоршневой двигатель – возвратно-поступательный электрический генератор поперечного типа».
Главной особенностью такой энергоустановки является отсутствие кривошипно-шатунного механизма в конструкции двигателя. Это позволяет: увеличить коэффициент полезного действия двигателя до 50–60 % и габаритную мощность в 2,5–3 раза с одновременным уменьшением удельной массы и металлоемкости по сравнению с традиционными двигателями; снизить удельный расход топлива двигателя до 30 %; увеличить ресурс до капитального ремонта на 30–50 тыс. ч; реализовать модульную структуру.
Основными недостатками такой энергоустановки являются большая вероятность поломки при пропуске зажигания рабочей смеси и неустойчивость работы при значительных колебаниях нагрузки. Отмеченные недостатки обусловлены несогласованностью сил электрической и механической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле. Особую сложность вызывает решение задачи согласования сил электрической и механической подсистем энергоустановки в крайних положениях поршневой группы свободнопоршневого двигателя. В связи с этим был разработан способ решения задачи согласования сил механической и электрической подсистем энергоустановки со свободнопоршневым двигателем на всем рабочем цикле, отличающийся использованием в электрической подсистеме энергоустановки электромеханического преобразователя энергии возвратно-поступательного типа с поперечным и продольным нелинейным изменением магнитного потока. Согласование сил механической и электрической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле позволяет обеспечить выполнение условия непрерывного электромеханического преобразования энергии на всем рабочем цикле и уменьшить удельную массу электрической подсистемы энергоустановки при одновременном повышении коэффициента полезного действия.

1. Пинский, Ф. И. Энергоустановки со свободнопоршневыми двигатель-генераторами / Ф. И. Пинский // Мобильная техника. – 2004. – № 2. – С. 13–17.

2. 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.

3. 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.

4. Петриченко, Д. А. Подход к электромеханическому управлению крайними положениями поршня в свободнопоршневом генераторе / Д. А. Петриченко, Л. Ю. Лежнев // Достижения вуз. науки. – 2014. – № 12. – С. 109–117.

5. Татарников, А. П. Разработка свободнопоршневой энергоустановки на базе двухтактного двигателя и линейных электрических машин / А. П. Татарников // Новая наука: стратегии и векторы развития. – 2016. – № 5-2. – С. 256–265.

6. Dynamic 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.2012.07.033

7. Hanipah, M. R. Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications / M. R. Hanipah, R. Mikalsen, A. P. Roskilly // Appl. Therm. Eng. – 2015. – Vol. 75. – P. 493–503. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.09.039

8. Li, Q. F. Simulation of a two-stroke free-piston engine for electrical power generation / Q. F. Li, J. Xiao, Z. Huang // Energy Fuels. – 2008. – Vol. 22, iss. 5. – P. 3443–3449. https://doi.org/10.1021/ef800217k

9. Multi-dimensional scavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical simulation / J. Mao [et al.] // Appl. Energy. – 2011. – Vol. 88, iss. 4. – P. 1140–1152. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.10.003

10. The operation of free piston linear generator engine using MOSFET and IGBT drivers / A. A. Ibrahim [et al.] // J. Appl. Sci. – 2011. – Vol. 11, № 10. – Р. 1791–1796. https://doi.org/10.3923/jas.2011.1791.1796

11. Mikalsen, R. The control of a free-piston engine generator. Part 2: Engine dynamics and piston motion control / R. Mikalsen, A. Roskilly // Appl. Energy. – 2010. – Vol. 87, iss. 4. – P. 1281–1287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.06.035

12. The free-piston linear generator potentials and challenges / F. Kock [et al.] // MTZ Worldwide. – 2013. – Vol. 74, № 10. – P. 38–43. https://doi.org/10.1007/s38313-013-0099-z

13. Менжинский, А. Б. Применение возвратно-поступательного генератора комбинированной конструкции для повышения КПД и уменьшения удельной массы энергоустановок автономных образцов вооружения / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, И. В. Митянов // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – № 4. – С. 62–72.

14. Хитерер, М. Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения: учеб. пособие / М. Я. Хитерер, И. Е. Овчинников. – СПб.: Корона принт, 2013. – 357 с.

15. Менжинский, А. Б. Математическая модель генератора комбинированной конструкции возвратнопоступательного типа / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, Ю. Г. Коваль // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та. – 2018. – № 2. – С. 74–85.