Методика параметрического анализа электрических генераторов возвратно-поступательного движения с постоянными магнитами

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.

1. 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

2. Multi-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.2010.10.003

3. Design 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-2015-0043

4. Decoupling design and verifcation of a free-piston linear generator / Peng Sun [et al.] // Energies. – 2016. – Vol. 9, №12. – 1067. https://doi.org/10.3390/en9121067

5. Wang, 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.2004.833424

6. A 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.2002.1005391

7. Faiz, 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.2009.2027900

8. Conventional 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.2005.845522

9. Зачепа, 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.

10. Цыркин, М.И. Дизельные агрегаты резервного питания / М. И. Цыркин, А.Я. Гольдингер. – СПб.: Чистое письмо, 2003. – 276 с.

11. 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.

12. 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.

13. Тракторы XXI века: состояние и перспективы / С.Н. Поддубко [и др.]. – Минск: Беларус. навука, 2019. – 207 с.

14. 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/10.29235/1561-8358-2018-63-2-229-243

15. Менжинский, 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.

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

17. 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.

18. 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.

19. Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины: учеб. пособие / Д. А. Бут. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 416 с.

20. 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.

21. Балагуров, В. А. Электрические генераторы с постоянными магнитами / В. А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 280 с.

22. 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/10.21122/1029-7448-2021-64-4-291-302

23. Фираго, Б. И. Теория электропривода: учеб. пособие / Б.И. Фираго, Л.Б. Павлячик. – Изд. 2-е. – Минск: Техноперспектива, 2007. – 585 с.

24. 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.

25. Белопольский, И. И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И.И. Белопольский, Л.Г. Пикалова. – М.: Л., Госэнергоиздат, 1963. – 272 с.

26. Абрамов, О. В. Методы и алгоритмы параметрического синтеза стохастических систем / О. В. Абрамов // Проблемы управления. – 2006. – № 4. – С. 3–8.

27. 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.

28. 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.