РАЗРАБОТКА ОБРАТИМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ВОЗВРАТНО- ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ МОДУЛЬНОГО ТИПА

На сегодняшний день подавляющая часть электрической энергии в Российской Федерации вырабатывается на крупных электростанциях и распространяется по электрическим сетям общего пользования. Тем не менее, по разным оценкам, 60 – 70 % территории России не охвачены централизованным электроснабжением.

Широкое применение получают мобильные и стационарные энергоустановки микроэнергетики (мощностью до 100 кВт) на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), генерирующие электроэнергию для сверхмалых одиночных потребителей, а также применяющиеся в качестве источников энергии в гибридном автотранспорте.

В качестве преобразователей механической энергии возвратно-поступательного движения поршней ДВС в электрическую энергию в таких установках преимущественно применяются ротационные (вращательные) электрические машины. Достигается это при помощи кинематических передач, усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия установки. Применение линейных электрических машин возвратно-поступательного действия позволяет устранить эти недостатки, а модульная конструкция позволит масштабировать энергоустановку по мощности для конкретной задачи.

Наиболее перспективными являются цилиндрические конструкции электрических машин возвратно-поступательного действия, КПД которых достигает 93 – 95%, в то время как КПД плоских машин составляет всего 60 – 62%.

Из различных видов цилиндрических электрических машин возвратно-поступательного действия целесообразно выделить машины с постоянными магнитами, расположенными на подвижном элементе (трансляторе), преимуществом которых является реализация подвижной магнитной системы из кольцевых постоянных магнитов с радиальной и осевой намагниченностью в виде Холбах-массива (англ. Halbach- array). Холбах-массив представляет собой последовательность постоянных магнитов с циклически изменяемой угловой ориентацией вектора намагниченности. При этом, во-первых, в идеальном случае вектор намагниченности синусоидально изменяется в пространстве, что приводит к минимизации пульсации межзубцового сцепления без применения специальных мер в виде скашивания пазов, а во-вторых, магнитные потоки замыкаются внутри электрической машины, не рассеиваясь снаружи – эффект самоэкранирования.

Окончательный выбор наиболее эффективной конструкции электрической машины производится по её удельным характеристикам.

Для анализа были разработаны три варианта конструктивного исполнения линейной электрической машины цилиндрического типа с постоянными магнитами, имеющих различия в конструкции обмоток статора и постоянных магнитов транслятора, а также различную длину активных элементов: статора и подвижной части (таблица 1).

Таблица 1. Основные параметры исследуемых образцов электрических машин

Для расчета величины магнитных потоков, создаваемых постоянными магнитами и обмоткой статора, выполнялся расчет магнитного поля в активной зоне электрической машины методом конечных элементов с применением численных методов математического моделирования.

Задача решалась в осесимметричной постановке, для чего была разработана осесимметричная конечно-элементная модель электрической машины на основе моделей в которых методом перемещения сетки моделировалась нестационарная задача перемещения подвижного элемента относительно магнитной системы статора.

Отличием модели является то, что она содержит две системы дифференциальных уравнений электрического состояния фаз, а также систему алгебраических уравнений магнитного состояния для магнитной схемы замещения.

Конечная длина активных элементов электрической машины (статора и транслятора) влияет на её эффективность следующим образом. При равной длине статора и транслятора электромагнитная сила, действующая на транслятор, снижается при отдалении транслятора от центра. Это происходит потому, что часть транслятора выходит за пределы зоны действия магнитного поля статора. Для обеспечения постоянства действующей силы соотношение длин транслятора и статора должно быть не более 3:4 соответственно.

Масштабирование мощности на данном этапе обусловлено упрощенной реализацией системы из нескольких модулей, при этом статорные обмотки могут соединяться последовательно или параллельно при переменной нагрузке с сопротивлением RН .

Предположим, имеется N модулей, соединенных последовательно или параллельно, номера которых 1, 2, 3 … n. Подбирая натуральные числа N и n можно параллельно соединять N/n ветвей, а каждая ветвь будет состоять из n последовательно соединенных модулей. При этом ветвь будет иметь ЭДС равную n × E и   внутреннее  сопротивление n × r .  При   подключении   внешней  нагрузки   величина  тока   обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия записывается в виде (2), а мощность (3).

Условные максимумы проявляются при максимальном N = 4, далее N = 6 и т.д. При N = 9 значения токов иррациональны.

Следующим этапом моделирования является проверка и корректировка численной модели электрической машины возвратно-поступательного действия путем сравнения с реальными динамическими характеристиками опытного образца.