Совершенствование линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов

Синицин, Алексей Петрович

Электромеханика и электрические аппараты

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Совершенствование линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов

кандидата технических наук: Синицин, Алексей Петрович
город: Самара
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.09.01

Диссертация по электротехнике на тему «Совершенствование линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов"

На правах рукописи

Си ни дни Алексей Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Самара-2013

005542821

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая и общая электротехника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Высоцкий Виталий Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой

электротехники и электротехнологических систем Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина

Сарапулов Федор Никитич

кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» Котеленец Николай Федорович

Ведущая организация: Пермский национальный исследовательский

политехнический университет, 614600, Пермь, Комсомольский пр., 29 тел. +7 (342) 219-80-67 сайг: pstu.ru

Защита состоится 17 декабря 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, учебный корпус №1, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул., 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,

факс: (846)2784400, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

Автореферат разослан '"¡Ч" ноября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, доктор технических наук, доцент rf^ A.A. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ Актуальность работы. В настоящее время существует ряд объектов, где использование традиционных генераторов вращающегося тала либо невозможно, либо требует установки механического преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, что приводит к нерациональности этих генераторов. К таким объектам относятся: системы генерирования электроэнергии, использующие энергию морских волн, системы генерирования со сво-боднопоршневыми двигателями внутреннего сгорания, электрические амортизаторы и другие.

На современных космических аппаратах (КА) системы электропитания (СЭП) занимают по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Источник электропитания, являясь ключевым звеном в СЭП, во многом определяет её структуру и характеристики. В настоящее время основными источниками питания применяемыми на орбитальных КА являются солнечные батареи (СБ) и аккумуляторные батареи (АБ). Недостатком солнечных батарей является, прежде всего, то, что в условиях тени они не производят энергии и единственным источником электропитания в этот период является АБ, что ограничивает срок активного функционирования АБ и, как следствие, всего КА. Кроме того, часть КА работает в условиях, где солнечного излучения недостаточно для обеспечения электроэнергией установленных на нем потребителей. В настоящее время для решения этой проблемы применяются изотопные нагреватели совместно с термоэлектрическими преобразователями, либо химические источники электропитания. К их недостаткам в первую очередь можно отнести низкие КПД и массогабарит-ные показатели. Использование линейного генератора (ЛГ) приводимого в движение термоакустическим двигателем (ТАД) в качестве бортового источника КА позволит улучшить характеристики СЭП. Рабочий цикл ЛГ не зависит от продолжительности периода затенения, а наличие термоакустического двигателя, получающего тепловую энергию от радиоизотопного нагревателя, обеспечит стабильное функционирование СЭП в течение длительного периода времени.

Долгое время развитие линейных генераторов было затруднено в связи низкими энергетическими показателями, большой массой, недостаточной надежностью конструкций. Появление высокоэнергетических магнитов на основе сплавов редкоземельных материалов, таких как ЫеРеВ и БтСо открыло возможности для снижения массогабаритных и повышения энергетических показателей генераторов возвратно-поступательного движения. Применение магнитоэлектрического возбуждения в электромеханических преобразователях вращающегося типа обеспечило ощутимый скачок в энергетических и массогабаритных показателях по сравнению с традиционными машинами. Появление высококоэрцитивных постоянных магнитов создает возможность уменьшения массы генератора при применении их в системе возбуждения. Последнее обстоятельство является решающим

в случае выбора линейного генератора с постоянными магнитами (ЛГПМ) в качестве источника электропитания для СЭП КА.

Фундаментальными в области разработки, исследования и проектирования линейных машин являются труды А.И. Вольдека, О.Н. Веселовского, Ф.Р. Исмагилова А.И. Москвитина, Н.П. Ряшенцева, Ф.Н. Сарапулова, P.P. Сатгарова Г.С. Тамояна, М.Я. Хитерера, Baker J., VmingJ., Boldea I., Leijon M„ Mueller M.A. В настоящее время опубликованы работы, в которых исследованы основные электромагнитные (ЭМ) процессы ЛГПМ. При этом необходимо отметить, что не проанализированы массогабаритные и энергетические характеристики этих генераторов. Кроме того, известные исследования ЭМ процессов проводились приближенными аналитическими методами без учета влияния реакции якоря, насыщения стали магнитопровода и изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита в процессе работы. Таким образом, актуальным является изучение квазиустановившегося режима работы линейных генераторов с учетом приведенных выше факторов, а так же решение задач по их проектированию. Это требует создания научно обоснованной математической модели на основе теории электромагнитного поля ЛГПМ, а также выявления зависимостей электромагнитного расчета и разработки рекомендаций для решения задач инженерного проектирования таких генераторов.

Цель диссертационной работы: улучшение энергетических и массо-габаритных показателей линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов на основе разработки их математических моделей и выработки рекомендаций по выбору конструктивных параметров.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния систем электропитания космических аппаратов и перспектив их развития с линейными генераторами в качестве источника электропитания для определения типов конструкций линейных генераторов, обеспечивающих высокие энергетические и массогабаритные показатели.

2. Разработать математические модели линейных генераторов с постоянными магнитами, с учетом влияния действия реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейности вентильных элементов нагрузки.

3. На основании исследования математических моделей линейных генераторов с постоянными магнитами выработать рекомендации по выбору конфигурации и основных геометрических соотношений магнитной системы линейных генераторов, обеспечивающих улучшение энергетических и массогабаритных характеристик.

4. Провести экспериментальные исследования макетного образца линейного генератора с постоянными магнитами для определения точности разработанных математических моделей и расчетных зависимостей.

Методы исследования. В работе использованы теория электромагнитного поля и теория нелинейных магнитных цепей, а также методы математического моделирования и элементы функционального анализа. Поставленные задачи решены с использованием методов компьютерного эксперимента и экспериментальных методов исследования на макетном образце. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментально полученных данных.

Научная новизна работы

1. Разработаны математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов для различных типов нагрузок отличающиеся тем, что в них учтены влияния реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.

2. Впервые разработан алгоритм решения системы уравнений математической модели линейных генераторов с постоянными магнитами совмещающий численное моделирование электромагнитного поля с распределенными параметрами и аналитические модели электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

3. Разработана методика анализа энергетических и массогабаритных показателей магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов, отличающаяся учетом вариаций основных геометрических соотношений магнитной системы.

Практическая ценность

1. Пакет прикладных программ, разработанный на основе математической модели, позволяет с учетом конструктивных особенностей рассчитывать выходные показатели и характеристики магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов, а так же решать задачи по корректировке их конструкционных параметров с целью получения требуемых характеристик.

2. Полученные в результате исследований рекомендации по выбору соотношений геометрических размеров магнитной системы магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов позволяют повысить их КПД на 4..5% или снизить массу на 10.. 12%.

3. Проведенный сравнительный анализ магнитоэлектрических линейных генераторов с магнитокоммутационными показал, что для термоакустических двигателей целесообразно применение магнитокоммутационных генераторов. Для других двигателей, у которых амплитуда колебаний не зависит от нагрузки, целесообразно применение магнитоэлектрических генераторов.

Реализация работы

Проведенные исследования являются частью научно-исследовательских и проектных работ, которые проводятся совместно с ГНПРКЦ "ЦСКБ - Прогресс" и реализованы в виде рекомендаций при создании альтернативного источника питания для СЭП низкоорбитальных космических аппаратов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов, ориентированные на анализ их энергетических и массогабаритных показателей, учитывающие влияние реакции якоря, насыщения стали магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.

2. Алгоритм расчета электромагнитных процессов линейных генераторов с постоянными магнитами, совмещающий численное моделирование электромагнитного поля и аналитические модели нелинейных электрических цепей нагрузки.

3. Результаты анализа влияния вариаций соотношений основных геометрических размеров активных частей магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов на их энергетические и удельные массогабаритные показатели.

4. Рекомендации по применению магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов в системах электропитания космических аппаратов и других автономных объектов с линейными двигателями, в частности, в системах с термоакустическим двигателем рекомендовано применение магнитокоммутационных генераторов.

Апробация работы

Основные положения работы доложены и обсуждены: на У1-ой, УИ-ой и УШ-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог, 2011 г, Домбай 2012 г. И 2013 г; на Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновск, 2012; на У1-м Международном симпозиуме ЕЬМАБН, Москва, 2006 г.; на ХП-ой Международной научно-практической конференции "Современная техника и технологии", Томск, 2006 г., XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2012, Алушта, Ш-ей Международной научно-практической конференции «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», Екатеринбург, 2013 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, три из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий рекомендованных ВАК.

Структура диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст содержит 123 страницы, 55 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, в нем сформулирована цель и поставлены задачи исследования, указана научная новизна, практическая полезность работы и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о публикациях, структуре и основных вопросах рассмотренных в главах диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. Она посвящена анализу состояния разработок и перспектив развития СЭП КА и линейных генераторов. Рассматриваются вопросы текущего состояния исследований ЛГ, структура и режимы работы бортовых СЭП КА, анализируются конструктивные исполнения ЛГПМ, а также определяются методы их исследований.

Как альтернатива традиционным источникам электропитания КА в работе предлагается использовать термоакустический двигатель (ТАД) совместно с линейным генератором. ТАД преобразует тепловую энергию в энергию акустических колебаний, ЛГ в свою очередь преобразует энергию акустических волн в электроэнергию. В качестве источника тепловой энергии может использоваться изотопный нагреватель. В конструкции ТАД присутствует холодильник-излучатель который представляет собой радиатор, излучающий отработанное тепло в космическое пространство. При достижении достаточного градиента температур между горячим и холодным теплообменниками происходит самовозбуждение колебаний. В России и за рубежом ведутся разработки ТАД для КА. Так, в ТАД фирмы Mechanical Technology, Inc., New York, среднее давление рабочего газа - гелия составляло 15,0 МП а, разница температуры нагревателя и температуры холодильника около 525 К. При этом частота колебаний составила 70 Гц, а амплитудное значение колебаний давления газа 3 МПа.

Используемые в качестве линейных генераторов электрические машины возвратно-поступательного действия с постоянными магнитами по типам конструкций активной части условно можно разделить на два вида: с постоянными магнитами на подвижной части (рис 1а) и с постоянными магнитами на неподвижной части (рис. 16), называемые еще линейными индукторными или магнито-коммутационными машинами (от англ. Magnet Flux-Switching Machine).

В JIT с ПМ на подвижной части ПМ осуществляют периодические возвратно-поступательные движения относительно магнитопровода с рабочей обмоткой. В JIT с ПМ на неподвижной части ПМ неподвижен относительно рабочей обмотки, а изменение магнитного потока обеспечивается конструкцией магнитопровода, часть которого в результате возвратно-поступательного движения дважды за период изменяет структуру магнитной цепи генератора, что приводит к изменению на 180° направления магнитного потока пронизывающего рабочую обмотку.

Описанные два типа конструкций исследуются в настоящей работе с использованием обобщенной теории электромеханических преобразователей, теории электромагнитного поля и теории электрических цепей в совокупности с использованием требуемых разделов прикладной математики, теоретической

электротехники, алгоритмизации и программирования. Диапазон мощностей исследуемых генераторов от 50 до 1500 Вт, при частотах до 300 Гц.

Во второй главе приведены результаты разработки математической модели магнитоэлектрического ЛГПМ, исследования его электромагнитных процессов, а так же рекомендации по улучшению его показателей.

Моделирование магнитоэлектрических ЛГПМ производилось с учетом следующих допущений:

1. Электромагнитное поле в ЛГПМ плоскопараллельно. Существуют публикации, в которых показано, что при длине ЛГПМ больше 40 мм необходимость расчета трехмерного магнитного поля должна быть обоснована, т.к. при этом не обеспечивается существенное увеличение точности расчета ЭМ поля по сравнению с двухмерной задачей, а лишь значительно возрастают вычислительные затраты.

2. Рассматриваются только квазистационарные электромагнитные процессы в ЛГПМ, поэтому моделирование ЭМ поля и ЭМ процессов можно произво-

ского (а) и магнитокоммутационного (б) линейных генераторов. (1- магнитопровод, 2 - рабочая обмотка, 3- постоянный магнит, 4- подвижная часть.)

дать дискретно. Дня большинства электротехнических материалов это допущение не приводит к существенным погрешностям, в связи с незначительным влиянием токов смещения и вихревых токов в современных электротехнических материалах при рассматриваемых частотах работы до 300 Гц.

3. Магнитная проницаемость постоянна по длине магнитопроводов вне зависимости от их конфигурации.

4. Намагниченность высококоэрцитивных ПМ отличается от нуля только по главной оси намагничивания.

5. ЭМ процессы ЛГПМ не влияют на приводной двигатель. Изменение координаты положения подвижной части ЛГПМ подчиняется синусоидальному закону.

С учетом принятых допущений основное выражение характеризующие распределение квазистационарного ЭМ поля в двумерной плоскости модели:

(1)

сЬс (1 дх ду цх ду дх ду

где х,у - координаты в плоскости модели ЭМ поля, А - векторный магнитный потенциал, _/ - плотность тока в рабочей обмотке, Мх, Иу- Д» проекции вектора тензора магнитной проводимости и коэрцитивных сил ЭМ поля по осям х и у соответственно.

Геометрическая модель магнитоэлектрического ЛГПМ, представляет собой заданные границы и свойства каждого элемента активной части генератора. Расчетная область имеет граничные условия, за которыми индукция ЭМ поля генератора задаётся равной нулю. В пространстве модели определяется такое количество узловых точек, чтобы обеспечить удовлетворительную точность расчета и затратить минимальное количество машинного времени. Это достигается путем построения расчетной сетки с прогрессивным шагом, который в областях концентрации ЭМ поля составляет от Ю-4 мм, а при удалении от таких областей увеличивается и к границам модели достигает 10 мм.

При выборе программного комплекса для расчета ЭМ поля автором было отдано предпочтение ЕЬС1ГГ. В сравнении с другими программными комплексами расчета ЭМ поля, он обладает повышенным быстродействием и возможностью интегрирования в другие программные среды. Для исследования работы ЛГПМ в рабочих режимах, используется теория цепей, во взаимосвязи с расчетом ЭМ поля. Основным уравнением, описывающим состояние цепи ЛГПМ в рабочем режиме, является выражение:

*о\о=»т+«я0',0> (2)

Ш т

где = (3)

КО

= (5)

В (2)«//,/) - функция падения напряжения на нагрузке. Она может быть: для активной нагрузки:

ин(Ц) = тК - (?)

для активно-индуктивной нагрузки:

для емкостной нагрузки:

= (9)

либо другими вьфажениями в зависимости от характера нагрузки ЛГПМ.

Переход от распределенных параметров ЭМ поля к сосредоточенным параметрам цепи определяется вьфажениями (5) и (6). В них 5 - площадь поперечного сечения меди рабочей обмотки ЛГПМ, А- векторный магнитный потенциал, найденный в ходе расчета ЭМ поля. Интегрирование в данном случае ведется по поперечному сечению рабочей обмотки.

Решение уравнения (1) с заданным значением плотности тока у позволяет, используя (6) найти магнитный поток Ф(Ц'), пронизывающий рабочую обмотку. Алгоритм решения системы представляет собой многократно повторяющиеся вложенные циклы. Для решения задачи расчета ЭМ поля в программе ЕЬСит используется метод Ньютона. А для решения уравнения (2) применена комбинация методов: поиск интервала решения ведется методом простых итераций и, затем, точное решение находится методом золотого сечения.

Результатом моделирования является многомерный массив значений переменных, характеризующих электромагнитные процессы ЛГПМ и нагрузки, который удобно представить в виде графиков и картин распределения ЭМ поля активной части.

На рисунке 3 представлены временные диаграммы напряжения на выходе генератора и токов в цепи рабочей обмотки для типовых нагрузок для образца магнитоэлектрического ЛГПМ мощностью Рн = 50 Вт, с числом витков рабочей обмотки IV = 1000, постоянные магниты марки МАЕРЗбМЬ на основе сплава Ке-РеВ, общим объемом У„= 7,85 см3.частота перемещения подвижной части/= 50 Гц. Расчетная масса образца составила 0,985 кг.

Рис. 2. Временные диаграммы токов нагрузки (сплошная линия) и напряжений на выводах магнитоэлектрического генератора (пунктирная линия) для режима холостого хода (а), при работе на активную (б), активно-индуктивную (в), и емкостную (г) нагрузку.

В отличие от предшествующих работ, где авторами были проведены исследования влияния конструктивных параметров на искажения формы напряжений и токов, в дайной работе исследуются влияния вариаций конструктивных параметров на электрические, энергетические и массогабаритные показатели генератора.

Одним из важных показателей ЛГПМ является его удельная мощность. Выходная мощность ЛГПМ в установившемся режиме, т.е среднее за период значение мгновенной мощности, называемое так же активной мощностью определяется следующим выражением:

1 т

Р=- ]/(0»(0<*> (10)

^ о

Для определения массы исследуемых ЛГПМ исходными данными являются геометрические размеры и плотность материалов активной части ЛГПМ. Размеры активной части определяют размеры и массу ЛГПМ в целом. Для определения КПД необходимо знать потребляемую ЛГПМ мощность (мощность привод-

ного двигателя). Для определения КПД РТлд будем считать без учета механических потерь, т. к. они относятся к приводному двигателю.

F(x) = ~ j(H(B ■ п) + Biff ■ n) - n(H ■ B))ds (n)

- суммарная магнитостатическая сила, действующая на подвижную часть ЛГПМ, при расчете которой интегрирование ведется по её поверхности, а п- единичный вектор внешней нормали к её поверхности.

(12)

где х„ - амплитуда колебаний подвижной части ЛГПМ Рх(х) - проекция на ось х, которая параллельна перемещению подвижной части, силы Р(х) (9),

ЦфхЮ Гн 4

т„2 а б

Рис. 3 Вид кривых изменения собственной индуктивности рабочей обмотки (а) и проекции на ось * магнитостатической силы действующей на подвижную часть (б) магнитоэлектрического ЛГПМ для режима 5% от номинальной нагрузки (1), при номинальном нагрузке (2), при токе короткого замыкания (3).

На рис. 3 представлены виды кривых изменения собственной индуктивности и магнитодвижущей силы образца ЛГПМ мощностью 50 Вт. Собственная индуктивность определяется выражением (4) её среднее за период значение в номинальном режиме Ь5 = 1,5x10"3 Гн. Среднее за период значение магнитостатической силы номинальном режиме 105 Н, и её величина не существенно зависит от режима работы генератора.

На рис. 4 представлены КПД образца ЛГПМ мощностью 50 Вт для типовых нагрузок и показатели масс ряда магнитоэлектрических ЛГ от 50 до 1500 Вт. КПД магнитоэлектрического ЛГПМ ниже при работе на активно-индуктивную нагрузку, это объясняется большой собственной индуктивностью генератора. Удельная масса магнитоэлектрических ЛГПМ составляет 50-60 Вт/кг.

Рис. 4. КПД (слева) образца магнитоэлектрического ЛГ мощностью 50 Вг при работе на активную (кривая 1) активно-индуктивную (кривая 2) и активно-ёмкостную (кривая 3) нагрузку и масса (справа) ряда магнитоэлектрических ЛГ от 50 до 1500 Вт.

Рациональным способом улучшения показателей ЛГТТМ является корректировка конструктивных параметров генератора на стадии разработки. Поэтому, далее, проводятся исследования, направленные на изучение влияния соотношений основных геометрических размеров на его энергетические и массообъемные показатели.

Геометрия активной части магнитоэлектрического ЛГПМ образуется из:

- магнитов, расположенных на подвижной части ЛГПМ шириной Ь„„ толщиной к„ и шириной немагнитного промежутка Ьд ;

- полюсных наконечников шириной Ьа, и высотой Ъа\

- воздушного зазора д;

- магнитопровода шириной ЬФ

Размером /от, обозначается длина генератора по оси г, лежащей перпендикулярно плоскости магнитопровода.

В работах М.Я. Хитерера и М.Е. Овчинникова показано, что для расчета линейных машин с ПМ исходными являются размеры магнита, именно они определяют размеры остальных частей линейных машин. Дальнейшие исследования проводятся в соответствии с этим постулатом.

Для определения требований к движителю необходимо исследование влияния отклонения от номинала амплитуды колебаний подвижной части на энергетические и массогабаритные показатели генератора.

На рис 5(а) представлены зависимости удельной мощности и КПД магнитоэлектрического ЛГПМ от относительной амплитуды колебаний подвижной части. Как видно, снижение амплитуды колебаний на 25% приводит к снижению удельной мощности магнитоэлектрического ЛГ на 64%, а увеличение амплитуды колебаний на 25%, приводит к снижению удельной мощности на 24%.

г ч

/ ч

Л/

0.25 0,5 0.75 1

1.25 1.5

ь../ь„

0.25

0.5

0.75 1

1,25 1,5 1,75

Рис. 5. Мощность (пунктирная линия) и КПД (сплошная линия) в зависимости от соотношений геометрических размеров активной части.

Это позволяет отнести к недостаткам магнитоэлектрического ЛГПМ существенное снижение его энергетических показателей при отклонении от номинала амплитуды колебаний подвижной части, которое имеет место в термоакустических двигателях.

На рисунке 5(6) представлены зависимости удельной мощности и КПД от отношения немагнитного промежутка к ширине ПМ при условии соблюдении указанного ранее постулата. Это соотношение целесообразно принимать в пределах [0.75-1.25].

На рисунке 5(в) представлены зависимости удельной мощности и КПД от отношения толщины ПМ к его ширине при условии соблюдении указанного ранее постулата. Это соотношение целесообразно принимать в пределах [0.01-0.04], при этом нижний предел следует уточнять расчетами на механическую прочность индуктора ЛГПМ.

На рисунке 5(г) представлены зависимости удельной мощности и КПД от отношения ширины полюсного наконечника к ширине ПМ. Это соотношение целесообразно принимать в пределах [1-1.25].

Выполнение приведенных рекомендаций позволяет по сравнению с традиционными методиками расчета повысить КПД магнитоэлектрических ЛГПМ на

4-5% или снизить их массу на 10-12%. Применение магнитоэлектрического ЛГПМ совместно с ТАД нецелесообразно т.к. требует установки ТАД повышенной мощности, что снижает показатели системы в целом. При этом магнитоэлектрический ЛГПМ обладает приемлемыми энергетическими показателями и применение его в качестве альтернативного источника питания для автономных объектов перспективно совместно с движителями, обладающими жесткой механической характеристикой.

Третья глава посвящена исследованию ЭМ поля и ЭМ процессов магнитокоммутационных ЛГПМ, разработке методики их электромагнитного расчета и сравнению магнитоэлектрических и магнигокомутационых генераторов.

Для исследования магнито-комутационных ЛГПМ используются методы и математическая модель, описанные во второй главе с изменениями геометрической модели в соответствии с конструкцией активной части магнитокоммутационного ЛГПМ.

На рисунке б приведен эскиз компоновки

магнитокоммутационного ЛГ в составе системы «ТАД - ЛГПМ». Акустические колебания газа, генерируемые термоакустическим двигателем 10, приводят в движение упругую мембрану 7. Мембрана передает усилие на шток 6, на котором жестко закреплена подвижная часть магнитопровода

5. Магнитная система состоит из магнита 3, закрепленного между го ЛГПМ. 1 -магнитопровод, 2 - обмотка, 3 -частями неподвижного постоянный магнит, 4 - корпус ЛГПМ, 5 -

магнитопровода в корпусе 4, изго- подвижная часть магнитопровода, 6 - шток, товленном из немагнитного 7,8-мембрана, 9-холодильник-излучагель, материала. Постоянный магнит 3,

закрепленный между частями магнитопровода 1 намагничен в осевом направлении.

На рис. 7 представлены временные диаграммы напряжения на выходе генератора и токов в цепи рабочей обмотки при типовых нагрузках для образца магнитокоммутационного ЛГПМ мощностью Р„ - 650 Вт, с числом витков рабочей обмотки м = 1000, постоянный магнит марки МАЕРЗбМЬ на основе сплава ЫеРеВ, объемом равным объему магнитов образца магнитоэлектрического ЛГ Уп- 7,85 см3. Расчетная масса ЛГПМ составила 8,215 кг.

Рис. 6. Конструкция магнитокоммутационно-

ив 1000

750

500

250

-250 -500 -750 -1000

< \

1 \

V \

-------/ / ■ч

/ 1 \ . V

( V

/.А и.хЮ В 5,00

3,75 2,50 1,25 О

-1,25 -2.50 -3.75 -5.00

1 V.____

) ( |

П / / \\

У \

1 \ / V

3,75 2,50 1,25 О

-1,25 -2,50 -3,75

Лч

/ N

/ \ Г" 4

у \\ 11

< < 1

ч/

1.А ЦхЮ В 5,00

3,75 2,50 1.25 О

-1,25 -2,50 -3,75 -5,00

--\

/ у

_ —- " /

Рис. 7. Временные диаграммы токов нагрузки (сплошная линия) и напряжений на выводах генератора (пунктирная линия) а - для режима холостого хода, б - при работе на активную, в - активно-индуктивную, и г - активно-емкостную нагрузку.

Лучшее использование ПМ в магнитокоммутационном ЛГПМ, приводит к тому, что амплитуда ЭДС наводимой его в рабочей обмотке в 2,7 раза больше, чем у образца магнитоэлектрического ЛГ с тем же объемом магнита и числом витков рабочей обмотки. При этом ухудшается форма кривых напряжений и токов, что отрицательно сказывается на его энергетических показателях.

На рис. 8 представлены виды кривых изменения собственной индуктивности и магнитодвижущей силы образца магнитокоммутационного ЛГПМ. Среднее за период значение собственной индуктивности в номинальном режиме = 1,17х10"3 Гн ниже, чем у магнитоэлектрического ЛГПМ. Но в режиме частичной нагрузки она в 3.5 раза выше. Среднее за период значение магнитостатической силы номинальном режиме 1270 Н, и её величина растёт с уменьшением нагрузки. Это объясняется размагничивающим действием реакции якоря ЛГПМ.

[Рг —1 м

т 2 / рг

\j 1

Рис. 8. Вид кривых изменения собственной индуктивности рабочей обмотки (а) и проекции на ось х магнитостатической силы действующей на подвижную часть (б) магнитокоммутационнного ЛГПМ для режима 5% от номинальной нагрузки (1), при номинальном нагрузке (2), при токе короткого замыкания (3).

На рис. 9 представлены КПД образца магнитокоммутационного ЛГПМ для типовых нагрузок и масса ряда магнитокоммутационных ЛГ от 50 до 1500 Вт.

п,%

ff ->

"Ьгпв- ™ 24,

tf-0.

P'i .кВт 1,25" 1,5

Рис. 9. КПД (слева) образца магнитокоммутационного ЛГ мощностью 650 Вт при работе на активную (кривая 1) активно-индуктивную (кривая 2) и активно-ёмкостную (кривая 3) нагрузку и масса (справа) ряда магнитоэлектрических ЛГ от 50 до 1500 Вт.

Как можно заметить из рис. 9, КПД магнитокоммутационного ЛГ - 35% (рис. 9а), а у образца магнитоэлектрического генератора - 43% (рис. 5а). Однако, магнитокомутационные ЛГ обладают более высокими показателями удельной массы 70-80 Вт/кг (рис. 96) против 50-60 Вт/кг (рис. 56) при работе на активную нагрузку.

Далее, проводятся исследования, направленные на изучение влияния соотношений геометрических размеров ПМ на энергетические и массообъемные показатели магнитокоммутационного ЛГПМ. Минимальное значение толщины ПМ

определяется условием устойчивости к размагничиванию в режиме короткого замыкания при максимальной рабочей температуре.

Для режима КЗ при Т^ в первом приближении допустимо соотношение:

= 'в'^ (13)

Н„.

где - минимальное значение толщины ПМ способное выдержать режим КЗ при Ттах, ¡а - ток короткого замыкания, V* - число витков рабочей обмотки, коб -обмоточный коэффициент, НсТтах - коэрцитивная сила рабочей точки магнита при температуре .

Мощность и КПД магнитокоммутационных ЛГПМ в зависимости от отношения ширины ПМ к его толщине представлены на рисунке 10(а). Это соотношение целесообразно принимать в пределах [2-4].

до»). , , .

1,5

"0 2 4 6 8 10 12 14 16 04 0,75 1 1,25

Рис. 10 Удельная мощность (сплошная линия) и КПД (пунктирная линия) в зависимости от соотношения ширина/толщина ПМ (слева) и от соотношения амплитуда колебаний/номинальная амплитуда колебаний (справа) при работе на активную нагрузку.

На рисунке 10(6) представлены зависимости мощности и КПД от отклонения амплитуды колебаний подвижной части от номинала. Широкий диапазон (до 25%) без существенного снижения энергетических показателей (снижение Руд не более 5 Вт/кг и КПД не более 5%) открывает возможности к снижению массы ТАД за счет снижения его мощности, что улучшит массогабаритные показатели источника электропитания в целом.

Магнитокоммутационные ЛГПМ обладают следующими особенностями:

1) конструкция магнитокоммутационного ЛГПМ в связи с отсутствие вибрационных нагрузок, воздействующих на ПМ, уменьшает возможности потери его магнитных свойств в процессе длительной эксплуатации;

2) приемлемое снижение энергетических характеристик при изменении амплитуды колебаний подвижной части до 25%;

3) высокие значения удельной мощности на уровне 70-80 Вт/кг

В четвертой главе приведены результаты исследования режимов работы ЛГПМ на выпрямитель, результаты экспериментальных исследований макетного образца магнитоэлектрического ЛГПМ, а также сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Для регулирования мощности СБ и поддержания требуемого уровня напряжения в большинстве западно-европейских КА последнего десятилетия используется тунговой стабилизатор. Заряд АБ может обеспечиваться от солнечных батарей или ЛГПМ. Таким образом, одним из характерных режимов работы ЛГПМ является режим заряда АБ. Такой режим может быть реализован: либо через неуправляемый выпрямитель, либо через выпрямитель и регулятор.

Исследование режимов работы ЛГПМ на выпрямитель проводились на математической модели, описанной во второй главе с допущением о пренебрежении влияния протекания процессов коммутации вентилей на ЭМ процессы в ЛГПМ.

Напряжение генератора на выходе диодного моста:

иг = е{1)-тк + т^р- + + чкТЪ0 + \)),при_е{1) > О

ш т 15

1]? = -е(() + (¡(СЩ + /(О^т^ + + qkTЫ^■ + \)),npu_e(t) < 0

,(14)

где д - модуль заряда электрона, к - постоянная Больцмана, Г -абсолютная температура /< -ток насыщения диода.

Напряжение на выходе диодного моста со стороны нагрузки:

+ (15)

Знаки модуля в (14) и (15) описывают одностороннюю проводимость

диода.

На рис. 11 представлены зависимости КПД и мощности магнитоэлектрического и магнитокоммутационного ЛГПМ от напряжения на АБ.

%% Вт/кг

ц % Р.,, ВпУкг

1 /=1

1 ...

Рис. 11 Мощность, приведенная к массе ЛГПМ (кривая 1) и КПД (кривая 2) в зависимости от напряжения на АБ при её заряде магнитоэлектрическим (слева) и магнито-коммутационным (справа) ЛГПМ.

У магнитокоммутационного ЛГПМ во всем диапазоне напряжений АБ сохраняется мощность на уровне 70 Вт/кг я КПД 35-40%. А у магнитоэлектрического ЛГПМ только при напряжениях от 25 до 31 В, что соответствует от 25% до 100% заряда АБ, КПД на уровне 44-45%, а мощность 5054 Вт. Действующее значение тока АБ при заряде от обоих генераторов составляет 0,85 А.

Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения корректности предложенных математических моделей и определения точноеги расчетов. Обработка данных велась методами планирования эксперимента.

Макетный образец для экспериментальных исследований ЛГПМ был разработан при проведении научно-исследовательских работ по заказу ГНПРКЦ "ЦСКБ - Прогресс", в ходе этапа «Разработка методики, формирование требований к стенду для испытаний лабораторного образца линейного генератора». Он представляет собой магнитоэлектрический ЛГПМ. Универсальность конструкции обеспечивает возможность исследования образцов ряда номиналов мощностей. Конструкция подвижной части позволяет устанавливать от одного до четырех постоянных магнитов призматической формы с различными геометрическими параметрами. На стальной магнитопровод, состоящий из двух П-образных частей можно установить от одной до четырех сосредоточенных катушек рабочей обмотки. Подвижная часть приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом от коллекторного двигателя мощностью 500 Вт. Изменения частоты колебаний подвижной части от 10 до 40 Гц. В ходе экспериментов ЛГПМ исследовался в режиме холостого хода, в режиме работы на активную нагрузку, а так же при работе на выпрямитель и активную нагрузку. На рис. 12 приведены осциллограммы напряжения холостого хода макетного образца и временная диаграмма, полученная с помощью модели.

Рис. 12 Осциллограмма напряжения холостого хода макетного образца (слева) и временная диаграмма напряжения холостого хода, полученная с помощью модели,

Первоначально в системе возбуждения использовались магниты на основе сплава 8шСо5. Модернизированный образец в системе возбуждения имеет 4 ПМ N38 (ООО "НПК" Магниты и системы" Вг~ 1.2 Тл и #¿=1020 кА/м) размерами 20x10x10 мм. Рабочая обмотка - 2500 витков, её внутренне сопротивление составило 64.4 Ом. Представленная осциллограмма имеет масштаб по оси времени 4.5-10'3 сек/см. А по оси напряжения 66.7 В/см. Очевидно, что формы кривых напряжений существенных отличий не имеют.

На рисунке 13 показаны внешние характеристики описанного макетного образца и характеристики, полученные моделированием аналогичного образца ЛГПМ при работе на активную нагрузку рис. 13(а) и на выпрямитель с активной нагрузкой рис. 13(6).

при работе на выпрямитель (б) с активной нагрузкой. Пунктиром обозначена расчетная характеристика, сплошной линией экспериментально полученная характеристика.

Расхождение экспериментальных и расчетных внешних характеристик (рис. 13) составляет не более 6% во всем диапазоне нагрузок. В ранее опубликованных работах точность расчетов ЛГПМ составляла 15%, таким образом, предложенный подход позволил повысил точность расчетов.

В приложениях представлены тексты и описания модулей программного комплекса для расчета ЛГПМ и акт использования результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определены два типа конструкций линейных генераторов, обеспечивающие высокие энергетические и массогабаритные характеристики.

2. Разработана математическая модель для анализа энергетических и удельных массогабаритных показателей магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов для различных типов нагрузок с учетом влияния действия реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения

магнитодвижущей силы постоянного магнита в процессе работы и нелинейности вентильных элементов нагрузки. На ей основе разработан пакет прикладных программ, позволяющий с учетом конструктивных особенностей рассчитывать выходные показатели и характеристики магнитоэлектрических и магкитокоммутационных линейных генераторов, и решать задачи по корректировке их конструкционных параметров с целью получения требуемых характеристик

3. Разработаны рекомендации для магнитоэлектрических ЛГПМ позволяющие повысить КПД на 4-5% по сравнению с известными методиками проектирования путем соблюдения соотношений размеров активной части:

- толщины к длине постоянного магнита в диапазоне 0,02-0,04;

- ширины немагнитного промежутка к ширине постоянного магнита 1,25-1,5

- ширины полюсного наконечника к ширине магнита 1,2-1,3.

Либо повысить их мощность путем соблюдения соотношений:

- толщины к длине постоянного магнита в диапазоне 0,035-0,045;

- ширины немагнитного промежутка к ширине постоянного магнита- 0,6-0,7

- ширины полюсного наконечника к ширине магнита в диапазоне 0,7-1,0.

4. Для магнитокоммутационных ЛГПМ рекомендовано принимать соотношения ширины постоянного магнита к его толщине в пределах 3.5-4.5 для максимизации КПД, а для максимизации мощности в пределах 2,5-3.5.

5. Разработаны рекомендации по применению магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов в системах автономных объектов с линейными движителями, в частности в системах с термоакустическим двигателем рекомендуется применение магнитокоммутационных генераторов.

5. Новизна технических решений защищена патентом РФ на полезную модель № 201311534 кл. МПК8 Н02 К 35/02 2013. «Линейный генератор на постоянных магнитах».

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях.

1. Синицин А.П. Линейный генератор с постоянными магнитами для систем электропитания автономных объектов / Высоцкий В.Е., Тарашев СЛ., Синицин А.Ш/ ИВУЗ «Электромеханика». - 2010 - №1 - С. 80-82.

2. Синицин АЛ. Электромеханические процессы в вентильном двигателе с постоянными магнитами / Высоцкий В.Е., Синицин А.П., Тарашев С А. Н Вестник СамГТУ. - 2010 - №4 (27) - С. 139-144.

3. Синицин А.П. Разработка и проектирование линейных генераторов для автономных электроэнергетических комплексов / Высоцкий В.Е., Тарашев С.А., Синицин А.П., Злобина Е.К., Миненко С.И. // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск "Перспективные системы и задачи управления" -№3 (128) Таганрог, 2012 - С. 31-37.

В другах журналах и изданиях.

4. Синицин А.П. Альтернативный источник питания для электроэнергетических комплексов автономных объектов / Высоцкий В.Е., Мягков Ф.Н., Тарашев СЛ., Синицин А.П., Злобина Е.К., Миненко С.И. // Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления" - Таганрог, 2011 - с. 357-364.

5. Синицин А.П. Особенности проектирования линейных генераторов с постоянными магнитами автономных электроэнергетических комплексов / Высоцкий В.Е., Тарашев С.А., Синицин А.П., Злобина Е.К. // Материалы Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы» - Ульяновск, 2012 - с. 77 - 82.

6. Синицин А.П. Вентильные стартер-генераторы для автомобилей / Высоцкий В.Е., Тарановский В.Р. Тарашев С.А., Синицин А.П. // Материалы докладов VI - го Международного симпозиума ELMASH, т. 2. Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования, 2006 - с. 140-143

7. Синицин А.П. Моделирование электромагнитных процессов в вентильных двигатель-генераторных установках для автономных объектов / Тарашев С.А., Синицин А.П., Жданов В.П. // Труды XII международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии" - Томск , 2006 - с.291-293.

8. Синицин А.П. Проектирование вентильных двигатель-генераторных установок для автономных объектов / Синицин А.П., Жданов В.П., Тарашев С.А. // Труды XII международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии" - Томск, 2006 - с.289-291.

9. Синицин А.П. Разработка линейных магнитоэлектрических генераторов для систем автономного электроснабжения / Синицин А.П., Высоцкий В.Е., Пенетов B.C. // Труды III международной научно-практической конференции "Эффективное и качественное использование электроэнергии" - Екатеринбург , 2013 — с.67-72.

10. Синицин А.П. Разработка линейных генераторов магнитокоммутационного типа для электроэнергетических комплексов автономных объектов / В.Е. Высоцкий, А.П. Синицин, С.И. Миненко// Труды VIII Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления" - Таганрог, 2013 - с.265-272.

11. Пат. РФ на полезную модель № 201311534 кл. МПК8 Н02 К 35/02 2013, Линейный генератор на постоянных магнитах/ Высоцкий В.Е. Синицин А.П., Пенетов B.C., Злобина Е.К.; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский Государственный Технический университет

Личный вклад автора. В работе /11 автору принадлежит постановка задачи исследования ЛГПМ. В работе Г4.51 конструкция макетного образца ЛГПМи участие в лабораторных исследованиях. В работе [8] автором выполнен вывод зависимостей для решения задач проектирования. В работах [6,71 предложены математические модели первичного источника СЭП автономного объекта. В работах » Г3-6.8,101 автором решаются задачи выбора математических моделей для исследования СЭП автономных объектов.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 Протокол № 31 от 29.10.2013 Заказ № 1016 . Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1. Отпечатано на ризографе, уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз.

Самарский государственный технический университет Типография СамГТУ. 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус.

Текст работы Синицин, Алексей Петрович, диссертация по теме Электромеханика и электрические аппараты

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

На правах рукописи

04201454493

Синицин Алексей Петрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Высоцкий В.Е.

Самара-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.................................................................................11

1.1. Обзор текущего состояния исследований ЛГ..........................................11

1.2. Особенности структуры и режимов работы СЭП К А...............................16

1.3. Линейный генератор для систем электропитания КА............................22

1.4. Анализ конструктивных исполнений ЛГПМ...........................................26

1.5. Выбор материалов активной части ЛГПМ................................................30

1.6. Методы исследования..................................................................................35

Выводы по первому разделу...................................................................................39

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ...........................................................................................................40

2.1 Общие положения...............................................................................................40

2.2 Математическая модель для расчета квазистационарного магнитного поля.............................................................................................................................41

2.3. Исследование картины магнитного поля и параметров ЛГПМ..............53

2.4. Исследование интегральных характеристик ЛГПМ..................................59

2.5. Исследование влияния основных геометрических соотношений

размеров активной части магнитоэлектрического ЛГПМ на его

энергетические показатели....................................................................................63

Выводы по второму разделу...................................................................................71

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОКОММУТАЦИОННЫЫХ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ...........................................................................................................72

3.1. Общие положения..............................................................................................72

3.2. Исследование ЭМ поля и параметров ЛГ с ПМ на неподвижной части 76

3.3. Исследование интегральных характеристик магнитокоммутационного

ЛГПМ..........................................................................................................................85

3.4. Особенности электромагнитного расчета магнитокоммутационного

ЛГПМ..........................................................................................................................88

Выводы по третьему разделу..................................................................................96

4. РАБОТА ЛГПМ С ВЫПРЯМИТЕЛЕМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛГПМ.........................................................................................97

4.1. Исследование ЛГПМ при работе на нагрузку через неуправляемый выпрямительный мост.............................................................................................97

4.2. Исследование ЛГПМ при работе через управляемый выпрямитель на аккумуляторную батарею....................................................................................100

4.3. Экспериментальные исследования ЛГПМ.................................................104

Выводы по четвертому разделу...........................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ...........................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.,...........................................117

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время существует ряд объектов, где использование традиционных генераторов вращающегося типа либо невозможно, либо требует установки механического преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, что приводит к нерациональности этих генераторов. К таким объектам относятся: системы генерирования электроэнергии, использующие энергию морских волн, системы генерирования со свободнопоршневыми двигателями внутреннего сгорания, электрические амортизаторы и другие.

На современных космических аппаратах (КА) системы электропитания (СЭП) занимают по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Источник электропитания, являясь ключевым звеном в СЭП, во многом определяет её структуру и характеристики. В настоящее время основными источниками питания, применяемыми на орбитальных КА, являются солнечные батареи (СБ) и аккумуляторные батареи (АБ). Недостатком солнечных батарей является, прежде всего, то, что в условиях тени они не производят энергии и единственным источником электропитания в этот период является АБ, что ограничивает срок активного функционирования АБ и, как следствие, всего КА. Кроме того, часть КА работает в условиях, где солнечного излучения недостаточно для обеспечения электроэнергией установленных на нем потребителей. В настоящее время для решения этой проблемы применяются изотопные нагреватели совместно с термоэлектрическими преобразователями, либо химические источники электропитания. К их недостаткам в первую очередь можно отнести низкие КПД и массогабаритные показатели. Использование линейного генератора (ЛГ) приводимого в движение термоакустическим двигателем (ТАД) в качестве бортового источника КА позволит улучшить характеристики СЭП. Рабочий цикл ЛГ не зависит от продолжительности периода затенения, а наличие термоакустического двигателя, получающего тепловую энергию от

радиоизотопного нагревателя, обеспечит стабильное функционирование СЭП в течение длительного периода времени.

Долгое время развитие линейных генераторов было затруднено в связи низкими энергетическими показателями, большой массой, недостаточной надежностью конструкций. Появление высокоэнергетических магнитов на основе сплавов редкоземельных материалов, таких как NeFeB и SmCo открыло возможности для снижения массогабаритных и повышения энергетических показателей генераторов возвратно-поступательного движения. Применение магнитоэлектрического возбуждения в электромеханических преобразователях вращающегося типа обеспечило ощутимый скачок в энергетических и массогабаритных показателях по сравнению с традиционными машинами. Появление высококоэрцитивных постоянных магнитов создает возможность уменьшения массы генератора при применении их в системе возбуждения. Последнее обстоятельство является решающим в случае выбора линейного генератора с постоянными магнитами (ЛГПМ) в качестве источника электропитания для СЭП КА.

Фундаментальными в области разработки, исследования и проектирования линейных машин являются труды А.И. Вольдека, О.Н. Веселовского, Ф.Р. Исмагилова А.И. Москвитина, Н.П. Ряшенцева, Ф.Н. Сарапулова, P.P. Саттарова Г.С. Тамояна, М.Я. Хитерера, Baker J., Vining J., Boldea I., Leijon M., Mueller M.A. В настоящее время опубликованы работы, в которых исследованы основные электромагнитные (ЭМ) процессы ЛГПМ. При этом необходимо отметить, что не проанализированы массогабаритные и энергетические характеристики этих генераторов. Кроме того, известные исследования ЭМ процессов проводились приближенными аналитическими методами без учета влияния реакции якоря, насыщения стали магнитопровода и изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита в процессе работы. Таким образом, актуальным является изучение квазиустановившегося режима работы линейных генераторов с учетом приведенных выше факторов, а так же решение задач по их проектированию. Это требует создания научно обоснованной математической модели на основе теории

электромагнитного поля ЛГПМ, а также выявления зависимостей электромагнитного расчета и разработки рекомендаций для решения задач инженерного проектирования таких генераторов.

Цель диссертационной работы; улучшение энергетических и массогабаритных показателей линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов на основе разработки их математических моделей и выработки рекомендаций по выбору конструктивных параметров.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

2. Разработать математические модели линейных генераторов с постоянными магнитами, с учетом влияния действия реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.

экспериментальных методов исследования на макетном образце. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментально полученных данных.

Научная новизна работы

1. Разработаны математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов для различных типов нагрузок отличающиеся тем, что в них учтено влияние реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.

2. Впервые разработан алгоритм решения уравнений математической модели линейных генераторов с постоянными магнитами совмещающий численное моделирование электромагнитного поля с распределенными параметрами и расчеты нелинейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

' соотношений магнитной системы.

Практическая ценность

3. Проведенный сравнительный анализ магнитоэлектрических линейных генераторов с магнитокоммутационными показал, что для термоакустических двигателей целесообразно применение магнитокоммутационных генераторов. Для других движителей, у которых амплитуда колебаний не зависит от нагрузки, целесообразно применение магнитоэлектрических генераторов.

Реализация работы

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов, ориентированные на анализ их энергетических и массогабаритных показателей и учитывающие влияние реакции якоря, насыщения стали магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейности вентильных элементов нагрузки.

Апробация работы

Основные положения работы доложены и обсуждены: на У1-ой, УН-ой и УШ-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог, 2011г, Домбай 2012 г. и 2013 г.г; на Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновск, 2012; на У1-м Международном симпозиуме ЕЬМАЭН, Москва, 2006 г.; на ХП-ой Международной научно-практической конференции "Современная техника и технологии", Томск , 2006 г., XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2012, Алушта, Ш-ей Международной научно-практической конференции «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», Екатеринбург, 2013 г.

Публикации

Структура диссертации

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, в нем сформулирована цель и поставлены задачи исследования, указана научная новизна, практическая полезность работы и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о публикациях и основных вопросах, рассмотренных в диссертации.

структура и режимы работы бортовых СЭП КА, анализируются конструктивные исполнения ЛГПМ, а также определяются методы их исследований.

Третья глава посвящена исследованию ЭМ поля и ЭМ процессов магнитокоммутационных ЛГПМ, разработке методики их электромагнитного расчета и сравнению магнитоэлектрических и магнитокомутационых генераторов.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

В первой главе приведены результаты анализа конструктивных исполнений линейных генераторов (ЛГ). Проведен обзорный анализ состояния и перспектив развития современных СЭП КА с ЛГ в качестве источника электропитания.

Долгое время развитие генераторов возвратно-поступательного движения было затруднено в связи низкими энергетическими показателями таких генераторов, большой массой и недостаточной надежностью конструкций. Применение в таких генераторах высокоэнергетических постоянных магнитов на базе редкоземельных элементов (ЭшСо, НсШеВ) создаёт возможность резкого уменьшения массы системы возбуждения. Это обстоятельство является решающим в случае выбора таких генераторов в качестве источника энергии для систем электропитания КА, поэтому, далее ведется изучение конструкций ЛГ с ПМ (ЛГПМ).

1.1. Обзор текущего состояния исследований ЛГ

Обзор текущих разработок ЛГ позволяет выделить ряд объектов, для которых является целесообразным применение генераторов возвратно поступательного движения. Известны конструкции, где линейные генераторы применяются совместно с двигателем внутреннего сгорания. Генерирование электроэнергии достигается при помощи электромагнитного устройства,

Похожие работы

Электротехника
05.09.00