Генератор возвратно-поступательного движения в автономной системе электроснабжения маломощных потребителей

Актуальность. Разнообразие различного рода маломощных потребителей, работающих в автономных условиях без связи со стационарными энергосистемами вызывает постоянный рост спроса на компактные мобильные и экономичные системы электроснабжения. Системы электроснабжения обычно представляют собой совокупность элементов, обуславливающих генерирование, преобразование, передачу и распределение электрической энергии потребителям [1, 2]. К источникам электрической энергии, предъявляется ряд противоречивых требований: минимальные массогабаритные показатели при обеспечении требуемых выходных характеристик, высокой надежности и низкой стоимостиспособность работать при значительных механических и тепловых воздействиях внешней средывозможность изменения и регулирования технических характеристик, отсутствие вредного влияния на человека и др. В настоящее время в большинстве случаев источниками электроэнергии являются электромеханические преобразователи энергии традиционного исполнения с вращающимся ротором [3−5].

Действующие системы электроснабжения часто не обеспечивают такие важные для потребителя качества как автономность и способность производить электроэнергию непосредственно в месте ее использования и по мере ее использования. В последние годы во всех развитых странах (особенно в США, Германии, Японии, Франции) проводятся научно-исследовательские работы по созданию новых систем электроснабжения на основе «прорывных» концептуальных решений с целью реализации высокого уровня показателей экологичности, автономности, надежности, энергетической плотности и низкой стоимости. В них используется энергия солнца, ветра, текущей воды, тепла земных недр, топливных элементов, а также энергия механического движения — колебания, тряски, вибрации — какой-либо среды или физического тела [6−10].

При создании автономной системы электроснабжения маломощных потребителей, до 2−5 Вт, наиболее перспективным выглядит использование энергии механического возвратно-поступательного движения. Например, автономная система электроснабжения маломощных потребителей на основе генератора возвратно-поступательного движения, преобразующего механическую энергию движения человека в электричество, совместно с электронным блоком позволяет получить напряжение питания 5 В при выходном токе до 200 мА (при длине генератора 23 см и весе 250 гр) [11]. Широкое применение находят подобные системы при отсутствии стационарных источников энергии для питания и подзарядки аккумуляторов различных маломощных мобильных устройств (сотовых телефонов, ноутбуков, датчиков и т. п.) [12−17]. Известны разработки ряда автономных систем электроснабжения маломощных потребителей, но их использование имеет эпизодический характер. Единой теории таких систем нет, что явно сдерживает их развитие и серийное производство.

Разработкой автономных систем электроснабжения занимались известные отечественные ученые: Бут Д. А., Балагуров В. А., Паластин JI.M., Галтеев Ф. Ф. Однако, их работы посвящены исследованию источников энергии на основе преобразования энергии вращательного движения [4, 5, 18, 19]. Разработки в области электрических машин возвратно-поступательного двиения, к примеру, Москвитина А. И., Ряшенцева Н. П. посвящены исследованию и расчету электромагнитных механизмов (соленоидных приводов, вибраторов, молотков) [20, 21] и не могут быть применены для магнитоэлектрических систем. Перспективные пути использования электромеханических преобразователей возвратно-поступательного движения, как источников электрической энергии определены в работах Хитерера М. Я., Овчинникова И. Е., Boldea I., Nasar S. А. [22−24], но, детальная проработка и анализ различных конструктивных исполнений генераторов возвратно-поступательного движения в них отсутствует. Большинство исследований зарубежных авторов являются труднодоступными для широкого применения, в частности из-за того, что разработки в области создания автономных систем энергоснабжения в основном связаны с применением их в военных целях [25].

Поэтому исследование и создание автономной системы электроснабжения маломощных потребителей на основе генератора возвратно-поступательного движения, преобразующих сопутствующую энергию колебания, тряски, вибрации какой-либо среды или физического теларазработка математических моделей и новых технических решений по созданию генераторов возвратно-поступательного движения является актуальной научной задачей.

Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках тематического плана научно-исследовательских работ (2006;2008 г. г.) по заданию Федерального агентства по образованию, по теме «Исследование электрофизических и электромеханических процессов в системах электрооборудования авиационно-космической техники" — проекта «Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)» Министерства образования и науки РФ и Федерального агентства по образованию.

Цель работы — разработка и исследование генератора возвратно-поступательного движения (ВПД) в автономной системе электроснабжения маломощных потребителей (АСЭ МП).

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Анализ современного состояния и перспектив создания автономных систем электроснабжения маломощных потребителей на основе генераторов возвратно-поступательного движения. Разработка новой конструкции генератора возвратно-поступательного движения для автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

2. Разработка математических моделей генератора возвратно-поступательного движения, позволяющих рассчитать магнитные цепи и выходные характеристики генератора в установившемся режиме.

3. Анализ и исследование выходных характеристик генератора возвратно-поступательного движения и автономной системы электроснабжения маломощных потребителей с помощью разработанных математических моделей.

4. Разработка опытных образцов генератора возвратно-поступательного движения и проведение экспериментальных исследований.

5. Разработка инженерной методики проектирования генератора возвратно-поступательного движения в составе автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

Методы исследований. При решении задач использованы методы численного моделирования магнитных полей в программном комплексе ELCATаналитические методы определения магнитных проводимостей и методы исследования разветвленных магнитных цепей с постоянными магнитами. Численные расчеты теоретических зависимостей проведены с помощью универсальной системы математических расчетов MathCAD.

На защиту выносятся:

1. Конструктивная схема синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения для автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

2. Разработанные математические модели генератора возвратно-поступательного движения, позволяющие определить основные параметры и характеристики в установившемся режиме.

3. Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований установившегося режима генератора возвратно-поступательного движения, подтверждающие адекватность разработанных математических моделей и принятых допущений, а также возможность использования конструктивной схемы генератора в качестве трансформатора с изменяемым коэффициентом передачи.

4. Инженерная методика расчета, позволяющая проводить электромагнитные расчеты генератора возвратно-поступательного движения в соответствии с требованиями автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана конструкция синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения для автономной системы электроснабжения маломощных потребителей, защищенная патентом РФ на изобретение (№ 2 304 342).

2. Впервые разработаны математические модели синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения, адекватность и точность которых подтверждены экспериментально.

2. Впервые получены выходные характеристики синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения для автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

3. Новые технические решения линейных электромеханических преобразователей энергии для возбуждения и измерения механических вибраций, разработанные на основе конструктивной схемы синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения и защищенные патентами РФ на изобретение (№ 2 361 352, № 2 363 003).

Практическую значимость имеют:

1. Классификация линейных генераторов, в том числе генераторов возвратно-поступательного движения, для автономных систем электроснабжения маломощных потребителей.

2. Методы и алгоритмы расчета основных характеристик и параметров синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения, полученные в результате анализа математических моделей.

3. Экспериментальная установка и методика проведения экспериментальных исследований генераторов возвратно-поступательного движения для автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

4. Инженерная методика проектирования генератора возвратно-поступательного движения автономной системе электроснабжения маломощных потребителей.

Достоверность научных положений, выводов и результатов работы, подтверждена экспериментальными исследованиями опытных образцов генератора возвратно-поступательного движения.

Реализация результатов работы подтверждается использованием теоретических положений работы, методики расчёта и устройств на основе генератора возвратно-поступательного движения на.

ОАО УЗ «Электроаппарат" — в учебном процессе кафедры электромеханики У Г АТУ по направлению 140 600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологиипо программе магистерской подготовки «Электромеханические системы автономных объектов».

Апробация работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на шести научных конференциях всероссийского и международного уровня:

Всероссийская научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ — 2007», Астрахань, 2007;

XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2007;

XX Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-20», Ярославль, 2007;

Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», Уфа, 2007;

II Всероссийская научно-техническая конференция.

Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий", Уфа, 2009;

15-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2009.

Разработка отмечена дипломом инновационных проектов на Каспийском инновационном форуме, Астрахань-2009 (копия прилагается в приложении).

Публикации по теме диссертации. Список публикаций, содержащий основные положения, выводы и практические результаты по теме диссертации включает 19 научных трудов, в том числе 10 статей, из которых три опубликованы в изданиях перечня ВАК, шесть материалов конференций, три патента РФ на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований и приложений. Общий объем диссертации 147 стр. В работе содержится 59 рисунков, 6 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. Разработана и защищена патентом РФ на изобретение № 2 304 342 новая конструкция СМЭГ ВПД, работающая в составе автономной системы электроснабжения маломощных потребителей.

2. Разработаны математические модели магнитной цепи СМЭГ ВПД в установившемся режиме, позволяющие рассчитать магнитные проводимости и магнитные потоки в зависимости от перемещения подвижного элемента. Установлено, что:

— при перемещении подвижного элемента можно выделить условно шесть характерных интервалов перемещения, различающихся видом и составом магнитных проводимостей.

— при смещении подвижного элемента на величину x) V + Ьт1 рабочие магнитные потоки существенно уменьшаются (в 8−10 раз), а магнитные потоки рассеяния возрастают, поэтому целесообразно ограничить амплитуду х колебаний подвижного элемента значением —- + А. 2.

— при перемещении подвижного элемента в пределах магнитопровода тЪ х<—-—, упрощенные выражения для рабочих потоков обладают приемлемой точностью, отличаясь не более чем 5% от значений, определяемых по уточненной математической модели.

3. Путем исследования и анализа математических моделей СМЭГ ВПД установлено, что:

— ЭДС СМЭГ ВПД будет синусоидальной при ограничении амплитуды.

Tu, + Ьт перемещения подвижного элемента значением —-—.

— при частоте перемещения подвижной части 2−7 Гц, СМЭГ ВПД с постоянным магнитом ЮНДК24 обеспечивается необходимый уровень выходного напряжения более 0,3−0,7 В.

— электромагнитная сила становится существенной при перемещении подвижного элемента на величину более чем T’v, а ее максимум х достигается при + 5. Характеристика электромагнитной силы на этом интервале линейна, что позволяет идентифицировать электромагнитную силу с «магнитной пружиной».

— использование современной элементной базы электроники позволяет получить необходимые значения выходных напряжений и токов в течение сравнительно больших интервалов времени, определяемых параметрами емкости накопительного конденсатора, что значительно расширяет области применения СМЭГ ВПД в составе АСЭ МП.

4. Разработаны, практически реализованы в виде экспериментальных образцов и исследованы СМЭГ ВПД для АСЭ МП. Путем экспериментальных исследований установлено, что: расхождение между экспериментальными исследованиями и результатами теоретического анализа не превышает 10-И 5%, что подтверждает достоверность разработанных математических моделей.

— СМЭГ ВПД в качестве элемента АСЭ МП представляет собой типовое динамическое звено — апериодическое звено первого порядка с постоянной времени Г" 20 с.

— расхождение относительных значений индуктивностей обмоток СМЭГ ВПД, полученных расчетным и экспериментальным путем не превышает 10+15%.

— СМЭГ ВПД может быть использован в качестве трансформатора с регулируемым коэффициентом передач Кпер =1 + 9 в диапазоне частот от.

40 Гц до 600 к Гц.

— СМЭГ ВПД имеет собственный механический резонанс в диапазоне частот от 80 Гц до 11 к Гц.

— диапазон рабочих частот экспериментальных образцов СМЭГ ВПД как трансформатора с регулируемым коэффициентом передач лежит в пределах от 20 Гц до 80 Гц и от 11 кГц до 600 кГц.

5. Разработаны и защищены патентами РФ на изобретения (№ 2 361 352, № 2 363 003) новые технические решения линейных электромеханических преобразователей энергии для возбуждения и измерения механических вибраций, разработанные на основе конструктивной схемы синхронного магнитоэлектрического генератора возвратно-поступательного движения.

6. Разработана инженерная методика расчета СМЭГ ВПД в составе АСЭ МП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа является результатом теоретических и экспериментальных исследований в развитии автономных систем электроснабжения маломощных потребителей на основе генератора возвратно-поступательного движения (СМЭГ ВПД).