Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации

Номер контракта: 14.577.21.0121

Руководитель: Ившин Игорь Владимирович

Должность: Заведующий кафедрой Электроснабжение промышленных предприятий

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергетическая установка, малая энергетика, электрическая машина, возвратно-поступательная электрическая машина, гибридный транспорт, комбинированные энергоустановки, гибридные силовые установки, свободнопоршневой двигатель, линейный генератор, увеличение кпд, снижение расхода топлива, снижение вредных выбросов

Цель проекта:
1. Разработка новых методических и конструктивных решений в области создания энергоэффективных электрических машин возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт, имеющих модульную конструкцию и предназначенных для генерации электрической энергии и привода механизмов в агрессивной среде в составе автономных энергоустановок. 2. Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия с температурным рабочим диапазоном от 0°C до 150 °C и усилием на трансляторе электрической машины до 11 кН.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разработки и создания обратимых электрических машин возвратно-поступательного действия, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты за последние 5 лет.
2. Исследование, обоснование и выбор методов и средств, направления исследований и способов решения поставленных задач.
3. Определение и обоснование типа и характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
4. Выбор схемных решений систем измерения, питания и управления испытательного стенда для проведения углубленных исследований опытного образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт.
5. Обзор, анализ и выбор современного программного обеспечения для решения поставленных задач в рамках ПНИ.
6. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию проекта посредством информирования научной и широкой общественности о ходе его выполнения и результатах.
7. Разработка математической и численной модели обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
8. Проведение численных исследований характеристик модели обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия в специализированном программном обеспечении.
9. Разработка конструкторской документации на испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия поступательного действия.
10. Изготовление испытательного стенда для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
11. Разработка конструкторской документации на экспериментальный образец обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
12. Разработка программы и методики испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
13. Разработка программы и методики испытаний стенда для испытаний экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
14. Изготовление экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
15. Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка опытного образца обратимого электрического привода возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации».
16. Разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
17. Разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.







Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия должен обеспечивать КПД электромеханического преобразования энергии, сопоставимый с электрическими машинами аналогичного типа ротационного действия.
Экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия должен обеспечивать следующие параметры:
- напряжение шины постоянного тока: 0…400 В;
- электрический ток: 0…100 А;
- перемещение транслятора: 50…120 мм;
- точность определения положения транслятора: 0,1 мм;
- скорость перемещения транслятора: 0…15 м/с.
Разрабатываемый экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия должен быть предназначен для использования в качестве единичного преобразователя механической энергии в электрическую в составе автономных энергетических установок и может применяться как в электроэнергетической отрасли реального сектора экономики, в том числе систем резервного электроснабжения, так и в транспортной области.
Разрабатываемый экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия должен иметь возможность компоновки с себе подобными для получения электрической машины большей мощности.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Назначение и область применения результатов проекта
Использование в качестве электромеханического преобразователя энергии в силовых установках на базе свободно-поршневых двигателей для нужд малой энергетики,в том числе и в удаленных районах Российской Федерации, выработка электричества на основе возобновляемых источников энергии, разработка силовых установок для гибридного транспорта, использование в качестве привода насоса. Расчет и выбор рациональных параметров трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.
Эффекты от внедрения результатов проекта
Использование результатов данного проекта позволит добиться экономического эффекта за счёт повышения КПД энергетических установок для нужд малой энергетики, повышения надежности на основе децентрализации системы электроснабжения.
Повышение качества и сокращение времени проектирования на этапе разработки линейных электрических машин.

Текущие результаты проекта:
Результаты работы по 2 этапу:
Проведенный аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему разработки и создания обратимых электрических машин возвратно-поступательного действия позволил определить основные направления исследований с целью создания энергоэффективной электрической машины (генератора –двигателя) возвратно поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации.
С учетом требований, предъявляемых к проектируемому опытному образцу, по рабочей температуре, скорости перемещения транслятора и использования унифицированных деталей была принята следующая концепция обратимой электрической машины возвратно-поступательного движения: обратимая электрическая машина возвратно-поступательного движения с обмоткой на статоре и постоянными магнитам на цилиндрическом полом трансляторе.
Принятые при проектировании испытательного стенда решения позволяют добиться таких показателей как максимальная скорость перемещения транслятора до 20 м/с, максимально измеряемое усилие до 100 кН, частота перемещения транслятора до 300 Гц, мощность нагрузки до 25 кВт, напряжение нагрузки до 400 В, измерение электрического тока до 300 А, точность определения положения транслятора до 0,1 мм, измерение температуры элементов машины до 204 С, частота оцифровки входных сигналов системы контроля и управления до 800 кГц.
Разработана математическая модель обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия на основе представления электрической цепи через эквивалентную схему, учитывающую индуктивность и активное сопротивление рабочей обмотки, индуктивность и активное сопротивление нагрузки, с учетом сопротивления выпрямителя, ЭДС движения, наводимая в рабочей обмотке при перемещении магнитов. Предложено выражать движение магнитов на трансляторе обратимой электрической машины через синусоидальную зависимость. Уравнение динамики движения транслятора учитывает основные силы, действующие на него в режиме генератора и двигателя.
Численная (имитационная) модель трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия представлена в программе Matlab-Simulink.
В программном продукте CATIAV5 выполнены трехмерные модели статора и транслятора с магнитами для прочностного и кинематического анализа деталей обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия на основе метода конечных элементов.
С целью определения рациональных конструктивных параметров электрической машины возвратно-поступательного движения реализована концепция параллельного моделирования (в иностранной литературе Co-Simulation).
Данная концепция дает возможность производить обмен данными между различными про-граммами с целью повышения эффективности, точности моделирования и оптимизации конструктивных размеров деталей. Обмен данными производится между программами Matlab/Simulink, и CatiaV5 через специально написанную оригинальную программу.
На основе разработанной имитационной модели трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия проведены расчеты зависимостей вырабатываемой электрической мощности от частоты перемещения транслятора электрической машины. Потенциал использования разрабатываемого линейного генератора лежит в диапазоне от 3 до 16 кВт, что позволяет в перспективе найти применение данной конструкции в области малой энергетики и гибридного транспорта.
Рассчитаны осевые нагрузки, действующие на транслятор электрической машины в зависимости от частоты транслятора, позволяющие провести прочностной анализ вала транслятора и закрепленных на нем магнитов.
Максимальное механическое напряжение в точках крепления магнитов составляет 7,72 МПа, что необходимо учитывать при выборе способа монтажа магнитов на основу транслятора.
Максимальное механическое напряжение на валу транслятора составило 110 МПа, что позволяет использовать титан в качестве материала основы транслятора с учетом его механических характеристик.
Разработана конструкторская документация на испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия поступательного действия.
Изготовлен испытательный стенд для проведения углубленных исследований характеристик обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия.