Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0064

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0064
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Донские технологии"
Название доклада
Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации
Докладчик
Колпахчьян Павел Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задача проекта. Применение линейных электрических машин для повышения эффективности систем автономного электроснабжения на базе двигателей внутреннего сгорания.
Цель проекта. 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.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время существует потребность в мобильных и стационарных энергоустановках микро-энергетики (мощностью до 100 кВт) на базе паротурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания, производящие электроэнергию для сверхмалых одиночных потребителей, а также использующихся в качестве источников энергии в гибридном автотранспорте.
Использование альтернативных источников энергии, таких как солнечное излучение, ветер и т.п. для создания систем автономного электроснабжения требует существенных затрат. Поэтому, с учетом требований к надежности и стоимости таких систем, в качестве основного источника энергии целесообразно использовать органическое топливо. В этом случае возможно использование паровых или газовых турбин или двигателей внутреннего сгорания.
При использовании поршневых двигателей, для применения вращающихся электрических машин необходимо сначала преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное, что усложняет конструкцию и приводит к появлению дополнительных потерь. Применение в этом случае электрических машин возвратно-поступательного действия дает возможность отказаться от использования коленчатого вала и шатунов и позволяет исключить два тяжело нагруженных шарнира в расчете на каждый цилиндр двигателя.
В качестве электромеханического преобразователя энергии в энергоустановках на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания оптимально использовать обратимую электрическую машину возвратно-поступательного действия, построенную по модульному принципу.
Научная новизна исследования заключается в том, что была разработана электрическая машина индукторного типа ранее не применявшихся для указанных целей.
Описание исследования

1. В ходе выполнения проекта разрабатывается линейная электрическая машина возвратно-поступательного действия предназначенная для использования в качестве электрогенератора на базе двигателей внутреннего сгорания свободно-поршневого типа.

2. Новизна создаваемого электромеханического преобразователя энергии заключается в том, что впервые предложено использование электрической машины индукторного типа совместно с двигателем внутреннего сгорания. Особенность конструкции разрабатываемой электрической машины возвратно-поступательного действия, заключается в применении линейных направляющих подвижного элемента, позволяющих обеспечить точное позиционирование подвижного элемента относительно статора и поддержание равномерного воздушного зазора при продольных перемещениях.

Система управления электрической машины возвратно-поступательного действия основана на известных алгоритмах управления, адаптированных для случая возвратно-поступательного движения. Новыми являются предложенные принципы бездатчикового управления вентильно-индукторной электрической машиной возвратно-поступательного действия позволяющие обеспечить ее эффективное регулирование при работе в режиме генерации.

3. Применение линейных электрических машин возвратно-поступательного действия при создании электрогенерирующих установок на базе двигателей внутреннего сгорания позволяет отказаться от использования кривошипно-шатунного механизма и перейти к двигателю свободнопоршневой конструкции. В результате снижается инерционность системы и ускоряется реакцию системы на колебания потребляемой нагрузкой мощности. Цилиндры не имеют между собой механической связи и могут быть выполнены независимо, что дает возможность строить систему генерации электроэнергии по модульному принципу.

4. В большинстве случаев в качестве линейного электрогенератора, работающего со свободно-поршневым двигателем, используются синхронные электрические машины с постоянными магнитами на подвижном элементе. Элементы конструкции электрической машины работающей в качестве электрогенератора совместно со свободно-поршневым двигателем находятся в непосредственной близости от цилиндро-поршневой группы, в зоне высоких температур. На них действуют механические нагрузки ударного характера.

Поэтому применение постоянных магнитов, несмотря на эффективность электрических машин с их использованием, нежелательно, так как требует решения проблем обеспечения температурного режима и крепления магнитов. Поэтому одним из оптимальных вариантов является применение в качестве электромеханического преобразователя, работающего совместно со свободно-поршневым двигателем, реактивно-индукторной электрической машины. У нее отсутствует обмотка на роторе, а обмотки статора выполняются сосредоточенными, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Для рассматриваемого случая предлагается использовать конструкцию линейной реактивно-индукторной электрической машины с двумя поочередно работающими фазами.

Наиболее часто линейные электрические машины выполняют с цилиндрическим зазором. Перемещение подвижного элемента осуществляется вдоль оси зазора. Статор и подвижный элемент являются телами вращения, а обмотки статора имеют форму кольца,. Такая конструкция является технологичной, в ней хорошо используются активные материалы. Особенностью реактивно-индукторной электрической машины является то, что ее масса и габариты в значительной степени определяются величиной воздушного зазора, который необходимо делать возможно меньшим. Это накладывает очень высокие требования к стабильности положения подвижного элемента. В конструкции с цилиндрическим зазором эту функцию выполняют опоры скольжения расположенные на концах конструкции. Учитывая значительные нагрузки на подвижный элемент, поддержание стабильности зазора для такой конструкции является сложной задачей. Для фиксации осевого положения подвижного элемента разработана конструкция с использованием продольных направляющих. Особенностью предлагаемой конструкции является использование магнитопровода пространственной конструкции состоящей из четырех полюсов сверху и снизу от направляющих. В качестве ярма магнитопровода, по которому замыкается магнитный поток, используется наружная труба (оболочка). В рассматриваемой конструкции применяются по две сосредоточенных обмотки на каждую фазу электрической машины с каждой стороны магнитопровода.

Результаты исследования

 

В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:

1) Выбрана и обоснована конструкция электрической машины возвратно-поступательного действия. Определены рабочие параметры электрической машины.

2) Разработана математическая модель линейной электрической машины возвратно-поступательного действия, основанная на применении методов теории электромагнитного поля.

3) Разработан алгоритм функционирования системы управления экспериментальным образцом электрической машины возвратно-поступательного действия.

4) Разработана эскизная конструкторской документация, изготовлены детали и узлы, выполнена сборка экспериментального образца линейной электрической машины.

5) Разработана система управления экспериментальным образцом линейной электрической машины возвратно-поступательного действия.

6) Разработан и изготовлен стенд для испытаний экспериментальных образцов линейной электрической машины возвратно-поступательного действия использующий метод взаимной нагрузки, при которой один из модулей машины работает двигателем, другой - генератором. Такая схема позволяет сократить размеры стенда, снизить мощность устройств приведения в движение подвижных элементов, сократить затраты электроэнергии на проведение испытаний.

7) Разработана Программа и методики экспериментальных исследований экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия. Проведены испытания, выполнен анализ результатов исследований и и их сопоставление с данными информационных источников. В результате было установлено, что разработанный и изготовленный экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия успешно прошел испытания и соответствует  требованиям Технического задания.

8) Разработана концепция и схемы организации сервисного обслуживания электрической машины возвратно-поступательного действия в процессе эксплуатации.

Проблемой создания линейных электрических машин для использования в качестве электрогенераторов совместно со свободно-поршневыми двигателями занимаются различные научные коллективы и промышленные компании. Наиболее интересными являются разработки České vysoké učení technické v Praze (Fakulta elektrotechnická); Newcastle University, UK; Sandia National Laboratories. Livermore, USA; Toyota Central R&D Labs Inc., Japan.

В большинстве случаев рассматриваются синхронные электрические машины с постоянными магнитами на подвижном элементе. Их применение позволяет получить высокий КПД, надежное возбуждение, улучшить выходные характеристики и обеспечить малую инерционность. Но при этом отсутствие прямого способа регулирования напряжения из-за трудности изменения потока возбуждения от постоянных магнитов, разброс в характеристиках магнитов и высокая стоимость существенно влияют на технологичность и стоимость системы в целом. Поэтому в рассматриваемом проекте применяется реактивная (индукторная) электрическая машина, у которых на роторе отсутствуют как обмотки, так и постоянные магниты. Ее использование несколько снижает удельную мощность электромеханического преобразователя, однако, позволяет упростить конструкцию за счет отсутствия постоянных магнитов и необходимости охлаждать подвижный элемент. Поэтому показатели линейного генератора с реактивно-индукторным электромеханическим преобразователем не уступают системам с постоянными магнитами на подвижном элементе.

Практическая значимость исследования
Потребителями разработанной продукции - обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия для тяжелых условий эксплуатации могут выступать научно-исследовательские, проектные и производственные организации, занимающиеся созданием и производством автономных электрогенерирующих систем на базе двигателей внутреннего сгорания. С использованием разработанных в ходе выполнения ПНИЭР электрических машин возможно создание автономных систем электрогенерации на базе свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания модульного типа.
Разрабатываемая в ходе выполнения проекта возвратно-поступательная электрическая машина возвратно-поступательного действия может быть использована в качестве генератора в электрогенерирующей системе на базе свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, использование такой электрической машины возможно в качестве привода компрессора или поршневого насоса.
Разработанная в результате выполнения ПНИЭР электрической машины возвратно-поступательного действия с системой управления позволит создать многоблочную автономную электрогенерирующую систему стационарного и мобильного исполнения, для энергообеспечения децентрализованных объектов и как следствие снизить стоимость электрификации, создание аварийных (дублирующих) систем энергообеспечения особо важных социальных объектов, мобильное исполнение позволит в кратчайшие сроки обеспечить электрической энергией объекты попавшие в чрезвычайную ситуацию.