МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СВОБОДНОПОРШНЕВЫХ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

MODELING LINEAR ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTER FOR USE IN FREE PISTON HEAT ENGINES

Dmitry Petrichenko

PhD, leading engineer-researcher R&D center “Power machines”

Russia, Moscow

Lev Lezhnev

PhD, head of the R&D center “Power machines”,

Russia, Moscow

Fedor Shustrov

deputy head of the R&D center “Power machines”, Moscow Polytechnic University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Доклад посвящен моделированию линейной электрической машины, используемой в качестве генератора энергии в свободнопоршневых тепловых двигателях. Рассмотрен подход к созданию имитационной модели в пакете Matlab/Simulink с определением параметров электрической машины посредством полевых расчетов методом конечных элементов.

ABSTRACT

The report focuses on the simulations of linear electrical machines used as power generator in free piston heat engines. We discuss the approach to creation of simulation model in Matlab/Simulink with the definition of the parameters of the electrical machines via field calculations by finite element method.

Ключевые слова: линейная электрическая машина, свободнопоршневой двигатель, линейный генератор, метод конечных элементов, параметры электрической машины.

Keywords: linear electric machine, free piston engine, linear generator, finite element method, the parameters of the electric machine.

Введение

От компоновки генератора и теплового двигателя зависят общие показателя системы в целом, такие как: габариты, массогабаритные показатели, быстродействие системы. Уменьшение габаритов системы генератор-двигатель является актуальной задачей для агрегата со свободнопоршневым двигателем.

Последние годы появляется все больше работ, связанных с линейными свободнопоршневыми генераторами, что показывает большой интерес в этой области. Такие приводы позволяют непосредственно получать электрическую энергию из возвратно-поступательного движения, исключая звено преобразования вращательного движения в линейное перемещение. Помимо уменьшения энергетических потерь при преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, линейная компоновка свободнопоршневого генератора позволяет достаточно гибко настраивать работу теплового движителя в части регулировки хода и степени сжатия, в зависимости от необходимой генерируемой мощности. С одной стороны, использование линейных электрических машин в качестве электромеханического преобразования энергии открывает возможности для прямого преобразования энергии возвратно-поступательного движения в электричество. С другой стороны, это позволяет гибко регулировать ход поршня и, соответственно, степень сжатия в свободнопоршневом движителе [1].

Разработка системы предполагает сложный этап имитационного моделирования системы свободнопоршневого генератора в целом. Данный доклад посвящен использованию Matlab/Simulink для моделирования линейной электрической машины.

Используемый подход для расчета параметров модели

Если математические модели вращающихся электрических машин представлены в системе Matlab/Simulink в полном объеме, то модели линейных электрических машин требуют самостоятельно разработки. При этом они должны удовлетворять всем требованиям, необходимым для использования совместно с моделями электрических приводов в рамках модели системы свободнопоршневого двигателя.

Один из подходов к получению математической модели электрической машины возвратно-поступательного действия был рассмотрен в статье [2]. Он заключается в замещении линейной электрической машины с постоянными магнитами стандартной моделью синхронной машины с постоянными магнитами. При этом необходимо, чтобы параметры вращающейся электрической машины соответствовали таковым исследуемой линейной машины.

При расчете параметров линейной машины использовался пакет конечно-элементных расчетов ANSYS Electromagnetic Suite. Для примера моделируемая электрическая машина была рассчитана на мощность 7,5 кВт по методикам, изложенным в [3], [4]. В таблице 1 приведены основные параметры моделируемой машины.

Таблица 1.

Параметры моделируемой электрической машины

На рисунке 1 представлена разработанная параметризированная двухмерная конечно-элементная модель линейной электрической машины.

Рисунок 1.Модель линейной электрической машины

Она состоит из ярма статора, полюсов и магнитов транслятора. Магниты расположены встречно. Трехфазная обмотка и выбранные зубцовое и полюсное деления обеспечивают q=3/8.

Расчет производился для режима холостого хода (без нагрузки) в режиме перемещения транслятора вдоль статора. В результате были определены индуктивные параметры электрической машины, которые затем использовались в математической модели Simulink.

Результаты расчета и моделирования

На первом этапе проведения конечно-элементного моделирования были получены результаты расчетов магнитного состояния машины в разных положениях транслятора. Картина магнитного поля в начальном положении транслятора представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Картина магнитного поля линейной электрической машины в начальном положении транслятора

Далее при перемещении транслятора рассчитывались магнитные поля, потоки и потокосцепления фаз обмоток. Результирующая картина потокосцеплений фаз представлена на рисунке 3.

Как видно их представленных данных, использование числа q=3/8 позволяет получить синусоидальное распределение потокосцеплений фаз. Небольшая вариация (колебания пиков потокосцеплений) обусловлена краевыми эффектами линейной электрической машины, ввиду того, что длина активной зоны транслятора существенно меньше длины активной зоны статора.

Рисунок 3. Потокосцепления фаз в зависимости от положения транслятора

По полученным потокосцеплениям произведен расчет индуктивностей фаз, результаты которого представлены на рисунке 4. Здесь наглядно видно, что индуктивность фазы А существенно выше двух других фаз. Это связано с расположением катушек, которые входят в состав обмотки фазы А: индуктивность увеличивается ввиду увеличения лобовых частей, соединяющих катушки.

Рисунок 4. Индуктивности обмоток фаз в зависимости от положения транслятора

Расчет индуктивностей в координатах dq осуществлялся по методике, изложенной для аналитического расчета в [5]. В таблице 2 представлены значения полученных параметров для электрической машины.

Таблица 2. 

Параметры модели электрической машины

Заданные параметры были использованы в модели линейной электрической машины, построенной на базе вращающейся машины. Блок-схема модели представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Блок-схема модели линейной машины в Simulink

Данная модель построена на базе модели вращающейся электрической машины с постоянными магнитами. Параметры преобразования механического движения рассчитаны в соответствии с методом, изложенным в [2].

Полная блок-схема модели привода линейной электрической машины для использования в составе свободнопоршневого линейного генератора показана на рисунке 6. Алгоритм управления моделирует пуск-разгон свободнопоршневого генератора в пределах номинального хода.

Результаты моделирования пуска-разгона электрической машины в составе свободнопоршневого линейного генератора показаны на рисунке 7.

Рисунок 6. Блок-схема привода, включая модель линейной электрической машины

Рисунок 7. Результаты моделирования разгона линейной электрической машины

Заключение

В работе изучен процесс расчета параметров моделирования линейной электрической машины с постоянными магнитами, используемой в качестве электромеханического преобразователя энергии в составе свободнопоршневого генератора. Предлагаемый подход позволяет расширить использование существующих готовых решений в Simulink для вращающихся электрических машин применительно к моделированию линейных машин.

Была разработана параметризированная конечно-элементная модель, позволяющая рассчитать индуктивные и активные параметры, которые затем используются при построении имитационной модели в пакете Simulink. Рассмотрена имитационная модель электромеханического преобразователя энергии с электроприводом. Показаны результаты расчетов пуска линейной электрической машины при использовании в составе свободнопоршневого генератора.

Настоящий доклад подготовлен в ходе реализации НИР, выполняемой при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, регистрационный номер СП-264.2015.1.

Список литературы:

1. D. Petrichenko, A. Tatarnikov and I. Papkin. "Approach to Electromagnetic Control of the Extreme Positions of a Piston in a Free Piston Generator". Modern Applied Science, vol. 9, no. 1, 2015.
2. А. Подольцев и Р. Бондарь. «Моделирование работы трехфазного линейного синхронного двигателя колебательного движения в пакете Matlab/Simulink». Електротехнiка i Електромеханiка, pp. 31-34, 6 2010.
3. N. Bianchi, S. Bolognani, D. D. Corte и F. Tonel. «Tubular Linear Permanent Magnet Motors: An Overall Comparision» IEEE Transactions on Industry Applications, т. 9, № 2, 03-04 2003.
4. V. I. Goncharov, Y. V. Yezhov, V. G. Chirkin, S. V. Shirinskii и D. A. Petrichenko. «Linear Reciprocating Generator - Sizing Equations and Mathematical Model». Global Journal of Pure and AppliedMathematics, т. 12, № 4, pp. 3445-3462, 2016.
5. Ф. Л. Нго. «Расчет индуктивностей синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами». Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ, т. 60, № 2, pp. 133-146, 2017.