Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів

У статті розглядається система рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів в корисну електроенергію, яка накопичується в акумуляторній батареї. Одним з основних елементів такої системи є електрогенератор, який перетворює механічну енергію коливань шасі транспортного засобу в електр...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Електротехніка і електромеханіка
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Васьковський, Ю.М., Пода, М.В., Кошикар, І.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2018
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147958
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів / Ю.М. Васьковський, М.В. Пода, І.В. Кошикар // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 5. — С. 24-28. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147958
record_format	dspace
spelling	Васьковський, Ю.М. Пода, М.В. Кошикар, І.В. 2019-02-16T12:28:06Z 2019-02-16T12:28:06Z 2018 Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів / Ю.М. Васьковський, М.В. Пода, І.В. Кошикар // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 5. — С. 24-28. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2018.5.04 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147958 621.313.322 У статті розглядається система рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів в корисну електроенергію, яка накопичується в акумуляторній батареї. Одним з основних елементів такої системи є електрогенератор, який перетворює механічну енергію коливань шасі транспортного засобу в електричну енергію. Також розглянута проблема вибору та оптимізації конструкції і параметрів генератора. З огляду на особливості функціонування транспортного засобу найбільш доцільним типом генератора в такій системі є синхронний генератор з постійними магнітами, який має суттєві конструктивні відмінності від традиційних синхронних машин з постійними магнітами. Критерієм оптимізації генератора є максимальна величина діючого значення ЕРС, яка індукується в обмотці статора. За результатами моделювання на основі польової математичної моделі отримано сукупність значень узагальнених коефіцієнтів, які характеризують оптимальну геометрію генератора. В статье рассматривается система рекуперации энергии механических колебаний транспортных средств в электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторной батарее. Одним из основных элементов такой системы является электрогенератор, который преобразует механическую энергию колебаний шасси транспортного средства в электроэнергию. Также рассмотрена проблема выбора и оптимизации конструкции и параметров генератора. Учитывая особенности функционирования транспортного средства наиболее целесообразным типом генератора в такой системе является синхронный генератор с постоянными магнитами, который имеет существенные конструктивные отличия от традиционных синхронных машин с постоянными магнитами. Критерием оптимизации генератора является наибольшая величина действующего значения ЭДС, индуцированной в обмотке статора. По результатам моделирования на основе полевой математической модели получена совокупность значений обобщенных коэффициентов, характеризующих оптимальную геометрию генератора The paper deals with the system of mechanical energy recuperation of vehicles in the useful electric energy accumulated in the rechargeable battery. This system creates an additional power supply on board of the vehicle and, based on the principle of energy conservation, increases the efficiency of the use of the fuel of the primary engine. One of the main elements of such system is an electric generator, which transforms the mechanical energy of the oscillations of the vehicle's chassis into electric energy. The problem of choosing and optimizing the design and parameters of the generator is considered in the paper. Given the peculiarities of the functioning of the vehicle, the most appropriate type of generator in such system is a synchronous generator with permanent magnet, which has significant structural differences from conventional synchronous machines with permanent magnets. The criterion for optimizing the generator is the largest value of the effective value of the EMF, which is induced in the stator winding. On the basis of simulation results, based on the field mathematical model, a set of values of generalized coefficients that characterize the optimal generator geometry is obtained uk Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів Electric generator in the recuperation system of the energy from mechanical oscillations in vehicles Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
spellingShingle	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів Васьковський, Ю.М. Пода, М.В. Кошикар, І.В. Електричні машини та апарати
title_short	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
title_full	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
title_fullStr	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
title_full_unstemmed	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
title_sort	електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів
author	Васьковський, Ю.М. Пода, М.В. Кошикар, І.В.
author_facet	Васьковський, Ю.М. Пода, М.В. Кошикар, І.В.
topic	Електричні машини та апарати
topic_facet	Електричні машини та апарати
publishDate	2018
language	Ukrainian
container_title	Електротехніка і електромеханіка
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
format	Article
title_alt	Electric generator in the recuperation system of the energy from mechanical oscillations in vehicles
description	У статті розглядається система рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів в корисну електроенергію, яка накопичується в акумуляторній батареї. Одним з основних елементів такої системи є електрогенератор, який перетворює механічну енергію коливань шасі транспортного засобу в електричну енергію. Також розглянута проблема вибору та оптимізації конструкції і параметрів генератора. З огляду на особливості функціонування транспортного засобу найбільш доцільним типом генератора в такій системі є синхронний генератор з постійними магнітами, який має суттєві конструктивні відмінності від традиційних синхронних машин з постійними магнітами. Критерієм оптимізації генератора є максимальна величина діючого значення ЕРС, яка індукується в обмотці статора. За результатами моделювання на основі польової математичної моделі отримано сукупність значень узагальнених коефіцієнтів, які характеризують оптимальну геометрію генератора. В статье рассматривается система рекуперации энергии механических колебаний транспортных средств в электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторной батарее. Одним из основных элементов такой системы является электрогенератор, который преобразует механическую энергию колебаний шасси транспортного средства в электроэнергию. Также рассмотрена проблема выбора и оптимизации конструкции и параметров генератора. Учитывая особенности функционирования транспортного средства наиболее целесообразным типом генератора в такой системе является синхронный генератор с постоянными магнитами, который имеет существенные конструктивные отличия от традиционных синхронных машин с постоянными магнитами. Критерием оптимизации генератора является наибольшая величина действующего значения ЭДС, индуцированной в обмотке статора. По результатам моделирования на основе полевой математической модели получена совокупность значений обобщенных коэффициентов, характеризующих оптимальную геометрию генератора The paper deals with the system of mechanical energy recuperation of vehicles in the useful electric energy accumulated in the rechargeable battery. This system creates an additional power supply on board of the vehicle and, based on the principle of energy conservation, increases the efficiency of the use of the fuel of the primary engine. One of the main elements of such system is an electric generator, which transforms the mechanical energy of the oscillations of the vehicle's chassis into electric energy. The problem of choosing and optimizing the design and parameters of the generator is considered in the paper. Given the peculiarities of the functioning of the vehicle, the most appropriate type of generator in such system is a synchronous generator with permanent magnet, which has significant structural differences from conventional synchronous machines with permanent magnets. The criterion for optimizing the generator is the largest value of the effective value of the EMF, which is induced in the stator winding. On the basis of simulation results, based on the field mathematical model, a set of values of generalized coefficients that characterize the optimal generator geometry is obtained
issn	2074-272X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147958
citation_txt	Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів / Ю.М. Васьковський, М.В. Пода, І.В. Кошикар // Електротехніка і електромеханіка. — 2018. — № 5. — С. 24-28. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT vasʹkovsʹkiiûm elektrogeneratorvsistemírekuperacííenergíímehaníčnihkolivanʹtransportnihzasobív AT podamv elektrogeneratorvsistemírekuperacííenergíímehaníčnihkolivanʹtransportnihzasobív AT košikarív elektrogeneratorvsistemírekuperacííenergíímehaníčnihkolivanʹtransportnihzasobív AT vasʹkovsʹkiiûm electricgeneratorintherecuperationsystemoftheenergyfrommechanicaloscillationsinvehicles AT podamv electricgeneratorintherecuperationsystemoftheenergyfrommechanicaloscillationsinvehicles AT košikarív electricgeneratorintherecuperationsystemoftheenergyfrommechanicaloscillationsinvehicles
first_indexed	2025-11-24T04:39:19Z
last_indexed	2025-11-24T04:39:19Z
_version_	1850841650198216704
fulltext	24 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №5 © Ю.М. Васьковський, М.В. Пода, І.В. Кошикар УДК 621.313.322 doi: 10.20998/2074-272X.2018.5.04 Ю.М. Васьковський, М.В. Пода, І.В. Кошикар ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОР В СИСТЕМІ РЕКУПЕРАЦІЇ ЕНЕРГІЇ МЕХАНІЧНИХ КОЛИВАНЬ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ У статті розглядається система рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів в корисну електро- енергію, яка накопичується в акумуляторній батареї. Одним з основних елементів такої системи є електрогенератор, який перетворює механічну енергію коливань шасі транспортного засобу в електричну енергію. Також розглянута проблема вибору та оптимізації конструкції і параметрів генератора. З огляду на особливості функціонування транс- портного засобу найбільш доцільним типом генератора в такій системі є синхронний генератор з постійними магні- тами, який має суттєві конструктивні відмінності від традиційних синхронних машин з постійними магнітами. Критерієм оптимізації генератора є максимальна величина діючого значення ЕРС, яка індукується в обмотці стато- ра. За результатами моделювання на основі польової математичної моделі отримано сукупність значень узагальне- них коефіцієнтів, які характеризують оптимальну геометрію генератора. Бібл. 4, табл. 1, рис. 7. Ключові слова: система рекуперації електроенергії, синхронний генератор, постійні магніти, математична модель. В статье рассматривается система рекуперации энергии механических колебаний транспортных средств в электро- энергию, которая накапливается в аккумуляторной батарее. Одним из основных элементов такой системы является электрогенератор, который преобразует механическую энергию колебаний шасси транспортного средства в электро- энергию. Также рассмотрена проблема выбора и оптимизации конструкции и параметров генератора. Учитывая особенности функционирования транспортного средства наиболее целесообразным типом генератора в такой сис- теме является синхронный генератор с постоянными магнитами, который имеет существенные конструктивные отличия от традиционных синхронных машин с постоянными магнитами. Критерием оптимизации генератора является наибольшая величина действующего значения ЭДС, индуцированной в обмотке статора. По результатам моделирования на основе полевой математической модели получена совокупность значений обобщенных коэффици- ентов, характеризующих оптимальную геометрию генератора. Библ. 4, табл. 1, рис. 7. Ключевые слова: система рекуперации электроэнергии, синхронный генератор, постоянные магниты, математиче- ская модель. Вступ. Вимоги щодо розширення функціональних можливостей сучасних транспортних засобів (ТЗ) загального і спеціального призначення обумовлюють використання на борту ТЗ нових пристроїв і систем, для роботи яких потрібні додаткові потужності дже- рел електроживлення. Оскільки уся енергія, яку отри- мує ТЗ для свого функціонування, надходить від ви- користання запасів первинного енергоносія (зазвичай це паливо двигуна внутрішнього згоряння), то додат- кові джерела електроживлення можна отримати лише на основі принципів енергозбереження – шляхом виявлення зайвих втрат енергії в ТЗ і розробки систем перетворення частини цих втрат в корисні запаси електроенергії акумуляторної батареї (АБ). Однією з таких є система електромеханічного перетворення енергії механічних коливань (СПЕМК) шасі ТЗ, які виникають під час руху ТЗ. Розробка та дослідження таких систем вже проводиться рядом закордонних компаній – Bose, Levant Power Corp, Audi [1-3]. На- приклад, потужність системи eROT для легкового автомобіля фірми Audi складає до 613 Вт на поганому покритті, а на звичайних трасах – 100-150 Вт. В Укра- їні зазначені розробки тільки починаються, причому їх використання може бути найбільш доцільним та ефективним для великовантажних ТЗ. Метою статті є отримання за результатами мате- матичного моделювання оптимальних параметрів синхронного генератора, що входить до складу сис- теми електромеханічного перетворення енергії меха- нічних коливань шасі транспортного засобу. Загальний аналіз. При рівномірному русі ТЗ по ідеально рівній поверхні (дорозі) існує рівновага сил тяжіння підресореної маси (ПрМ) ТЗ і реакції пруж- ного елемента підвіски. При цьому ПрМ не робить вертикальних коливань, а енергія двигуна витрачаєть- ся тільки на подолання сили тертя коліс об поверхню. При наявності на дорозі сходинки униз глибиною h, колеса ТЗ швидко опускаються вниз, і під дією вини- клого дисбалансу сил ПрМ опускається вниз, змен- шуючи свою потенційну енергію на величину mghW  , (1) де m – маса ПрМ, g – прискорення вільного падіння. Після виникнення згасаючих коливань, в резуль- таті яких зазначена енергія розсіюється в амортизато- рах підвіски, режим рівномірного руху ТЗ відновлю- ється. При наявності на дорозі сходинки уверх потен- ційна енергія ПрМ збільшується за рахунок енергії приводного двигуна. В процесі коливань відбувається взаємне переміщення непідресореної (НПрМ) і підре- сореної мас ТЗ у вертикальній площині, яке дозволяє створити системи електромеханічного перетворення енергії механічних коливань в корисну електроенер- гію. При наявності на дорозі ряду сходинок (нерівно- стей, ям) зазначений процес циклічно повторюється. В реальних умовах повторюваність ям на дорозі і їх глибина носять випадковий характер. Однак для оцін- ки додаткових витрат енергії, викликаних вертикаль- ними коливаннями ТЗ при русі по нерівній дорозі, можна вести еквівалентну частоту повторюваності процесу коливань f в умовах однакової глибини ям h. Частота власних коливань ПрМ ТЗ зазвичай налашто- вується на величину 1...2 Гц, і вони завдяки потужним амортизаторам загасають за декілька коливань. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №5 25 Розглянемо приклади важких ТЗ: 1) вантажний ав- томобіль КрАЗ-253Б, його споряджена маса (СМ) становить 11,5 т; 2) бронетранспортер БТР-4 Буцефал – СМ дорівнює 21,9 т. Припускаючи, що співвідно- шення НПрМ і ПрМ дорівнює 1:15, що характерно для будь-яких ТЗ, величини ПрМ дорівнюють відпо- відно 10,7 і 20,4 тонн. За одне коливання такої маси на глибину h = 0,05 м зміна потенційної енергії ПрМ складе відповідно ΔW = 5,24 і 10 кДж. Якщо при русі ТЗ по пересіченій місцевості такі коливання постійно повторюються, наприклад, з частотою f = 0,2 Гц (пе- ріод коливання 5 с), то потужність, що втрачається в амортизаторах ТЗ дорівнює: fWP  (2) або відповідно ΔP = 1,05 і 2 кВт. Отримана оцінка свідчить про значні втрати потужності двигуна ТЗ в амортизаторах, що робить доцільним її перетворення в електричну енергію, накопичення її в АБ і подальше використання в споживчих системах ТЗ. Для інтегральної оцінки потужності механічних коливань з урахуванням різних факторів, що вплива- ють на її величину, можна ввести коефіцієнт потуж- ності механічних коливань mhfke  , (тм/с). (3) Так, для наведених прикладів при ΔP = 1,05 кВт маємо ke = 0,107, а при ΔP = 2 кВт коефіцієнт дорів- нює ke = 0,204. Очевидно, що такі ж величини ΔP можна отримати при інших значеннях маси, глибини ступені і частоти повторення коливань. Наприклад, ΔP = 1,05 кВт можна отримати при m = 5,36 т, h = 0,05 м і f = 0,4 Гц або при m = 8 т, h = 0,06 м і f = 0,223 Гц. З урахуванням виразів (1) і (2) маємо просту універ- сальну формулу для оцінки величини потужності, що втрачається при русі ТЗ по нерівній дорозі: egkP  . (4) Взаємне переміщення ПрМ і НПрМ при русі ТЗ в складних дорожніх умовах надає принципові можли- вості для створення СПЕМК ТЗ. Структурна блок-схема СПЕМК представлена на рис. 1. Рис. 1 Структурна блок-схема СПЕМК Робота СПЕМК відбувається наступним чином. Взаємні зворотно-поступальні переміщення ПрМ і НПрМ через механічний перетворювальний пристрій перетворюються в односпрямований обертальний рух ротора електрогенератора, в якому здійснюється пе- ретворення механічної енергії в електричну енергію. Змінна напруга на виході генератора випрямляється у випрямлячі і заряджає АБ. Таким чином, в СПЕМК відбувається перетворення параметрів енергії в на- ступній послідовності: «механічна енергія зворотно- поступального руху – механічна енергія обертового руху – електрична енергія змінного струму електро- генератора – електроенергія постійного струму АБ». Електрогенератор створює гальмуючий електро- магнітний момент, який протидіє вимушеним коливан- ням шасі ТЗ. Таким чином, СПЕМК здійснює дві кори- сні функції: а) перетворює частину енергії механічних коливань ТЗ в корисну електричну енергію АБ; б) сприяє гасінню коливань шасі, тобто частково вико- нує функції амортизатора. Слід зазначити, що друга функція в важких ТЗ не є основною, оскільки СПЕМК в важких ТЗ не може замінити традиційні амортизато- ри, а може лише в незначній мірі доповнювати їх. Таким чином, головною функцією СПЕМК є створення на борту ТЗ додаткового джерела електроживлення. Моделювання та дослідження електрогенера- тора СПЕМК. Важливим елементом, який в значній мірі визначає ефективність рекуперації енергії в СПЕМК, є електрогенератор. Аналіз показує, що з урахуванням особливостей функціонування СПЕМК, оптимальним типом генератора є трифазний синхро- нний генератор змінного струму з постійними магні- тами на роторі (СГПМ). Застосування постійних магнітів (ПМ) як джерел магнітного потоку збудження є оптимальним техніч- ним рішенням. При цьому у генератора немає трива- лого сталого режиму роботи – він завжди працює в перехідних режимах зі змінною швидкістю обертання валу. Механічний момент, що приводить генератор в обертання, має випадковий імпульсний характер, обумовлений дорожніми умовами руху ТЗ. Головни- ми питаннями проектування електрогенератора є: а) оптимізація конструкції генератора за обраним критерієм з урахуванням імовірнісних змінних харак- теристик руху ТЗ; б) оцінка можливої частки енергії механічних коливань ТЗ, яка може бути перетворена в електричну енергію з урахуванням допустимих габа- ритних характеристик СПЕМК. Враховуючи реальні умови функціонування СГПМ в складі СПЕМК його конструкція і параметри мають ряд суттєвих відмінностей від СГПМ тради- ційного виконання. А саме: 1. Аналіз доцільної конструктивної компоновки СГПМ на шасі ТЗ показує, що загальна конфігурація генератора повинна бути «довгою» – відношення довжини осердя статора до його зовнішнього діаметра лежить в діапазоні значень lδ / Dj = 2,5…3,5. 2. Середня швидкість обертання ротора, яку може отримати генератор в складі СПЕМК, є відносно не- великою: n2 = 200…400 об/хв . Тому для отримання прийнятної величини ЕРС обмотки статора СГПМ, яка пропорційна швидкості зміни у часі магнітного потокозчеплення (частоті), генератор повинен мати достатньо велику кількість полюсів – кількість пар полюсів дорівнює p = 4…5. 3. З урахуванням можливостей розміщення багато- полюсної трифазної обмотки статора в осерді малого діаметра кількість котушок на полюс і фазу обмотки статора дорівнює q = 1, а кількість пазів осердя статора дорівнює Z1 = 24...30. З урахуванням цих даних проек- тування статора виконується по загальним методикам проектування електричних машин змінного струму. 26 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №5 4. З метою забезпечення високого рівня надійності СГПМ доцільно використовувати ротор з ПМ, які мають радіальний напрямок вектора намагнічування і закріплюються на поверхні феромагнітного ярма ро- тора. На рис. 2, як приклад, показано поперечний переріз активної зони варіанту СГПМ. 5. Важливе значення має правильний вибір параме- трів ПМ. При цьому необхідно обґрунтувати критерії, за якими цей вибір повинен виконуватися. На відміну від традиційних СГПМ для генератора, що функціо- нує в складі СПЕМК, не висувається вимога щодо синусного розподілу магнітної індукції у повітряному проміжку уздовж полюсної поділки. ЕРС і струми статора не обов’язково мають змінюватися у часі за синусоїдним законом, оскільки навантаженням СГПМ в складі СПЕМК є випрямляч і надалі АБ (рис. 1). Критерієм вибору параметрів ПМ є максимальна ве- личина діючого значення ЕРС обмотки статора при виконанні інших рівних умов. Рис.2. Поперечний переріз активної зони СГПМ Узагальненими геометричними параметрами, які характеризують ПМ в конструкції СГПМ, є:  коефіцієнт форми магніту – відношення ширини магніту до його висоти kp = bp / hp. Зазвичай, з огляду на вимоги щодо простоти та технологічності вико- нання ротора, ПМ виконують у вигляді призми з пря- мокутною формою поперечного перерізу;  коефіцієнт полюсного перекриття – відношення ширини магніту ротора до полюсної поділки ротора α = bp / τ;  коефіцієнт висоти магніту, який характеризує відношення висоти ПМ до радіусу ротора kR = hp / R2;  коефіцієнт відносної величини повітряного промі- жку – відношення висоти повітряного проміжку між статором і ротором до полюсної поділки ротора kδ = δ/τ. Варіювання зазначених коефіцієнтів при оптимі- зації параметрів магніту повинно відбуватися за умо- ви незмінності в кожному варіанті площі перерізу (об’єму) ПМ Sp = bp·hp = const, оскільки збільшення об’єму ПМ, а значить і його магнітного потоку, само по собі збільшує ЕРС статора і тому не дозволяє ви- значити оптимальну геометрію СГПМ. Зазначені коефіцієнти характеризують не тільки геометрію самого ПМ, але й його співвідношення з геометрією інших елементів активної зони СГПМ. Таким чином задача оптимізації зводиться до знахо- дження екстремуму функції мети – максимуму діючо- го значення ЕРС обмотки статора при варіювання зазначених коефіцієнтів з урахуванням обмежень на їх величини, які витікають з можливостей конструк- тивного виконання генератора. Така оптимізація ви- конується шляхом математичного моделювання. Математична модель СГПМ. Розглядається польова математична модель СГПМ з рухомим рото- ром, яка дозволяє проаналізувати у часі електромагні- тні процеси, що виникають при обертанні ротора [4]. Рівняння для функцій часу записуються так:     JAν A BA r             t 1 , (5)  iS n P j dstE S nal tE )( 2 )(  , (6) де: A – векторний магнітний потенціал; Br – вектор залишкової магнітної індукції ПМ; μ, γ – магнітна проникність і електропровідність матеріалу (задають- ся для кожної з підобластей розрахункової області згідно з їх характеристиками – ПМ, повітряний про- міжок, феромагнітна сталь, тощо); ν – вектор швидко- сті руху ділянок ротора відносно системи координат статора; J = Ijna / SP – густина струму в обмотці стато- ра, яка визначається за заданими значеннями струму, числом послідовно з’єднаних провідників в пазу ста- тора n та частиною площі перетину паза статора SP, яка приходиться на одну паралельну гілку. Вектор Br повинен відображати обраний напрям намагнічування ПМ. Вектор швидкості визначається через задану кутову швидкість ротора ωR і радіус- вектор поточної точки ротора ν = ωRr. Рівняння (5) доповнюється відповідними гранич- ними умовами. Зазвичай це однорідні граничні умови першого роду на зовнішній границі розрахункової області – ярмі осердя статора. Миттєве значення ЕРС фази статора як функції ча- су визначається формулою (6), де інтегрування про- водиться по сумарній площі поперечного перерізу провідників фази. Інтегрується нормальна складова вектора напруженості електричного поля En(t) – скла- дова вектора напруженості, яка направлена перпенди- кулярно до площі перерізу провідників обмотки. На- пруженість електричного поля при умові, що скаляр- ний електричний потенціал φ = 0, обчислюється, як E(t) = –A/t. Діюче значення ЕРС знаходиться на періоді Т зміни функції Ej(t)  T jrms dttE T E 0 2 )( 1 . (7) При обертанні ротора відбувається зміна конфі- гурації розрахункової області за рахунок зміни взаєм- ного положення статора і елементів конструкції рото- ра, тобто координат усіх точок ротора. При обертанні ротора проти годинникової стрілки з постійною шви- дкістю приріст координат точок ротора Δx, Δy за один крок по часу Δt визначається:           YYttXtty XYttXttx RR RR )(cos)(sin )(sin)(cos   , (8) де X, Y – поточні координати точок ротора. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №5 27 Результати моделювання та оптимізації СГПМ. Розглянуто СГПМ, який має наступні дані: число фаз статора m = 3; число пар полюсів р = 5; активна довжина lδ = 0,26 м; зовнішній діаметр ярма статора D = 0,1 м; внутрішній діаметр ярма ротора, D0 = 0,022 м; номінальна потужність Pn = 400 Вт; номінальна (діюча) фазна напруга обмотки статора U1 = 16 В; номінальна частота обертання ротора nnom = 200 об/хв. Постійний магніт має наступні хара- ктеристики: Br = 1,18 Тл, μr = 1,065. На рис. 3 представлено часові залежності ЕРС ста- тора для різних значень коефіцієнта полюсного пере- криття: 1 – при α = 0,69; 2 – α = 0,58; 3 – α = 0,49; 4 – α = 0,36. З наведених залежностей видно, що зрос- тання α призводить до збільшення ширини кривих, а значить до збільшення діючого значення ЕРС при практично незмінній її амплітуді. Тобто ширина ПМ суттєво впливає на величину Е. Розрахунки виконано в режимі холостого ходу генератора. На рис. 4, 5 представлено залежності амп- літуди (пунктирна лінія) і діючого значення (суцільна лінія) ЕРС обмотки статора від відповідно коефіцієн- ту полюсного перекриття α і коефіцієнту форми маг- ніту kp при умові незмінності об’єму ПМ. Рис. 3. Часові залежності ЕРС Рис. 4. Залежності ЕРС від коефіцієнту α Рис. 5. Залежності ЕРС від коефіцієнту kp Наведені залежності свідчать, що при практично незмінній амплітуді ЕРС використання більш широ- ких і не високих ПМ веде до зростання діючого зна- чення ЕРС. Надмірне зростання ширини ПМ є недоцільним, оскільки воно обмежується збільшенням магнітних потоків розсіювання між ПМ, які розташовані поруч, а також конструктивними чинниками. Оптимальні значення коефіцієнтів: kp = 2,5…3 і α = 0,75…0,8. Зазначений висновок підтверджують розрахун- кові залежності ЕРС від коефіцієнту висоти магніту kR = hp / R2, зображені на рис. 6. Розрахунки виконані при незмінній ширині магніту bp = 6 мм і варіюванні висоти магніту від 3 до 8 мм. При варіаціях об’єм магнітів збільшується в 2,67 разів. Наведені дані свід- чать, що при kR > 0,2 зростання ЕРС майже не відбу- вається, тобто виконання занадто високих магнітів є недоцільним. Це обумовлено тим, що частина ПМ, розташова- на біля ярма ротора, практично «не приймає участі» у створенні магнітного потоку взаємоіндукції ротора з обмоткою статора, а створює лише потоки розсіюван- ня ПМ. Тому значення коефіцієнту висоти магніту лежать в діапазоні значень kR = 0,1…0,13. Величина повітряного проміжку між статором і ротором впливає на ЕРС обмотки статора. На рис. 7 зображено часові залежності ЕРС обмотки статора для величин:  = 0,5 мм (позначено цифрою 1); 0,75 мм (цифра 2) і 1 мм (цифра 3), яким відповідають значення коефіцієнту відносної величини повітряного проміжку kδ = δ / τ = 0,053; 0,04 і 0,0265. Рис. 6. Залежності ЕРС від коефіцієнту kR Рис. 7. Часові залежності ЕРС від коефіцієнту kδ Розрахунки проведені при фіксованому значенні ширини ПМ. З наведених даних видно, що навіть при двократному збільшенні δ в межах, які можуть бути обумовлені конструктивними чинниками, величина ЕРС зменшується лише на 13,7 %. Аналогічні числові дослідження проводилися і для інших типорозмірів СГПМ, в результаті чого було встановлено наступні представлені в таблиці оптима- льні значення узагальнених геометричних коефіцієн- тів, які доцільно використовувати при проектуванні СГПМ, що призначені для роботи в складі СПЕМК. 28 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2018. №5 Величина ЕРС СГПМ, а значить і ефективність роботи СПЕМК в значній мірі залежить від швидкості обертання ротора генератора, яка визначається доро- жніми умовами руху ТЗ. Тому енергоємність і пара- метри АБ, час її заряду, тощо потребують спеціально- го узгодження з параметрами СГПМ з урахуванням імовірних характеристик руху конкретного типу ТЗ. Таблиця Оптимальні геометричні коефіцієнти СГПМ Найменування коефіцієнту Числове значення Відношення довжини осердя статора до його зовнішнього діаметру lδ / Dj 2,6…3 Коефіцієнт полюсного перекриття α = bp / τ 0,68…0,75 Коефіцієнт форми магніту kp = bp / hp 2,1…2,5 Коефіцієнт висоти магніту kR = hp / R2 0,1…0,16 Коефіцієнт відносної величини повітряного проміжку kδ = δ / τ 0,04…0,05 Висновки. 1. Додатковим джерелом електроживлення на бор- ту транспортного засобу може бути система електро- механічної рекуперації енергії механічних коливань шасі ТЗ під час його руху в електричну енергію АБ. Аналіз підтверджує наявність достатньої величини енергії, яка зазвичай втрачається амортизаторах ТЗ і яка може бути частково накопичена в АБ. 2. Досліджено параметри важливого елементу за- значеної системи – синхронного генератора з постій- ними магнітами, який з огляду на особливості його функціонування має суттєві відмінності від аналогіч- них генераторів традиційного виконання. Визначено оптимальні діапазони параметрів СГПМ. Їх чисельні значення представлені в таблиці і можуть використо- вуватися при розробці СГПМ в зазначених системах. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Drive2 – Автомобильный журнал. Электромагнитная подвеска Bose. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.drive2.ru/b/721443/. 2. Drive2 – Автомобильный журнал. GenShock — система подвески, выполняющая функцию регенерации энергии. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.drive2.com/b/668040/. 3. Audi MediaCenter. The innovative shock absorber system from Audi. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.audi-mediacenter.com/en/press-releases/the- innovative-shock-absorber-system-from-audi-new-technology- saves-fuel-and-enhances-comfort-6551. 4. Васьковський Ю.М., Гайденко Ю.А. Дослідження елек- тромагнітних процесів в синхронних машинах з постійними магнітами на основі коло-польових математичних моделей // Технічна електродинаміка. – 2018. – №2. – С. 47-54. doi: 10.15407/techned2018.02.047. REFERENCES 1. Drive2 – Automobile Journal. Electromagnetic suspension Bose. Available at: https://www.drive2.ru/b/721443/ (accessed 13 September 2016). (Rus). 2. Drive2 – Automobile Journal. GenShock — suspension system performing the function of energy regeneration. Avail- able at: https://www.drive2.com/b/668040/ (accessed 11 May 2016). (Rus). 3. Audi MediaCenter. The innovative shock absorber system from Audi. Available at: https://www.audi- mediacenter.com/en/press-releases/the-innovative-shock- absorber-system-from-audi-new-technology-saves-fuel-and- enhances-comfort-6551 (accessed 20 June 2017). 4. Vaskovskyi Yu.M., Haydenko Yu.A. Research of electro- magnetic processes in permanent magnet synchronous motors based on a «electric circuit – magnetic field» mathematical model. Technical Electrodynamics, 2018, no.2, pp. 47-54. (Ukr). doi: 10.15407/techned2018.02.047. Надійшла (received) 15.06.2018 Васьковський Юрій Миколайович1, д.т.н., проф., Пода Михайло Валерійович1, аспірант, Кошикар І.В.1, магістр, 1 Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, e-mail: vun157@gmail.com, poda.mv@gmail.com Yu.M. Vaskovskyi1, M.V. Poda1, I.V. Koshikar1 1 National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», 37, Prospect Peremohy, Kyiv-56, 03056, Ukraine. Electric generator in the recuperation system of the energy from mechanical oscillations in vehicles. The paper deals with the system of mechanical energy recupera- tion of vehicles in the useful electric energy accumulated in the rechargeable battery. This system creates an additional power supply on board of the vehicle and, based on the principle of energy conservation, increases the efficiency of the use of the fuel of the primary engine. One of the main elements of such system is an electric generator, which transforms the mechani- cal energy of the oscillations of the vehicle's chassis into electric energy. The problem of choosing and optimizing the design and parameters of the generator is considered in the paper. Given the peculiarities of the functioning of the vehicle, the most ap- propriate type of generator in such system is a synchronous generator with permanent magnet, which has significant struc- tural differences from conventional synchronous machines with permanent magnets. The criterion for optimizing the generator is the largest value of the effective value of the EMF, which is induced in the stator winding. On the basis of simulation results, based on the field mathematical model, a set of values of gener- alized coefficients that characterize the optimal generator ge- ometry is obtained. References 4, table 1, figures 7. Key words: electric energy recuperation system, synchronous generator, permanent magnets, mathematical model.

Електрогенератор в системі рекуперації енергії механічних коливань транспортних засобів

Institution

Ähnliche Einträge