авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Трехкоординатный электромеханический преобразователь энергии колебательного движения в автономной системе электроснабжения

На правах рукописи

РИЯНОВ Линар Наилович ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Специальность:

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» (ФГБОУ ВПО «УГАТУ») на кафедре электромеханики.

Доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Хайруллин Ирек Ханифович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Баширов Мусса Гумерович, зав. кафедрой электрооборудования и автоматики промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» (Филиал в г. Салават) Кандидат технических наук, доцент Линенко Андрей Владимирович, декан энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» ОАО «Уфимское приборостроительное

Ведущая организация:

производственное объединение»

Защита состоится «18» октября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12, ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Автореферат разослан 12 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент А. В. Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время наблюдается тенденция повсеместного внедрения в обиход разнообразных компактных мобильных устройств, таких как сотовые телефоны, фотоаппараты, навигаторы, разнообразные микроЭВМ. Источниками питания данных маломощных потребителей служат аккумуляторы или батарейки. В условиях удаления от сетей централизованного электроснабжения возникает необходимость в автономных системах электроснабжения (АСЭ), для питания и заряда источников питания. АСЭ обычно представляют собой совокупность элементов, обуславливающих генерирование, преобразование, передачу и распределение электрической энергии потребителям. Особого внимания заслуживают АСЭ на основе колебательных электромеханических преобразователей, которые позволяют использовать окружающую нас, механическую энергию вибраций, толчков. Существующие колебательные ЭМПЭ способны преобразовывать в электрическую энергию лишь одну из составляющих энергии колебательного процесса. Однонаправленные колебания в природе встречаются крайне редко, что приводит к недоиспользованию внешнего воздействия, поэтому применение трехкоординатных колебательных ЭМПЭ (ТКЭП) более эффективно. Например, АСЭ на основе ТКЭП обеспечивает системы слежения на основе ГЛОНАСС/GPS постоянным током в любых климатических условиях.

Поэтому исследование и разработка АСЭ на основе ЭМПЭ колебательного движения, преобразующих сопутствующую энергию возмущения окружающей среды или физического тела в электрическую, разработка математических моделей и новых технических решений по созданию электромеханических преобразователей энергии колебательного движения является актуальной научно технической задачей.

В данной работе предложена оригинальная конструкция ТКЭП в составе АСЭ, его математическая и компьютерная модели рабочих процессов, обеспечивающие рациональный выбор параметров и характеристик колебательных ЭМПЭ.

Степень разработанности темы исследования. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов показал, что исследования в данном направлении в основном ограничиваются электрическими машинами с одной степенью свободы подвижного элемента (индуктора).

Значительный вклад в развитие теории АСЭ внесли такие ученые как Д. А. Бут, В. А. Балагуров, Л. Н. Паластин, Ф. Ф. Галтеев, однако их работы посвящены исследованию источников энергии на основе преобразователя энергии вращательного движения. Перспективные пути исследования ЭМПЭ колебательного движения, как источников электрической энергии, представлены в работах М. Я. Хитерера, И. Е. Овчинникова, S. A. Nassar, I. Boldea, J. A. Paradiso, W. J. Li, M. El-hami, Ф. Р. Исмагилова, Г. С. Тамояна, Р. Р. Саттарова, О. В. Тарханова, но детальная проработка и анализ различных конструктивных исполнений ЭМПЭ колебательного типа в них отсутствует.

Цель и задачи работы. Исследование и разработка трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного движения в автономной системе электроснабжения.

Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи:

Анализ современного состояния и создание АСЭ на основе 1.

оригинальной конструкции ТКЭП.

Разработка математической модели электромеханического 2.

преобразователя энергии колебательного движения и исследования магнитных полей и основных характеристик.

Разработка имитационных моделей и исследование характеристик 3.

ТКЭП.

Разработка опытных образцов ТКЭП и стенда. Проведение 4.

экспериментальных исследований.

Методы проведения исследований. Для решения задач и достижения цели использовались методы математического и численного моделирования электромагнитных полей в программных продуктах Ansys, Matlab, Maxwell;





расчеты теоретических зависимостей и обработка эксперимента проведены с помощью универсальной системы математических расчетов Mathcad 14.

Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки.

Связь темы диссертации с НИР Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных в рамках работ по тематическому плану госбюджетных НИР университета по теме «Исследование электромагнитных полей и электромеханических процессов в сложных гетерогенных средах перспективных электротехнических систем и технологических комплексов авиационно- космической техники».

Научная новизна Разработана математическая модель ТКЭП, позволяющая исследовать 1.

его характеристики.

Получены основные характеристики и зависимости параметров ТКЭП 2.

на основе разработанных математических и компьютерных моделей.

Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие 3.

результаты теоретического анализа и целесообразность применения ТКЭП.

Разработана имитационная модель ТКЭП, позволяющая учитывать 4.

взаимное влияние магнитных систем, новизна которой защищена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2013612443) Достоверность полученных результатов обусловлена использованием математических методов, методов компьютерного моделирования, подтверждаемых экспериментальными исследованиями опытных образцов трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного движения.

Практическая значимость работы Основные характеристики и параметры ТКЭП.

1.

Стенды и методики проведения экспериментальных исследований ТКЭП 2.

и результаты экспериментальных исследований.

Новые технические решения электромеханических преобразователей 3.

энергии различного целевого назначения, разработанные в рамках данного направления и защищенные патентами РФ (№2402142, №2312447).

Имитационная модель ТКЭП, учитывающая взаимное влияние 4.

магнитных систем, новизна которой защищена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2013612443).

Практическая ценность результатов работы подтверждается актами внедрения результатов в учебный процесс кафедры электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета.

Апробация работы Основные положения, изложенные в диссертации, были представлены на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа 2012), Межвузовской научно-практической конференции 2009, «Электротехнические комплексы и системы» (Уфа, 2011), Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург 2011), Международной конференции аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013), работа номинирована на призовое место в конкурсе инновационных проектов Start Поиск RB (Уфа, 2013).

Положения, выносимые на защиту:

Математическая модель трехкоординатного электромеханического 1.

преобразователя энергии колебательного движения.

Имитационная модель трехкоординатного электромеханического 2.

преобразователя энергии колебательного движения, учитывающая взаимное влияние магнитных систем, новизна которой защищена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2013612443).

Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований 3.

режимов работы трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного движения автономной системы электроснабжения, подтверждающие адекватность разработанных математической и компьютерных моделей, принятых допущений и перспектив применения электромеханического преобразователя колебательного типа автономной системы электроснабжения, а также возможность его использования по другому функциональному назначению (датчик).

Трехкоординатный электромеханический преобразователь энергии 4.

колебательного движения для автономной системы электроснабжения, новизна которого защищена патентом РФ на устройство (№2402142).

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 155 страниц машинописного текста, библиографический список из наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанного с разработкой АСЭ на основе колебательных ЭМПЭ, формулируются цель и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, апробация, структура работы, краткое содержание работы по главам и сведения о публикациях.

В первой главе проведен анализ современного состояния и перспектив развития АСЭ на основе различных конструктивных схем ЭМПЭ колебательного движения. АСЭ состоит из следующих элементов: трехкоординатного колебательного электромеханического преобразователя;

элемента преобразования и распределения;

накопительного элемента.

Приведена классификация электромеханических преобразователей колебательного движения, по ряду признаков позволяющая выбрать рациональную конструкцию ЭМПЭ для использования в АСЭ.

Разработан и защищен патентом РФ на изобретение ТКЭП, преимущество которого состоит в преобразовании энергии механических колебаний в электрическую, вне зависимости от направления механических колебаний. Для АСЭ разработаны новые технические решения ЭМПЭ колебательного движения, защищенные патентами РФ на изобретения (№2402142, №2312447).

Предложенный в диссертации ТКЭП, рисунок 1, содержит корпус, на котором закреплена подвижная часть, которая представляет собой постоянные магниты, жестко закрепленные на упругих стержнях, которые выполнены, например, из пружинной стали.

Постоянные магниты формы части сферы, намагничены таким образом, что на внешней поверхности находится, например, северный полюс магнита, а на внутренней поверхности расположен южный полюс. По периметру корпуса расположены катушки.

Результатом проведенного анализа явилось формирование цели и задач исследования.

Во второй главе разработаны математические описания магнитной индукции в воздушном зазоре и ЭДС в обмотке ТКЭП при свободных затухающих колебаниях и при установившемся режиме работы. На основе разработанных имитационных моделей представлен сравнительный анализ конструкций активных магнитных систем с постоянными магнитами, по критерию наибольшей магнитной индукции в воздушном зазоре и наибольшего значения ЭДС обмотки.

При этом использовались следующие допущения: при динамическом режиме работы, возмущающие воздействия имеют импульсный характер, т.е. колебания в колебательном контуре затухающие;

магнитная проницаемость немагнитного рабочего зазора ЭМПЭ равна проницаемости вакуума 0, магнитная проницаемость постоянных магнитов pm const ;

потоки рассеяния не учитываются;

постоянный магнит при колебаниях не выходит за пределы обмотки;

тангенциальная составляющая магнитного поля не учитывается ввиду того, что она практически не участвует в преобразовании механической энергии в электрическую.

Разработка математического описания, отражающего взаимосвязанную зависимость между электрическими, магнитными и механическими параметрами оригинальной конструкции ТКЭП, осуществлялась по расчетной схеме, содержащей колебательный контур с постоянным магнитом формы часть сферы и кольцевой обмоткой, рисунок 2.

Стержень Постоянный магнит Катушка Корпус Рисунок 1 – ТКЭП Рисунок 2 – Расчетная схема ТКЭП Принимая, что основные механические воздействия изменяются по гармоническому закону, координата крутильных затухающих колебаний описывается следующим законом:

=Aexp(-t )cos(t ), (1) Rс где = – коэффициент затухания, с-1;

m – масса магнитной системы;

2m Rс – коэффициент, характеризующий силу сопротивления, которая принимается в виде Fсопр =-Rv ;

A – амплитуда колебаний, рад;

– циклическая частота.

Величина ЭДС приобретает вид:

2 2 k Rс sin t+ T (m) 2(m) Rс t), 1 (2) e = - B D1 wAexp( 2( m) k R 2 k R + Rс sin - с t - с t cos 2( m) ( m) 2( m) ( m) 2( m) где D1 – диаметр кольцевой обмотки;

w – число витков обмотки;

k – коэффициент жесткости стержня;

B – магнитная индукция в воздушном зазоре.

Величина средней магнитной индукции в воздушном зазоре приобретает вид:

n= sin(- n ) n=1, Rсф Bср = Br 3 (3) 3 n где Br – остаточная намагниченность;

Rcф – радиус сферы;

– воздушный зазор;

n – количество членов ряда.

Основной задачей ТКЭП является выработка максимального количества электрической энергии, на что, как показано в выражении (2), влияет непосредственно значение магнитной индукции в воздушном зазоре, которая определяется величиной воздушного зазора, конструкцией магнитной системы (МС) и характеристиками активных материалов.

Выбор наиболее рациональной МС осуществлялся методом сравнительного анализа ряда конструкций по критерию наибольшего значения магнитной индукции в воздушном зазоре с учетом нелинейности характеристик материалов и по критерию наибольшего значения ЭДС с учетом изменения массы МС.

Расчет значений магнитной индукции и ЭДС обмотки производился методами имитационного моделирования в программном продукте Ansys.

При моделировании принимались заданными геометрические размеры МС:

диаметр постоянного магнита 30 мм, воздушный зазор 2,5 мм, толщина постоянного магнита 3 мм, толщина ферромагнитной накладки 1 мм. В качестве материала постоянных магнитов принимался сплав редкоземельных металлов NdFeB с остаточной индукцией 1,13 Тл и радиальным направлением намагниченности, в качестве материала ферромагнитной накладки принимался ферромагнетик с постоянной магнитной проницаемостью 10000.

Анализ результатов, рисунок 3, показал, что наибольшим значением магнитной индукции обладает вариант с ферромагнитной накладкой, расположенной под магнитом, а наименьшей с ферромагнитной накладкой расположенной над магнитом.

2. 0,143E-03 0.56297 1.12579 1.68862 2, Рисунок 3 – Картина магнитного поля для активной магнитной системы с постоянными магнитами и ферромагнитной накладкой расположенной под магнитом При исследовании установившего режима работы ТКЭП координата колебаний постоянного магнита описывается следующим законом =Asin(t ).

Величина средней магнитной индукции в воздушном зазоре ТКЭП при холостом ходе приобретает вид:

DB0 m -2Asin(t ), B = (4) 2l где – коэффициент рассеяния.

Анализ, полученной в программном продукте Ansys, картины распределения магнитного поля, показал, что в центре активного элемента МС ТКЭП равняется нулю, а по мере удаления от центра она возрастает.

Так как в установившемся режиме амплитуда колебаний определяется двумя составляющими, ЭДС в установившемся режиме определяется в следующем виде:

ex = Ax DB wsin(2t ) (5) ey = Ay DB wsin(2t ). (6) С целью оценки адекватности разработанного математического описания в программном продукте Mathcad были произведены расчеты, из которых видно следующее.

При увеличении амплитуды колебаний до 50 % воздушного зазора ТКЭП, зависимость ЭДС от времени движения имеет несинусоидальный характер, рисунок 4. При амплитуде колебаний до 95 % воздушного зазора заметно увеличивается несинусоидальность ЭДС, разность амплитуд между соседними пиками составляет 30 %, рисунок 5, при этом ЭДС возрастает в 10 раз.

E, B E, B 8 5,7 57, 3,4 34, 1,1 11, -1,1 -11, -3,4 -34, -5,7 -57, t, c t, c -8 - 0 0,143 0,286 0,429 0,571 0,714 0,857 1 0 0,143 0,286 0,429 0,571 0,714 0,857 Рисунок 4 – ЭДС при амплитуде Рисунок 5 – ЭДС при амплитуде колебаний, равной половине зазора колебаний, равной 95 % зазора Таким образом, разработаны математические описания электромагнитных и электромеханических процессов при динамическом и установившемся режимах работы ТКЭП и проведена качественная проверка посредством имитационного моделирования в программном продукте Ansys.

В третьей главе представлена математическая модель трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного движения.

Считая, что режим работы ТКЭП кратковременный, а следовательно и тепловыделения в обмотках минимальны, математическая модель описывающая динамические характеристики ТКЭП определяется в виде:

T + C T 2 dx 0 0 S2 R T + C T dt dx m 2 =C1x i - C2x x - Fx + dt di dx L + C1x + ir =U m sint dt dt T + C T 2 dy 0 0 S2 R T + C T dt dy m 2 =C1 y i - C2 y y - Fy + dt di dy L + C1 y + ir =U m sint dt dt T + C T 2 dz 0 0 S2 R T + C T d2z dt m 2 =C1z i - C2 z z - Fz + dt di dz L + C1z + ir =U m sint, (7) dt dt где x – расстояние, пройдённое активной частью ТКЭП за период колебаний;

Fxyz – составляющие внешней силы по осям xyz;

i – сила тока;

L – индуктивность;

2 R3 2 2 R 2Br2 ( 2lM 2 Br ( + ) lM + )w 3 3 3 3 – амплитуда напряжения;

C1 =k1 – Um, C2 =k k aR 2 k a конструктивные коэффициенты;

lM,d – геометрические параметры постоянного 1 магнита;

a = 0 lM +2, S – площадь контакта;

D – диаметр вращающейся части;

T + C T 0 0 S2Rv T + C T – сила вязкого трения;

C – постоянная Сазерленда;

Fв.т = T0 – температура воздуха в воздушном зазоре в момент запуска генератора;

– кинематическая вязкость воздуха в момент запуска генератора;

T, – температура и кинематическая вязкость воздуха в момент времени t.

При применении ТКЭП в качестве генератора электрической энергии, внешняя сила прикладывается перпендикулярно одному из стержней. Тогда, допуская, что провисание стержней отсутствует, внешняя сила раскладывается на две составляющие. Так, например, для силы, приложенной перпендикулярно к стержню по оси z, результирующая сила определяется в виде:

F = Fz + Fx. (8) Для прикладных инженерных задач решение системы нелинейных дифференциальных уравнений (7) является трудоемким процессом. В связи с этим, данные уравнения реализованы в виде имитационной модели посредством программного продукта Matlab Simulink, показанной на рисунке 6.

Рисунок 6 – Имитационная модель ТКЭП Входными параметрами разработанной имитационной модели является внешняя сила, прикладываемая перпендикулярно оси z. Выходным параметром является сила тока в обмотках ТКЭП в направлении оси x и z. При этом считаются заданными геометрические размеры ТКЭП, характеристики активных материалов, величина внешней силы и максимальная амплитуда напряжения.

Применение разработанной имитационной модели позволяет значительно сократить временные затраты связанные с проектированием ТКЭП, а также оптимизировать геометрические параметры ТКЭП при различных конструктивных вариациях.

Анализ данных имитационной модели показал, что при приложении внешней силы 20 Н перпендикулярно оси z, в обмотке соответствующей данной оси за 0,04 с максимальная сила тока достигает значения 0,68 А, после чего она снижается до 0,5А, ТКЭП работает в установившемся режиме. При этом, по оси х также возникают колебания, и в обмотке соответствующей данной оси возникает сила тока с амплитудой 0,45 А, за время, равное 2 с, амплитуда силы тока снижается до 0,35 А.

Впервые разработано математическое описание процессов взаимного влияния МС в ЭМПЭ колебательного движения методом физических аналогий, где реальные активные элементы ТКЭП – постоянные магниты заменяются на системы обмоток с током.

При этом помимо указанных выше допущений: силы отталкивания не допускают возможности удара МС;

частота колебаний внешней силы равна частоте колебаний МС.

Механические процессы ТКЭП с учётом взаимодействия магнитного поля активных элементов, при внешней силе направленной перпендикулярно оси y, и расположении активных элементов одноименными полюсами, определяется выражениями:

D l - arccos 2 2, Fcos+Fотx = m x (9) 2 2 Ax sin ( x t ) + l где =180-, угол между двумя соседними стержнями противоположного направления.

D l - arccos 2 2, Fsin + Fотz = m z (10) 2 2 Az sin ( z t ) + l D l - arccos.

Fотy = m y (11) 22 2 Ay sin ( y t ) + l Для магнитных систем, при первом взаимодействии между активными элементами ТКЭП, силы отталкивания с учётом изменения воздушного зазора при колебаниях и при переходе от системы проводов к системе с постоянными магнитами представляются в виде:

2 4Br l (12) Fотy = 0 d 2 4Br l (13) Fотx = 0 d + 2 Ax sin 2 ( x t ) + l 2 4Br l (14) Fотz = 0 d + 2 Az sin 2 ( z t ) + l При последующих взаимодействиях зазоры зависят не только от колебаний вызванных внешней силой, но и от колебаний, вызванных силами взаимодействия магнитных систем. При последующих взаимодействиях возникают:

2 4Br l (15) Fотyx =.

0 d + 2 Ax sin 2 ( x t ) + l 2 + 2 Ay sin 2 ( y t ) + l 2 2 4Br l (16) Fотyz = 0 d + 2 Az sin 2 ( z t ) + l 2 + 2 Ay sin 2 ( y t ) + l 2 2 4Br l (17) Fотxz = 0 d + 2 Ax sin 2 ( x t ) + l 2 + 2 Az sin 2 ( z t ) + l 2 Анализ приведенных зависимостей (рисунок 7) показал, что с увеличением амплитуды колебаний, верхнее значение силы достигает максимального значения, которое при увеличении амплитуды остается неизменным. Физически данное явление объясняется тем, что верхний предел ограничен механически соседним стержнем. Нижний предел силы при увеличении амплитуды на 50 %, снижается на 2 %.

Анализ зависимостей, представленный на рисунке 8, показал, что при учете взаимодействия магнитных систем ЭДС ТКЭП возрастает на 26 %.

В связи с этим, учёт взаимодействия магнитных систем при проектных расчётах ТКЭП позволяет повысить их точность, что приведет к минимизации экономических затрат, связанных с экспериментальными исследованиями и расхождениями проектных данных и характеристик реального ТКЭП.

F, H E, B 22, 6, 7, 6, 6, -7, - 5, -22, t, c t, c 5, - 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0,875 Рисунок 7 – Зависимость силы Рисунок 8 – ЭДС ТКЭП с учётом отталкивания от времени движения взаимодействия магнитных систем ТКЭП и амплитуды колебаний и без учёта их взаимодействия Показано, что современная элементная база электроники позволяет получить необходимые значения выходных напряжений и токов для устойчивой работы ТКЭП в составе АСЭ.

Четвертая глава посвящена разработке испытательного стенда ТКЭП, методик экспериментальных исследований, анализу результатов компьютерного моделирования, аналитических расчетов и экспериментальных данных.

Исходя из обозначенных выше задач, при непосредственном участии автора был разработан испытательный стенд ТКЭП, представленный на рисунке 9.

Рисунок 9 – Экспериментальная установка для исследования ТКЭП:

1 – источник вторичного питания Mastech HY3005D-2;

2 – двигатель постоянного тока;

3 – цифровой осциллограф GW Instek GDS-73152;

4 – опытный образец ТКЭП;

5 – индикатор часового типа ИЧ- Этот стенд применяется как для исследования установившегося, так и динамического режимов работы ТКЭП. Важно отметить, что технические характеристики стенда и точность зависят от измерительного оборудования.

Для анализа расхождения данных эксперимента и расчетных данных было произведено компьютерное моделирование ТКЭП методом конечных элементов в программном продукте Ansys, представленное на рисунках 12 и 13.

E, B E, B 1, 1, 0,5 а) 0, -0,5 -1 -0, -1, - б) -1, t, c - t, c 5 5,03 5,06 5,09 5,12 5,15 5, 5 5,03 5,06 5,09 5,12 5,15 5, Рисунок 12 – ЭДС установившегося Рисунок 13 – ЭДС установившегося режима работы ТКЭП при х. х. для МС режима работы ТКЭП при х. х. при при f=32 Гц и A=0,05 мм: а) с компьютерном моделировании МС со пружиной;

б) со стержнем стержнем при f=32 Гц и A=0,05 мм Анализ данных показал, что при амплитуде колебаний до значений A=0,05 мм и частоте порядка f=32 Гц, зависимость выходного напряжения ТКЭП от времени движения имеет несинусоидальный характер, и при этом амплитудное значение напряжения U=1,52 В, а разница между минимальным и максимальным пиками составляет порядка 27 %.

Результат компьютерного моделирования, представленный на рисунке 13, отличается от данных физического моделирования на величину погрешности, не превышающей 8 %. Причем, данные компьютерного моделирования численно больше данных эксперимента, это объясняется тем, что реальные характеристики постоянных магнитов несколько ниже, чем заявленные производителем и используемые при моделировании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ Анализ существующих колебательных электромеханических 1.

преобразователей энергии и их технических характеристик позволил выявить их недостатки, наиболее существенным из которых является невозможность преобразования всех составляющих энергии колебательного движения.

Разработан и защищен патентом РФ на изобретение №2402142 оригинальный ТКЭП, работающий в составе АСЭ, позволяющей преобразовывать энергию возмущения окружающей среды или физического тела с любого направления в электрическую.

Разработаны и проанализированы математические модели, позволяющие 2.

исследовать характеристики ТКЭП при динамическом и установившемся режимах работы, учтено взаимовлияние МС колебательного ЭМПЭ, установлено, что частота ЭДС в обмотке статора в два раза превышает частоту колебаний, что объясняется неравномерным распределением магнитного поля в воздушном зазоре.

Учёт взаимодействия МС при проектных расчётах ЭПМЭ колебательного движения позволяет повысить их точность.

Разработаны имитационные модели, позволяющие исследовать 3.

характеристики ТКЭП, установлено, что при учете взаимовлияния МС, величина ЭДС возрастает на 26 %.

Проанализированы характеристики ТКЭП и АСЭ с помощью разработанных моделей, выявлено, что рациональной МС является конструкция с ферромагнитной накладкой за постоянным магнитом.

Разработаны и исследованы макеты ТКЭП. Результаты 4.

экспериментальных исследований подтверждают достижение ожидаемых характеристик и перспективность их применения в АСЭ.

Установлено, что величина погрешности между экспериментальными данными и результатами теоретического анализа не превышает 8 %, что подтверждает достоверность разработанных математических моделей.

ТКЭП имеет собственный механический резонанс в диапазоне частот от 32 Гц до 75 Гц.

Таким образом, создан оригинальный ТКЭП, работающий в составе АСЭ, математическая и компьютерная модели рабочих процессов трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного движения в составе автономной системы электроснабжения, позволяющие повысить качество проектирования и сократить сроки разработки и экономические затраты, связанные с экспериментальными исследованиями.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано печатных работ, в том числе 5 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Получено 2 патента РФ по разработке и совершенствованию колебательных ЭМПЭ и автономных систем электроснабжения.

Список основных работ по теме диссертации:

В центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Риянов Л. Н. Трехкоординатный колебательный электромеханический 1.

преобразователь энергии / И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов, В. Е. Вавилов // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5;

URL:

http://www.science-education.ru/105-7245 (дата обращения: 17.04.2012) Риянов Л. Н. Математическая модель трехкоординатного 2.

электромеханического преобразователя энергии колебательного движения / И.Х. Хайруллин, Л.Н. Риянов, В.Е. Вавилов // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6;

URL: www.science-education.ru/106-7460 (дата обращения: 17.04.2013).

Риянов Л. Н. К вопросу учёта взаимовлияния магнитных систем 3.

трёхкоординатного электромеханического преобразователя энергии колебательного типа / И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов, В. Е. Вавилов // Вопросы электромеханики.:

Труды ВНИИЭМ. – М.: ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», 2013. – Т.132. – С. 3–6.

Риянов Л. Н. Экспериментальное исследование трехкоординатного 4.

электромеханического преобразователя энергии колебательного движения / И.Х. Хайруллин, Л.Н. Риянов, В.Е. Вавилов // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3;

URL: http://www.science-education.ru/109-9366 (дата обращения: 13.06.2013).

Риянов Л. Н. Математическая модель трёхкоординатного 5.

электромеханического преобразователя энергии колебательного типа / Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов, В. Е. Вавилов // Электротехника. – 2013. – №9. – С. 61–63.

Патенты РФ Риянов Л. Н. Автономный источник электрической энергии с ручным 6.

гидравлическим приводом / И. Х. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, Ю. И. Шкитин, Л. Н. Риянов: Пат. 2312447 РФ, МКИ6 H 02 K 35/00, Заявлено 26.06.2006;

Опубл.

10.12.2007, Бюл. № 34.

Риянов Л. Н. Генератор / И. Х. Хайруллин, Ф. Р. Исмагилов, 7.

Р. Р. Саттаров, Л. Н. Риянов: Пат. 2402142 РФ, МКИ6 H 02 K 35/02, Заявлено 09.11.2009;

Опубл. 20.10.2010, Бюл. № 29.

Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ Свид. об офиц. рег. программы для ЭВМ № 2013612443. Имитационная 8.

модель трехкоординатного электромеханического преобразователя энергии / Ф. Р. Исмагилов, И. Х. Хайруллин, В. Е. Вавилов, Л. Н. Риянов М.: Роспатент. 2013.

В других изданиях Риянов Л. Н. Генератор колебательного движения / И. Х. Хайруллин, 9.

Л. Н. Риянов // Мавлютовские чтения: материалы Всерос. молод. научн. конф. – Уфа:

УГАТУ, 2009. – С. 86–87.

10. Риянов Л. Н. Исследование электродвижущей силы генератора колебательного движения / И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов // Электронные устройства и системы: межвуз. науч. сборник. – Уфа: УГАТУ, 2010. – С. 19–22.

11. Риянов Л. Н. Автономные источники питания малой мощности / Р. Р. Саттаров, Л. Н. Риянов // Электротехнические комплексы и системы: межвуз.

научн. сборник. – Уфа: УГАТУ, 2011. – С. 114–118.

12. Риянов Л. Н. Генератор колебательного движения с тремя степенями свободы подвижного элемента / Л. Н. Риянов: Сб. материалов Всерос. студ.

олимпиады, науч. – практ. конф. и выставки работ студ., аспирантов и молодых ученых 13-16 декабря 2011 – Екатеринбург: УрФУ, 2011. – С. 204–206.

13. Риянов Л. Н. Трехкоординатный колебательный электромеханический преобразователь энергии колебательного движения / И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов // Мавлютовские чтения: материалы Всерос. молод. науч. конф. – Уфа: УГАТУ, 2012.

– С. 26–29.

14. Риянов Л. Н. Трехкоординатный колебательный электромеханический преобразователь энергии колебательного движения / И. Х. Хайруллин, Л. Н. Риянов // Радиотехника, электротехника и энергетика: материалы XIX Междунар. науч. техн.

конф. студ. и аспирантов: в 4 т. Т.2. М.: Издательский дом МЭИ, 2013 – С. 200.

Диссертант Л. Н. Риянов РИЯНОВ Линар Наилович ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Специальность:

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 10.09.2013. Формат 6080 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. 0,9.

Тираж 100 экз. Заказ № 480.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса,

 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.