Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существует ряд объектов, где использование традиционных генераторов вращающегося типа либо невозможно, либо требует установки механического преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, что приводит к нерациональности этих генераторов. К таким объектам относятся: системы генерирования электроэнергии, использующие энергию морских волн, системы генерирования со сво-боднопоршневыми двигателями внутреннего сгорания, электрические амортизаторы и другие.
На современных космических аппаратах (КА) системы электропитания (СЭП) занимают по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Источник электропитания, являясь ключевым звеном в СЭП, во многом определяет eg структуру и характеристики. В настоящее время основными источниками питания применяемыми на орбитальных КА являются солнечные батареи (СБ) и аккумуляторные батареи (АБ). Недостатком солнечных батарей является, прежде всего, то, что в условиях тени они не производят энергии и единственным источником электропитания в этот период является АБ, что ограничивает срок активного функционирования АБ и, как следствие, всего КА. Кроме того, часть КА работает в условиях, где солнечного излучения недостаточно для обеспечения электроэнергией установленных на нем потребителей. В настоящее время для решения этой проблемы применяются изотопные нагреватели совместно с термоэлектрическими преобразователями, либо химические источники электропитания. К их недостаткам в первую очередь можно отнести низкие КПД и массогабарит-ные показатели. Использование линейного генератора (ЛГ) приводимого в движение термоакустическим двигателем (ТАД) в качестве бортового источника КА позволит улучшить характеристики СЭП. Рабочий цикл ЛГ не зависит от продолжительности периода затенения, а наличие термоакустического двигателя, получающего тепловую энергию от радиоизотопного нагревателя, обеспечит стабильное функционирование СЭП в течение длительного периода времени.
Долгое время развитие линейных генераторов было затруднено в связи низкими энергетическими показателями, большой массой, недостаточной надежностью конструкций. Появление высокоэнергетических магнитов на основе сплавов редкоземельных материалов, таких как NeFeB и SmCo открыло возможности для снижения массогабаритных и повышения энергетических показателей генераторов возвратно-поступательного движения. Применение магнитоэлектрического возбуждения в электромеханических преобразователях вращающегося типа обеспечило ощутимый скачок в энергетических и массогабаритных показателях по сравнению с традиционными машинами. Появление высококоэрцитивных постоянных магнитов создает возможность уменьшения массы генератора при применении их в системе возбуждения. Последнее обстоятельство является решающим
в случае выбора линейного генератора с постоянными магнитами (ЛГПМ) в качестве источника электропитания для СЭП КА.
Фундаментальными в области разработки, исследования и проектирования линейных машин являются труды А.И. Вольдека, О.Н. Веселовского, Ф.Р. Исмагилова А.И. Москвитина, Н.П. Ряшенцева, Ф.Н. Сарапулова, P.P. Сатгарова Г.С. Тамояна, М.Я. Хитерера, Baker J., ViningJ., Boldea 1., Leijon M., Mueller M.A. В настоящее время опубликованы работы, в которых исследованы основные электромагнитные (ЭМ) процессы ЛГПМ. При этом необходимо отметить, что не проанализированы массогабаритные и энергетические характеристики этих генераторов. Кроме того, известные исследования ЭМ процессов проводились приближенными аналитическими методами без учета влияния реакции якоря, насыщения стали магнитопровода и изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита в процессе работы. Таким образом, актуальным является изучение квазиустановившегося режима работы линейных генераторов с учетом приведенных выше факторов, а так же решение задач по их проектированию. Это требует создания научно обоснованной математической модели на основе теории электромагнитного поля ЛГПМ, а также выявления зависимостей электромагнитного расчета и разработки рекомендаций для решения задач инженерного проектирования таких генераторов.
Цель диссертационной работы: улучшение энергетических и массо-габаритных показателей линейных генераторов с постоянными магнитами для автономных объектов на основе разработки их математических моделей и выработки рекомендаций по выбору конструктивных параметров.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния систем электропитания
космических аппаратов и перспектив их развития с линейными генераторами в
качестве источника электропитания для определения типов конструкций
линейных генераторов, обеспечивающих высокие энергетические и
массогабаритные показатели.
-
Разработать математические модели линейных генераторов с постоянными магнитами, с учетом влияния действия реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейности вентильных элементов нагрузки.
-
На основании исследования математических моделей линейных генераторов с постоянными магнитами выработать рекомендации по выбору конфигурации и основных геометрических соотношений магнитной системы линейных генераторов, обеспечивающих улучшение энергетических и массогабаритных характеристик.
4. Провести экспериментальные исследования макетного образца линейною генератора с постоянными магнитами для определения точности разработанных математических моделей и расчетных зависимостей.
Методы исследования. В работе использованы теория электромагнитного поля и теория нелинейных магнитных цепей, а также методы математического моделирования и элементы функционального анализа. Поставленные задачи решены с использованием методов компьютерного эксперимента и экспериментальных методов исследования на макетном образце. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментально полученных данных.
Научная новизна работы
-
Разработаны математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов для различных типов нагрузок отличающиеся тем, что в них учтены влияния реакции якоря, насыщения магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.
-
Впервые разработан алгоритм решения системы уравнений математической модели линейных генераторов с постоянными магнитами совмещающий численное моделирование электромагнитного поля с распределенными параметрами и аналитические модели электрических цепей с сосредоточенными параметрами.
3. Разработана методика анализа энергетических и массогабаритных
показателей магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных
генераторов, отличающаяся учетом вариаций основных геометрических
соотношений магнитной системы.
Практическая ценность
1. Пакет прикладных программ, разработанный на основе математической
модели, позволяет с учетом конструктивных особенностей рассчитывать
выходные показатели и характеристики магнитоэлектрических и
магнитокоммутационных линейных генераторов, а так же решать задачи по
корректировке их конструкционных параметров с целью получения требуемых
характеристик.
-
Полученные в результате исследований рекомендации по выбору соотношений геометрических размеров магнитной системы магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов позволяют повысить их КПД на 4..5% или снизить массу на 10..12%.
-
Проведенный сравнительный анализ магнитоэлектрических линейных генераторов с магнитокоммутационными показал, что для термоакустических двигателей целесообразно применение магнитокоммутационных генераторов. Для других двигателей, у которых амплитуда колебаний не зависит от нагрузки, целесообразно применение магнитоэлектрических генераторов.
Реализация работы
Проведенные исследования являются частью научно-исследовательских и проектных работ, которые проводятся совместно с ГНПРКЦ "ЦСКБ - Прогресс" и реализованы в виде рекомендаций при создании альтернативного источника питания для СЭП низкоорбитальных космических аппаратов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математические модели магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов, ориентированные на анализ их энергетических и массогабаритных показателей, учитывающие влияние реакции якоря, насыщения стали магнитопровода, изменения магнитодвижущей силы постоянного магнита и нелинейность вентильных элементов нагрузки.
-
Алгоритм расчета электромагнитных процессов линейных генераторов с постоянными магнитами, совмещающий численное моделирование электромагнитного поля и аналитические модели нелинейных электрических цепей нагрузки.
-
Результаты анализа влияния вариаций соотношений основных геометрических размеров активных частей магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов на их энергетические и удельные массогабаритные показатели.
-
Рекомендации по применению магнитоэлектрических и магнитокоммутационных линейных генераторов в системах электропитания космических аппаратов и других автономных объектов с линейными двигателями, в частности, в системах с термоакустическим двигателем рекомендовано применение магнитокоммутационных генераторов.
Апробация работы
Основные положения работы доложены и обсуждены: на VI-ой, VII-ой и VIII-ой Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог, 2011 г, Домбай 2012 г. И 2013 г; на Международной научно-практической конференции «Электрические аппараты и электротехнические комплексы и системы», Ульяновск, 2012; на VI-м Международном симпозиуме ELMASH, Москва, 2006 г.; на ХИ-ой Международной научно-практической конференции "Современная техника и технологии", Томск, 2006 г., XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2012, Алушта, Ш-ей Международной научно-практической конференции «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», Екатеринбург, 2013 г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 11 работ, три из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий рекомендованных ВАК.
Структура диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст содержит 123 страницы, 55 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 68 наименований.
