Введение к работе
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. P. 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 оригинальной конструкции ТКЭП.
-
Разработка математической модели электромеханического преобразователя энергии колебательного движения и исследования магнитных полей и основных характеристик.
-
Разработка имитационных моделей и исследование характеристик ТКЭП.
-
Разработка опытных образцов ТКЭП и стенда. Проведение 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
1. Разработана математическая модель ТКЭП, позволяющая исследовать его характеристики.
-
Получены основные характеристики и зависимости параметров ТКЭП на основе разработанных математических и компьютерных моделей.
-
Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие результаты теоретического анализа и целесообразность применения ТКЭП.
-
Разработана имитационная модель ТКЭП, позволяющая учитывать 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.
-
Стенды и методики проведения экспериментальных исследований ТКЭП и результаты экспериментальных исследований.
-
Новые технические решения электромеханических преобразователей энергии различного целевого назначения, разработанные в рамках данного направления и защищенные патентами РФ (№2402142, №2312447).
-
Имитационная модель ТКЭП, учитывающая взаимное влияние 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 2009, 2012), Межвузовской научно-практической конференции «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 преобразователя энергии колебательного движения.
-
Имитационная модель трехкоординатного электромеханического 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 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 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 101 наименования.
