Моделирование генератора возвратно поступательного движения с самовозбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

Л.А. Потапов, Т.В. Сморудова

Аннотация

магнитопровод генератор возвратный поступательный

Предложена конструкция генератора возвратно-поступательного движения с самовозбуждением без постоянных магнитов. С помощью программного комплекса CONSOL Multiphysics исследовано распределение магнитных полей при различных положениях подвижного магнитопровода. Приведена модель предложенного генератора в программе Electronics Workbench с указанием напряжений и токов в нагрузке и обмотках генератора.

Ключевые слова: генератор возвратно-поступательного движения, генератор с самовозбуждением, моделирование, магнитный поток.

Основная часть

Во всех транспортных устройствах (поездах, автомобилях) имеются амортизаторы, которые бесполезно утилизируют энергию возвратно-поступательного движения раскачивающегося на рессорах экипажа. Эту механическую энергию можно преобразовать в электрическую с помощью генератора возвратно-поступательного движения (ВПД). При этом генератор ВПД будет не только вырабатывать электрическую энергию, но и служить дополнительным демпфером-амортизатором.

Известно несколько различных конструкций генераторов ВПД [1]. Практически все эти генераторы используют в своей основе постоянные магниты, которые плохо обрабатываются, имеют большую стоимость, уменьшают свою намагниченность со временем, а некоторые постоянные магниты вообще размагничиваются при повышенных температурах. Все это ограничивает их широкое применение.

Между тем можно изготовить генератор без постоянных магнитов, если использовать генератор ВПД с самовозбуждением [2].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможна более простая конструкция магнитной цепи генератора ВПД (рис.1), которая более целесообразна при малых возвратно-поступательных перемещениях рабочего органа.

Генератор содержит два неподвижных С-образных шихтованных магнитопровода 1 с генераторными обмотками 2 и 3 на противоположных концах (полюсах) каждого С-образного магнитопровода. Обмотки возбуждения 4 располагаются на сплошных ферромагнитных сердечниках 5 из высокоуглеродистой стали в середине С-образных магнитопроводов. Подвижный шихтованный магнитопровод 6 прямоугольной формы без зубцов расположен между неподвижными С-образными магнитопроводами. Он имеет устройство крепления 7 и направляющие 8, позволяющие ему совершать возвратно-поступательные движения от внешнего источника.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Генераторные обмотки ОГ1_Л и ОГ1_П, расположенные на одном С-образном магнитопроводе, включены последовательно и встречно. Генераторные обмотки другого С-образного магнитопровода ОГ2_Л и ОГ2_П включены аналогично. Они могут быть подключены последовательно или параллельно к генераторным обмоткам первого С-образного магнитопровода (рис. 2).

Переменный ток, получаемый генераторными обмотками, выпрямляется диодным мостом VD. На выходе диодного моста подключен конденсатор С, с него снимается напряжение на нагрузку и в обмотку возбуждения.

При возвратно-поступательном движении подвижного магнитопровода 6 магнитная цепь замыкается поочередно то с одного, то с другого конца С-образного магнитопровода. При этом если через одну генераторную обмотку магнитный поток возрастает, то через другую убывает, оставаясь практически неизменным в обмотке возбуждения. Изменяющийся магнитный поток наводит в генераторных обмотках ЭДС в противофазе

E= - dШ/dt,

где Ш=wBS - потокосцепление; w -число витков; B - магнитная индукция; S - сечение магнитопровода.

При последовательном и встречном включении обмоток, расположенных на одном С-образном магнитопроводе, эти ЭДС суммируются, затем выпрямляются диодным мостом и сглаживаются конденсатором С. Наличие двух С-образных магнитопроводов компенсирует силы притяжения подвижного магнитопровода к неподвижному.

Самовозбуждение генератора осуществляется следующим образом. В нерабочем состоянии сплошной ферромагнитный сердечник 5 из высокоуглеродистой стали сохраняет остаточную намагниченность и с обмоткой возбуждения 4 связан начальный магнитный поток. При запуске генератора перемещение подвижного магнитопровода 6 в одну сторону приведет к увеличению магнитного потока в одной генераторной обмотке и уменьшению в другой на каждом С-образном магнитопроводе. Затем при движении подвижного магнитопровода в другую сторону магнитный поток в первой генераторной обмотке будет уменьшаться, а в другой обмотке - увеличиваться. Это приведет к возникновению в генераторных обмотках переменных напряжений в противофазе. При последовательном и встречном включении обмоток возбуждения напряжения суммируются, затем выпрямляются диодным мостом и сглаживаются конденсатором С. С появлением напряжения на конденсаторе С появляется ток в обмотке возбуждения 4. При этом магнитный поток в сердечнике 5 и магнитопроводе 1 увеличится. При дальнейших возвратно-поступательных движениях подвижного магнитопровода 6 напряжение в генераторных обмотках 2 и 3 будет постепенно возрастать, напряжение на конденсаторе С и ток в обмотке возбуждения 4 тоже будут возрастать. Все это приведет к постепенному увеличению магнитного потока в магнитной цепи до тех пор, пока ее отдельные участки не войдут в режим насыщения. При этом магнитный поток в ферромагнитном сердечнике 5 будет оставаться практически неизменным, и его можно выполнить сплошным (нешихтованным). Подвижный и неподвижные С-образные магнитопроводы выполнены шихтованными, так как у них магнитный поток будет изменяться в соответствии с частотой возвратно-поступательных движений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для исследования особенностей распределения магнитных потоков в магнитопроводах выполнено численное моделирование магнитной цепи генератора (рис. 3) с помощью программного комплекса Electronics Workbench. Результаты моделирования магнитной цепи генератора ВПД приведены для двух характерных режимов, когда подвижный магнитопровод находится в центре и одном из крайних положений. Распределение магнитных потоков в генераторе иллюстрируется с помощью трубок равного магнитного потока. Чем уже трубка, тем больше магнитная индукция в соответствующем месте магнитопровода. Численные значения магнитной индукции получены для сечения А-А, проходящего через середину обмотки возбуждения (рис. 3 б, г). Из сравнения графиков видно, что магнитный поток через центральный стержень магнитопровода остается практически неизменным. При этом в других стержнях магнитопровода магнитная индукция изменяется в соответствии с положением подвижного магнитопровода от 0,2 до 1Тл.

На рис. 4 представлена динамическая модель генератора ВПД, полученная с помощью программы Electronics Workbench. В качестве примера рассмотрен генератор ВПД малой мощности, имеющий частоту возвратно-поступательных движений 6 Гц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Модель генератора ВПД с самовозбуждением в программе Electronics Workbench

Созданная в генераторных обмотках ЭДС представлена на модели источником синусоидального напряжения. Эта ЭДС определяется уравнением

E = 4,44 fwB_mS,

где f - частота возвратно-поступательных движений; w - число витков генераторных обмоток; S - сечение магнитопровода; В_т - амплитуда магнитной индукции.

Все четыре генераторные обмотки представлены активным сопротивлением 10 Ом и индуктивностью 1 Гн, а две обмотки возбуждения, имеющие большое число витков для создания большой МДС при малом токе, представлены активным сопротивлением 300 Ом и индуктивностью 40 Гн.

После выпрямления синусоидального напряжения диодным мостом и сглаживания конденсатором (10000 мкФ) генератор ВПД имеет на выходе постоянное напряжение 12 В. При этом в сопротивлении нагрузки 20 Ом выделяется полезная активная мощность 7,2 Вт при постоянном токе 600 мА, а небольшая мощность порядка 0,5 Вт используется для питания обмоток возбуждения.

Предложенные конструкции генераторов возвратно-поступательного движения с самовозбуждением являются простыми в изготовлении, не содержат дефицитных и дорогостоящих материалов и могут быть применены не только на транспорте, но и в других устройствах с возвратно-поступательным движением.

Установив подобный генератор в автомобиле или железнодорожном вагоне вблизи рессор, можно получить практически бесплатный источник электрической энергии для подзарядки аккумуляторных батарей. Учитывая большое количество транспортных средств, перемещающихся по различным дорогам, можно внести ощутимый вклад в дело энергосбережения даже при небольшой мощности предлагаемых генераторов.

Список литературы

1. Хитерер, М.Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения / М.Я. Хитерер, И.Е. Овчинников. СПб.: Корона Принт, 2008. 368 с.

2. Линейный генератор возвратно-поступательного движения: пат. 2496216 Рос. Федерация: МПК Н02К35/00 / Потапов Л.А., Сморудова Т.В.; заявитель и патентообладатель Брян. гос. техн. ун-т. №2012108778/07; заявл. 07.03.12; опубл. 20.10.13, Бюл. № 29. 4 с.

Размещено на Allbest.ru