Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком
Предложена конструкция магнитоэлектрического генератора с аксиальным магнитным потоком особой конструкции, спроектированной для управления рабочим потоком и, как следствие, внешней характеристикой генератора. Данная конструкция была исследована с помощью трехмерной полевой математической модели с ис...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Технічна електродинаміка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121929 |
| 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: | Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком / В.В. Чумак, Е.А. Монахов // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-121929 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1219292017-06-23T03:02:28Z Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком Чумак, В.В. Монахов, Е.А. Електромеханічне перетворення енергії Предложена конструкция магнитоэлектрического генератора с аксиальным магнитным потоком особой конструкции, спроектированной для управления рабочим потоком и, как следствие, внешней характеристикой генератора. Данная конструкция была исследована с помощью трехмерной полевой математической модели с использованием современных программ. По результатам моделирования была изготовлена и испытана магнитоэлектрическая машина с аксиальным потоком. Результаты опытов показали адекватность полевой модели. Также была спроектирована и испытана схема для управления внешней характеристикой на базе Arduino Uno с помощью широтно-импульсной модуляции управляющего напряжения. У статті запропоновано конструкцію магнітоелектричного генератора з аксіальним потоком особливої конструкції, спроектованої для управління робочим потоком і, як наслідок, зовнішньою характеристикою генератора. Конструкцію було досліджено за допомогою тривимірної польової математичної моделі з використанням сучасних програм. За результатами моделювання було виготовлено та випробувано магнітоелектричну машину з аксіальним потоком. Результати дослідів показали відповідність польової моделі. Також було спроектовано та досліджено схему для управління зовнішньою характеристикою на базі Arduino Uno за допомогою широтно-імпульсної модуляції керуючої напруги. Article deals with an special proposed axial flux permanent magnet generator designed for a control of magnetic flux and consequently external characteristic of generator, Proposed design was investigated by three - dimensional field mathematical model in modern programs. Axial flux permanent magnet machine was manufactured and tested after results of research. Experimental results proved the results of modeling. Also an electric scheme for control of output voltage based on Arduino Uno was designed and investigated. The scheme implements pulse - width modulation of control voltage. 2016 Article Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком / В.В. Чумак, Е.А. Монахов // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121929 621.313.8 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Електромеханічне перетворення енергії Електромеханічне перетворення енергії |
| spellingShingle |
Електромеханічне перетворення енергії Електромеханічне перетворення енергії Чумак, В.В. Монахов, Е.А. Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком Технічна електродинаміка |
| description |
Предложена конструкция магнитоэлектрического генератора с аксиальным магнитным потоком особой конструкции, спроектированной для управления рабочим потоком и, как следствие, внешней характеристикой генератора. Данная конструкция была исследована с помощью трехмерной полевой математической модели с использованием современных программ. По результатам моделирования была изготовлена и испытана магнитоэлектрическая машина с аксиальным потоком. Результаты опытов показали адекватность полевой модели. Также была спроектирована и испытана схема для управления внешней характеристикой на базе Arduino Uno с помощью широтно-импульсной модуляции управляющего напряжения. |
| format |
Article |
| author |
Чумак, В.В. Монахов, Е.А. |
| author_facet |
Чумак, В.В. Монахов, Е.А. |
| author_sort |
Чумак, В.В. |
| title |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| title_short |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| title_full |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| title_fullStr |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| title_full_unstemmed |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| title_sort |
управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Електромеханічне перетворення енергії |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/121929 |
| citation_txt |
Управление магнитоэлектрическим генератором с аксиальным потоком / В.В. Чумак, Е.А. Монахов // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 2. — С. 55-57. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Технічна електродинаміка |
| work_keys_str_mv |
AT čumakvv upravleniemagnitoélektričeskimgeneratoromsaksialʹnympotokom AT monahovea upravleniemagnitoélektričeskimgeneratoromsaksialʹnympotokom |
| first_indexed |
2025-07-08T20:47:59Z |
| last_indexed |
2025-07-08T20:47:59Z |
| _version_ |
1837113206637592576 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 2 55
УДК 621.313.8
УПРАВЛЕНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ С
АКСИАЛЬНЫМ ПОТОКОМ
В.В.Чумак, канд.техн.наук, Е.А.Монахов
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина. e-mail: e.monachov@gmail.com
Предложена конструкция магнитоэлектрического генератора с аксиальным магнитным потоком особой кон-
струкции, спроектированной для управления рабочим потоком и, как следствие, внешней характеристикой
генератора. Данная конструкция была исследована с помощью трехмерной полевой математической модели с
использованием современных программ. По результатам моделирования была изготовлена и испытана магнито-
электрическая машина с аксиальным потоком. Результаты опытов показали адекватность полевой модели.
Также была спроектирована и испытана схема для управления внешней характеристикой на базе Arduino Uno с
помощью широтно-импульсной модуляции управляющего напряжения. Библ. 6, рис. 5.
Ключевые слова: магнитоэлектрический генератор, аксиальное поле, управление.
Введение. Магнитоэлектрические машины отличаются высокой надежностью, массогаба-
ритными показателями, безотказностью и простотой в эксплуатации [4, 5]. Однако, имея ряд пре-
имуществ, магнитоэлектрические машины имеют недостаток, связанный с невозможностью регули-
ровать (форсировать) возбуждение, и, как следствие, невозможностью регулировать внешнюю харак-
теристику. Традиционно существует ряд способов стабилизации и регулирования внешней характе-
ристики, а именно: подключение емкостей в цепь якоря, изменение рабочего зазора [3, 4], подмагни-
чивание спинки статора.
Однако существующие методы [1, 3, 4] и соответствующие конструкции не обеспечивают
достаточную эффективность и глубину регулирования внешней характеристики. В случае подклю-
чения емкостей снижается использование машины из-за дополнительной реактивной нагрузки, а
также требуется значительное количество периодических коммутационных операций. Изменение
рабочего зазора в плоской конструкции требует сложного механического устройства, соизмеримого с
габаритами машины, а также приводит к уменьшению коэффициента полезного действия [6]. В
случае подмагничивания спинки статора увеличивается объем используемых активных материалов,
что увеличивает габариты, массу и стоимость машины.
Целью работы является разработка магнитоэлектрического синхронного генератора с расши-
ренными функциональными возможностями, а именно с возможность регулировать выходное напря-
жение. Предлагается конструкция генератора, в которой половина полюсов заменена на пассивные
ферромагнитные элементы, геометрия которых соответствует геометрии постоянных магнитов. При этом
магниты установлены на поверхности диска таким образом, чтобы иметь одинаковую полярность
относительно поверхности диска ротора. При такой конструкции ротора электрической машины
количество полюсов машины сохраняется, а объем постоянных магнитов уменьшается в два раза. На рис.
1 показана конструкция генератора с использованием пассивных элементов и обмоткой управления.
Суть данной конструкции состоит в регулировании основного магнитного потока с помощью
специальной управляющей обмотки. Концен-
трическая катушка управления 7 размещена
соосно со статором 1 и ротором 3 на коль-
цевом выступе 8 ступицы 9. Такое постро-
ение ступицы 9 и ее размещение позволяет
магнитно соединить через радиальный зазор
ферромагнитный вал 10 и магнитопроводы
статора 1 и ротора 3, что необходимо для про-
хождения потока Фу катушки управления.
Магнитный поток возбуждения Фв магнита 5
замыкается по цепи: магнит 5 – торцевой воз-
© Чумак В.В., Монахов Е.А., 2016
Рис. 1
56 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 2
душный зазор δт – магнитопровод статора 1 – торцевой воздушный зазор δт – выступ 6 – диск 4 –
магнит 5. При подключении катушки управления 7 к источнику питания постоянного тока с поляр-
ностью по рис. 1 создается магнитный поток управления Фу, который замыкается по следующей цепи:
вал 10 – радиальный зазор δр – кольцевой выступ 8 – ступица 9 – магнитопровод статора 1 – торцевой
воздушный зазор δт – выступ 6 – диск 4 – вал 10. При увеличении магнитного потока Фу увеличивается
величина магнитного потока в зоне торцевого воздушного зазора δт, так как суммарный поток
направлен в одну сторону, т.е. ∑Ф= Фв+Фу, и одновременно увеличивается величина ЭДС обмотки 2.
Для исследования электромагнитных процессов в
магнитоэлектрическом генераторе с аксиальным потоком бы-
ла создана математическая полевая модель. По результатам
моделирования получена картина распределения индукции в
машине. На рис. 2 показана кривая распределения индукции
вдоль средней линии по воздушному зазору по компоненте
индукции Bz при отсутствии тока управления и при наличии
последнего. При отсутствии тока управления поле является
неравномерным, однако при питании обмотки управления поле
выравнивается под пассивными элементами, и среднее значение
индукции составляет 1,27 Тл.
По результатам расчетов [2] и моделирования была
изготовлена магнитоэлектрическая машина с аксиальным пото-
ком. Ее внешняя характеристика показана на рис. 3 (сплошной
линией показаны результаты моделирования, штриховой –
результаты расчета). За базовые величины взяты следующие:
Uбаз=15 В, Iбаз=0,8 А, Iубаз=1,15 А, Pбаз=83 Вт, наибольшая
плотность тока составила в обмотке управления 6,5 А/мм2. Как
видно из приведенного графика, погрешность модели не пре-
вышала 10%, что является хорошим показателем при условии
отсутствия входного контроля активных материалов, в част-
ности, постоянных магнитов, параметры которых варьируются в
зависимости от температуры окружающей среды и партии.
Второй причиной невысокой точности являются допущения,
принятые в ходе расчетов и моделирования.
Для сравнения выходной мощности при наличии и от-
сутствии тока управления были построены экспериментальные
зависимости мощности от тока якоря, результаты которых пока-
заны на рис. 4. Как видно, максимальная мощность выросла на
42%. При этом мощность обмотки управления составила 30% от
выходной мощности машины при питании управляющей об-
мотки от отдельного источника. Наивысший КПД машины со-
ставляет 65% в области номинального режима.
Для обеспечения удобства управления была разрабо-
тана схема широтно-импульсной модуляции на базе логики
Arduino (рис. 5). При появлении сигнала ШИМ на входе оп-
топары открывается внутренний фототранзистор, подающий
сигнал на фотоприемник и питание на контрольный светодиод VD1 и на базу полевого транзис-
тораVT1, который открывается по закону ШИМ и подает импульсное напряжение на нагрузку L.
Была составлена экспериментальная
схема. С помощью широтно-импульс-
ной модуляции изменялось среднее
значение тока и мощность генератора.
Применение на практике ши-
ротно-импульсной модуляции показа-
ло удобство управления средним зна-
чением тока в обмотке управления по
сравнению с применением ограничи-
Рис. 5
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 2 57
тельных переменных резисторов и удобным для дальнейшей автоматизации управления. На базе дан-
ного решения возможно разработать перспективный автоматизированный алгоритм по управлению
магнитоэлектрическим генератором.
Заключение. Предложена работоспособная конструкция магнитоэлектрического генератора с
аксиальным потоком и возможностью регулирования выходного напряжения с помощью управляю-
щей обмотки. Глубина регулирования составляет 30%.
Установлено, что при увеличении стабильности внешней характеристики регулируемых
магнитоэлектрических генераторов мощностью до 0,6 кВт на 30% (в сравнении с нерегулируемым)
их удельные массогабаритные показатели ухудшились на 25%.
Исследована полевая модель, которая адекватно отображает электромагнитные процессы,
происходящие в электрической машине. Ее погрешность по сравнению с экспериментом не превы-
сила 10%, что является хорошим результатом ввиду разброса параметров материалов активных час-
тей машины, в частности, магнитов. Также в экспериментальной части была создана схема управ-
ления на базе логики Arduino на основе импульсного управления.
1. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. – М.: Высшая школа, 1990. – 416 с.
2. Монахов Е.А., Чумак В.В. Методика расчета магнитной системы торцевых синхронных магнитоэлектрических генераторов
// Вісник Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. – 2015. – №1(90). – Ч. 1. – С. 23–26.
3. Монахов Е.А., Чумак В.В. Моделирование процесса управления торцевым магнитоэлектрическим генератором //
Вісник Національного технічного університету "ХПІ". – 2015. – №42(1151). – С. 39–43.
4. Паластин Л.М. Синхронные машины автономных источников питания. – М.: Энергия, 1980. – 384 с.
5. Gieras J.F., Wing M., Kamper M.J. Axial flux permanent magnet brushless machines. – Dordrecht; Boston; London: Kluwer
Academic Publishers, 2004. – 340 p.
6. Sadeghierad M.H., Lesani H., Monsef. H, Darabi A. Air gap optimization of high-speed axial - flux pm generator // Journal of
Applied Sciences. – 2000. – Vol. 9. – Pр. 1915–1921.
УДК 621.313.8
УПРАВЛІННЯ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНИМ ГЕНЕРАТОРОМ З АКСІАЛЬНИМ ПОТОКОМ
В.В. Чумак, канд.техн.наук, Є.А. Монахов
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна. e-mail: e.monachov@gmail.com
У статті запропоновано конструкцію магнітоелектричного генератора з аксіальним потоком особливої конструкції,
спроектованої для управління робочим потоком і, як наслідок, зовнішньою характеристикою генератора. Конструкцію
було досліджено за допомогою тривимірної польової математичної моделі з використанням сучасних програм. За
результатами моделювання було виготовлено та випробувано магнітоелектричну машину з аксіальним потоком.
Результати дослідів показали відповідність польової моделі. Також було спроектовано та досліджено схему для управ-
ління зовнішньою характеристикою на базі Arduino Uno за допомогою широтно-імпульсної модуляції керуючої напруги.
Бібл. 6, рис. 5.
Ключові слова: магнітоелектричний генератор, аксіальне поле, управління.
CONTROL OF AXIAL FLUX PERMANENT GENERATOR
V.V. Chumack, E.A. Monakhov
National Technical University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute",
pr. Peremohy, 37, Kyiv, 03056, Ukraine. e-mail: e.monachov@gmail.com
Article deals with an special proposed axial flux permanent magnet generator designed for a control of magnetic flux and
consequently external characteristic of generator, Proposed design was investigated by three - dimensional field mathematical model
in modern programs. Axial flux permanent magnet machine was manufactured and tested after results of research. Experimental
results proved the results of modeling. Also an electric scheme for control of output voltage based on Arduino Uno was designed and
investigated. The scheme implements pulse - width modulation of control voltage. References 6, figures 5.
Key words: permanent magnet generator, axial flux, control.
1. But D.A. Brushless electrical machines. – Moskva: Vysshaia shkola, 1990. – 416 p. (Rus)
2. Monakhov E.A., Chumack V.V. Calculation of magnetic circuit of axial flux permanent magnet generator // Visnyk
Kremenchutskoho Natsionalnoho Universytetu im. Mykhaila Ostrohradskoho. – 2015. – №1(90). – Vol. 1. – Pp. 23–26. (Rus)
3. Monakhov E.A., Chumack V.V. Simulation control of axial-flux permanent magnet generator // Visnyk Natsionalnoho
Tekhnichnoho Universytetu "Kharkivskyi Polytekhnichnyi Instytut". – 2015. – №42(1151). – Pp. 39–43. (Rus)
4. Palastin L.M. Synchronous machines of autonomous sources of. – Moskva: Energiia, 1980. – 384 p. (Rus)
5. Gieras J.F., Wing M., Kamper M.J. Axial flux permanent magnet brushless machines. – Dordrecht; Boston; London: Kluwer
Academic Publishers, 2004. – 340 p.
6. Sadeghierad M.H., Lesani H., Monsef. H, Darabi A. Air gap optimization of high-speed axial - flux pm generator // Journal of
Applied Sciences. – 2000. – Vol. 9. – Pp. 1915–1921.
Надійшла 28.10.2015
Остаточний варіант 27.01.2016
|