Электрические машины

Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации

В соответствии с требованиями задания в рамках государственного соглашения о предоставлении субсидии с Минобрнауки России мы публикуем результаты работ на каждом этапе календарного плана.

Результаты выполнения работ по этапу №2

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20 октября 2014г. № 14.579.21.0064 по теме: «Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации» с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января 2015г. по 30 июня 2015г. выполнялись следующие работы:

За счет средств субсидии:

• разработана эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия;
• изготовлен экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия.

За счет софинансирования из внебюджетных источников:

• разработана система управления экспериментальным образцом электрической машины возвратно-поступательного действия;
• принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ (конференции, семинары, симпозиумы, выставки и т.п., в том числе, международные).

При этом были получены следующие результаты:

1) Для принятого на предыдущем этапе варианта конструктивного исполнения линейной электрической машины возвратно-поступательного действия был выполнен уточненный расчет геометрических соотношений активного слоя экспериментального образца. С использованием результатов расчета проведено конструирование узлов и деталей, разработана эскизная конструкторской документация на изготовление экспериментального образца линейной электрической машины.

Новизна предлагаемой конструкции заключается в применении линейных направляющих подвижного элемента, позволяющих обеспечить точное позиционирование подвижного элемента относительно статора и поддержание равномерного воздушного зазора при продольных перемещениях.

2) В соответствии с разработанной эскизной документацией изготовлены детали и узлы экспериментального образца: магнитопроводы статора и подвижного элемента; элементы для крепления; осуществлена сборка конструкции. Создана оснастка для изготовления конструктивных элементов и сборки узлов линейной электрической машины Выполнена сборка экспериментального образца.

Состава изготовленного экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия следующий: внешний корпус электрической машины; статор с магнитопроводом и обмоткой; подвижный элемент магнитопровода; вал; датчик положения подвижного элемента магнитопровода; центрирующие опоры.

Электрическая машина возвратно-поступательного действия способна обеспечить преобразование механической энергии в электрическую. Предусмотрена возможность перехода электрической машины из двигательного режима в генераторный и обратно за время не более 1 сек.

Рабочие параметры экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия будут исследованы на следующем этапе ПНИ.

3) Разработана система управления экспериментальным образцом линейной электрической машины возвратно-поступательного действия: силовой полупроводниковый преобразователь; микропроцессорный управляющий модуль; система измерения электрических и неэлектрических величин. Разработаны схемные решения, выполнено конструирование указанных элементов. Созданы алгоритмы функционирования системы управления, на их основе разработана управляющая программа для микропроцессорного модуля.

Новизна разработанных алгоритмов управления заключается в том, что известные алгоритмы управления были адаптированы для случая возвратно-поступательного движения. Новыми являются предложенные принципы бездатчикового управления вентильно-индукторной электрической машиной возвратно-поступательного действия позволяющие обеспечить ее эффективное регулирование при работе в режиме генерации.

Состав системы управления электрической машиной возвратно-поступательного действия следующий: силовая часть; микропроцессорная часть; блок питания.

Силовая часть системы управления электрической машиной возвратно-поступательного действия способна обеспечить подачу импульсов возбуждения (в генераторном режиме) и импульсов питания (в двигательном режиме) по сигналам датчика положения подвижного элемента магнитопровода. Алгоритм управления, реализуемый микропроцессорной частью, обеспечивает энергоэффективные характеристики импульсов управления и возбуждения электрической машины, а также заданные параметры функционирования электрической машины.

4) Полученные результаты работы представлены в виде докладов и статей:

• доклад на тему: «Перспективы применения линейных электрогенераторов на базе свободно-поршневых двигателей внутреннего сгорания»на международной научно-технической конференции «Энергетика транспорта. Актуальные задачи и проблемы» в г. Ростов-на-Дону;
• доклады на тему: «The linear reluctance electric generator reciprocating for free-piston combustion engine (Линейный индукторный электрогенератор возвратно-поступательного действия для свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания)» и «Research of processes in electric locomotive using complex mathematical modeling (Исследование процессов в электровозе с использованием комплексной математической модели)» на международном семинаре «Breakthrough ideas for the future – 2015 (Прорывные идеи для будущего)» в Остравском техническом университете (Высшая горная школа), г. Острава (Чехия);
• подготовлен доклад на тему: «Sensorless control of the linear switched-reluctance motor of emergency power generator (Бездатчиковое управление линейной вентильно-индукторной электрической машиной аварийного электрогенератора)» на международную научно-техническую конференцию «Transport Problem-2015» проводимую Силезским технологическим университетом (Silesian University of Technology, Poland). Конференция состоялась 23 – 26 июня 2015 г. в городе Ополе (Польша). Доклад представлен руководителем работ Колпахчьяном П.Г.
• опубликована статья «Emergency generator design for the maritime transport based on the free-piston combustion engine» вжурнале «Naše more» in 2015. (ISSN 0469-6255, E-ISSN 1848-6320).

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Фото экспериментального образца:

Рисунок 1 — Детали сборки фазы статора	Рисунок 2 — Статор в сборе с опорами линейных направляющих
Рисунок 3 — Транслятор в сборе  с опорами кареток	Рисунок 4 —  Электрическая машина возвратно-поступательного действия в сборе

Результаты выполнения работ по этапу №3

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от «20» октября 2014 г. № 14.579.21.0064  с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 «Разработка и изготовление испытательного стенда для проведения испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия»  в период с 01 июля 2015 г. по 31 декабря 2015 г. выполнялись следующие работы:

а) работы по пунктам плана-графика исполнения обязательств, выполненные за счет средств субсидии Минобрнауки России:

• разработка эскизной конструкторской документации на испытательный стенд для проведения экспериментальных испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия;
• изготовление испытательного стенда для проведения испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия;
• разработка программы и методики испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия;

б) работы по пунктам плана-графика исполнения обязательств, выполненные за счет внебюджетных средств:

• разработка рекомендаций, технических и проектных решений по внедрению результатов проекта при проектировании модульных энергетических комплексов малой мощности, для децентрализованных потребителей;
• проведение пуско-наладочных работ экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия на испытательном стенде;
• участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.

Получены следующие результаты:

1) Для испытаний разработанной и изготовленной в ходе выполнения предыдущих этапов электрической машины была выбрана и обоснована структура испытательного стенда для проведения экспериментальных испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия. Испытания электрической машины модульной конструкции предлагается проводить по схеме взаимной нагрузки при которой.один из модулей машины работает двигателем, другой — генератором.

Новизна предлагаемой конструкции испытательного стенда для проведения экспериментальных испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия заключается в применении метода взаимной нагрузки. Испытания электрической машины модульной конструкции предлагается проводить по схеме взаимной нагрузки при которой.один из модулей машины работает двигателем, другой — генератором. В этом случае энергия вырабатываемая одним модулем потребляется другим модулем, а из внешнего источника компенсируется потери. Такая схема позволяет сократить размеры стенда, снизить мощность устройств приведения в движение подвижных элементов модулей электрической машины, существенно сократить затраты электроэнергии на проведение испытаний. В разработанном испытательном стенде потери компенсируются через механическую систему, что позволяет без переделок использовать преобразователи для питания модулей электрической машины и проводить на холостом ходу.

2) Разработана эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для проведения экспериментальных испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия.

Стенд состоит из испытательного стола, и шкафа управления. На испытательном столе устанавливаются испытываемые модули электрической машины, механизм приведения в движение их подвижных элементов, приводной электродвигатель. Преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное осуществляется механической системой на базе механизма качающейся шайбы жатки сельскохозяйственного комбайна Дон-1500. Такое решение позволяет не только сократить габариты стенда, но и повысить надежность работы испытываемых модулей электрической машины, так как перемещение подвижных элементов определяется кинематической схемой устройства и ограничено. Это имеет важное значение при наладке алгоритмов управления электрической машиной, поскольку значительно снижает риск возникновения аварийных ситуаций связанных с перемещением подвижного элемента за допустимые пределы.

Механизм качающейся шайбы приводится в действие вращающейся электрической машиной – приводным асинхронным электродвигателем. Регулирование частоты колебаний подвижных элементов испытываемых электрических машин осуществляется изменением частоты вращения приводного электродвигателя реализуемое частотным преобразователем.

3) В соответствии с разработанной эскизной документацией изготовлены детали и узлы испытательного стенда: испытательного стола, шкафа управления, осуществлена сборка конструкции. Создана оснастка для изготовления деталей испытательного стола. Выполнена сборка испытательного стенда.

Конструкция и принцип действия испытательного стенда позволяют испытывать модули электрической машины как в генераторном, так и в двигательном режиме. Предусмотрена возможность перехода электрической машины из двигательного режима в генераторный и обратно за время не более 1 сек. Испытательный стенд допускает проведение испытаний модулей электрической машины мощностью до 10 кВт на один модуль и частотой колебаний до 100 Гц. Мощность приводного электродвигателя составляет 5 кВт.

4) Проведены пуско-наладочные работы экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия на испытательном стенде. Для проведения испытаний на испытательном стенде установлены и подготовлены к проведению испытаний два модуля испытываемой электрической машины.

5) Разработана программа и методика испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия. Целью испытаний является установление соответствия спроектированной и изготовленной электрической машины требованиям Технического задания.

В соответствии с разработанной программой, испытания проводятся в два этапа. На первом из них модули испытываемой электрической машины исследуются в неподвижном состоянии. Измеряются активное сопротивление обмоток, проверяется состояние их изоляции, снимаются статические зависимости потокосцепления обмоток и развиваемого модулем усилия от тока обмоток и положения подвижного элемента. На втором этапе модули испытываемой электрической машины устанавливаются на испытательный стенд и проводятся испытания при движении подвижного элемента: на холостом ходу, в номинальном режиме, в режимах частичной нагрузки и перегрузки, ресурсные испытания.

6) Разработаны рекомендации, технические и проектные решения по внедрению результатов проекта при проектировании модульных энергетических комплексов малой мощности, для децентрализованных потребителей. Основной сферой применения разработанной линейных электрической машины возвратно-поступательного действия являются устройства генерации электроэнергии создаваемые на базе двигателей внутреннего сгорания. Применение электромеханического преобразователя на базе линейной реактивно-индукторной электрической машины позволяет упростить конструкцию устройства за счет отказа от кривошипно-шатунного механизма и перехода к свободно-поршневой конструкции двигателя. Энергетические комплексы на основе двигателей такого типа будут иметь малое время развертывания и подготовки к работе, что позволяет использовать их в качестве мобильных генерирующих установок.

7) Полученные результаты работы представлены в виде докладов и статей:

• доклад на тему «Повышение эффективности управления линейной реактивно-индукторной электрической машиной на основе анализа электромагнитых процессов методами теории поля» на международной конференции European-Middle Asian Conference of Computer Modeling (EMACOM-2015). По результатам доклада опубликована статья «More effective control of linear switched-reluctance motor based on the research of electromagnetic processes of field theory methods linear electrical machines» в сборнике трудов Intelligent Systems for Computer Modelling: Proceedings of the 1st European-Middle Asian Conference on Computer Modelling 2015, EMACOM 2015. ed. / V. Styskala; D. Kolosov; V. Snasel; T.T. Karakeyev; A. Abraham. Springer, 2015. (Intelligent System for Computer Modelling) (eBook ISBN 978-3-319-27644-1, ISBN 978-3-319-27642-7)
• доклад на тему «Intellectual Energy system of power supply of Rostov State University of Civil Engeneering TekhnoEcoPark» («Интеллектуальная система энергоснабжения ТехноЭкоПарка Ростовского государственного строительного университета») на седьмом международно мсеминаре «Роль коммуникаций как критических технологий для развития «умных» энергетических систем (The role of communications as critical enabler for the development of smart energy systems)» проходившем  14 — 15 сентября в г. Лекко (Италия)
• стендовый доклад по результатам работ выполненных в рамках проекта на выставку «Вузпромэкспо 2015. От идеи к реальности», организованной Национальным фондом подготовки кадров проходившей 2 – 4 декабря 2015 г. в г. Москва.

Фото экспериментального стенда:

Рисунок 1 — Шкаф управления с преобразователем для питания испытываемых ЭГ	Рисунок 2 — Регулировка длины поводка на испытательном стенде

Результаты выполнения работ по этапу №4

1) В соответствии с разработанной программой и методикой проведены испытания экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия (двух модулей) на созданном испытательном стенде.

2) Выполнен анализ и обобщение результатов испытаний экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия и их сопоставление с данными информационных источников. В результате было установлено, что разработанный и изготовленный экспериментальный образец электрической машины возвратно-поступательного действия успешно прошел испытания и соответствует  требованиям Технического задания.

3) Выполнена разработка концепции и схемы организации сервисного обслуживания электрической машины возвратно-поступательного действия в процессе эксплуатации.

4) Выполнена оценка стоимости полученных результатов интеллектуальной деятельности — патента на полезную модель «Линейная вентильно-индукторная электрическая машина возвратно-поступательного действия» (дата поступления заявки 30.12.2016, регистрационный номер 2015157355).

В ходе выполнения испытаний на созданном испытательном стенде были испытаны два модуля экспериментального образца линейной электрической машины возвратно-поступательного действия. Поскольку разработанная конструкция электрической машины возвратно-поступательного действия предназначена для работы в составе электрогенератора на базе свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, ее подвижный элемент имеет значительную массу. При испытаниях на номинальной частоте перемещений на элементы испытательного стенда будут действовать значительные усилия. Поэтому испытания проводились для пониженной частоты перемещений. Для оценки показателей экспериментального образца линейной электрической машины возвратно-поступательного действия на номинальной частоте перемещений подвижного элемента была создана ее математическая модель. При составлении математической модели использовались с экспериментально снятые параметры и характеристики  экспериментального образца. С использованием разработанной модели были выполнены исследования работы рассматриваемой электрической машины при номинальной частоте перемещений подвижного элемента. Полученные результаты соответствуют требованиям Технического задания.

На этапе №4 «Исследовательские испытания экспериментального образца электрической машины возвратно-поступательного действия» охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности не создавались.

Фото экспериментального стенда:

Рисунок 1 — Проведение исследовательских испытаний линейной электрической машины возвратно-поступательного действия	Рисунок 2 — Общий вид экспериментальной линейной электрической машины

Результаты выполнения работ по этапу №5

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 20 октября 2014г. № 14.579.21.0064 по теме: «Разработка экспериментального образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации» с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 5 (заключительный отчет о ПНИ от 29 декабря 2016 г.)  получены следующие резульататы:

1. Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера – ООО «ИнвестПромСтрой». В настоящее время Индустриальный партнер — ООО «ИнвестПромСтрой» не располагает производственной базой для организации полного цикла производства линейных ЭМВПД. Поэтому целесообразно организовать их выпуск на контрактной основе, с посоледующим переносом производства на свою производственную базу. Развитие производственной базы Индустриального партнера — ООО «ИнвестПромСтрой» ориентированной на выпуск ЛЭМ должно идти по пути переноса изготовления листов и сборки магнитопроводов ЭМП с использованием технологии штамповки и создания оснастки для сборки; организации пайки печатных плат СПЭ; создания оборудования и оснастки для  сборки, наладки и испытаний ЭМП и ЭМ в целом. Изготовление листов магнитопроводов ЭМП ЛЭМ с использованием технологии электроэрозионной резки, использовавшейся при изготовлении экспериментальных образцов, в серийнойм производстве целесообразно заменить на изготовление методом штамповки, как менее затратный.

2. С учетом сформулированных требований к линеному ЭГ разработан проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка опытного образца обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия мощностью 10-20 кВт для тяжелых условий эксплуатации». Основным назначением разрабатываемой обратимой ЭМПВД является работа в качестве электрогенератора в составе энергогенерирующей установки на базе свободно-поршневого ДВС. Поэтому одним из условий при выполнении ОКР должна быть  возможность совместимости с таким ДВС. СПЭ целесообразно вынести за пределы области высоких температур и выполнить в виде отдельного блока. Разрабатываемая обратимая ЭМПВД должна быть модульной конструкции позволяющей объединять несколько однотипных модулей в единую генерирующую систему. Мощность каждого из модулей целесообразно делать порядка 5 кВт. СПЭ целесообразно делать с явно выраженным звеном постоянного тока, что позволит упростить объединение модулей в общую систему. Величина напряжения в звене постоянного тока должна быть достаточной для того, чтобы на выходе АИН получалось одно- или трехфазное напряжение стандартной величины.

3. Проведены дополнительные патентные исследования по анализу патентной чистоты бездатчикового способа управления линейной ЭМПВД индукторного типа и способа повышения ее эффективности в генераторном режиме.

4. Разработаны рекомендаций по изготовлению магнитопровода ЭМПВД с использованием технологии штамповки для производства листов. Для обеспечения заданной величины и геометрической формы воздушного зазора при изготовлении пластин магнитопровода методом штамповки необходима разработка способа сборки магнитопровода и соответствующей оснастки.  Изготовление методом штамповки деталей, выполняющих в существующей конструкции роль оснастки при сборке магнитопровода, невозможно. Чтобы отказаться от применения в конструкции ЭМ дорогостоящих при серийном производстве деталей, или уменьшить их количество, внесены изменения в конфигурацию листа статора и определены нормы допуска для базовых поверхностей. Предложенные изменения в профиле сегмента статора и технологии сборки сердечника статора позволят уменьшить величину воздушного зазора до 0,18 мм на одну сторону. Это объясняется, прежде всего, тем, что отклонение оси наружной цилиндрической поверхности сердечника фазы статора от оси его внутренней «рабочей» поверхности, после сборки и шлифовки, составляет не более 0,1 мм.

5. Разработана эскизная конструкторская документация на СПЭ ЭМВПД с отечественной элементной базой. Проведенный подбор электронных компонентов отечественных производителей показал, что большую часть пассивных компонентов с нужными параметрами может быть заменена на отечественные аналоги. Исключением являются только высоковольтные электролитические конденсаторы. При прочих равных характеристиках они имеют большие габариты. Электронный преобразователь спроектирован так, чтобы большинство электронных компонентов возможно было при необходимости заменить на аналоги отечественных или зарубежных производителей, без изменения трассировки печатных плат и конструкции преобразователя.

6. Проведены маркетинговые исследования и оценка рыночного потенциала разрабатываемой ЭМВПД. Разрабатанная линейная ЭМВПД является перспективной разработкой и может быть использована в качестве мобильного источника для организации автономного электроснабжения объекта. Также, возможно ее применение в качестве линейного привода компрессоров холодильной и климатической техники. Ближайшими аналогами и конкурентами разрабатанной линейной ЭМВПД на рынке будет являться дизельные генераторы — электрические машины на основе вращательного действия и вращающиеся приводы комперсоров. Однако именно простота конструкции машин на основе возвратно-поступательного действия обеспечит экономическое преимущество разработке, а технические характеристики на уровне не хуже, чем аналоги, позволит занять достойное место на рынке. Исполнение в блочном варианте, многотопливность и модульность агрегата обеспечит разрабатываемой электрической машине часть рынка мобильных энергоустановок в выбранном диапазоне мощностей.

7. Выполнена разработка программы коммерциализации научно-технических результатов проекта. Результаты проведенной ПНИР заключающейся в разработке обратимой ЭМВПД имеют высокий потенциал применения в реальном секторе экономики.

8. Полученные результаты работы представлены в виде докладов и статей. На V международном форуме по энергоэффективности и развитию энергетики ENES 2016n на стенде ОАО НПП «Донские технологии» был представлен презентационный материал на тему «Линейный электрический генератор возвратно-поступательного действия для тяжелых условий эксплуатации». На III Международную научно-практическую конференцию «Научные тенденции: Вопросы точных и технических наук» был представлен доклад на тему «Повышение эффективности линейного вентильно-индукторного генератора возвратно-поступательного действия». По результатам выполненных исследований приняты к печати в журнале «Электротехника» две статьи: «Математическое моделирование работы и определение параметров регулирования линейной электрической машины возвратно-поступательного действия» и «Бездатчиковое управление линейной вентильно-индукторной электрической машиной возвратно-поступательного действия».

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Фото экспериментального образца:

Рисунок 1 — Сердечник статора на оснастке в сборе	Рисунок 2 — Статор в сборе с опорами линейных направляющих
Рисунок 3 — Транслятор в сборе  с опорами кареток	Рисунок 4 —  Электрическая машина возвратно-поступательного действия в сборе

Коллектив НПП «Донские технологии» представляет результаты ПНИ на энергетическом форуме ENES-2016

Коллектив НПП «Донские технологии» представляет результаты ПНИ на энергетическом форуме ENES-2016

Рубрика: Текущие НИР и ОКР