Математичне моделювання гібридного магнітного редуктора для автономної вітроустановки малої потужності
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-3944.2023.1.07Ключові слова:
безмультиплікаторна вітроелектроустановка, магнітний редуктор, гібридний генератор, постійні магніти, параметрична оптимізаціяАнотація
В традиційних вітрових турбінах для передачі крутного моменту використовується механічний редуктор. Цей пристрій перетворює малу швидкість обертання лопатей вітрової турбіни у високу швидкість обертання валу генератора. Механічні коробки передач відрізняються низькою надійністю. Вони складаються з обертових шестерень, весь крутний момент між якими передається через контакт зубів в одній точці, що супроводжується тертям. Магнітні мультиплікатори ефективніші за зубчасті редуктори. Вони не містять деталей, що зношуються, і мають відносно високу щільність крутного моменту. Модулятор перетворює магнітне поле між внутрішнім і зовнішнім ротором, за рахунок чого змінюється швидкість обертання. Цей пристрій має ряд переваг перед механічною коробкою передач - взаємодія між обертовими елементами (передача крутного моменту) відбувається по всій їх площі, при цьому шестерні механічних коробок передач сприймають все передане зусилля в одній точці контакту між собою. Актуальним напрямком є дослідження автономних вітроустановок, побудованих на основі магнітних редукторів. Це дозволить знизити експлуатаційні витрати, підвищити ефективність перетворення енергії вітру в електричну та підвищити надійність роботи вітроустановки в цілому. Метою роботи є розробка двовимірної польової математичної моделі гібридного магнітного редуктора для оцінки його параметрів та характеристик і проведення оптимізації його геометричних розмірів. Генератор з вбудованим магнітним мультиплікатором є об’єктом даного дослідження. Магнітний мультиплікатор під час роботи створює обертове магнітне поле, яке можна використовувати для індукції ЕРС в обмотці генератора. Такий генератор компактніший за редукторний привід, тому такий варіант обрано в якості прототипу в даному дослідженні. Розроблено геометричні моделі гібридного генератора з магнітним редуктором та розроблено числові польові математичні моделі для аналізу його параметрів і характеристик. Проведено аналіз електромагнітного поля та характеристик базового генератора в програмному комплексі COMSOL Multiphysics, на основі якого проведено оптимізацію його геометричних розмірів для оптимізації масогабаритних показників.
Посилання
Jian, Huang & Yao, Ligang & Li, Wen-jian & Zhang, Jun. (2017). Design and realization of a novel magnetic nutation drive for industry robotic wrist reducer. Industrial Robot: An International Journal. 44. 58-63. 10.1108/IR-04-2016-0130.
Yu, W & Wang, C & Xu, T. (2019). The design method of a novel magnetic suction gear reducer. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 504. 012093. 10.1088/1757-899X/504/1/012093.
S. Hasanpour, M. Johnson, M. C. Gardner and H. A. Toliyat, "Cycloidal Reluctance Magnetic Gears for High Gear Ratio Applications," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 58, no. 6, pp. 1-10, June 2022, Art no. 8001210, doi: 10.1109/TMAG.2022.3163419.
M. C. Gardner, B. Praslicka, M. Johnson and H. A. Toliyat, "Optimization of Coaxial Magnetic Gear Design and Magnet Material Grade at Different Temperatures and Gear Ratios," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 36, no. 3, pp. 2493-2501, Sept. 2021, doi: 10.1109/TEC.2021.3054806.
B. Dai, K. Nakamura, Y. Suzuki, Y. Tachiya and K. Kuritani, "Cogging Torque Reduction of Integer Gear Ratio Axial-Flux Magnetic Gear for Wind-Power Generation Application by Us-ing Two New Types of Pole Pieces," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 58, no. 8, pp. 1-5, Aug. 2022, Art no. 8002205, doi: 10.1109/TMAG.2022.3159002.
Moghimi, Ali & Aliabadi, Mahmood & Farahani, Hassan. (2022). Triple-speed coaxial magnetic gear for wind turbine applications: introduction and comprehensive analysis. COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering. 41. 10.1108/COMPEL-01-2022-0001.
K. Aiso, K. Akatsu, Y. Aoyama, "A Novel Flux-Switching Magnetic Gear for High-Speed Motor Drive System," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 6, pp. 4727-4736, June 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.2988230.
Ruiz-Ponce G., Arjona M.A., Hernandez C., Escarela-Perez R. A Review of Magnetic Gear Technologies Used in Mechanical Power Transmission. Energies 2023, 16, 1721. https://doi.org/10.3390/en16041721
Y. Wang, M. Filippini, N. Bianchi, P. Alotto, "A Review on Magnetic Gears: Topologies, Computational Models, and Design Aspects," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 5, pp. 4557-4566, Sept.-Oct. 2019, doi: 10.1109/TIA.2019.2916765.
S.S. Nielsen, H.Y. Wong, H. Baninajar, J.Z. Bird, P. O. Rasmussen, "Pole and Segment Combination in Concentric Magnetic Gears: Vibrations and Acoustic Signature," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 37, no. 3, pp. 1644-1654, Sept. 2022, doi: 10.1109/TEC.2022.3151654.
E.-J. Park, S.-Y. Jung, Y.-J. Kim, "Torque and Loss Characteristics of Magnetic Gear by Bonded PM Magnetization Direction," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 57, no. 6, pp. 1-4, June 2021, Art no. 8001304, doi: 10.1109/TMAG.2021.3064705.
Syam, Sudirman & Kurniati, Sri & Ramang, Ruslan. (2022). Design and Characteristics of Axial Magnetic Gear Using Rectangular Magnet. 10.31219/osf.io/5c724.
Mizuana, Yuma & Nakamura, Kenji & Suzuki, Yuma & Oishi, Yuhei & Tachiya, Yuichi & Kuritani, Kingo. (2020). Development of spoke-type IPM magnetic gear. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 64. 771-778. 10.3233/JAE-209389.
Cansiz, Ahmet & Akyerden, Emre. (2019). The use of high temperature superconductor bulk in a co-axial magnetic gear. Cryogenics. 98. 10.1016/j.cryogenics.2019.01.008.
Tzouganakis, Panteleimon & Gakos, Vasilios & Kalligeros, Christos & Papalexis, Christos & Tsolakis, Antonios & Spitas, V. (2022). Torque ripple investigation in coaxial magnetic gears. MATEC Web of Conferences. 366. 01004. 10.1051/matecconf/202236601004.
Misron N., Mohd Saini L., Aris I., Vaithilingam C.A., Tsuyoshi H. Simplified Design of Magnetic Gear by Considering the Maximum Transmission Torque Line. Appl. Sci. 2020, 10, 8581. https://doi.org/10.3390/app10238581
S. Ishikawa, T. Todaka, "Transient-operation phenomena of a magnetic reducer analyzed with the time-stepping FEM," 2020 23rd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Hamamatsu, Japan, 2020, pp. 1898-1901, doi: 10.23919/ICEMS50442.2020.9291208.
Tzouganakis, Panteleimon & Gakos, Vasilios & Kalligeros, Christos & Tsolakis, Antonios & Spitas, V. (2022). Fast and efficient simulation of the dynamical response of coaxial magnetic gears through direct analytical torque modelling. Simulation Modelling Practice and Theory. 123. 102699. 10.1016/j.simpat.2022.102699.
Chumak V., Ostrovierkhov M., Kovalenko M., Holovko V., Kovalenko, I. (2022). Korektsiia vykhidnoi potuzhnosti heneratora bezmultyplikatornoi vitroelektroustanovky pry dyskretnykh ta vypadkovykh znachenniakh shvydkosti vitru. Visnyk NTU «KhPI». Seriia: Problemy udoskonaliuvannia el-ektrychnykh mashyn i aparativ. Teoriia i praktyka, 2 (8), 39–46. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2022.2.07.
Ostroverkhov M., Chumack V., Falchenko M., Kovalenko, M. (2022). Development of control algorithms for magnetoelectric generator with axial magnetic flux and double stator based on mathematical modeling. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(5 (120), 6–17. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.267265.
V.M. Golovko, M.Ya. Ostroverkhov, M.A. Kovalenko, I.Ya. Kovalenko, D.V. Tsyplenkov Mathematical simulation of autonomous wind electric installation with magnetoelectric generator. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Univer-sytetu. 2022, (5): 074 – 079. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-5/074.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
