(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu mô phỏng đặc tính máy phát điện tuyến tính trên động cơ piston tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HỌC NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 SKC007253 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2021 BỢ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HỌC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/ 2021 BỢ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THÁI HỌC NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 Hướng dẫn khoa học PGS TS LÝ VĨNH ĐẠT Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/ 2021 Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Số: 1935 Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2021 QUYẾT ĐỊNH Về việc giao đề tài luận văn tốt nghiệp người hướng dẫn năm 2021 HIỆU TRƯỞNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Căn Quyết định số 426/TTg ngày 27 tháng 10 năm 1976 Thủ tướng Chính phủ số vấn đề cấp bách mạng lưới trường đại học Quyết định số 118/2000/QĐ-TTg ngày 10 tháng 10 năm 2000 Thủ tưởng Chính phủ việc tổ chức lại Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh, tách Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trực thuộc Bộ Giáo dục Đào tạo; Căn Quyết định số 70/2014/QĐ-TTg ngày 10 tháng 12 năm 2014 Thủ tướng Chính phủ việc ban hành Điều lệ trường Đại học; Căn Quyết định số 937/QĐ-TTg ngày 30 tháng năm 2017 việc phê duyệt đề án thí điểm đổi chế hoạt động Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh; Căn Thơng tư số 15/2014/TT-BGDĐT ngày 15/5/2014 Bộ Giáo dục Đào tạo việc Ban hành Qui chế đào tạo trình độ thạc sĩ; Căn vào Biên bảo vệ Chuyên đề ngành Kỹ thuật khí động lực vào ngày 25/08/2019; Xét nhu cầu công tác khả cán bộ; Xét đề nghị Trưởng phòng Đào tạo, QUYẾT ĐỊNH: Điều Giao đề tài Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ người hướng dẫn Cao học năm 2021 cho: Học viên : Nguyễn Thái Học MSHV: 1880503 Ngành : Kỹ thuật khí động lực Tên đề tài : NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO Người hướng dẫn : PGS.TS Lý Vĩnh Đạt Thời gian thực : Từ ngày 28/08/2019 đến ngày 28/02/2020 Điều Giao cho Phòng Đào tạo quản lý, thực theo Qui chế đào tạo trình độ thạc sĩ Bộ Giáo dục & Đào tạo ban hành Điều Trưởng đơn vị, phòng Đào tạo, Khoa quản ngành cao học Ơng (Bà) có tên Điều chịu trách nhiệm thi hành định Quyết định có hiệu lực kể từ ngày ký./ Nơi nhận : HIỆU TRƯỞNG - BGH (để biết); - Như điều 3; - Lưu: VT, SĐH (3b) PGS.TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Nguyễn Thái Học i Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự BIÊN BẢN CHẤM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ_NĂM 2021 HVTH: Nguyễn Thái Học ii Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ – HƯỚNG ỨNG DỤNG HVTH: Nguyễn Thái Học iii Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học iv Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học v Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học vi Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học vii Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 tubular longitudinal flux PM linear generator used for free-piston energy converter IEEE Trans Magn 2007 Khayyer, P.; Famouri, P Application of Two Fuel Cells in Hybrid Electric Vehicles SAE Tech Pap 2008 Xiao, J.; Li, Q.; Huang, Z Motion characteristic of a free piston linear engine Appl Energy 2010 Hanipah, M.R.; Mikalsen, R.; Roskilly, A Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications Appl Therm Eng 2015 Mikalsen, R.; Roskilly, A.P The control of a free-piston engine generator Part 2: Engine dynamics and piston motion control Appl Energy 2010 Mikalsen, R.; Jones, E.; Roskilly, A.P Predictive piston motion control in a freepiston internal combustion engine Appl Energy 2010 Jia, B.; Smallbone, A.; Zuo, Z.; Feng, H.; Roskilly, A.P Design and simulation of a two- or four-stroke free-piston engine generator for range extender applications Energy Convers Manag 2016 Johnson, T Free-Piston Engine; Sandia National Laboratories: Albuquerque, NM, USA, 2012 Van Blarigan, P Free-Piston Engine; Transportation Energy Center Center In Proceedings of the 2009 DOE Vehicle Technologies Program Annual Merit Review, Arlington, VA, USA Wang, J.; Baker, N.J Comparison of flux switching and modulated pole linear machines for use with a free piston In Proceedings of the IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Coeur d’Alene, ID, USA, 10–13 May 2015 Wang, J.; Howe, D.; Lin, Z Comparative studies on linear motor topologies for reciprocating vapor compressors In Proceedings of the IEEE International Electric Machines & Drives Conference, Antalya, Turkey, 3–5 May 2007 Wang, J.; West, M.; Howe, D.; Parra, Z.D.L.; Arshad, W.M Design and experimental verification of a linear permanent magnet generator for a freepiston energy converter IEEE Trans Energy Convers 2007 Sun, P.; Zhang, C.; Chen, J.; Zhao, F.; Liao, Y.; Yang, G.; Chen, C Hybrid system modeling and full cycle operation analysis of a two-stroke free-piston linear generator Energies 2017 Zheng, P.; Tong, C.; Bai, J.; Yu, B.; Sui, Y.; Shi, W Electromagnetic design and control strategy of an axially magnetized permanent-magnet linear alternator for free-piston stirling engines IEEE Trans Ind Appl 2013 HVTH: Nguyễn Thái Học II Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự 29 Wang, J.; Howe, D Tubular modular permanent-magnet machines equipped with quasi-halbach magnetized magnets-part i: Magnetic field distribution, emf, and thrust force IEEE Trans Magn 2005 30 Zheng, P.; Zhu, S.; Yu, B.; Cheng, L.; Fan, Y Analysis and optimization of a novel tubular staggered-tooth transverse-flux pm linear machine IEEE Trans Magn 2015 31 Yu, B.; Zheng, P.; Xu, B.; Zhang, J.; Han, L Flux leakage analysis of transverseflux pm linear machine In Proceedings of the 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Hangzhou, China, 22–25 October 2014 32 Baker, N.J.; Wang, J.; Atkinson, G.J Optimization and comparison of linear transverse flux and flux switching machines In Proceedings of the 22th International Conference on Electrical Machines (ICEM), Lausanne, Switzerland, 4–7 September 2016 33 Cao, R.; Cheng, M.; Mi, C.C.; Hua, W Influence of leading design parameters on the force performance of a complementary and modular linear flux-switching permanent-magnet motor IEEE Trans Ind Electr 2014 34 Zheng, P.; Tong, C.; Chen, G.; Liu, R.; Sui, Y.; Shi, W.; Cheng, S Research on the magnetic characteristic of a novel transverse-flux pm linear machine used for free-piston energy converter IEEE Trans Magn 2011 35 Wang, J.; Howe, D Tubular modular permanent-magnet machines equipped with quasi-halbach magnetized magnets-part ii: Armature reaction and design optimization IEEE Trans Magn 2005 36 Li, Q.F.; Xiao, J.; Huang, Z Flat-type permanent magnet linear alternator: A suitable device for a free piston linear alternator J Zhejiang Univ.-Sci A (Appl Phys Eng.) 2009 37 Moriya, K.; Goto, S.; Akita, T.; Kosaka, H.; Hotta, Y.; Nakakita, K Development of free piston engine linear generator system part3-novel control method of linear generator for to improve efficiency and stability SAE Tech Pap 2016 38 Rinderknecht, F A highly efficient energy converter for a hybrid vehicle concept-focused on the linear generator of the next generation In Proceedings of the 8th International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco, 27–30 March 2013 HVTH: Nguyễn Thái Học III Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự PHỤ LỤC DANH MỤC CODE MATLAB % Thiet ke may phat tuyen tinh %Du lieu clc; m=3; %so pha Sin=500; %cong suat dauvao(Watt) E=60; %dien ap cam ung dong(Volt) Eph = E/sqrt(3); %dien ap cam ung pha vrm=3.89; %bien van toc (m/s) vav=2.48; %van toc trung bình p=8; %so cuc q=1/4; %ti le so khe/cuc Ms=4; %so mat cua may phat dien Bav=0.8; %mat tu thong khe ho khong (Tesla) Cm=0.9; %he so mat tu thông khong khi: Cm=Bav/Bm Bm=Bav/Cm; %mat tu thong cuc dai Br=1.2; Hc=868000;%thong so cua nam châm vinh cuu miuo=4*pi*10^(-7); %tinh tham tu cua chan khong g=0.002; %khe ho (m) Bys=1.8; %mat tu thong loi stator (Tesla) Byr=1.2; %mat tu thong loi translator (Tesla) Js=11500; %tai hien tai (mat dong tuyen tinh cua stator)(A/m) Jw=5; %mat dong dien(A/mm2) Kcu=0.6; %he so lap day %tinh toan kich thuoc stator va rotor Ws=input('stator width=');% nhap chieu rong stator(m) Ls=(Sin*sqrt(2))/(Ms*Bm*Js*vav*Ws); %chieu dai stator(m) tau=Ls/p; %do rong cua cuc (m) %tau=input('pole pith after dimension change') f=vav/(2*tau); %tan so (f) taut=tau/(m*q); %khoang cach cua khe (m) bs = 2/3*taut; %do rong khe(m) bs = input('slot width='); taut = 3/2*bs; %khoang cach khe hieu chinh lai(m) tau = m*q*taut; %do rong cuc hieu chinh(m) Ls = p*tau; %chieu dai stator hieu chinh HVTH: Nguyễn Thái Học IV Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự bt = 1/3*taut; %do rong rang(m) Kc = taut*(5*g+bs)/(taut*(5*g+bs)-bs^2); %he so Carter geq = Kc*g; %khe ho khong tuong duong(m) hM = geq*Br*Bav/(miuo*Hc*(Br-Bm)); %be day nam cham %nam cham duoc xep thang hang hM=input('permanent magnet thickness='); %be day nam cham da chon(m) Ys = Bav/Bys*tau/2; %do day stator(m) Yr=Bav/Byr*tau/2; %?do day translator(m) tauM=Cm*tau; %do dai nam cham(m) %tinh toan cac thong so cuon day Nph=Eph*sqrt(2)/(Ms*Ws*Bm*vav) %so vong day moi pha Nc=Nph/(q*p) %so vong day moi cuon Nc=input('The number of turns per coil Nc=') Nph=Nc*(q*p) %so vong day moi pha Eph=Ms*Ws*Nph*Bm*vav/sqrt(2) %pha emf cho so vong day cho truoc(Volt) E=sqrt(3)*Eph %dien ap dong cam ung I=Sin/3/Eph %dong dien pha(A) Dw=2*sqrt(I/pi/Jw) %duong kinh dây Dw=input('wire diameter Dw=') Rwpkm=input('resistance per 1km Rw/km=') J w=I/(pi*(Dw/2)^2); %mat dong thuc te Ac=pi*(0.001*Dw/2)^2*Nph/(q*p*Kcu) %dien tích mat cat cuon day(m2) hs=Ac/bs %chieu cao khe(m) hs=input('chosen hight of slot=') Lc=2*pi*hs/2+Ms*Ws; %chieu dai trung binh cua cuon day Rph=Rwpkm*0.001*Lc*Nph; %dien tro cuon day(Ohm) Sin=3*Eph*I; %cong suat dau vào thuc te(Watt) VRph=Rph*I; %dien tro roi ap Vph=Eph-VRph; %dien ap pha V=sqrt(3)*Vph; %dien ap dong Sout=3*Vph*I; %cong suat dau %tong hop ket qua tinh toan %kich thuoc stator Ws_Ls_p_tau_bs_hs_bt_Ys=[Ws Ls p tau bs hs bt Ys] %kich thuoc translator Yr_hM_taum_Wm_g=[Yr hM tauM Ws g] %thong so cuon day Nc_Dw_Kcu_Jw_Rph=[Nc Dw Kcu Jw Rph] HVTH: Nguyễn Thái Học V Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự %cac thong so co dien Sout_Sin_V_Vph_I_E_Eph_vav_f=[Sout*0.001 Sin*.001 V Vph I E Eph vav f] Tính thơng số máy phát tốc độ không đổi Rl=0:20/100:20; f=43; Eph=34.64; Ra=0.4334; Xs=0.0279*43*2*pi; Ia=Eph./(Ra+Rl+j*Xs); I=abs(Ia); Pou=100*3*I.^2.*Rl; Pin=100*3*real(Eph.*conj(Ia)); Eff=Pou./Pin*100; Vou=Rl.*I; clf, figure(1), plot(Rl,Pou/100,'r',Rl,Vou,'g',Rl,I,'-',Rl,Pin/100,'b',Rl,Eff,':'),xlabel('Resistance[ohm]'),grid, gtext('Pout [W]'),gtext('Vout [V]'),gtext('I [A]'),gtext('Pin[W]'),gtext('Eff [%]'), HVTH: Nguyễn Thái Học VI Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO STUDY SIMULATION OF LINEAR GENERATOR CHARACTERISTIC ON FREE PISTON ENGINE Nguyễn Thái Học Trường đại học Sư phạm Kỹ tḥt TP.HCM TĨM TẮT- FPLG sử dụng chuyển đổi lượng thay cho plug-in hybrid để mở rộng phạm vi hoạt động xe Một khả để giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu xe tối ưu hóa hiệu suất máy phát tuyến tính Trọng tâm ấn phẩm trình bày cấu trúc từ thơng máy phát tuyến tính nam châm vĩnh cửu, nghiên cứu cấu hình liên kết khác PMLEM, để xác định cấu trúc từ thông cấu trúc liên kết tối ưu cho máy phát tuyến tính Để đạt mục tiêu này, máy phát tuyến tính có cấu trúc phẳng cấu trúc từ thông mảng gần Halbach lựa chọn Sau đó, sở lý thuyết máy phát tuyến tính nam châm vĩnh cửu, kết hợp với việc phân tích điều kiện biên dựa cấu hình tốc độ Chu trình lái xe châu Âu (NEDC) cho ô tô cỡ trung Nhận thấy hệ thống FPLG 30 kW đủ để đạt tốc độ liên tục khoảng 135 km/h Các thông số thiết kế máy phát tuyến tính phác thảo tính tốn chi tiết, sau thiết kế tối ưu hóa lý thuyết mạch từ áp dụng phương pháp 2-D 3-D FEM cho mạch Từ trường tối ưu hóa thơng số mạch tương đương xác định Hiệu suất máy phát tuyến tính phân tích cách thay đổi tần số hoạt động máy phát tuyến tính tần số (15; 35; 50 Hz) Công việc thực cách chạy mơ hình thiết kế phần mềm Ansys Maxwell với tần số tương ứng Từ khóa: Máy phát điện tuyến tính; Máy phát điện tuyến tính động piston tự ABSTRACT - The FPLG can be used as an alternative energy converter for plug-in hybrids to extend the vehicle's operating range One of the possibilities to significantly reduce the vehicle's fuel consumption is to optimize the performance of the linear generator The focus of this publication is the presentation of flux structures in permanent magnet linear generators, and studies of the different topologies in PMLEM, to determine the flux and topology optimal connection for linear generators To achieve this goal, a linear generator with a planar structure and a quasiHalbach array flux structure was selected Then, on the basis of the permanent magnet linear generator theory, combined with the analysis of boundary conditions based on the speed profile in the New European Driving Cycle (NEDC) for a car of this size middle It was found that the 30 kW FPLG system was sufficient to achieve a continuous speed of about 135 km/h The basic design parameters of the linear generator are sketched and calculated in detail, then the design is optimized by magnetic circuit theory and applied 2-D and 3-D FEM methods for the circuit The magnetic field has been optimized and the parameters of the equivalent circuit have been determined The performance of a linear generator is analyzed by varying the operating frequency of the linear generator at frequencies (15; 35; 50 Hz) This work is done by running the design model on Ansys Maxwell software with the corresponding frequency Keywords: linear generators; Free-piston linear generator HVTH: Nguyễn Thái Học VII Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự GIỚI THIỆU Ngày nay, người quan tâm nhiều đến tác dụng phụ ô tô gây ra, chẳng hạn tình trạng thiếu nhiên liệu hóa thạch vấn đề mơi trường tồn cầu, nghiên cứu họ dần chuyển sang loại nhiên liệu mới, hệ thống truyền động ô tô thân thiện với môi trường hiệu cao Xe điện hybrid (HEV) - với hiệu suất cao phát thải thấp - dường giải pháp tốt cho khủng hoảng Nhưng tình trạng cơng nghệ pin hạn chế nhiều phạm vi loại xe chạy điện túy Cho đến tiến đáng kể công nghệ pin tạo ra, hệ thống động hybrid cung cấp giải pháp tạm thời (Cawthorne cộng sự, 2001) Trong tình này, máy phát điện xoay chiều tuyến tính piston tự (FPLA), coi thiết bị phù hợp để đáp ứng tiêu chuẩn (Goldsborough van Blarigan, 1999; van Blarigan, 2002) FPLA kết hợp động đốt piston tự (FPICE) máy phát điện xoay chiều tuyến tính (LA), tích hợp ưu điểm hai phận Máy có phận chuyển động chịu lực ma sát khơng có tải trọng bên Chuyển động píttơng khơng bị hạn chế tỷ số nén thay đổi, giúp dễ dàng đạt tỷ số áp suất cao loại đa nhiên liệu Hơn nữa, làm cho kỹ thuật đốt cháy đại (đánh lửa nén tích điện đồng nhất, HCCI) thực Là phận khác FPLA, LA có khả sử dụng trực tiếp lực piston tuyến tính mà khơng cần phận học bổ sung cần thiết cấu hình quay Do đó, FPLA thiết bị chuyển đổi lượng tích hợp hiệu Nhiều tổ chức, chẳng hạn Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR), Toyota Central R & D Labs Inc (Toyota), Đại học Khoa học Công nghệ Nam Kinh (NUST), thực nhiều nghiên cứu FPLG xilanh đơn Kock cộng DLR phát triển FPLG xi-lanh đơn hai kỳ với lị xo khí hoạt động thiết bị hồi phục [1– 4] Dữ liệu thử nghiệm cho thấy tạo HVTH: Nguyễn Thái Học cơng suất điện khoảng 10 kW tần số 21 Hz Công suất đầu cải thiện lên đến 25 kW cách tăng tần số chuyển động lên đến 50 Hz Loại FPLG hai piston cấu hình phổ biến nghiên cứu rộng rãi nhiều học viện Viện Cơng nghệ Hồng gia (KTH), Đại học Tây Virginia (WVU), Đại học Giao thông Thượng Hải (SJTU), Đại học Newcastle Viện Bắc Kinh Công nghệ (BIT) Hansson cộng KTH [5–7] phát triển nguyên mẫu FPLG piston kép Công suất định mức máy phát điện gần 29 kW Hiệu suất hệ thống trung bình 23% Công việc họ chủ yếu tập trung vào thiết kế tối ưu hóa máy điện tuyến tính sử dụng đặc biệt FPLG Shoukry cộng WVU thiết lập nguyên mẫu hai piston kép, tạo cơng suất điện đầu cực đại 316 W với tần số 23,1 Hz [8– 10] Xiao cộng SJTU nghiên cứu FPLG hai piston Họ phát triển nguyên mẫu đặc tính chuyển động nguyên mẫu nghiên cứu kỹ lưỡng [11] Ngồi cịn có số nghiên cứu FPLG piston đối nghịch Van Blarigan cộng Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia (SNL) phát triển nguyên mẫu piston đối nghịch Mục tiêu họ thiết kế FPLG 30 kW làm pin nhiên liệu cho xe điện hybrid (HEV) [12,13] Việc điều khiển đồng FPLG piston ngược tương đối khó so với loại piston đơn piston kép Các nghiên cứu cấu trúc liên kết khác PMLEM nói chung phân loại theo cấu trúc hình học, có hai loại chính: loại phẳng loại hình ống Ưu điểm kiểu hình ống lực hướng tâm rịng động stato khơng có cuộn dây đầu cuối Tuy nhiên, vịng từ stato dạng ống khó chế tạo, LEM có kích thước bên ngồi hạn chế, diện tích mặt cắt cuộn dây bị giới hạn đường kính vịng từ Mặc dù việc chế tạo LEM kiểu phẳng tương đối đơn giản, có số nhược điểm cấu trúc, chẳng VIII Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự hạn cuộn dây đầu cuối Đến nay, hai loại nhà nghiên cứu giới tìm hiểu Một nghiên cứu thực Li et al Đại học Giao thông Thượng Hải thực nghiên cứu mô cho máy phát điện xoay chiều tuyến tính phẳng hình ống [14] Họ sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn để mơ so sánh điện áp tối đa, mật độ dịng điện, cơng suất cụ thể hiệu suất hai máy phát điện xoay chiều Họ phát máy phát tuyến tính loại phẳng tốt nhiều so với loại ống hiệu suất, công suất cụ thể, điện áp đầu dịng điện Do đó, theo kết họ, máy phát tuyến tính kiểu phẳng lựa chọn phù hợp cho FPLE Các cấu trúc từ thơng Máy điện tuyến tính nam châm Permanet (PMLEM) Junnan Wang, Nick J Baker [15] chế tạo, đưa loại PMLEM nghiên cứu cho ứng dụng (Máy phát điện tuyến tính Piston, FPLG) Nam châm Permanet gắn bề mặt Máy điện tuyến tính (SMPMLEM), Máy điện từ thơng ngang PMLEM (Máy điện tuyến tính nam châm xun dịng, TFPMLEM) chuyển đổi từ thơng PMLEM (Máy điện tuyến tính nam MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PÍT-TƠNG TỰ DO Từ nghiên cứu trước đây, thấy với FPLG xi-lanh đơn, việc kiểm soát hiệu suất ổn định dễ dàng so với loại piston kép piston đối nghịch Do đó, FPLG piston với thiết bị phục hồi lị xo khí coi thiết kế đầy hứa hẹn Tuy nhiên, hoạt động ổn định lâu dài FPLG xi-lanh đơn tập khó Bên cạnh việc thiếu chiến lược kiểm sốt hiệu quả, thiết kế hệ thống khơng phù hợp dẫn đến hoạt động khơng ổn định Để giải khó khăn trên, Trung tâm hàng không vũ trụ Đức (DLR) nghiên cứu thiết kế máy phát tuyến tính kiểu phẳng kết hợp với công nghệ động “đối kháng” piston tự [4] Với việc tích hợp lị xo khí phía sau HVTH: Nguyễn Thái Học châm chuyển mạch thông lượng, FSPMLEM) Các nghiên cứu TFPMLEM lựa chọn mật độ công suất cạnh tranh, nhiên, hệ số cơng suất rị rỉ thơng lượng lớn chi phí sản xuất tương đối cao cấu trúc phức tạp chúng phải nghiên cứu cải tiến Với FSPMLEM thấy khơng có tính cạnh tranh thơng lượng rị rỉ lên đến 65% so với TFPMLEM cấu trúc cải thiện, máy thông lượng ngang chứng tỏ hiệu suất tổng thể tốt cho hệ thống số công suất tốt hơn, hiệu suất tốt khối lượng dịch chuyển thấp So với SMPMLEM, hai trải qua khối lượng chuyển động lớn dẫn đến tần số chuyển động thấp phản ứng động thấp Do đó, SMPMLEM có khối lượng chuyển động thấp nhất, độ tin cậy vượt trội nhờ cấu trúc động đơn giản, mạnh mẽ đặc trưng với mật độ lực cao, hiệu cao Mảng gần Halbach SMPMLEM cho thấy hiệu suất trung bình tốt khả chịu lực, chuyển động khối lượng theo nghiên cứu mô phỏng, cải thiện hiệu suất tổng thể SMPMLEM [15], chọn cho viết piston đốt, giảm thêm chiều dài, hiệu suất nhiệt cao lợi đồng hai piston, DLR phát triển hệ thống FPLG với buồng đốt trung tâm (thiết kế d) Sự xếp sở cho việc thiết kế máy phát điện tuyến tính động piston tự do, báo Hình 2.1 Cấu trúc máy phát điện tuyến tính DLR IX Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự ĐIỀU KIỆN BIÊN Thiết kế đầu FPLG dựa cấu hình đoạn thứ hai, xe chạy thêm vịng thị tốc độ Chu kỳ lái xe châu Âu với tốc độ tối đa 120 km/h Để tăng tốc, (NEDC) [4], dành cho xe cỡ trung Phương công suất cực đại không vượt 50 kW tiện chọn đại diện cho số Phân tích phận phát điện lượng đáng kể xe sử dụng mở rộng phạm vi phương tiện Châu Âu Xem xét trình tăng tốc xe lai sạc điện PHEV cần 50 kW Chu trình Lái xe Châu Âu Mới, đầu hơn, phụ thuộc vào kích thước dung điện cần thiết minh họa hình 3.1 lượng lưu trữ điện, để vượt qua NEDC xác định thông qua mô Biểu đồ mô nhu cầu lượng dựa cấu hình tốc độ Chu kỳ lái xe Châu Âu (NEDC) [4], cung cấp sản lượng công suất cần thiết động xe Đây giá trị tham chiếu cho việc thiết kế khái niệm FPLG Chu kỳ chia thành hai giai đoạn Trong 780 giây đầu tiên, chu trình lái xe đô thị lặp lại bốn lần Như thấy hình 3.1, nhu cầu điện cao khoảng 20 kW Trong giai Hình 3.1 Năng lượng điện cần thiết chu kỳ lái xe châu Âu [4] thống FPLG với 20 kW đủ cho tốc độ liên tục khoảng 120 km/h Với công suất cực đại cần thiết NEDC 50 kW, xe coi đạt tốc độ liên tục 165 km/h Hệ thống FPLG với 100 kW cung cấp tốc độ lên tới 200 km/h dự trữ gia tốc đủ tốc độ thấp mà không cần sử dụng lượng từ pin Từ kết quả phân tích [Hình 3.1 - Hình 3.2 Cơng suất cần thiết để lái xe với tớc độ khơng đổi Trong hình 3.2 cơng suất cần thiết để lái xe với tốc độ không đổi, cho thấy hệ 3.2] Theo Chu kỳ Lái xe Châu Âu Mới (NEDC), hệ thống FPLG 30 kW đủ để đạt tốc độ liên tục khoảng 135 km/h [10], được giả định cho thiết kế máy phát điện tuyến tính viết HVTH: Nguyễn Thái Học X Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN 120/√3 = 40√3 V Để minh họa chi tiết phương án thiết lập thông số đầu vào cho máy Công suất mong muốn 𝑃𝑖𝑛 = 10000 kW phát điện tuyến tinh, Bài viết lấy thiết kế 𝑐𝑜𝑠𝜑 ≈ (mạch điện máy phát điện với tải FPLG 30 kW với hành trình S = 120 làm ví giả định mạch RL với L nhỏ) nên 𝑆𝑖𝑛 = dụ theo Chu trình lái xe châu Âu (NEDC) 10000 𝑉𝐴 Điện áp cảm ứng pha 𝐸𝑝ℎ = [4] Bảng 4.1 Thông số máy phát điện Khoảng cách khe 𝝉𝒕 Stator Chiều dài 𝑳𝒔 396.002 mm Chiều rộng 𝑾𝒔 80 mm Độ rộng khe 𝒃𝒔 22 mm Chiều rộng 𝒃𝒕 10.154 mm Chiều cao khe 𝒉𝒔 Độ dày thành 𝒀𝒔 Thông lượng cho phép stator 𝑩𝒔𝒚 Đường kính dây đồng stator 𝑫𝒘 mm 7.3 mm 1.8 T 1.628 mm 23 mm Số vòng dây cuộn 𝑵𝒄 Mật độ từ thơng trung bình khe hở khơng khí 𝑩𝒈 Khe hở khơng khí g 7.7 mm Hệ số lấp đầy 𝑲𝒄𝒖 33 mm Translator Độ rộng cực 𝝉𝒑 Độ dày thành 𝒀𝒓 Thông lượng cho phép translator 𝑩𝒓𝒚 Cuộn dây Số pha m Số cực p Số khe/pha/cực q Một phần máy phát điện sử dụng mơ hình hóa khơng gian 2D phần mềm FEMM 4.2 Để tránh bão hòa mức phần tĩnh (stator) phần động (translator), mật độ từ thông cho phép 1.2 T 12 1/3 50 0.8 T mm 0.6 Nam châm vĩnh cửu Độ rộng nam châm 𝝉𝒎 Độ dày nam châm 𝒉𝒎 Mật độ từ thông dư 𝑩𝒓 20.7 mm mm 1.17 mm Cường độ từ trường 𝑯𝒄 868000 A/m chúng < 1,8 T thành stator (do vật liệu làm stator Steel_1010) thành translator < 1,2T (do vật liệu làm translator Steel_1008) Hình 4.1 Mơ hình FEM phần máy phát điện tuyến tính mặt phẳng với Stator 7.3 mm translator 7.7 mm Bảng 4.2 Thông số thành stator translator Stator 7.3 mm 7.3 mm 7.3 mm Translator 7.7 mm 14 mm 18 mm 𝑩𝒔𝒚 1.72 T 1.72 T 1.72 T 𝑩𝒓𝒚 2.02 T 1.19 T 0.89T Chọn kích thước thành stator 7.7 mm thành translator 14 mm để phù hợp để có mật độ từ thơng vùng cho phép, tránh bão hịa thành stator Hình 4.2 Hình chiếu máy phát điện tuyến tính translator với 𝐵𝑦𝑠 = 1.72 𝑇 < 1.8 𝑇 𝐵𝑦𝑟 = 1.19 𝑇 < 1.2 𝑇 HVTH: Nguyễn Thái Học XI Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự Mật độ từ thơng B mơ hình máy phát điện tuyến tính Trên phần tĩnh máy phát điện tuyến tính Hình 4.3 Mặt cắt đứng máy phát điện tuyến tính Hình 4.4 Mơ hình máy điện tuyến tính HVTH: Nguyễn Thái Học Hình 4.5 Đồ thị mật độ từ thơng B phần tĩnh (stator) Hình 4.6 Đồ thị mật độ từ thông B phần động (translator) XII Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự Ở tần số 15 Hz, mật độ từ thông stator Ở tần số 15 Hz, mật độ từ thông máy phát điện có giá trị lớn translator máy phát điện có giá trị lớn 𝐵𝑦𝑠 𝑚𝑎𝑥 = 1.7603 𝑇 < 1.8 𝑇 có giá trị nhỏ 𝐵𝑦𝑟 𝑚𝑎𝑥 = 1.1983 𝑇 < 1.2 𝑇 có giá 𝐵𝑦𝑠 𝑚𝑖𝑛 = 0.0027986 𝑇 Với giá trị trị nhỏ 𝐵𝑦𝑟 𝑚𝑖𝑛 = 0.01499 𝑇 Với giá mật độ từ thông vậy, Stator máy phát trị mật độ từ thông vậy, translator điện khơng bị bão hịa q mức từ thơng máy phát điện khơng bị bão hịa q mức từ Trên phần động máy phát điện thông ❖ Dòng điện điện áp tần số 15 Hz (v = 3.6 m/s) XY Plot Maxwell3DDesign1 2.50 ANSOFT Curve Info Current(PhaseA) Setup1 : Transient 2.00 Current(PhaseB) Setup1 : Transient Current(PhaseC) Setup1 : Transient 1.50 Y1 [A] 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 Time [ms] Hình 4.7 Biểu đồ dòng điện pha máy phát điện tần sớ 15 Hz Cường độ dịng điện tối đa tần số 15 Hz Iph = 2.3 A XY Plot Maxwell3DDesign1 30.00 ANSOFT Curve Info InducedVoltage(PhaseA) Setup1 : Transient InducedVoltage(PhaseB) Setup1 : Transient 20.00 InducedVoltage(PhaseC) Setup1 : Transient Y1 [V] 10.00 0.00 -10.00 -20.00 -30.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 Time [ms] Hình 4.8 Biểu đồ điện áp pha máy phát điện tần số 15 Hz Độ lớn điện áp pha tối đa tần số 15 Hz Eph = 26 V XY Plot Maxwell3DDesign1 15.00 ANSOFT Curve Info NodeVoltage(IVoltmeter30) Setup1 : Transient NodeVoltage(IVoltmeter31) Setup1 : Transient 10.00 NodeVoltage(IVoltmeter32) Setup1 : Transient Y1 [V] 5.00 0.00 -5.00 -10.00 -15.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 Time [ms] Hình 4.9 Biểu đồ điện áp tải máy phát điện tần số 15 Hz Độ lớn điện áp cực tối đa tần số 15 Hz Vout = 14.7 V HVTH: Nguyễn Thái Học XIII Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự Bảng 4.3 Công suất đầu vào Pin công suất đầu Pout tần số từ 15 Hz đến 50 Hz Tần số f (Hz) 15 20 25 30 35 40 45 50 Pin (W) 179.4 452.5 607.1 754 802.3 835.6 872.3 897.6 Pout (W) 101.4 227 311.4 375.4 407 418.7 435.6 448.8 Ở tần số khác thực tương tự Công suất máy phát điện tuyến tính tần số từ 15 Hz đến 50 Hz ứng với biên độ vận tốc 3.6 m/s đến 12 m/s, thể bảng 4.3 Độ lớn công suất đầu công suất đầu vào từ tần số 15 Hz đến 50 Hz máy phát điện tuyến tính thể đồ thị hình 4.10 KẾT LUẬN Hình 4.10 Biểu đồ cơng suất đầu vào, đầu máy phát điện từ 15 Hz đến 50 Hz 15 Hz đến 50 Hz tương đương với dải vận tốc Trong FPLG, thiết kế LEM từ 3,6 m/s đến 12 m/s (1200 vòng/phút đến kỹ thuật quan trọng để đạt mật 2100 vịng/phút) Kết mơ cho thấy độ công suất cao hiệu suất ổn định với hiệu máy phát khơng bị bão hịa q mức từ thơng suất cao Máy phát điện tuyến tính nam châm lõi phần tĩnh (stato) phần động vĩnh cữu PMLEM giải pháp phù hợp (translator) Và với tần số động pittông tự cho FPLG Việc sử dụng máy phát tuyến tính từ 15Hz đến 50 Hz, cường độ dòng điện với mảng Halbach PM cách hiệu máy phát tuyến tính nằm khoảng từ để giảm khối lượng chuyển động Cấu trúc 2,3 A đến 3,4 A; Điện áp pha từ 26 V đến 88 kiểu phẳng phù hợp cho ứng dụng V; Điện áp cực dao động từ 14,7 V đến 40 V; hạn chế không gian LEM nam châm Công suất đầu vào từ 179,4 W đến 897,6 W; chuyển động ưu tiên sử dụng cho FPLG Công suất đầu từ 101,4 W đến 448,8 W; cơng suất cao độ tin cậy cao so với cuộn hiệu suất nằm khoảng từ 50% đến dây chuyển động 56,5% Các thông số học cho mô máy Công suất đầu vào đầu tỷ lệ với tần phát tuyến tính dựa thông số số tốc độ máy phát tuyến tính Khi tần động piston tự Cơ quan Vũ trụ Đức số động 30Hz, độ 7,2 m / s - DLR với hành trình piston 120 mm đạt cơng suất đầu vào cơng suất đầu tần số 50 Hz Tính khả thi máy phát tuyến tăng nhẹ tính thể qua kết mô số phần mềm Ansys Maxwell từ HVTH: Nguyễn Thái Học XIV Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự TÀI LIỆU THAM KHẢO Rinderknecht, F A High Efficient Energy Converter for a Hybrid Vehicle Concept-Gas Spring Focused In Proceedings of the Symposium EVER12, Monte Carlo, Monaco, 22–24 March 2012 Kock, F.; Haag, J.; Friedrich, H.E The Free Piston Linear Generator-Development of an Innovative, Compact, Highly Efficient Range-Extender Module SAE Tech Pap 2013 Ferrari, C.; Friedrich, H.E Development of a free-piston linear generator for use in an extended-range electric vehicle In Proceedings of the EVS26 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium, Los Angeles, CA, USA, 6–9 May 2012 Schneider, S.; Rinderknecht, F.; Friedrich, H.E Design of future concepts and variants of The Free Piston Linear Generator In Proceedings of the 2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo, Monaco, 25–27 March 2014 Zheng, P.; Chen, A.; Thelin, P.; Arshad, W.M.; Sadarangani, C Research on a tubular longitudinal flux PM linear generator used for free-piston energy converter IEEE Trans Magn 2007 Hansson, J.; Leksell, M Performance of a series hybrid electric vehicle with a free-piston energy converter In Proceedings of the Vehicle Power and Propulsion Conference, Windsor, UK, 6–8 September 2006 Hansson, J.; Leksell, M.; Carlsson, F.; Sadarangani, C Operational strategies for a free piston energy converter In Proceedings of the Fifth International Symposium on Linear Drives for Industry Applications, Kobe-Awaji, Japan, 25–28 September 2005 Khayyer, P Application of Two Fuel Cells in Hybrid Electric Vehicles SAE Tech Pap 2008 Shoukry, E.F Numerical Simulation for Parametric Study of a Two-Stroke Compression Ignition Direct Injection Linear Engine; West Virginia University: Morgantown, WV, USA, 2003 10 Shoukry, E.; Taylor, S.; Clark, N.; Famouri, P Numerical Simulation for Parametric Study of a Two-Stroke Direct Injection Linear Engine SAE Tech Pap 2002 11 Xiao, J.; Li, Q.; Huang, Z Motion characteristic of a free piston linear engine Appl Energy 2010 12 Johnson, T Free-Piston Engine; Sandia National Laboratories: Albuquerque, NM, USA, 2012 13 Van Blarigan, P Free-Piston Engine; Transportation Energy Center Center In Proceedings of the 2009 DOE Vehicle Technologies Program Annual Merit Review, Arlington, VA, USA 14 Li, Q.F.; Xiao, J.; Huang, Z Flat-type permanent magnet linear alternator: A suitable device for a free piston linear alternator J Zhejiang Univ.-Sci A (Appl Phys Eng.) 2009 15 Wang, J.; Baker, N.J Comparison of flux switching and modulated pole linear machines for use with a free piston In Proceedings of the IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Coeur d’Alene, ID, USA, 10–13 May 2015 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Nguyễn Thái Học Đơn vị: Trường cao đẳng Cơng thương TP.HCM Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) Điện thoại: 0766 546 899 Email: ntu.tradong@gmail.com PGS TS Lý Vĩnh Đạt HVTH: Nguyễn Thái Học XV S K L 0 ... iv Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học v Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: Nguyễn Thái Học vi Nghiên cứu mô đặc. .. tài kiến nghị phát triển nghiên cứu tương lai máy phát điện tuyến tính động pít-tơng tự HVTH: Nguyễn Thái Học 18 Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT... đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ – HƯỚNG ỨNG DỤNG HVTH: Nguyễn Thái Học iii Nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự HVTH: