(Luận văn thạc sĩ) khảo sát tính năng phát điện của động cơ không trục khuỷu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TỒN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 8520116 SKC007263 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TOÀN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TỒN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2021 i ii iii iv v vi vii [1] Nguyễn Tất Trung Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm động đốt không trục khuỷu Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật; Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5, 2020 Tài liệu nƣớc ngoài: [2] Mikalsen R, Roskilly AP The design and simulation of a two-stroke free-piston compression ignition engine for electrical power generation Appl Therm Eng 2008:28(56):589-600 [3] J Wang, W Wang, G.W Jewell, and D Dowe, ―Design and experimental characterization of a linear reciprocating generator‖, Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume: 145, pp 509 – 518, Nov 1998 [4] J Wang and D Dowe, ―A Linear Permanent Magnet Generator for a FreePiston Energy Converter‖, Conference on Electric Machines and Drives, 2005 IEEE International, pp 1521 – 1528, 15-15 May 2005 [5] C A Oprea, L Szabó, C S Martis: Linear Permanent Magnet Electric Generator for Free Piston Engine Applications 2012 XXth International Conference on Electrical Machines 12 November 2012 [6] Wang J, West M, Howe D, Parra H, Arshad W Design and experimental verification of a linear permanent magnet generator for a free-piston energy converter IEEE Trans Energy Convers 2007;22:2 [7] Li W, Chau KT A linear magnetic-geared free-piston generator for rangeextended electric vehicles J Asian Electric Vehicles 2010;8:1 [8] Ding H, Yu X, Li J Permanent magnetic model design and characteristic analysis of the short-stroke free piston alternator SAE Int J Fuels Lubr 2012, 2012-01-1610 [9] Xu Z, Chang S Improved moving coil electric machine for internal combustion linear generator IEEE Trans Energy Convers 2010;25:2 [10] Fazal I, Karsiti MN, Zulkifli SA, Ibrahim T, Rao KS Modeling and simulation of amoving-coil linear generator In: International conference on intelligent and advanced system [11]: Jia B, Tian G, Feng H, Zuo Z, Roskilly AP An experimental investigation into the starting process of free-piston engine generator Appl Energy 2015;157: 82 798–804 [12]: Li QF, Xiao J, Huang Z Parametric study of a free piston linear alternator Int J Automotive Technol 2010;11:111–7 [13]: Lee J, Lim O, Kim G An experimental study on the effects of spring stiffness on the combustion and dynamic characteristics of a linear engine J Mech Sci Technol 2014;28:1945–50 [14]: Mikalsen R, Roskilly AP Performance simulation of a spark ignited free-piston engine generator Appl Therm Eng 2008;28:1726–33 [15]: Huang L ―An opposed-piston free-piston linear generator development for HEV‖ SAE paper 2012-01-1021; 2012 [16] R Parthasarathy ―Linear PM Generator for Wave Energy Conversion‖ Master’s Thesis Anna University, 2012 url: http : / / etd lsu edu / docs/available/etd-04182012121521/unrestricted/parthasarathythesis pdf 83 KHẢO SÁT ĐĂC TÍNH PHÁT ĐIỆN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH SURVEY ON POWER GENERATION CHARACTERISTICS OF PERMANENT MAGNET LINEAR GENERATOR Võ Bảo Toàn 1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Có nhiều nguồn lượng chuyển đổi từ máy phát điện tuyến tính PMLG (Permanent Magnet Linear Generator- PMLG) lượng sóng biển, động free-piston Bài báo đề xuất thiết kế nghiên cứu PMLG pha với cấu tạo đơn giản Bằng cấu giả lập chuyển động, mục tiêu khảo sát hoạt động PMLG tốc độ địch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến 0,5 m/s Máy phát điện mơ hình hóa không gian 3-D cách sử dụng phần mềm Maxwell Ansoft V16 để tìm thơng số tĩnh từ, từ mơ bẳng phần mềm Matlab tìm giá trị đầu dịng điện ,điện áp, cơng suất cuối thực nghiệm đối chiếu với mô Mô cho thấy điện áp tăng từ 3V - 12V, dịng điện 0,4A - 1,8A, cơng suất 1W -17W Mô đối chiếu với thực nghiệm qua thông số điện áp, tăng tốc độ dịch chuyển từ 0,25m/s đến 0,5m/s điện áp tăng từ 4V lên 15V Từ khóa: Máy phát điện tuyến tính; máy phát điện, máy phát điện phẳng ABSTRACT There are many energy sources converted from PMLG (Permanent Magnet Linear GeneratorPMLG) linear generator such as wave energy, free-piston engine This paper proposes the design and study of a single phase PMLG with a simple structure By means of motion simulators, the objective is to investigate the PMLG's operation at low moving speeds from 0.25 m/s to 0.5 m/s The generator is modelled in 3-D by using Maxwell Ansoft V16 software to find out the electrostatic parameters, then simulated by Matlab software to find output values such as current, voltage , power and finally the experiment compared with the simulation The simulation shows that the voltage increases from 3V - 12V, current 0.4A - 1.8A, power 1W-17W The simulation has been compared with the experiment through the voltage parameter, when increasing the displacement speed from 0.25m/s to 0.5m/s the voltage increases from 4V to 15V Keywords: Permanent magnet liner generator; stirling engines, the Finite Element Method – FEM 84 GIỚI THIỆU Hiện nay, máy phát điện tuyến tính PMLG (Permanent Magnet Linear Generator- PMLG) coi ứng cử viên tiềm cho ứng dụng thực tế sử dụng chuyển động thẳng biến đổi điều thay cho chuyển động quay generator truyền thống, Vì PMLG thường có cấu đơn giản, tổn thất q trình chuyển đổi lượng loại bỏ thiết bị truyền dẫn dư thừa [1-3] Với phát triển mạnh vật liệu nam châm mật độ lượng cao PMLG ngày được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng nâng cao cơng suất độ tin cậy [4] PMLG ứng dụng tái tạo lượng từ sóng biển [5-7] Ngồi ra, PMLG phận chuyển đổi lượng học thành điện cho FPLE Cái mà có ưu điểm nhỏ gọn, hiệu suất cao [8], tỷ số nén biến đổi nên phù hợp với nhiều loại nhiên liệu khác nhau[9], giảm ma sát so với động nhiệt thông thường [10] Vi thề, FPLE xu hướng nghiên cứu để nâng cao khả vận hành xe hybrid Tùy thuộc vào cấu hình, tần số khoảng dịch chuyển FPLE có cơng suất phát điện khác [11-13] Các nghiên cứu đưa công suất phát điện tốc độ max, thực tế FPLE hoạt động ổn định tốc độ thấp vấn để kiểm soát [14-15] Bài báo đề xuất thiết kế nghiên cứu PMLG pha với cấu tạo đơn giản Bằng cấu giả lập chuyển động, mục tiêu khảo sát hoạt động PMLG tốc độ địch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến 0,5 m/s - theo tốc độ cao phần dịch chuyển máy phát chuyển động biến đổi theo hình sin, khoảng dịch chuyển ngắn ± 40mm, điện áp đầu tốc độ khác giá trị để nghiên cứu, đánh giá Máy phát điện mơ hình hóa không gian 3-D cách sử dụng phần mềm Maxwell 16V để tìm thơng số tĩnh từ, từ mơ bẳng phần mềm Matlab tìm giá trị đầu dịng điện ,điện áp, cơng suất cuối thực nghiệm đối chiếu với mô Cuối cùng, so sánh, đánh giá mô với thực nghiệm CẤU TRÚC VÀ KÍCH THƢỚC Bài báo trình máy phát điện pha dạng phẳng với mặt phát điện, cấu trúc cấu trúc 3-D thể Hình 1, kích thước ban đầu cụm rotor starto thể Bảng I Hình Hình Mơ hình cấu trúc 3-D máy phát 85 Hình Cấu trúc đề xuất PMLG Bảng Thông số đề xuất PMLG Tên - Chiều dài stator - Chiều rộng stator - Chiều rộng khe - Chiều rộng - Chiều rộng nam châm - Chiều cao nam châm - Khe hở khơng khí - Chiều cao - Chiều dài rotor - Chiều rộng rotor - Số vòng dây Như máy phát điện thơng thường PMLG có phấn rotor (phần dịch chuyển) stator Rotor gồm hai mặt gắn nam châm vĩnh cửu phân cực, hướng phân cực nam châm châm vĩnh cửu ngược hai mặt đối diện ngược mặt, với mục tiêu giảm khối lượng dịch chuyển mover chế tạo nhơm Stator nằm bên ngồi bao gồm hai lõi ferrit nhiều lớp bố trí song song với hai mặt gắn nam châm vĩnh cửu, khe hở nam châm stator 1mm Mỗi lõi ferrit chia thành cuộn dây quấn quanh lõi ferrit Một chuyển động tuyến tính giả lập cấu bánh lệch tâm với khoảng dịch chuyển ± 40mm Rotor dịch chuyển theo hướng nằm ngang motor kéo với công suất 1,5 HP Phần PM động làm nam châm đất NdFeB, đường kính dây đồng chọn 1,5 mm với 300 vòng dây MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT 3.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (The Finite Element Method - FEM) Giống máy phát điện thông thường, nguyên lý PMLG dựa vào tượng cảm ứng điện từ chuyển động roto stato chuyển động tịnh tiến khác với chuyển động tròn động quay Nam châm gắn rotor chuyển động biến đổi từ trường xuyên qua cuộn dây sinh suất điện động sinhra dòng điện Khi thơng số cuộn dây kích thước lõi tìm thấy, việc lập mơ hình tìm thơng số điện máy phát điện đóng vai trò quan trọng Đối với điều này, phần mềm Maxwell Ansoft V16 sử dụng để giải tất vấn đề tĩnh từ Những vấn đề mơ tả phương trình vi phân Maxwell Các nguyên tắc máy phát điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu liên quan nguyên lý từ trường phương trình Maxwell Định luật Ampere: H=J Trong đó: : tốn tử tính độ xốy cuộn trường vectơ H: J: mật độ dòng cường độ điện trường Từ định luật Gauss: B=0 Mật độ từ thông B liên hệ với H qua công thức: 86 từ thông xuyên qua cuộn dây cao 1,3 T đường sức từ tạo vịng trịn hép kín xuyên qua cuộn dây , tạo sức điện động cảm ứng Ngoài ra, sử dụng chức matrix Maxwell Ansoft V16 cho dịng điện pha để tìm điện cảm cuộn dây Ls = 24,404mH B=µH Nếu vật liệu phi tuyến, từ thẩm hàm B: Mật độ từ thông B liên quan tới vector từ A theo công thức: B=A Hình Phân bố mật độ từ thơng bề mặt PMLG từ phương trình (4) (5) :  ( Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – EFM) phương pháp số, cho phép giải phương trình (6) sử dụng cho toán tĩnh từ với mối quan hệ BH phi tuyến Hình mơ hình mơ Maxwell Ansoft v16 ,vị trí nam châm đặt song song cuộn dây, vị trí từ thơng xun qua cuộn dây lớn Hình Phương chiều vector B 3.2 Mô thông số đầu máy phát Các thông số từ mô FEM thông số kích thước Bảng đưa vào phần mềm Matlab để mô thông số đầu máy phát Mục tiêu mơ tìm tốc độ tạo đện áp, công suất để phù hợp với tải điện trở RL = 3,5, điện trở nội cuộn dây Ra = 0,6 Như vậy, phân tích hiệu suất máy phát điện pha chuyển động với tốc tốc đô không đổi cách sử dụng mạch tương đương Hình Hình Mơ hình mô Maxwell Ansoft v16 Kết mô Hình cho thấy từ thơng nam châm phần dịch chuyển chấp nhận thực tế Br = 1,2 T Hình 87 z: Chuyển vị biến đổi phần dịch chuyển z = A.sin(2.π.f.t A: Khoảng dịch chuyển phần dịch Hình Mạch tương đương máy phát cho hoạt động trạng thái ổn định chuyển f dịch :Tần số chuyển động phần Hệ số Carter phải tìm thấy tính tốn khe hở khơng khí tương đương [16]: chuyển Kc = v(t)= z’= 2.π.A.f.cos(2.π.f.t - geq = KC ∙ ga KE = Ms Ws Nph Φ vav Mật độ thơng lượng khe hở khơng khí tính theo công thức: Br: từ thông năm châm lõi dịch chuyển Hc =905000 A/m: Cường độ từ trường cưởng Tính thẩm khơng gian tự µ0 xỏc nh l: à0 = ì 107 T.m / A v(t) :vận tốc phần dịch chuyển Phương trình vi phân cho dòng điện pha Pout = eph.i Khoảng dịch chuyể n phần dịch chuyển ±40mm với vận tốc cao 0,25 m/s Hình 7, gần 300ms chu kỳ Dịng điện pha đạt 0,4A Hình 8, điện áp đạt gần 3V Hình 9, cơng suất đạt 1,2W Hình 10 Điện áp cảm ứng sinh cuộn dây: e= R.i + Ls Rph : điện trở pha Ls : độ tự cảm pha V: (10) điện áp đầu cuối máy phát V= i.RL i : dòng điện pha Điện áp cảm ứng pha chuyển động tịnh tiến: eph = KE.cos ( Hình Chuyển vị phần dịch chuyển 88 Hình Dịng điện I(A) Hình Điện áp U (V) Hình 10 Công suất P (W) Ở tốc độ dịch chuyển thấp cơng suất máy phát sinh thấp, phần dịch chuyển chuyển động theo quy lật hình sin nên điện áp sinh gần quy luật hình sin Khi tăng tốc độ lên 0,5 m/s Hình 11, 200ms chu kỳ Dòng điện tăng lên 1,8A Hình 12, điện áp tăng lên gần 12V Hình 13 cơng suất tăng lên 15W Hình 14 Từ mô cho thấy, tốc độ tăng từ 0,25m/s lên 0,5m/s tăng không đáng kể công suất máy phát tăng cao từ 1,2W lên 15W Hình 11 Chuyển vị phần dịch chuyển - tốc độ 10Hz Hình 12 Dịng điện I(A) Hình 13 Điện áp U (V) Hình 14 Cơng suất P (W) THỰC NGHIỆM Mơ hình thực nghiệm thể Hình 15, số liệu thực nghiệm lấy máy đo xung chuyên dụng XTOP431 Thực nghiệm trường hợp với tải RL=3,5 loại bỏ tải RL Trường hợp loại bỏ RL , Hình 16 cho thấy tốc độ thực nghiệm 0,25m/s - khoảng 300ms chu kỳ, điện áp đạt gần 20V Khi tăng tốc độ lên 0,5 m/s- khoảng 200 ms chu kỳ, cho thấy điện áp cao 40V Hình 17 89 Hình 16 Điện áp tốc độ 0,25 m/s - without RL Hình 15 Mơ hình thực nghiệm PMLG 1-Motor; 2-Biến tần; 3-Máy phát điện Hình 17 Điện áp tốc độ 0,5 m/s - without RL Trường hợp với RL=3,5, Hình 18 cho thấy tốc độ thực nghiệm 0,25m/s - khoảng 300ms chu kỳ, điện áp đạt gần 4V Khi tăng tốc độ lên 0,5 m/s- khoảng 200 ms chu kỳ, cho thấy điện áp cao 15V Hình 19 Hình 18 Điện áp tốc độ 0,25 m/s - with RL=3,5 So sánh trường hợp thực nghiệm cho thấy độ sụt áp lớn có tải Các tốc độ thực nghiệm điều chỉnh gần tốc độ mô phỏng, so sánh cho thấy điện áp mô nhỏ điện áp thực tế kết chứng minh dự đốn cơng suất máy phát theo tốc độ khác Các biên dạng sóng từ máy sóng gần giống kết mơ 90 Hình 19 Điện áp tốc độ 0,5 m/s - with RL=3,5 KẾT LUẬN Bằng tính tốn, mô thông số mật độ phân bố từ thông, độ từ cảm… phần mềm Maxwell Ansoft V16 phần mềm Matlab mô giá trị cơng suất dịng điện từ tìm đặc tính PMLG Từ mơ cho thấy, với khoảng dịch ±40mm thăng vận tốc từ 0,25m/s đến 0,5m/s điện áp tăng từ 3V - 12V, dòng điện 0,4A 1,8A, công suất 1,5W-15W Mô đối chiếu với thực nghiệm qua thông số điện áp, tăng tốc độ dịch chuyển từ 0,25m/s đến 0,5m/s điện áp tăng từ 4V lên 15V Điện áp tăng tốc độ dịch chuyển tăng điện áp tăng không tuân theo tỷ lệ tăng vận tốc 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Zou, M Zhao, Q Wang, J Zou, and G Wu, ―Development and analysis of tubular transverse flux machine with permanent magnet excitation,‖ IEEE Trans Industrial Electronics, vol.59, no.5, pp.2198- 2207, May 2012 [2] H Jing, N Maki, T Ida, and M Izumi, ―Electromechanical design of an MW class wave energy converter with an HTS tubular linear generator,‖ IEEE Trans Appl Supercond., vol 28, no 4, Jun 2018, Art no 4902504 [3] L Huang, B Hu, M Hu, C Liu, and H Zhu, ―Research on primary excitation fully superconducting linear generators for wave energy conversion,‖ IEEE Trans Appl Supercond., vol 29, no 5, Aug 2019, Art no 5203405 [4] A Gandhi and L Parsa, ―Thrust optimization of a five-phase faulttolerant flux-switching linear synchronous motor,‖ in Proc IEEE Industrial Electronics Society Conf., pp.2067-2073, 2012 [5] Hodgins, N.; Keysan, O.; McDonald, A.S.; Mueller, M.A ―Design and Testing of a Linear Generator for Wave-Energy Applications,‖ IEEE Trans Ind Electron 59, 2094–2103,201, [6] N M Kimoulakis, A G Kladas, and J A Tegopoulos ―Power Generation Optimization from Sea Waves by Using a Permanent Magnet Linear Generator Drive‖ In: IEEE Transactions on Magnetics 44.6 (2008), pp 1530– 1533 [7] C Liu, H Yu, M Hu, Q Liu, S Zhou, and L Huang, ―Research on a permanent magnet tubular linear generator for direct drive wave energy conversion,‖ IET Renewable Power Generation, vol 8, no 3, pp 281–288, 2014 [8] J Hansson and M Leksell., ―Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-Piston Energy Converter,‖ IEEE Xplore, 2007 [9] R Mikalsen and A P Roskilly, ―A review of free-piston engine history and applications,‖ Applied Thermal Engineering, vol 27, pp 2339- 2352, Oct 2007 [10] B Jia, R Mikalsen, A Smallbone, and A Paul Roskilly, ―A study and comparison of frictional losses in free-piston engine and crankshaft engines,‖ Applied Thermal Engineering, 2018 [11] Ondřej Vysoký, ―Linear combustion engine as main energy unit for hybrid vehicles,” Proceedings of Transtec Prague Prague: Czech Technical University, 2007: p 236-244 [12] Ocktaeck Lim, Nguyen Ba Hung, Seokyoung Oh, Gangchul Kim, Hanho Song, Norimasa Iida, ―A study of operating parameters on the linear spark ignition engine,” Applied Energy, 2015 160: p 746-760 [13] Subhash Nandkumar, Two-stroke linear engine 1998, Dissertation, West Virginia University [14] R Mikalsen and A P Roskilly, ―The control of a free-piston engine generator Part 2: Engine dynamics and piston motion control,‖ Applied Energy, vol 87, 2010 [15 ] Boru Jia, Zhengxing Zuo, Huihua Feng, Guohong Tian, A P Roskilly, ―Development approach of a spark-ignited free-piston engine generator‖ 2014, SAE Technical Paper, No 201401-2894 92 [16] F W Carter ―Air-Gap Induction‖ In: Electric World and Engineer 38.22 (1901), pp 884–888 url: http://hdl.handle.net/2027/uva x030741299 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Võ Bảo Toàn Đơn vị: Trường Cao Đẳng Long An-Cơ Sở Cần Giuộc Điện thoại: 0918.160.320 Email: votoan_ttdncg@yahoo.com.vn 93 ... SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TỒN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm... PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ VÕ BẢO TỒN KHẢO SÁT TÍNH NĂNG PHÁT ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS.NGUYỄN VĂN TRẠNG Tp Hồ Chí... học: Kỹ thuật Cơ khí động lực Tên luận văn: khảo sát tính phát điện động không trục khuỷu Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Văn Trạng