Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số của máy phát điện tuyến tính

Bài viết Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số của máy phát điện tuyến tính đề xuất thiết kế và nghiên cứu một máy phát điện tuyến tính một pha với cấu tạo đơn giản. Bằng các cơ cấu giả lập và mô phỏng chuyển động, mục tiêu là khảo sát các thông số của máy phát ở tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến 0,5 m/s.

Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 12/2022 Nghiên cứu chế tạo khảo sát thông số máy phát điện tuyến tính A study on manufacturing and surveying parameters of linear generators Trương Hoà Hiệp1,*, Nguyễn huỳnh Thi1, Huỳnh Văn Lộc1 Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam Thơng tin chung Tóm tắt Ngày nhận bài: 17/04/2022 Ngày nhận kết phản biện: 10/05/2022 Ngày chấp nhận đăng: 13/06/2022 Bài báo đề xuất thiết kế nghiên cứu máy phát điện tuyến tính pha với cấu tạo đơn giản Bằng cấu giả lập mô chuyển động, mục tiêu khảo sát thông số máy phát tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến 0,5 m/s Mô đối chiếu với thực nghiệm qua thông số điện áp, tăng tốc độ dịch chuyển từ 0,25m/s đến 0,5m/s khơng tải có tải RL = 3,5, điện áp tăng từ 20V đến 40V trường hợp không tải tăng khoảng 4V đến 15V có tải Từ khóa: Máy phát điện tuyến tính; máy phát điện, máy phát điện phẳng Keywords: Linear generators; generators, flat generators Abstract This paper proposes to design and study a single-phase linear generator with simple structure By motion simulators and simulation mechanisms, the research aims to survey the parameters of the generator at a low speed from 0.25 m/s to 0.5 m/s The simulation was compared with the experiment through voltage parameters When the displacement speed increased from 0.25m/s to 0.5m/s without loads and with loads of RL = 3.5,, the voltage increased from 20V to 40V without loads and form about 4V to 15V with loads 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 máy phát truyền thống, Vì PMLG thường có cấu trúc đơn giản, tổn thất trình chuyển đổi lượng loại bỏ thiết bị truyền dẫn dư thừa [1-3] Với phát triển mạnh vật liệu nam châm mật độ từ thông cao, PMLG ngày được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng nâng cao công suất độ tin cậy [4] PMLG ứng dụng tái tạo lượng từ sóng biển [5-7] Ngoài ra, PMLG phận chuyển đổi lượng học thành điện cho động đốt khơng trục khuỷu 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] Vì thế, động đốt khơng trục khuỷu xu hướng nghiên cứu để nâng cao khả vận hành xe lai (hybrid) Tùy thuộc vào cấu hình, tần số khoảng dịch chuyển động đốt khơng trục khuỷu có cơng suất phát điện khác [11-13] Các nghiên cứu đưa công suất phát điện tốc độ tối đa, thực tế * tác giả liên hệ, email: truonghoahiep@tgu.edu.vn, 0918 386 391 -71- No.12/2022 động đốt không trục khuỷu 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 dịch 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 khơng gian 3-D cách sử dụng phần mềm Maxwell 16V để tìm thơng số tĩnh từ, từ mơ 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 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu trúc kích thước Bài báo trình máy phát điện pha dạng phẳng với mặt phát điện, cấu trúc 3-D thể Hình 1, kích thước ban đầu cụm rotor starto thể bảng Hình Hình Mơ hình cấu trúc 3-D máy phát Journal of Science, Tien Giang University Hình Cấu trúc đề xuất PMLG Bảng Thông số đề xuất PMLG Ký Tên Giá trị hiệu - Chiều dài stator L 160 mm - Chiều rộng stator Ws 40 mm - Chiều rộng khe bs 20 mm - Chiều rộng bt 20 mm - Chiều rộng nam bm 20 mm châm - Chiều cao nam châm hm 10 mm - Khe hở khơng khí geq mm - Chiều cao hs 35 mm - Chiều dài rotor Lr 180 mm - Chiều rộng rotor Wr 40 mm - Số vịng dây N 300×8 vịng Như máy phát điện thơng thường PMLG có phần 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 -72- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang chuyển phần chuyển động 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 dẫn từ động làm nam châm đất NdFeB, đường kính dây đồng chọn 1,5 mm với 300 vịng dây 2.2 Mơ đặc tính máy phát 2.2.1 Phương 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 rotor stator 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 sinh dịng điện Khi thơng số cuộn dây kích thước lõi tìm thấy, việc lập mơ hình tìm thơng số 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 (1) Số 12/2022 Trong đó: : tốn tử tính độ xốy cuộn trường vectơ J: mật độ dòng H: cường độ điện trường Từ định luật Gauss: B=0 (2) Mật độ từ thông B liên hệ với H qua cơng thức: B=µH (3) Nếu vật liệu phi tuyến, từ thẩm hàm B: µ= (4) Mật độ từ thơng B liên quan tới vector từ A theo công thức: B=A (5) từ phương trình (4) (5) :  =0 (6) Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – EFM) phương pháp số, cho phép giải phương trình (6) sử dụng cho tốn tĩnh từ với mối quan hệ B-H 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 Mơ hình mơ Maxwell Ansoft V16 Kết mơ Hình cho thấy từ thơng nam châm phần dịch chuyển chấp nhận thực tế Br -73- No.12/2022 = 1,2 T Hình từ thơng xun qua cuộn dây cao 1,3 T đường sức từ tạo vịng trịn khép kín xun 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 Journal of Science, Tien Giang University Hệ số Carter 𝐾𝑐 phải tìm thấy tính tốn khe hở khơng khí tương đương [16]: Kc = (7) geq = KC ∙ ga (8) Mật độ thơng lượng khe hở khơng khí tính theo cơng thức: Ø= Hình Phân bố mật độ từ thông bề mặt PMLG (9) Br: từ thông nam châm lõi dịch chuyển Hc =905000 A/m: Cường độ từ trường cưỡng Từ thẩm khơng gian tự µ0 xác định là: µ0 = 4π × 10-7 T.m/A Hình Phương chiều vector B 2.2.2 Mô thông số đầu máy phát Điện áp cảm ứng sinh cuộn dây: e = R.i+Ls Các thông số từ mô FEM thơng số kích thước Bảng đưa vào phần mềm Matlab để mô thông số đầu máy phát Mục tiêu mơ tìm tốc độ tạo điện 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 độ khơng đổi cách sử dụng mạch tương đương Hình (10) Rph : điện trở pha Ls : độ tự cảm pha V: 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 Mạch tương đương máy phát cho hoạt động trạng thái ổn định (11) ).v(t) (12) z: Chuyển vị biến đổi phần dịch chuyển -74- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang z = A.sin(2.π.f.t - ) Số 12/2022 Hình Chuyển vị phần dịch chuyển tốc độ 0.25 m/s 0.5 m/s (13) A: Khoảng dịch chuyển phần dịch chuyển f :Tần số chuyển động phần dịch chuyển v(t) :vận tốc phần dịch chuyển v(t)= z’= 2.π.A.f.cos(2.π.f.t - ) (14) KE = Ms Ws Nph Φ vav (15) Hình Dịng điện I(A) tốc độ 0.25 m/s 0.5 m/s Phương trình vi phân cho dịng điện pha = (16) Hình Điện áp U (V) tốc 0.5 m/s Công suất Pout = eph.i (17) Độ dịch chuyển phần dịch chuyển ± 40mm tốc độ tối đa 0,25m/s 0,5m/s Hình Ở tốc độ dịch chuyển thấp, công suất PMLG tạo thấp, phần dịch chuyển có dạng hình sin nên điện áp tạo gần hình sin Dịng điện từ 0,4A tăng lên 1,8A Hình 8, điện áp tăng từ 3V lên 12V Hình công suất tăng từ 1,2 W đến 15W Hình 10 Từ mơ phỏng, tốc độ tăng từ 0,25m/s lên 0,5 m/s tăng không đáng kể công suất máy phát tăng từ 1,2W lên 15W KE.cos ( ).v(t) Hình 10 Cơng suất P (W) 2.3 Thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm thể Hình 11, số liệu thực nghiệm lấy máy đo xung chuyên dụng XTOP4 31 Thực nghiệm trường hợp với tải RL=3,5 loại bỏ tải RL -75- No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University Hình 11 Mơ hình thực nghiệm PMLG 1-Motor; 2-Biến tần; 3-Máy phát điện Khi khơng có tải RL, Hình 12 cho tốc độ thực nghiệm 0,25m / s (tương đương 250ms chu kỳ), hiệu điện đạt gần 20V Khi tăng tốc độ lên 0,5 m / s (tương đương 150ms chu kỳ) hiệu điện cao 40V Hình 13 Hình 12.Điện áp tốc độ 0.25 m/s – bỏ qua RL=3.5 Hình 13 Điện áp tốc độ 0.5 m/s – bỏ qua RL=3.5 Với tải RL = 3,5, Hình 14 cho tốc độ thí nghiệm 0,25m / s hiệu điện đạt gần 4V Khi tăng tốc độ lên 0,5 m / s hiệu điện cực đại 15V Hình 15 Hình 14 Điện áp tốc độ 0.25m/s – RL=3.5 Hình 15 Điện áp tốc độ 0.5m/s – RL=3.5 So sánh hai trường hợp thí nghiệm thấy độ sụt điện áp lớn với tải Tốc độ thí nghiệm điều chỉnh để gần với tốc độ mô phỏng, so sánh cho thấy điện áp mơ nhỏ điện áp thí nghiệm Sự chênh lệch điện áp số vòng dây thực tế stator khác với mơ hình mơ làm tay, tốc độ thực nghiệm nhanh tốc độ mô vấn đề điều khiển lực qn tính Ngồi ra, mơ hình thí nghiệm khơng mô cực từ để bổ sung từ trường động đảo chiều Kết chứng minh điện áp máy phát dự đốn cho tốc độ khác Các dạng sóng từ máy sóng gần giống kết mơ KẾT LUẬN Bài báo đề xuất thiết kế chế tạo mơ hình máy phát tuyến tính pha với cấu tạo đơn giản Bằng cấu giả lập mô chuyển động, mục tiêu khảo sát hoạt động máy phát tốc độ dịch chuyển thấp từ 0,25 m/s đến 0,5 m/s - theo tốc độ cao -76- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang phần dịch chuyển máy phát chuyển động biến đổi theo hình sin, hành trình dịch chuyển ngắn ± 40mm Bằng tính tốn, mơ thơng 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 Các thơng số đầu máy phát thực nghiệm tốc độ khác giá trị để nghiên cứu, đánh giá đối chiếu với kết mô Từ mô cho thấy, với khoảng dịch chuyển ±40mm tăng vận tốc từ 0,25m/s đến 0,5m/s điện áp tăng từ 3V 12V, dịng điện 0,4A - 1,8A, cơng suất 1,5W-15W Mơ 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 20V lên 40V không tải RL điện áp tăng từ 4V lên 15V với tải RL=3,5 Kết cho thấy, thông số máy phát từ việc mô thực nghiệm chế độ có tải gần giống Điều chứng minh rằng, chế tạo máy phát điện tuyến tính nghiên cứu để phục vụ cho mục đích phát điện 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.21982207, 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 Số 12/2022 [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 23392352, Oct 2007 -77- No.12/2022 Journal of Science, Tien Giang University [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 746760 [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 sparkignited free-piston engine generator” 2014, SAE Technical Paper, No 2014-01-2894 [16] F W Carter “Air-Gap Induction” In: Electric World and Engineer 38.22 (1901),pp.884888.url:http://hdl.handle.net/2027/uv a.x030741299 -78- ... R.i+Ls Các thông số từ mô FEM thơng số kích thước Bảng đưa vào phần mềm Matlab để mô thông số đầu máy phát Mục tiêu mô tìm tốc độ tạo điện áp, cơng suất để phù hợp với tải điện trở RL = 3,5, điện. .. phát từ việc mô thực nghiệm chế độ có tải gần giống Điều chứng minh rằng, chế tạo máy phát điện tuyến tính nghiên cứu để phục vụ cho mục đích phát điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Zou, M Zhao, Q Wang,... Kết chứng minh điện áp máy phát dự đốn cho tốc độ khác Các dạng sóng từ máy sóng gần giống kết mơ KẾT LUẬN Bài báo đề xuất thiết kế chế tạo mơ hình máy phát tuyến tính pha với cấu tạo đơn giản