ĐỀ tài NCKH 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 CƠNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO MÃ SỐ: T2020-05TĐ SKC007299 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO Mã số: T2020-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt TP HCM, Tháng 08 năm 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO Mã số: T2020-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt Thành viên đề tài: TS Nguyễn Văn Trạng ThS Huỳnh Quốc Việt TP HCM, Tháng 08 năm 2021 Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Lý Vĩnh Đạt Thành viên đề tài: Nguyễn Văn Trạng, Huỳnh Quốc Việt Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM i Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MỤC LỤC Danh sách thành viên tham gia đơn vị phối hợp thực i Mục lục ii Danh sách hình v Danh sách bảng viii Danh mục chữ viết tắt ix Thông tin kết nghiên cứu xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 1.1.1 Trong nước 1.1.2 Ngoài nước 1.3 MỤC TIÊU 17 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 17 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 1.6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 17 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 NĂNG LƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 19 2.1.1 Các định luật tượng cảm ứng điện từ 19 2.1.1.1 Định luật Faraday 19 2.1.1.2 Định luật Lenz 19 2.1.2 Hiện tượng tự cảm hỗ cảm 20 2.1.2.1 Hiện tượng tự cảm 20 2.1.2.2 Hệ số tự cảm 20 2.1.2.3 Hiện tượng hỗ cảm 21 2.1.3 Năng lượng điện cảm 22 2.2 CÁC CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 23 2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM CHUYỂN ĐỘNG 25 ii Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm 2.4 MƠ HÌNH MÁY ĐIỆN TUYẾN TÍNH NAM CHÂM VĨNH CỮU TRONG ANSYS MAXWELL 2.4.1 Phương trình Maxwell 2.4.2 Lập mơ hình Chương trình MAXWELL 16v 2.4.2.1 Giới thiệu Ansys Maxwell 2.4.2.2 Giao diện Maxwell 2.4.2.3 Các bước để hoàn thành dự án Maxwell CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 3.1 ĐIỀU KIỆN BIÊN 3.1.1 Nhu cầu điện xe lại sạc điện 3.1.2 Cấu hình mơ – đun FPLG thiết lập 3.2 TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ 3.2.1 Chiều dài phần cảm 3.2.2 Độ rộng cực khoảng cách khe 3.2.3 Kích thước khe 3.2.4 Kích thước nam châm vĩnh cửu 3.2.5 Kích thước thành phần cảm phần ứng 3.2.6 Thông số cuộn dây máy phát điện 3.3 TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN TĨNH VÀ PHẦN ĐỘNG 3.4 THIẾT KẾ MƠ HÌNH 3D CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN MAXWELL 3.4.1 Thiết kế phần ứng 3.4.2 Thiết kế phần cảm 3.4.3 Tạo điểm đầu cuối cho cuộn dây 3.4.4 Thiết kế khu vực chi tiết mơ hình di chuyển khu vực phầm mền tiến hành mô CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH 4.1.1 Thiết lập các thơng số iii Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm T2020-05TĐ 4.1.2 Thiết lập sơ đồ mạch điện máy phát điện 64 4.1.3 Thiết lập sơ đồ mạch điện máy phát điện phần mềm Ansoft Maxwell Circuit Editor 71 4.1.4 Chạy phần mềm phân tích các kết 73 4.2 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG SỐ 74 4.2.1 Kết mô số tần số 15 Hz 74 4.2.2 Kết mô số tần số 35 Hz (v = 8.4 m/s) 78 4.2.3 Kết mô tần số 50 Hz (v = 12 m/s) 79 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 5.1 KẾT LUẬN 82 5.2 KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 iv Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ phác thảo mơ-đun FPLG Hình 1.2 Các mơ hình phần tử hữu hạn máy phát điện tuyến tính PM Hình 1.3 Phân bố thơng lượng mảng quasi-Halbach Hình 1.4 Đường dẫn từ thông máy Hình 1.5 Mặt cắt ngang máy điện tuyến tính nam châm vĩnh cửu chuyển đổi từ thông (FSPMLEM) nguyên lý mạch từ khơng cân 10 Hình 1.6 Sơ đồ máy PM mơ-đun hình ống ba pha, 10 cực, khe 11 Hình 1.7 Máy phát điện tuyến tính Đại học Giao thơng Thượng Hải 12 Hình 1.8 Cơng suất riêng (a) hiệu suất (b) so với tải ngồi 12 Hình 1.9 Cấu trúc máy phát tuyến tính nguyên mẫu Toyota Central R & D 13 Hình 1.10 Cấu trúc máy phát tuyến tính nguyên mẫu thứ hai Toyota Central R & D 13 Hình 1.11 Hệ thống FPLG Ferrari Friedrich 14 Hình 1.12 Máy phát tuyến tính hệ thứ DLR 14 Hình 1.13 Máy phát tuyến tính hệ thứ hai DLR 15 Hình 1.14 Trình diễn chức băng ghế thử nghiệm 15 Hình 1.15 Cấu trúc máy phát điện tuyến tính DLR 16 Hình 2.1 Cấu trúc cuộn dây 21 Hình 2.2 Hiện tưởng hỡ cảm 21 Hình 2.3 Năng lượng từ trường 22 Hình 2.4 Máy phát điện tuyến tính cuộn dây di chuyển 24 Hình 2.5 Máy phát điện tuyến tính nam châm chuyển động 24 Hình 2.6 Máy phát điện tuyến tính sắt chuyển động 25 Hình 2.7 Một máy phát điện tuyến tính nam châm đơn với nam châm lị xo 26 Hình 2.8 Nam châm vị trí định 26 Hình 2.9 Hình học kích thước máy phát điện 28 Hình 2.10 Mạch tương đương PMLM 28 v 83 Ly Vinh Dat and Nguyen Thai Hoc: A Study on Linear Generator Characteristics in Free Piston Engine Figure 12 Voltage for linear generator load at 15 Hz The other frequencies are practiced similar to these above processes The power of the linear generator at the various frequencies from 15 Hz to 50 Hz, corresponds to a velocity amplitude of 3.6 m/s to 12 m/s, shown in Table Table Pin input power and generator Pout output power at frequencies from 15 Hz to 50 Hz Frequencies f (Hz) 15 20 25 30 35 40 45 50 The magnitude of the output power and input power from 15 Hz to 50 Hz of the linear generator is shown in Figure 13 amplitude Vrm=7.2 m/s (f=30 Hz) the power of the generator starts to increase slightly, so increasing the motor speed is too high The free-piston engine of FPLG system with speed range from 4.8 m/s to 7.2 m/s or 1200 rpm to 2100 rpm (or frequencies from 15 Hz to 30 Hz) is suitable for linear generators that used on electric hybrid vehicle Conclusions In the FPLG, the LEM design is one of the crucial techniques for achieving high power density and stable performance LEM permanent magnets are the most suitable solution for FPLG The use of a linear generator with a Halbach PM array is an effective way to reduce the mass of motion and improve the efficiency of the dynamic response The flat type construction is more suitable for space limited applications Motion magnet LEMs are preferred for high power FPLGs because of their high reliability compared to motion coils Both TFPMLEM and FSPMLEM can achieve high power density but have low power factor and complex structure, and the combination of both PMLEM may be a promising option that needs further research The mechanical parameters for the linear generator simulation are based on those of the German Space AgencyDLR free piston engine with a piston stroke of 120 am and reaching 50 Hz The feasibility of the linear generator Figure 13 Generator input and output power chart from 15 Hz to 50 Hz The input and output power are proportional to the frequency and speed of the linear generator When the motor frequency is 30 Hz, the speed is 7.2 m/s, the input power and output power increase slightly The generator efficiency varies from 50% to 55%, as the frequency increases the efficiency of the generator also increases However, the value of Pin and Pout have a bigger difference When the engine has speed amplitude Vrm=7.2 m/s (f=30 Hz) or more, the generator produces Pout≈7.5 kW output power or more in accordance with the requirements for use in hybrid vehicles When the linear generator reaches velocity in the paper is shown by the numerical simulation results on Ansys Maxwell software from 15 Hz to 50 Hz with a velocity range from 3.6 m/s to 12 m/s (1200 rpm to 2100 rpm) Simulation results show that the generator is not excessively saturated with flux at the core of the static part (stator) and the dynamic part (rotor) For free-piston engine frequencies from 15 Hz to 50 Hz, the amperage of linear generators ranges from 2.3 A to 3.4 A; Phase voltage ranges from 26 V to 88 V; Pole voltage ranges from 14.7 V to 40 V; Input power ranges from 179.4 W to 897.6 W; Output power ranges from 101.4 W to 448.8 W; and the efficiency ranges from 50% to 56.5% The input and output power are proportional to the frequency and speed of the linear generator When the motor frequency is 30 Hz at the speed is 7.2 m/s, the input power and output power increase slightly Acknowledgements The authors would like to acknowledge Ho Chi Minh City International Journal of Transportation Engineering and Technology 2021; 7(3): 78-84 University of Technology and Education' help which has sponsored this research References [1] P Van Blarigan, “Free-Piston Engine,” In Proceedings of the 2009 DOE Vehicle Technologies Program Annual Merit Review, Arlington, VA, USA; pp 1–17, 2009 [11] E Shoukry, S Taylor, N Clark and P Famouri, “Numerical Simulation for Parametric Study of a Two-Stroke Direct Injection Linear Engine,” SAE Tech Pap 2002 [12] J Xiao, Q Li, Z Huang, “Motion Characteristic of a Free Piston Linear Engine,” Appl Energy, Vol 87, pp 1288–1294, 2010 [13] T Johnson, “Free-Piston Engine,” Sandia National Laboratories: Albuquerque, NM, USA, 2012 [2] F Rinderknecht and F A Kock, “High Efficient Energy [14] Q F Li, J Xiao, Z Huang, “Flat-type Permanent Magnet Converter for a Hybrid Vehicle Concept-Gas Spring Focused,” In Proceedings of the Symposium EVER12, Monte Carlo, Monaco, 22–24 March 2012 Linear alternator: a suitable device for a free piston linear alternator,” J Zhejiang Univ.-Sci A (Appl Phys Eng.) Vol 10, pp 345–352, doi: 10.1631/jzus.a0820224, 2009 [3] F Kock, J Haag, H E Friedrich, “The Free Piston Linear [15] J Wang, N J Baker, “Comparison of Flux Switching and Generator-Development of an Innovative, Compact, Highly Efficient Range-Extender Module,” SAE Tech Pap, 2013 [4] C Ferrari, H E Friedrich, “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 [5] S Schneider, F Rinderknecht and H E Friedrich, “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, pp 1–8, 25–27 March 2014 [6] P Zheng, A Chen, P Thelin, W M Arshad and C Sadarangani, “Research on a Tubular Longitudinal Flux PM Linear Generator Used for Free-Piston Energy Converter,” IEEE Trans Magn Vol 43, pp 447–449, 2007 [7] J Hansson, M Leksell, “Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-Piston Energy Converter,” In Proceedings of the Vehicle Power and Propulsion Conference, Windsor, UK, pp 1–6,.6–8 September 2006 [8] J Hansson, M Leksell, F Carlsson and C Sadarangani, “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 [9] P Khayyer, P Famouri, “Application of Two Fuel Cells in Hybrid Electric Vehicles,” SAE Tech Pap 2008 [10] E F Shoukry, “Numerical Simulation for Parametric Study of a Two-Stroke Compression Ignition Direct Injection Linear Engine,” West Virginia University: Morgantown, WV, USA, 2003 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, pp 642–648, 10–13 May 2015 Biography Ly Vinh Dat (Viet Nam) He hold associate Professor in 2017, and graduated PhD of Mechanical and Electrical Engineering in 2013, National Taipei University of Technology, Taipei, Taiwan Research interests: Efficiency improvement in SI and CI engines, Intake and exhaust systems, Electromagnetic valve train, improving of efficiency, fuel consumption and emission in internal combustion engines, etc Work experiences: has taught as a lecturer at Faculty of Vehicle and Energy Engineering, University of Technology and Education Ho Chi Minh City, Vietnam, since 2003 Nguyen Thai Hoc - was born in Vietnam He received his master degree in Vehicle Engineering from Ho Chi Minh City University of Technical Education (HCMUTE) in 2021 He is a lecturer at faculty of Automotive Engineering at Ho Chi Minh Industry and Trade College His research interests include engine advance technologies, engine management systems, hybrid and electric vehicle QUYẾT ĐỊNH Về việc thành lập Hội đồng nghiệm thu đề tài NCKH cấp Trường trọng điểm HIỆU TRƯỞNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Căn Luật Giáo dục đại học ngày 18 tháng năm 2012 Luật sửa đổi, bổ sung số điều Luật Giáo dục đại học ngày 19 tháng 11 năm 2018; Căn Nghị định 99/2019/NĐ-CP ngày 30 tháng 12 năm 2019 Chính phủ Quy định chi tiết hướng dẫn thi hành số điều Luật sửa đổi, bổ sung số điều Luật giáo dục đại học; Căn Quyết định số 937/QĐ-TTg ngày 30 tháng năm 2017 Thủ tướng Chính phủ việc phê duyệt đề án thí điểm đổi chế hoạt động Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh; Căn Nghị số 11/NQ-HĐT ngày 08/01/2021 Hội đồng trường ban hành Quy chế tổ chức hoạt động trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh; Căn Nghị số 22/NQ-HĐT ngày 16/3/2021 Hội đồng trường công tác cán lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh; Căn Quyết định số 1027/QĐ-ĐHSPKT ngày 20/6/2018 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM việc ban hành quy định quản lý đề tài Khoa học Công nghệ cấp Trường; Căn Quyết định số 1245/QĐ-ĐHSPKT, ngày 04/5/2021 việc phân công nhiệm vụ lãnh đạo trường; Theo đề nghị Trưởng phòng KHCN-QHQT QUYẾT ĐỊNH: Điều Thành lập Hội đồng nghiệm thu đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường trọng điểm năm 2020, tên đề tài “Nghiên cứu mô đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự do”, mã số T2020-05TĐ, PGS.TS Lý Vĩnh Đạt làm chủ nhiệm gồm các thành viên sau đây: Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Hoàng An Quốc Ủy viên, phản TS Nguyễn Phụ Thượng Lưu biện Ủy viên, TS Lê Thanh Phúc phản biện Ủy viên TS Huỳnh Phước Sơn Hội đồng Thư ký CN Châu Ngọc Thìn Hội đồng Điều Hội đồng có nhiệm vụ đánh giá tồn diện việc thực đề tài theo Quyết định số 1027/QĐ-ĐHSPKT ngày 20/6/2018 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM việc ban hành quy định quản lý đề tài Khoa học Công nghệ cấp Trường tự giải thể sau hoàn thành nhiệm vụ Điều Trưởng phịng Khoa học Cơng nghệ Quan hệ Quốc tế, Trưởng khoa Cơ khí Động lực các cá nhân có tên Điều chịu trách nhiệm thi hành định Nơi nhận: - Như điều 3; - Lưu: VT, P KHCN-QHQT (5) PGS TS Lê Hiếu Giang ... MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO Mã số: T2020-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS... MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐIỆN TUYẾN TÍNH TRÊN ĐỘNG CƠ PISTON TỰ DO Mã số: T2020-05TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt... trình hoạt động phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường thấp Chính lý "nghiên cứu mơ đặc tính máy phát điện tuyến tính động piston tự do" nhằm nghiên cứu đánh giá đặc tính phát điện tương