Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКоваленко, Михайло Анатолійович
dc.contributor.authorТкачук, Ігор Валерійович
dc.date.accessioned2024-05-31T13:59:38Z
dc.date.available2024-05-31T13:59:38Z
dc.date.issued2024
dc.description.abstractТкачук І. В. Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14 «Електрична інженерія». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в розробці системи перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну на основі магнітної передачі у складі автономної вітроустановки шляхом математичного та імітаційного моделювання. В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження. Проведено оцінку існуючих типів механічних передач та на основі цього аналізу вибрано оптимальний варіант магнітної передачі. Найбільш перспективними топологіями магнітних передач є планетарна, планетарна коаксіальна та циклоїдна. У планетарній передачі використовується приблизно 50% більше постійних магнітів, ніж у інших перспективних топологіях. Циклоїдна магнітна передача застосовна практично лише у двоступінчастому виконанні (планетарна передача за схемою 2k-h), що знижує її щільність моменту до двох раз. Принципова наявність ексцентриситету в циклоїдної магнітної передачі породжує вібрації та некомпенсовані радіальні електромагнітні сили, що зменшують ресурс підшипників. Магнітні передачі коаксіальної планетарної топології можуть бути виконані з мінімальними радіальними електромагнітними силами, а співвісне розташування частин, що обертаються, дозволяє не вдаватися до додаткових пристроїв для зняття моменту з її вихідного валу як у циклоїдної передачі. Її недоліками є наявність пульсацій моменту і складна технологія виготовлення проміжного магнітного колеса (модулятора). Існуючі методики проєктування магнітних передач відносяться до 1970-х років і вимагають значної переробки з урахуванням останніх досягнень як у галузі матеріалознавства, так і в галузі методів розрахунку магнітних систем. Існуючі сучасні методики моделювання та відомі результати досліджень магнітних передач не дають повного уявлення про складні електромагнітних та механічних процесів при перетворенні енергії та не дозволяють проводити проєктування магнітних передач та достовірно оцінювати їх ефективність. Відомі сучасні дослідження детально не торкаються питань конструктивного виконання магнітних передач для промислового застосування та методики їх експериментальних досліджень. В роботі розроблено математичну модель та методику розрахунку максимального моменту магнітної передачі та граничних станів магнітної системи в статичному режимі, які дозволяють обґрунтовано вибрати основні розміри магнітопроводів та постійних магнітів. Розроблено математичні моделі та методику аналізу гармонійного складу магнітного поля в немагнітних проміжках магнітної передачі, на підставі яких обґрунтовано вимоги щодо конструктивного виконання елементів магнітної системи, а також математичні моделі, що дозволяють проводити розрахунок магнітної системи з урахуванням крайових ефектів, на підставі якого обґрунтовано вимоги щодо розташування конструктивних елементів магнітних передач щодо їх магнітних систем. Розроблено аналітичну методику та чисельні математичні моделі для визначення основної частоти зубчастого моменту магнітної передачі, а також для розрахунку магнітних втрат у магнітній передачі та отримано кількісні оцінки впливу різних конструктивних рішень на її ефективність. В результаті виконання дослідження, що базуються на резульатах польового та чисельного імітаційного моделювання запропоновано шляхи покращення показників магнітної передачі: - кожен полюс статора має бути відокремлений від сусіднього полюса електроізоляційною вставкою; - постійні магніти статора повинні бути поділені на електрично ізольовані сегменти в осьовому напрямку; - постійні магніти високошвидкісного ротора повинні бути поділені на сегменти як в осьовому, так і в радіальному напрямку; - сегменти низькошвидкісного ротора повинні бути електрично ізольованими один від одного та мати фаски. В дисертаційному дослідженні запропоновано підхід до складання динамічної макромоделі магнітної передачі та методику визначення її параметрів на основі даних польового розрахунку. На підставі запропонованої методики проведено моделювання різних режимів магнітної передачі при роботі на навантаження в Matlab/Simulink. Запропоновано спрощену лінеаризовану динамічну модель магнітної передачі, що дозволяє проводити оцінку власних частот коливань та параметрів згасання на початкових етапах проєктування. За результатами моделювання виявлено ряд особливостей магнітної передачі під час роботи у перехідних режимах: - пульсації швидкості на високошвидкісному роторі більш ніж у передатне відношення разів менше, ніж на низькошвидкісному роторі; - початкові фази пульсацій швидкості на низько- та високошвидкісному роторах відрізняються, внаслідок чого спостерігається мінливість миттєвого значення передавального відношення у перехідних режимах; - частоти коливань та коефіцієнти загасання більшою мірою визначаються параметрами низькошвидкісного ротора магнітної передачі.
dc.description.abstractotherTkachuk I. V. Electromechanical System for Conversion of Low-Potential Mechanical Energy into Electrical Energy - Qualification scientific work manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the specialty 141 Electric power, electrical engineering and electromechanics in the field of knowledge 14 "Electrical engineering". - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The dissertation study is dedicated to investigating and solving the current scientific problem of developing a system for converting low-potential mechanical energy into electrical energy based on magnetic gears as part of an autonomous wind turbine through mathematical and simulation modeling. The work includes a literature and patent search on the topic of the dissertation research. An assessment of existing types of mechanical gears was carried out, and based on this analysis, the optimal option of magnetic gears was selected. The most promising topologies of magnetic gears are planetary, coaxial planetary, and cycloidal. In planetary gears, approximately 50% more permanent magnets are used than in other promising topologies. The cycloidal magnetic gears is practically applicable only in a two-stage design (planetary gears according to the 2kh scheme), which reduces its torque density by two times. The presence of eccentricity in the cycloidal magnetic gears generates vibrations and uncompensated radial electromagnetic forces, reducing the bearing life. Coaxial planetary magnetic gears can be designed with minimal radial electromagnetic forces, and the coaxial arrangement of rotating parts allows avoiding additional devices for torque removal from its output shaft as in the cycloidal gears. Its drawbacks include torque pulsations and complex manufacturing technology of the intermediate magnetic wheel (modulator). Existing design methodologies for magnetic gears date back to the 1970s and require significant reworking in light of the latest developments in both materials science and methods of magnetic system calculation. Existing modern methodologies for modeling and known research results of magnetic gears do not provide a complete understanding of the complex electromagnetic and mechanical processes during energy conversion and do not allow designing magnetic gears and reliably assessing their efficiency. Known modern studies do not delve into the issues of constructive design of magnetic gears for industrial applications and methodologies for their experimental research. A mathematical model and calculation method for the maximum torque of a magnetic transmission and the limiting states of the magnetic system in static mode were developed in the work, which allow substantiating the selection of the main dimensions of the magnetic cores and permanent magnets. Mathematical models and a method for analyzing the harmonic composition of the magnetic field in non-magnetic clearances of the magnetic transmission were developed, based on which the requirements for the constructive design of the elements of the magnetic system are substantiated, as well as mathematical models that allow calculating the magnetic system, taking into account edge effects, on the basis of which the requirements for the arrangement of constructive elements of magnetic gears regarding their magnetic systems are substantiated. An analytical methodology and numerical mathematical models for determining the fundamental frequency of the toothed torque of the magnetic transmission, as well as for calculating magnetic losses in the magnetic transmission, were proposed, and quantitative estimates of the influence of various design solutions on its efficiency were obtained. As a result of the research based on the results of field and numerical simulation modeling, ways to improve the performance of the magnetic transmission are proposed: - each stator pole should be separated from the adjacent pole by an electrically insulating insert; - the permanent magnets of the stator should be divided into electrically isolated segments in the axial direction; - the high-speed rotor permanent magnets should be divided into segments both in the axial and radial directions; - low-speed rotor segments should be electrically isolated from each other and have chamfers. In the dissertation research, an approach to the compilation of a dynamic macromodel of a magnetic transmission and a method for determining its parameters based on field calculation data was proposed. Based on the proposed methodology, modeling of various modes of a magnetic transmission during operation on the load in Matlab/Simulink was carried out. A simplified linearized dynamic model of a magnetic transmission was proposed, which allows evaluating natural frequencies of oscillations and damping parameters at the initial stages of design. Based on the modeling results, a number of features of the magnetic transmission during operation in transient modes were revealed: - speed pulsations on the high-speed rotor are more than times less than in the transmission ratio, than on the low-speed rotor; - the initial phases of speed pulsations on the low- and high-speed rotors differ, which leads to variability of the instantaneous value of the transmission ratio in transient modes; - vibration frequencies and damping coefficients are determined to a greater extent by the parameters of the low-speed rotor of the magnetic transmission.
dc.format.extent159 с.
dc.identifier.citationТкачук, І. В. Електромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Ткачук Ігор Валерійович. – Київ, 2024. – 159 c.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/67009
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectНизькопотенціальна механічна енергія
dc.subjectелектромеханічна система
dc.subjectперетворення енергії
dc.subjectредуктор
dc.subjectмагнітна передача
dc.subjectмагнітний редуктор
dc.subjectпостійні магніти
dc.subjectвідновлювані джерела енергії
dc.subjectвітроелектрична установка
dc.subjectбезмультиплікаційна вітроустановка
dc.subjectавтономна вітроустановка
dc.subjectвітроелектрична станція
dc.subjectвітротурбіна
dc.subjectальтернативні джерела енергії
dc.subjectрегулювальна характеристика
dc.subjectLow-potential mechanical energy
dc.subjectelectromechanical system
dc.subjectenergy conversion
dc.subjectgearbox
dc.subjectmagnetic transmission
dc.subjectmagnetic gearbox
dc.subjectpermanent magnets
dc.subjectrenewable energy sources
dc.subjectwind turbine
dc.subjectdirect-drive wind turbine
dc.subjectstandalone wind turbine
dc.subjectwind power station
dc.subjectwind turbine generator
dc.subjectalternative energy sources
dc.subjectcontrol characteristic
dc.subject.udc621.313.84
dc.titleЕлектромеханічна система для перетворення низькопотенціальної механічної енергії в електричну
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
TkachukIV_dys.pdf
Розмір:
4.83 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕМ)
Дисертації (вільний доступ)