В статье исследуется линейный электрический генератор на постоянных магнитах для силовой установки транспортного средства. Авторы обосновывают применение в конструкции стальных магнитопроводов. Приводятся результаты расчета магнитного поля генератора. В статье показывается, что благодаря применению магнитопроводов выходное напряжение генератора повышается в несколько раз. Приводится описание физической модели генератора и результаты экспериментальных исследований.
Ключевые слова: линейный электрический генератор, магнитопроводы, магнитное поле, выходное напряжение, линейный пневмодвигатель.
Введение
В крупных городах основным источником вредных веществ в атмосфере являются автомобили [1]. По некоторым оценкам среди источников загрязнения воздуха 50–80 % приходится на автотранспорт. По другим данным автотранспорт является источником 30–70 % общей массы выбросов. Таким образом, 40–75 % загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, приходится на автотранспорт. В современном мире за счет постоянного развития технологий и облегчения процесса по производству дорожного транспорта происходит постоянный рост количества автомобилей. В среднем каждая семья имеет 1–2 автомобиля. Так как люди в основном проживают в городах, то происходит заполнение всей территории города транспортом, и вследствие этого образуется зона повышенной концентрации вредных веществ. Некоторые из этих веществ оседают на дорогах, а другие поднимаются в воздух, накапливаются в атмосфере и выпадают с осадками, загрязняя почву и воду.
Таким образом, проблема состоит в использовании автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, загрязняющими атмосферу.
Двигатели с нулевыми выбросами вредных веществ
Инженеры и ученые ищут разные способы уменьшения вредных выбросов автомобиля в атмосферу. Одним из таких способов является замена двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля на электрический. Питание двигателя в этом случае осуществляется от литий-ионных аккумуляторных батарей. Однако экологичность электромобиля является кажущейся. Дело в том, что при производстве батарей используются токсичные материалы (например, кобальт) [2]. Проблемой, также, является утилизация батарей, отработавших свой срок. Такие батареи нельзя захоранивать в земле из-за наличия в них токсичных веществ. Необходимо строить специальные заводы по их переработке.
Вместе с тем, электроавтомобилю есть альтернатива. Это автомобиль с пневматическим двигателем. Родоначальником пневмодвигателей на наземном транспорте стал француз, Луи Мекарски, разработавший подобный силовой агрегат для трамваев в городах Париж и Нант. В Нанте машины испытали в конце 1870-х, а к 1900 году Мекарски владел парком из 96 трамваев, что доказывало эффективность системы [3]. Позднее пневмотранспорт использовался в шахтах, поскольку полностью удовлетворял требованиям пожаро- и взрывобезопасности (рис. 1).
Рис. 1. Пневмолокомотив американской фирмы «Портер»
Известно также применение пневмодвигателя на подводной лодке, самолете, торпедах, мотоциклах, мопедах и других транспортных средствах [4].
В настоящее время индийская автомобильное предприятие Tata испытывает автомобили с пневмодвигателем. Модель Tata OneCAT имеет вес 350 кг, запас хода на одной заправке сжатым воздухом — до 100 км и максимальную скорость 100 км/час [5]. При этом давление воздуха в баллонах составляет 300 атм. Баллонов всего 4 шт., каждый объемом 100 л.
Рис. 2. Пневмоавтомобиль Tata OneCAT
Автомобильный пневмодвигатель двигатель по конструкции очень похож на двигатель внутреннего сгорания. И хотя он, все-таки, проще ДВС (нет системы, зажигания, охлаждения, глушителя), но он имеет тот же недостаток, что и ДВС. В пневмодвигателе, как и в ДВС прямолинейное движение поршня механическим способом преобразуется во вращательное, а затем уже передается на колёса. Это преобразование сильно усложняет, а значит и удорожает двигатель. Кроме того, для пневмодвигателя также, как и для ДВС требуется коробка передач. Устранить этот недостаток можно используя линейный пневмодвигатель [6]. Такие двигатели еще носят название «пневмоциллиндр» (рис. 3).
Рис. 3. Пневмоциллиндр
В пневмодвигателе сжатый воздух поочередно подается с левой или правой стороны поршня, благодаря чему он совершает возвратно-поступательное движение. Однако, в автомобиле колеса вращаются, и, следовательно, поступательное движение все-таки нужно перевести во вращательное. Это можно сделать, используя линейный генератор электрической энергии [7] и мотор-колеса. При этом коробка передач не требуется.
Такой подход позволит значительно улучшить динамические свойства автомобиля и повысить его скорость.
На рис. 4 показана одна из возможных конструкций линейного генератора, совмещенного с линейным пневмодвигателем. Пневмодвигатель имеет два цилиндра и два поршня. В цилиндры поочередно через впускные клапаны подается сжатый воздух, благодаря чему шток с закрепленными на нем постоянными магнитами совершает возвратно-поступательное движение. Магнитное поле магнитов движется перпендикулярно плоскости катушек. Согласно закону электромагнитной индукции, в катушках наводится электродвижущая сила (ЭДС). Далее ЭДС, которая имеет форму близкую к синусоиде, выпрямляется с помощью выпрямителя и заряжает батарею конденсаторов. Можно использовать суперконденсатор [8]. Следовательно, автомобиль с пневмоэлектрическим приводом является более простым и надежным. Также пневмоэлектрический привод имеет меньшие габариты и вес.
Рис. 4. Линейный генератор
1 — поршень, 2 — впускной клапан,
3 — выпускной клапан, 4 — катушки, 5 — магниты, 6 — выпрямитель, 7 — АКБ, 8 — цилиндр, 9 — шток
Таким образом, тема работы, посвящённого разработке пневмосиловой энергетической установке транспортного средства, является актуальной.
Цель работы : Создать модель линейной пневмоэлектрической силовой установки транспортного средства.
Гипотеза: Линейный электрический генератор совместно с пневмодвигателем может вырабатывать электрическую энергию.
Задачи:
- Выполнить расчет генератора
- Определить оптимальную конструкцию генератора
- Спроектировать и изготовить прототип пневмоэлектрической силовой установки.
- Провести испытания
- Определить характеристики генератора
- Выработать рекомендации для проектирования и изготовления линейных генераторов.
Исследование велось следующими методами :
- Физический эксперимент
- Расчет
Область исследования проекта — пневматический двигатель и электрические машины.
Объектом исследования в проекте является линейный электрический генератор.
Предмет исследования — характеристики линейного электрического генератора.
Расчет магнитного поля линейного генератора
В сети Internet присутствуют описания нескольких линейных генераторов. Типичная конструкция самодельного генератора [9] показана на рис. 5.
Рис. 5. Самодельный линейный генератор
1 — магниты, 2 — катушки
В таком генераторе внутри цилиндра находятся постоянные магниты, а снаружи цилиндра находятся катушки, в которых наводится ЭДС.
Величину ЭДС катушки можно найти по формуле:
где B — величина магнитной индукции в поперечном сечении катушки, l — общая длина провода катушки, v — скорость перемещения магнитного поля (скорость перемещения магнитов).
Из формулы видно, что величина ЭДС тем больше, чем выше скорость перемещения. Однако она ограничена возможностями приводного механизма. Длину провода катушки также нельзя увеличивать очень сильно, поскольку в этом случае увеличивается сопротивление катушки и напряжение на ее выводах будет снижаться. Величина магнитной индукции обеспечивается взаимным расположением магнита и катушки, а также свойствами среды. В данной конструкции отсутствуют магнитопроводы и, значит, можно предположить, что величина магнитной индукции будет занижена. Чтобы доказать это рассчитаем картину магнитного поля одной секции генератора без магнитопроводов и с ними.
Для расчета использована студенческая версия программы Elcut [10]. В программе делается чертеж конструкции и задаются магнитные свойства материалов. После чего программа выполняет расчет и показывает результат.
Рис. 6. Картина магнитного поля генератора без магнитопроводов
На рис. 6 показана картина магнитного поля одной секции генератора без магнитопроводов. Программа позволяет найти среднюю величину магнитной индукции в области занятой катушкой. Найденное в программе среднее значение индукции составляет 0.11 Тл.
Расчет одной секции генератора с магнитопроводами дает совсем другой результат.
Рис. 7. Картина магнитного поля генератора с магнитопроводами
Как видно из расчета средняя величина магнитной индукции в этом случае равна 0.47 Тл. Это в 4.4 раза (!) больше, чем при отсутствии магнитопроводов. Это значит, что и ЭДС будет в 4.4 раза больше.
Таким образом использование магнитопроводов в конструкции линейного генератора является обязательным.
Разработка системы управления пневмоприводом
Для работы пневмопривода необходимо обеспечить согласованную работу впускных и выпускных воздушных клапанов. При открывании впускного клапана первого цилиндра выпускной клапан второго цилиндра также должен быть открыт. При этом воздух под давлением через впускной клапан первого цилиндра толкает поршень, перемещая магниты генератора. Из второго цилиндра воздух выходит. При достижении поршнем крайнего положения впускной клапан первого цилиндра и выпускной клапан второго закрываются, а открываются впускной клапан второго цилиндра и выпускной клапан первого. Далее цикл работы повторяется. Таким образом впускной и выпускной клапаны работают в противофазе. Однако, давление в баллоне со сжатым воздухом постепенно уменьшается в процессе работы, следовательно, необходимо выполнять регулировку длительности включенного состояния впускных клапанов с целью поддержания постоянства объема поступающего в цилиндры воздуха. Это можно делать вручную или с помощью обратной связи по давлению воздуха в баллоне.
Схема электронной части системы управления, обеспечивающая, противофазную работу клапанов показана на рис. 8. Схема разработана в программе OrCad 9.2 [11].
Рис. 8. Схема электронной части системы управления
В схеме использованы операционные усилители (ОУ) LM358 . Поскольку, микросхемы LM358 требуют двуполярного питания (+5В, Земля, -5В), а генератор вырабатывает однополярное питание (12В), то в схеме реализована искусственная средняя точка (Земля) с помощью конденсаторов С2 ‑ С5 .
В основе схемы управления лежит управляемый генератор треугольных колебаний [12] (микросхемы U1A-U3A). Его диаграммы работы показаны на рис. 9.
Рис. 9. Диаграммы работы генератора треугольных колебаний
Частота генератора определяется величиной постоянной времени T = R4·C1 , и может изменяться в зависимости от величины напряжения подаваемого на его вход (точка соединения резисторов R 1 и R 2). Треугольный сигнал поступает на входы компараторов U4A-U7A. Для выпускных клапанов компараторы сравнивают треугольный сигнал с нулевым уровнем напряжения, а для впускных клапанов треугольный сигнал сравнивается с регулируемым по величине напряжением. Таким образом, выпускные клапаны открываются на максимальное время, а время включения впускных клапанов может регулироваться. Сигналы управления клапанами первого цилиндра показаны на рис. 10. На верхней диаграмме показан сигнал впускного клапана, на нижней — выпускного. На диаграмме видно, что клапаны работают в противофазе, и длительность включения впускного клапана меньше, чем выпускного.
Рис. 10. Сигналы управления клапанами
Сигналы управления клапанами через оптотранзистор PC817 поступают на электронные ключи, выполненные на полевых транзисторах FDS6690AS (рис. 11). При открывании ключа выпрямленное напряжение генератора подается на обмотку клапана, и он срабатывает. При этом сжатый воздух поступает в цилиндр и толкает поршень. Одновременно открывается клапан противоположного цилиндра и второй поршень выталкивает воздух из цилиндра. На следующем цикле срабатывают два других клапана. Таким способом обеспечивается возвратно-поступательное движение магнитов генератора.
Рис. 11. Схема силовой части системы управления
Разработка конструкции модели генератора
Конструкция генератора состоит из двух частей — внутренней и внешней. На внутренней части (см. рис. 12) расположены магниты. С каждой стороны магнита находится стальной магнитопровод. Каждая такая сборка отделена от следующей с помощью пластиковой проставки. На краях внутренней части закреплены поршни, благодаря которым вся конструкция может двигаться. Все составляющие конструкции соединены между собой с помощью шпильки (на рисунке не видна).
Рис. 12. Внутренняя часть генератора
Внешняя часть генератора (см. рис. 13) состоит из пластиковой трубы, на которой расположены катушки генератора. С каждой стороны катушки находится стальной магнитопровод. Каждая такая сборка отделена от следующей с помощью пластиковой проставки. Торцы трубы герметично закрыты заглушками. В каждой заглушке находятся 2 штуцера для подключения входных и выходных клапанов.
Рис. 13. Внешняя часть генератора
Под действием сжатого воздуха внутренняя часть перемешается. Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, также перемещается. Таким образом, витки катушки находятся в движущемся магнитном поле, а значит в них наводится напряжение. Катушки генератора включены последовательно, для получения наибольшего напряжения.
Экспериментальные исследования
Для подтверждения гипотезы была создана экспериментальная установка, содержащая одну секцию генератора (см. рис. 14).
Рис. 14. Экспериментальная установка
Корпус экспериментальной установки сделан из сантехнической трубы диаметром 50 мм. Катушка установки имеет 950 витков провода диаметром 0,25мм. Ширина катушки — 5мм, высота — 15 мм. Магнитопроводы также имеют толщину 5мм. Выводы катушки были подключены к цифровому осциллографу Uni‑T UTD2025CL. Внутренняя часть генератора перемещалась вручную внутри корпуса на 30–40мм. Первый опыт был проведен при снятых магнитопроводах. Амплитуда напряжения катушки составила 1.8 В (см. рис. 15).
Рис. 15. Осциллограмма выходного напряжения катушки при отсутствии магнитопроводов
Второй опыт был проведен с установленными магнитопроводами. Амплитуда напряжения катушки в этом случае получилась равной 12В (см. рис. 16). Таким образом, установка магнитопроводов дает возможность увеличить выходное напряжение катушки генератора в 6.6 раза. Это полностью подтверждает вывод, сделанный в главе 1, посвященной расчету магнитного поля. При 10 последовательно включенных катушках амплитуда выходного напряжения генератора будет равна U m = 10·12 = 120В.
Рис. 16. Осциллограмма выходного напряжения катушки при наличии магнитопроводов
Заключение
Предлагаемая силовая установка обладает значительными преимуществами, по сравнению с традиционными силовыми установками автомобиля. В ходе проекта выявлены недостатки линейных электрических генераторов и предложены меры по их устранению. Показано, что наличие магнитопроводов в генераторе является обязательным. Разработана конструкция линейного генератора и схема управления силовой установкой. Проведены вычислительные и физические эксперименты. Изготовлен и испытан одна секция генератора. Определено выходное напряжение генератора. Необходимо продолжить исследования для определения характеристик генератора.
Литература:
- Пепина, Л. А. Загрязнение атмосферного воздуха автомобильно-дорожным комплексом / Л. А. Пепина, А. Н. Созонтова. — Текст: непосредственный // AlfaBuild. — С-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2017. — С. 99–110.
- Куртов, С. Вред литиевых аккумуляторов / С. Куртов. — Текст: электронный // voltmarket.ua: [сайт]. — URL: https://voltmarket.ua/vred-litievykh-akkumulyatorov (дата обращения: 17.11.2022).
- Автомобили на сжатом воздухе: плюсы и минусы. — Текст: электронный // techinsider.ru: [сайт]. — URL: https://www.techinsider.ru/vehicles/53904-energiya-vozdukha/ (дата обращения: 17.11.2022).
- Транспортные средства на сжатом воздухе. — Текст: электронный // ru.wikipedia.org: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Транспортные_средства_на_сжатом_воздухе (дата обращения: 17.11.2022).
- ТРАНСПОРТ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ ТОП 5. — [Видеозапись] // youtube.com: [сайт]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=2k0nRvHilXI (дата обращения: 17.11.2022).
- Пневмодвигатели. — Текст: электронный // studizba.com: [сайт]. — URL: https://studizba.com/lectures/gidravlika-i-pnevmatika/pnevmoprivody/2429-pnevmodvigateli.html (дата обращения: 17.11.2022).
- Линейный генератор: устройство, принцип работы, плюсы и минусы. — Текст: электронный // fb.ru: [сайт]. — URL: https://yandex.ru/turbo/fb.ru/s/article/465639/lineynyiy-generator-ustroystvo-printsip-rabotyi-plyusyi-i-minusyi?ysclid=lakwdweuau553831667 (дата обращения: 17.11.2022).
- https://amperof.ru/teoriya/superkondensator.html. — Текст: электронный // amperof.ru: [сайт]. — URL: https://amperof.ru/teoriya/superkondensator.html (дата обращения: 17.11.2022).
- Мощный вечный фонарь или линейный генератор. — [Видеозапись] // youtube.com: [сайт]. — URL: https://www.youtube.com/watch?v=TmU0bruhi_M (дата обращения: 18.11.2022).
- Elcut — программа моделирования. — Текст: электронный // elcut.ru: [сайт]. — URL: https://elcut.ru/ (дата обращения: 18.11.2022).
- Болотовский, Ю. И. ORCAD 9.x, ORCAD 10.x. Практика моделирования / Ю. И. Болотовский, Г. И. Таназлы. — М: СОЛОН, 2017. — 208 c. — Текст: непосредственный.
- Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. — 12-е, том I: Пер. с нем. — М: МК Пресс, 2008. — 832 c. — Текст: непосредственный.
