Розробка математичної моделі магнітної передачі для автономної вітроелектричної установки

Автор(и)

  • Михайло Анатолійович Коваленко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-5602-2001
  • Ірина Яківна Коваленко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-1097-2041
  • Ігор Валерійович Ткачук Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-5717-2458
  • Микола Олександрович Реуцький Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0003-1870-2222
  • Aaron Harford Novel Space Concepts LLC, США https://orcid.org/0000-0002-9898-6474
  • Сергій Олександрович Жук НТТ Енергія, Україна https://orcid.org/0009-0002-0409-5580

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.302008

Ключові слова:

магнітна передача, математичне моделювання, імітаційне моделювання, постійні магніти, електромеханічна система

Анотація

Об'єктом дослідження є електромагнітні та механічні процеси в магнітній передачі для автономної вітроелектричної установки малої потужності.

Використання магнітної передачі у складі автономної вітроелектричної установки дозволяє підвищити надійність та ефективність роботи такої системи.

В роботі проведено дослідження магнітопередачі в складі автономної вітроелектричної установки для дослідження параметрів та характеристик магнітної передачі.

У роботі розроблено чисельну імітаційну математичну модель магнітного редуктора, що працює у складі автономної вітроелектростанції з генератором на постійних магнітах. Модель враховує: дискретну структуру внутрішнього, зовнішнього роторів і модулятора; зміни параметрів моделі при зміні вхідних параметрів. Вона також враховує: втрати, зміну кута навантаження та електромагнітного моменту; вплив зміни навантаження генератора.

Розроблена модель системи магнітного редуктора відрізняється тим, що зміна навантаження електрогенератора призводить до переміщення робочої точки на механічній характеристиці ротора вітроелектричної установки (ВЕУ). Модель працює і в протилежному напрямку: зміни параметрів вітру впливають на потужність, напругу, струм і електромагнітний момент.

За допомогою розробленої моделі досліджуються параметри і характеристики не тільки магнітного редуктора, але й інших компонентів системи. Визначено ККД на виході електрогенератора, яке при навантаженні 2,0 кВт становить ≈75 %. Момент магнітної передачі при швидкості вітру 7,8 м/с для високошвидкісного ротора становить – 0,91 Н∙м, а тихохідного – 7,8 Н∙м, що відповідає передавальному відношенню 8,6. Це розширює можливості для проведення пошукових досліджень

Біографії авторів

Михайло Анатолійович Коваленко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електромеханіки

Ірина Яківна Коваленко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Асистент

Кафедра відновлюваних джерел енергії

Ігор Валерійович Ткачук, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант, асистент

Кафедра електромеханіки

Микола Олександрович Реуцький, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електромеханіки

Aaron Harford, Novel Space Concepts LLC

Director, Founder

Сергій Олександрович Жук, НТТ Енергія

Менеджер

Посилання

  1. Ruiz-Ponce, G., Arjona, M. A., Hernandez, C., Escarela-Perez, R. (2023). A Review of Magnetic Gear Technologies Used in Mechanical Power Transmission. Energies, 16 (4), 1721. https://doi.org/10.3390/en16041721
  2. Golovko, V. M., Ostroverkhov, M. Y., Kovalenko, M. A., Kovalenko, I. Y., Tsyplenkov, D. V. (2022). Mathematical simulation of autonomous wind electric installation with magnetoelectric generator. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 5, 74–79. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-5/074
  3. Han, Q., Wei, J., Han, Q., Zhang, H. (2017). Dynamics and Vibration Analyses of Gearbox in Wind Turbine. Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-10-2747-5
  4. Hailu, H. N., Redda, D. T. (2018). Design and Development of Power Transmission System for Green and Light Weight Vehicles: A Review. The Open Mechanical Engineering Journal, 12 (1), 81–94. https://doi.org/10.2174/1874155x01812010081
  5. Hasanpour, S., Johnson, M., Gardner, M. C., Toliyat, H. A. (2022). Cycloidal Reluctance Magnetic Gears for High Gear Ratio Applications. IEEE Transactions on Magnetics, 58 (6), 1–10. https://doi.org/10.1109/tmag.2022.3163419
  6. Gardner, M. C., Praslicka, B., Johnson, M., Toliyat, H. A. (2021). Optimization of Coaxial Magnetic Gear Design and Magnet Material Grade at Different Temperatures and Gear Ratios. IEEE Transactions on Energy Conversion, 36 (3), 2493–2501. https://doi.org/10.1109/tec.2021.3054806
  7. Dai, B., Nakamura, K., Suzuki, Y., Tachiya, Y., Kuritani, K. (2022). Cogging Torque Reduction of Integer Gear Ratio Axial-Flux Magnetic Gear for Wind-Power Generation Application by Using Two New Types of Pole Pieces. IEEE Transactions on Magnetics, 58 (8), 1–5. https://doi.org/10.1109/tmag.2022.3159002
  8. Moghimi, A., Hosseini Aliabadi, M., Feshki Farahani, H. (2022). Triple-speed coaxial magnetic gear for wind turbine applications: introduction and comprehensive analysis. COMPEL - The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 41 (4), 1223–1244. https://doi.org/10.1108/compel-01-2022-0001
  9. Aiso, K., Akatsu, K., Aoyama, Y. (2021). A Novel Flux-Switching Magnetic Gear for High-Speed Motor Drive System. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 68 (6), 4727–4736. https://doi.org/10.1109/tie.2020.2988230
  10. Mateev, V., Todorova, M., Marinova, I. (2023). Design Aspects of Conical Coaxial Magnetic Gears. Energies, 16 (10), 4191. https://doi.org/10.3390/en16104191
  11. Macyszyn, L., Jedryczka, C., Mysinski, M. (2023). Analysis of a Two-Stage Magnetic Precession Gear Dynamics. Energies, 16 (11), 4484. https://doi.org/10.3390/en16114484
  12. Syam, S., Kurniati, S., Ramang, R. (2022). Design and Characteristics of Axial Magnetic Gear Using Rectangular Magnet. https://doi.org/10.31219/osf.io/bc5r7
  13. Dimauro, L., Bonisoli, E., Velardocchia, M., Repetto, M., Alotto, P., Filippini, M., Torchio, R. (2023). Magnetic gearbox for automotive power transmissions: An innovative industrial technology. Engineering Science and Technology, an International Journal, 46, 101497. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101497
  14. Tzouganakis, P., Gakos, V., Kalligeros, C., Papalexis, C., Tsolakis, A., Spitas, V. (2022). Torque ripple investigation in coaxial magnetic gears. MATEC Web of Conferences, 366, 01004. https://doi.org/10.1051/matecconf/202236601004
  15. Park, E.-J., Jung, S.-Y., Kim, Y.-J. (2021). Torque and Loss Characteristics of Magnetic Gear by Bonded PM Magnetization Direction. IEEE Transactions on Magnetics, 57 (6), 1–4. https://doi.org/10.1109/tmag.2021.3064705
  16. Nielsen, S. S., Wong, H. Y., Baninajar, H., Bird, J. Z., Rasmussen, P. O. (2022). Pole and Segment Combination in Concentric Magnetic Gears: Vibrations and Acoustic Signature. IEEE Transactions on Energy Conversion. https://doi.org/10.1109/tec.2022.3151654
  17. Kovalenko, M., Chumack, V., Kovalenko, I., Tkachuk, I., Harford, A. (2023). Evaluation of magnetic gear parameters for autonomous wind installation with changing wind speed. Electrical Engineering and Power Engineering, 2, 32–42. https://doi.org/10.15588/1607-6761-2023-2-4
  18. Ostroverkhov, M., Chumack, V., Falchenko, M., Kovalenko, M. (2022). Development of control algorithms for magnetoelectric generator with axial magnetic flux and double stator based on mathematical modeling. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (5 (120)), 6–17. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.267265
  19. Chumak, V., Kovalenko, M., Kovalenko, I., Tkachuk, I. (2023). Mathematical modeling of a hybrid magnetic gear for an autonomous low-power wind turbine. Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Problems of Electrical Machines and Apparatus Perfection. The Theory and Practice, 1 (9), 45–51. https://doi.org/10.20998/2079-3944.2023.1.07
Розробка математичної моделі магнітної передачі для автономної вітроелектричної установки

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-04-30

Як цитувати

Коваленко, М. А., Коваленко, І. Я., Ткачук, І. В., Реуцький, М. О., Harford, A., & Жук, С. О. (2024). Розробка математичної моделі магнітної передачі для автономної вітроелектричної установки. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(5 (128), 22–32. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.302008

Номер

Том 2 № 5 (128) (2024): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Mykhailo Kovalenko, Iryna Kovalenko, Ihor Tkachuk, Mykola Reutskyi, Aaron Harford, Serhiy Zhuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.