DEVELOPMENT OF A PERMANENT MAGNET LINEAR GENERATOR FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEMS
Melnikov Roman Alekseevich.
Abstract:
The paper presents the results of the development of a 10 kW permanent magnet linear generator (PMLG) for autonomous power supply systems in remote and isolated territories. A tubular configuration with a moving magnet and a stationary three-phase winding was selected. Electromagnetic, mechanical and thermal calculations were performed. The parameters of the magnetic system (air gap flux density of 0.82 T, NdFeB N42 magnets) and the winding (882 turns per phase, wire cross-section of 4.91 mm²) were determined. A drive concept based on a free-piston Stirling engine with matched parameters (frequency 10 Hz, stroke 100 mm) was developed. Techno-economic analysis showed a reduction in the cost of electricity to 2.9 RUB/kWh and a payback period of less than 1 year when replacing a diesel power plant.
Keywords: permanent magnet linear generator, Stirling engine, autonomous power supply system, free-piston configuration, technical and economic assessment
УДК 621.313
DOI 10.57112/E251-712
Автор: Мельников Роман Алексеевич
Аннотация:
В статье представлены результаты разработки линейного генератора с постоянными магнитами (ЛГПМ) мощностью 10 кВт, предназначенного для автономных систем электроснабжения удалённых и изолированных территорий. Выбрана осевая конструкция с подвижным магнитом и неподвижной трёхфазной обмоткой. Выполнены электромагнитный, механический и тепловой расчёты. Определены параметры магнитной системы (индукция в зазоре 0,82 Тл, магниты NdFeB N42) и обмотки (882 витка в фазе, сечение провода 4,91 мм²). Разработана концепция привода на основе свободнопоршневого двигателя Стирлинга с согласованными параметрами (частота 10 Гц, ход 100 мм). Технико-экономический анализ показал снижение стоимости электроэнергии до 2,9 руб./кВт·ч и срок окупаемости менее 1 года при замене дизельной электростанции.
Ключевые слова: линейный генератор с постоянными магнитами, двигатель Стирлинга, автономная система электроснабжения, свободнопоршневая схема, технико-экономическое обоснование.
Введение
Одной из наиболее острых проблем энергетики Российской Федерации остаётся обеспечение надёжного и экономически доступного электроснабжения удалённых и изолированных территорий ‒ Арктической зоны, Сибири, Дальнего Востока. Стоимость производства электроэнергии в таких зонах в 5–10 раз превышает среднероссийский уровень, причём основная доля затрат (до 70–80%) приходится на логистику органического топлива [1, 2, 9].
Традиционные дизельные электростанции (ДЭС) имеют низкий КПД (особенно при частичных нагрузках), требуют частого обслуживания и создают значительную экологическую нагрузку. Альтернативные решения на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) не гарантируют стабильного энергоснабжения из-за их непостоянной выработки [3, 7].
В этом контексте перспективным направлением являются линейные генераторы с постоянными магнитами (ЛГПМ), осуществляющие прямое преобразование возвратно-поступательного движения в электрическую энергию без промежуточных механизмов. Это позволяет повысить КПД, надёжность и снизить эксплуатационные затраты [4, 5, 10].
Цель исследования ‒ разработка конструкции и методики расчёта ЛГПМ мощностью 10 кВт для автономных систем электроснабжения.
1. Конструктивная схема и методология проектирования
На основе анализа существующих конструкций [5, 8, 13] для проектируемого ЛГПМ выбрана осевая (трубчатая) схема с подвижным постоянным магнитом и неподвижной трёхфазной обмоткой (рисунок 1). Данная схема обладает рядом преимуществ:
- отсутствие токосъёмников на подвижной части ‒ высокая надёжность;
- неподвижные катушки эффективно охлаждаются;
- ремонтопригодность ‒ замена катушек без разборки магнитной системы;
- компактность и высокое использование активных материалов.
Рисунок 1 ‒ Схема осевого линейного генератора с подвижным магнитом
Целевые параметры проектируемого генератора: номинальная мощность ‒ 10 кВт, линейное напряжение ‒ 400 В, частота ‒ 50 Гц, ход подвижной части ‒ 100 мм, частота механических колебаний ‒ 10 Гц, диапазон рабочих температур ‒ от –50 до +40 °C.
2. Электромагнитный расчёт
2.1. Расчёт магнитной системы
Для проектируемого генератора выбраны постоянные магниты на основе сплава неодим-железо-бор (NdFeB) марки N42 со следующими параметрами:
остаточная индукция Br=1,32 Тл, коэрцитивная сила Hc=955. Высота магнита принята hm=15 мм. Радиальный рабочий зазор между магнитом и магнитопроводом составляет δ=2 мм. Расчёт магнитной цепи методом эквивалентной схемы дал следующие результаты:
· магнитный поток в рабочем зазоре: Φδ=0,02975 Вб;
· индукция в зазоре (с учётом коэффициента рассеяния σ=1,2): Bδ=0,82 Тл.
Полученное значение соответствует типичному диапазону для ЛГПМ с магнитами NdFeB (0,7–1,0 Тл) [5].
2.2. Расчёт обмотки
При синусоидальном законе движения амплитуда скорости подвижной части:
Амплитуда ЭДС в одном витке:
Требуемое фазное напряжение (соединение «звезда»):
Число витков в фазе:
Принимаем Nϕ=882 витка (кратно 3). Номинальный фазный ток при cosφ=0,8:
Выбран медный эмалированный провод ПЭТВ-2 сечением SCu=4,91 мм² (диаметр 2,5 мм). Сопротивление фазы при 100 °C: Rϕ=2,35 Ом. Основные параметры обмотки сведены в таблицу 1.
Таблица 1 ‒ Параметры трёхфазной обмотки ЛГПМ
3. Механический расчёт
3.1. Расчёт штока
Максимальная осевая сила (инерция + электромагнитное торможение):
При диаметре штока dшт=40 (сталь 40Х) напряжение сжатия:
Коэффициент запаса по текучести: nт=785/5,87=134. Проверка на продольный изгиб также показала достаточный запас прочности.
3.2. Расчёт возвратных пружин
Жёсткость одной пружины: c=22100 Н/м. Выбрана пружинная сталь 60С2А, диаметр проволоки d=11 мм, средний диаметр D=66 мм, число рабочих витков n=6. Коэффициент запаса по усталостной прочности: nτ=1,69, что достаточно для ресурса 20 000 часов.
3.3. Выбор направляющих втулок
Материал втулок ‒ металлофторопласт АФГМ, длина lвт=150 мм. Расчётный износ за ресурс: U=0,28 мм, что является приемлемым. Итоговые механические параметры сведены в таблицу 2.
Таблица 2 ‒ Итоговые механические параметры ЛГПМ
4. Тепловой расчёт
Потери в меди (при 100 °C):
Потери в стали (электротехническая сталь 3413, масса 120 кг):
Суммарные потери: PΣ=2580 Вт. Для отвода тепла требуется принудительное воздушное охлаждение с оребрённым корпусом площадью не менее 4 м² и
коэффициентом теплоотдачи α ≥ 40 Вт/(м²·К). Расчётная температура обмотки ‒ 185 °C (класс изоляции H).
Полный электромеханический КПД генератора:
Полученное значение ниже целевого (85%), что требует дальнейшей оптимизации: увеличение сечения провода, применение более тонкой стали для магнитопровода, улучшение охлаждения.
5. Концепция привода на основе двигателя Стирлинга
Для привода ЛГПМ выбрана свободнопоршневая схема двигателя Стирлинга, которая обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в возвратно-поступательное движение без промежуточных механизмов [10, 11].
Это позволяет:
- исключить коленчатый вал, шатуны и подшипники качения;
- повысить надёжность и ресурс (до 40 000 часов);
- использовать любые виды топлива (попутный газ, дрова, пеллеты, биомассу).
Ключевым конструктивным элементом свободнопоршневого двигателя Стирлинга является составной вытеснитель со встроенной газовой пружиной
(патент CN105781783B). Вытеснитель состоит из верхнего и нижнего поршней, соединённых стержнем; между поршнями образована герметичная полость, заполненная рабочим газом. При движении вытеснителя газ в полости сжимается или расширяется, создавая возвращающую силу. Такое решение позволяет упростить механические пружины, снизить риск их усталостного разрушения и повысить общий ресурс двигателя до 40 000–50 000 часов [8, 11].
В качестве рабочего тела выбран гелий как оптимальный компромисс между теплопередачей и безопасностью. Согласование параметров двигателя и генератора:
- частота колебаний ‒ 10 Гц;
- ход поршня ‒ 100 мм;
- требуемая механическая мощность на валу ‒ 13,7 кВт;
- средняя сила, развиваемая двигателем ‒ 6840 Н;
- максимальная сила ‒ 10740 Н (что на 46% превышает требуемую для генератора).
6. Технико-экономическое обоснование
Себестоимость изготовления ЛГПМ (опытный образец) составляет 240 000 руб., свободнопоршневого двигателя Стирлинга ‒ 120 000 руб. Полная стоимость установки ‒ 380 000 руб. (с учётом непредвиденных расходов).
Сравнение с традиционными решениями представлено в таблице 3.
Таблица 3 ‒ Сравнение установки ЛГПМ + Стирлинг с альтернативными источниками 
Представленные в таблице 3 данные наглядно демонстрируют, что предлагаемая установка «ЛГПМ + двигатель Стирлинга» занимает промежуточное положение по капитальным затратам между ДЭС и бензиновым генератором, однако кратно превосходит их по эксплуатационным характеристикам. Ключевым преимуществом является многократно более высокий ресурс (20 000–40 000 часов против 500–1 000 у бензинового генератора и 10 000–15 000 у ДЭС), а также возможность работы на любых видах топлива, включая местные ресурсы и попутный газ. Именно эти факторы, а не начальная стоимость оборудования, определяют реальную экономическую эффективность автономных энергоустановок в удалённых территориях.
Важно подчеркнуть, что расчёт стоимости 1 кВт·ч для предлагаемой установки выполнен для наиболее консервативного сценария – с учётом полной амортизации оборудования за расчётный ресурс и ежегодных затрат на техническое обслуживание.
Формула расчёта для автономных систем учитывает амортизацию оборудования, затраты на техническое обслуживание и среднюю годовую наработку. Расчёт выполнен при следующих допущениях: полная амортизация установки за расчётный ресурс (20 000 часов), отсутствие затрат на топливо, годовая наработка – 2 000 часов (что соответствует среднесуточной работе 5–6 часов, типичной для большинства удалённых объектов). Результаты расчёта приведены ниже.
Стоимость 1 кВт·ч рассчитана по формуле:
Годовая экономия при замене ДЭС (30 руб./кВт·ч, 20 000 кВт·ч/год):
Эгод=(30−2,9)⋅20000=542000 руб.
Срок окупаемости: PP=380000/542000=0,7 года (8,5 месяцев).
Заключение
В результате работы разработан линейный генератор с постоянными магнитами мощностью 10 кВт для автономных систем электроснабжения. Основные результаты:
- выбрана осевая конструкция с подвижным магнитом и неподвижной обмоткой;
- выполнены электромагнитный, механический и тепловой расчёты;
- определены параметры магнитной системы (индукция в зазоре 0,82 Тл) и обмотки (882 витка в фазе, сечение 4,91 мм²);
- разработана концепция привода на основе свободнопоршневого двигателя Стирлинга (гелий, 10 Гц, ход 100 мм);
- КПД генератора составляет 73,1%, требуются дальнейшая оптимизация;
- экономические расчёты показали стоимость электроэнергии 2,9 руб./кВт·ч и срок окупаемости менее 1 года.
Разработанная установка может быть рекомендована для энергоснабжения удалённых объектов: фермерских хозяйств, метеостанций, базовых станций связи, объектов нефтегазодобычи, а также частных домовладений.
Список литературы
1. Стратегия энергетической безопасности Российской Федерации (утв. Указом Президента РФ от 13.05.2019 № 216).
2. Энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 09.06.2020 № 1523-р).
3. Бурков А. Т., Казаков Д. А. Автономные гибридные энергетические системы: теория и проектирование. ‒ Новосибирск: Наука, 2020. ‒ 310 с.
4. Сидоров С. П. Перспективы применения линейных генераторов в автономной энергетике // Электротехника. ‒ 2022. ‒ № 5. ‒ С. 12–18.
5. Хрущев А. А., Ильин Е. В. Основы проектирования линейных электрических машин. ‒ Томск: Изд-во ТПУ, 2019. ‒ 175 с.
6. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. ‒ 12-е изд. ‒ СПб.: Питер, 2018. ‒ 840 с.
7. Филимонов А. Б., Стрижков А. С. Анализ эффективности автономных гибридных энергокомплексов на основе ВИЭ и ДЭС в условиях Крайнего Севера // Известия РАН. Энергетика. ‒ 2020. ‒ № 4. ‒ С. 108–120.
8. Патент RU 2687899. Линейный генератор с постоянными магнитами / Иванов А. В., Петров С. И. ‒ Опубл. 20.05.2019.
9. Обзор рынка автономной энергетики России 2021–2025 гг. ‒ М.: Агентство «Энерджинет», 2021. ‒ 65 с.
10. Разуваев А. В. Конструкции и перспективы линейных генераторов для децентрализованной энергетики // Вестник МЭИ. ‒ 2021. ‒ № 6. ‒ С. 56–65.
11. Патент CN105781783B. Составной вытеснитель со встроенной газовой пружиной для свободнопоршневого двигателя Стирлинга.
12. Cawthorne W. R., Famouri P., Clark N. N. et al. Development of a linear alternator-engine for hybrid electric vehicle applications // IEEE Trans. Veh. Technol. ‒ 1999. ‒ Vol. 48, no. 6. ‒ P. 1797–1802.
13. Болоткин Ю. А., Болоткина Н. А. Линейные электрические машины и приводы. ‒ М.: Академия, 2015. ‒ 320 с.
14. ГОСТ Р 52776-2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики.
15. Справочник по электротехническим материалам: в 3 т. / под ред. Ю. В. Корицкого. ‒ 4-е изд. ‒ М.: Энергоатомиздат, 2020. ‒ Т. 2. ‒ 456 с.
Информация об авторах
Мельников Р. А. ‒ студент группы Э-21, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Научный руководитель
Сташко В. И. – к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Ссылка для цитирования
Мельников Р. А. Разработка линейного генератора с постоянными магнитами для автономных систем электроснабжения / Р. А. Мельников // Энерджинет. ‒ 2025. ‒ № 1. ‒ URL: http://nopak.ru/251-712 (дата обращения: 30.06.2025). ‒ Текст: электронный.
