- Проектування ліхтарів для зручності велосипедистів
- Моделювання електрогенератора в COMSOL Multiphysics®
- Налаштування моделі в COMSOL Multiphysics®
- Аналіз результатів моделювання
- Додаткові ресурси з розробки на основі моделювання
У даній статті наш запрошений автор Rune Thygesen з компанії Reelight розповість про проектування та розробки електрогенератора для харчування ліхтаря безпеки велосипеда.
У компанії Reelight ми розробляємо доступні ліхтарі для велосипедів, які можна легко устанавить на раму. Крім міцної і гнучкою конструкції кріплення нам треба було розробити нову систему генерації енергії для ліхтаря. За допомогою моделювання ми створили швидку в установці і просту у використанні систему.
Проектування ліхтарів для зручності велосипедистів
Якщо ви коли-небудь були в Копенгагені (Данія), то, швидше за все, ви помічали миготливі вогні, встановлені на багатьох велосипедах. Жителі, активно використовують цей вид транспорту, віддають перевагу саме такі ліхтарі, тому що вони вже прикріплені до велосипеда і їх не можна забути вдома. Як правило, вони продаються вже разом з велосипедом і відразу встановлюються консультантами в магазинах.
У своєму дослідженні з розробки нової системи ліхтаря ми постаралися поєднати легку конструкцію і спрощене кріплення. Під простотою кріплення розуміється установка ліхтаря на велосипед будь-якого розміру і конструкції. Крім того, установка повинна займати менше п'яти хвилин і не вимагати будь-яких додаткових інструментів, крім включеного в набір маленького шестигранного ключа. На малюнку нижче показаний прототип цього пристрою від компанії Reelight. Воно складається всього з двох частин, які дуже просто встановлюються на велосипед.
Ліхтар Reelight з невеликим вбудованим електрогенератором. На спицю колеса монтується невеликий круглий елемент з постійним магнітом, який при кожному повороті колеса призводить ротор в обертання. Сам ліхтар монтується на раму за допомогою двох дротових хомутів.
Цей ліхтарик буде завжди включений і для нього не буде потрібно додаткових джерел живлення. Він механічно Ніяк не з'єднаний з колесом, і тому при їзді не видає дратівливих звуків. У процесі розробки ми створили модель генератора, побудованого на принципі магнітної індукції.
Моделювання електрогенератора в COMSOL Multiphysics®
Основу нашого пристрою становить класична індукційна система. Зазвичай, щоб генерувати достатню потужність, модулі з постійним магнітом повинні були охоплювати більше однієї спиці. У нашому ж пристрої ми хотіли зберегти максимальну зручність для користувача і тому поставили завдання зробити цей модуль розміром на одну спицю. Для цього ми вирішили використовувати найпростіший вид синхронної машини .
Усередині основного модуля встановлено ротор з постійного магніту, який поєднаний з шихтованим сердечником, на який намотана котушка. Ротор приводиться в рух постійним магнітом, який встановлений в модулі, що кріпиться на спицю. Таким чином, механічна енергія передається від колеса велосипеда до ротора, виробляється електрична енергія і ліхтар (світлодіод в ньому) світиться. На наступному малюнку зображено всі компоненти ліхтаря і підписані основні частини генератора.
Різні компоненти розробленої конструкції ліхтаря. Надалі ми будемо розглядати основні складові електромагнітної частини пристрою, а саме - ротор, котушку, сталевий сердечник і постійний магніт.
Принцип дії може здатися досить простим, однак, коли мова заходить про реалізацію і конкретної продукції, все виявляється набагато складніше. Створити універсальний дизайн такого пристрою - непросте завдання, однак її можна вирішити безпосередньо в процесі розробки фізичного прототипу при визначенні доступних технологій і варіюванні основних параметрів. Так як ліхтарик - це невеликий пристрій з малою кількістю деталей, найкращим способом для цього є 3D-друк.
Дана технологія сильно економить час і дозволяє легко верифікувати різні конструкції.
Однак, коли мова заходить про проектування електрогенератора, в т.ч. для ліхтаря велосипеда, розробка прототипів має цілий ряд недоліків. Наприклад, час розробки і виготовлення магнітів може надовго уповільнити весь процес. Використовуючи програмне забезпечення COMSOL Multiphysics® для моделювання електрогенератора, ми значно прискорили цикл розробки. Крім того, моделювання дає нам чітке розуміння того, які частини пристрою коректно працюють, а які - ні. Ми можемо відразу використовувати цю інформацію для поліпшення пристрою, і, як наслідок, процес чисельного дослідження буде займати менше часу, ніж створення фізичних прототипів.
Налаштування моделі в COMSOL Multiphysics®
Не дивлячись на те, що дана система харчування розрахована на велосипед, вона як і раніше є електричною машиною і підпорядковується певним законам. Початок обертання ротора дуже схоже на пуск синхронної машини, що працює на інерційну навантаження. У певних умовах, які залежать від інерції ротора і крутного моменту магніту, ротор може не запуститися, а передана механічна енергія буде близька до нуля.
Так як робочий діапазон швидкостей велосипеда обмежений, для нього можна знайти оптимальне рішення. Однією з головних цілей моделювання є розрахунок початкових характеристик двигуна і його робота на різних швидкостях.
Спростимо геометрію пристрою. На малюнку нижче зображено головні частини двигуна - залізний сердечник, ротор з постійними магнітами і збудливий постійний магніт. Будемо використовувати фізичний інтерфейс Rotating Machinery (що обертається магнітне обладнання) і створимо дві тотожні пари (identity pairs), кожна з яких пов'язана з відповідним обертанням в системі. Швидкість обертання збудливого постійного магніту пропорційна обертанню колеса велосипеда, яка задається на вході, в той час, як швидкість обертання ротора знаходиться на основі рішення системи рівнянь в динаміці.
На малюнку показана спрощена геометрія електричної машини, яка складається з залізного осердя для обмотки котушки, сегмента з постійними магнітами і збудливого магніту (самий правий магніт). Решта геометричні елемекнти використовуються або для завдань ідентичних пар в фізичному інтерфейсі Rotating Machinery, або для контролю та побудови більш точної кінцево-елементної сітки .
Щоб знайти кутову швидкість і кут повороту ротора, за другим законом Ньютона, потрібно знати крутний момент системи і інерцію. Останню можна розрахувати безпосередньо в інтерфейсі, інтегруючи щільність за обсягом ротора. Для цього в вузлі Variables (Змінні) слід додати об'ємний інтеграл. Додатково до моменту інерції додаємо 10% в якості оціночного обліку вала, який явно в даній моделі не заданий.
Вузол Integration, який визначає оператор інтегрування, який використовується потім для знаходження інерції ротора в вузлі Variables.
Магнітний момент розраховується при додаванні опції Force calculation (Розрахунок сили). Це дозволяє нам визначити силу взаємодії між магнітами і протидіє силою. Також можна задати складові крутного моменту, обумовлені демпфуванням в підшипниках і реальним електричним підключенням. Дані настройки зручно проводити в вузлі Global Equations (Глобальні рівняння), де можна визначити сумарний крутний момент і інерцію для розрахунку кута повороту і кутової швидкості.
Щоб спростити модель і не використовувати великі обчислювальні потужності, індуковані струми можна розрахувати, диференціюючи магнітний потік в залізному осерді і примножуючи отриману величину на кількість витків. Така апроксимація тривимірної котушки (наступна з формулювання на основі векторного магнітного потенціалу) дозволяє не розраховувати розтікання струмів в самій котушці, що спрощує модель при незначної втрати точності. Електрична підсистема включення і навантаження реалізована у вигляді простого рівняння в розділі Variables: спочатку знаходиться одержувана потужність на виході зосередженої ланцюга, а потім крутний момент для рівняння обертального руху.
Аналіз результатів моделювання
Якщо в моделі присутні рухомі частини, то для красивого відображення результатів моделювання в COMSOL Multiphysics можна створити анімацію. Анімація - це простий і наочний спосіб легко і красиво візуалізувати результати моделювання, тому радимо вам якомога частіше користуватися цією опцією.
Магнітне поле в котушці і в роторі показано для чотирьох різних моментів часу: t = 0.0 с (зверху зліва), t = 0.025 с (зверху справа), t = 0.050 с (знизу ліворуч), та t = 0.075 с (знизу справа) .
На малюнках показано перетин моделі по центру ротора перпендикулярно осі обертання. Стрілками показано напрямок вектора магнітної індукції B.
Ми також можемо знайти індуковане напруга в котушці і використовувати ці дані для оцінки потужності світлового потоку ліхтаря. Кілька параметрів сильно впливають на цю напругу. Так як головним завданням генератора є стабільна вироблення напруги, ми можемо оптимізувати деякі параметри системи. Залежність індукованого напруги в котушці від часу показана нижче.
Індуковане в котушці статора напруга.
За допомогою даної моделі можна оцінити складові крутять моментів, що є найцікавішою частиною результатів. На графіку нижче можна проаналізувати поведінку кривих моменту при запуску. Загалом, передана механічна енергія перетворюється в електричну, і ліхтарик світить довше і яскравіше.
На малюнку зображені складові крутять моментів від збудливого магніту, демпфірування в підшипниках і в електричній підсистемі.
Розрахунок даної динамічної моделі займає приблизно 30 хвилин. До нього також можна додати кілька параметричних досліджень і далі оптимізувати конструкцію системи. З використанням моделювання ми змогли проаналізувати розподіл магнітної індукції і оптимізувати конструкцію електрогенератора для ліхтаря велосипеда.
Додаткові ресурси з розробки на основі моделювання
Про приглашенном автора
Rune Ryberg Thygesen є інженером-механіком зі ступенем магістра з проектування електромеханічних систем (Aalborg University). Він керує R & D відділом компанії Reelight ApS , Датської компанії, яка займається розробкою автономних ліхтарів велосипедів для вторинного ринку.
