КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-79-20027

НазваниеСоздание высокооборотных и сверхвысокооборотных электромеханических преобразователей энергии средней и малой мощности на гибридном магнитном подвесе для аэрокосмической отрасли

РуководительВавилов Вячеслав Евгеньевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий», Республика Башкортостан

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2017 - 06.2020

Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые словавысокооборотные электромеханические преобразователи энергии; гибридные магнитные подшипники; аморфное железо; высококоэрцитивные постоянные магниты;

Код ГРНТИ45.29.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Электрические машины систем электроснабжения (ЭМСЭ) играют одну из решающих ролей в современной транспортной промышленности в целом и аэрокосмической промышленности в частности. В проекте под высокооборотными электрическими машинами средней мощности понимаются электрические машины с частотой вращения ротора до 90 000 об/мин и мощностью до 250 кВт (могут применяться в системах электроснабжения и системах управления пассажирских и военных летательных и космических аппаратов) и под электрическими машинами малой мощности-сверхвысокооборотные электромеханические преобразователи мощностью до 500 Вт с частотой вращения до 1200000 об/мин (могут применяться в системах электроснабжения и управления спутников, беспилотных летательных аппаратов). Особенно ярко это проявляется при создании новых летательных аппаратов, реализующих концепции полностью электрического и более электрического самолета, например Boeing 787 или F–35. Использование высокоэффективных ЭМСЭ на данных самолетах позволяет значительно повысить их топливную эффективность, энерговооруженность и расширить их функциональные задачи, за счет частичного отказа в том числе, от гидравлических и пневматических систем. Кроме того, в определенной мере повышается надежность летательного аппарата. Очевидно, что при данной постановке проблемы от эффективности ЭМСЭ в этом случае зависит эффективность всего летательного аппарата. Также без высокоэффективных ЭМСЭ практически невозможно создать новые перспективные космические аппараты, например NASA, для повышения эффективности и расширения функциональных возможностей космических аппаратов разрабатывает новые электрогенераторы для спутников. Для реализации программы NASA The Next Generation Launch Technology Program компании Lockheed Martin Aeronautics и Honeywell Aerospace-Torrance создают новые высокоэффективные, высокооборотные ЭМСЭ. Все эти предпосылки формируют значительный рынок высокоэффективных ЭМСЭ для аэрокосмической отрасли, потребности которого возрастают ежегодно, при этом с ростом этих потребностей возрастает конкуренция между производителями ЭМСЭ. Поэтому производителями ЭМСЭ для удовлетворения требований потребителей и достижения устойчивого положения на рынке приходиться решать проблему повышения эффективности ЭМСЭ, которая включает в себя одновременно снижение потерь энергии в ЭМСЭ, увеличении мощности ЭМСЭ, снижение массы и объема занимаемого ими и при этом производителям ЭМСЭ необходимо обеспечивать минимальную стоимость ЭМСЭ. Одним из основных методов решения данной проблемы явилось применение высокооборотных ЭМСЭ с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ). Основным преимуществом данного типа ЭМСЭ является высокая плотность энергии при миниатюрных габаритных, что обуславливает широкие перспективы применения их в автономных системах различного назначения. При всех технических преимуществах высокооборотных ЭМСЭ, данная область электромеханики начала развиваться сравнительно недавно . Развитию данной области способствовало появление новых электротехнических материалов, материалов обеспечивающих механическую прочность ротора и развитие микроэлектроники. Поэтому теоретические исследования по данной теме ограниченны и представляют собой разрозненный материал, описывающий отдельные конструктивные решения по высокоборотным и сверхвысокооборотным ЭМСЭ для определённой области применения, а также поиска наиболее эффективных конструктивных схем. Так в работах Haneywell (Evgeni Ganev Selecting the Best Electric Machines for Electrical Power Generation Systems// IEEE Electrication Magazine. December 2014) доказана, что наиболее эффективным типом подобных электромеханических преобразователей энергии являются беспазовые ЭМСЭ. При этом авторами заявки в результате экспериментальных исследований, показано, что наиболее эффективно с технологической и конструктивной точек зрения является выполнение подобных ЭМСЭ с витым магнитопроводом из аморфного железа (результаты исследований приведены в дополнительной информации к проекту). Так как данные ЭМСЭ обладают минимальными массогабаритными показателями, при максимальном КПД и надежности. В тоже время,уточнений общей теории, позволяющей перейти к промышленному освоению подобных ЭМСЭ, которая бы включала в себя и обобщенную математическую модель, позволяющее одновременное исследование механических, электромагнитных процессов и динамики ротора, верифицированной экспериментально, методологий расчета, а также методов, позволяющих синтез оптимальных конструктивных схем подобных ЭМСЭ на данный момент не сформулировано (некоторые попытки решения данной научной проблемы для сверхвысокооборотных ЭМСЭ были сделаны в работах C. Zwyssig, J.W. Kolar, но в данных работах описание ограничивается компьютерным моделированием и рядом известных уравнений. Задачами исследований высокооборотных ЭМСЭ также активно занимаются и занимались В. А. Балагурова, А. Н. Ледовский, Д. А. Бут, А. Б. Захаренко, Я. Б. Данилевича, В. Я. Гечи, И. Ю. Кручининой, Б. С. Зечихина, А. М. Сугробова, Русаков М.Ю. J. R. Hendershot, T. J. E Miller, A. Binder, T. Schneider, но общей теории с оценкой эффективности различных материалов в работах данных авторов также не приведено).То есть общей теории создании высокооборотных ЭМСЭ нет, также не решены частные задачи создания подобных ЭМСЭ: проблемы трения в подшипниковых опорах, повышения эффективности их систем охлаждения, обеспечение механической прочности и высоких критических частот ротора. Все это значительно ограничивает создание столь необходимых авиационной промышленности высокооборотных и высокооборотных ЭМСЭ и выдвигает тем самым такую научную проблему, как противоречие между потребностью промышленности в уникальных высокооборотных ЭМСЭ с максимальной плотностью энергии и максимальным КПД, при минимальных массогабаритных показателях и отсутствием научно-обоснованных подходов и общей теории их создания, а также невозможности использования известной теории электрических машин, для создания подобных ЭМСЭ, так как в известной теории не предусматривается синтез механических, тепловых и электромагнитных расчетов, что крайне важно для создания высокооборотных ЭМСЭ, не рассматриваются потери при высоких частотах. То есть возникает научное противоречие: невозможность применения известной теории, описывающей процессы в электромеханических преобразователях для создания высокооборотных и сверхвысокоборотных перспективных электромеханических преобразователей энергии. И именно обобщенное решение данной научной проблемы путем создания обобщенной теория высокооборотных электромеханических преобразователей энергии, в том числе с магнитопроводом из аморфной стали будет являться основной задачей данного исследования, которая решается впервые в мировом научном сообществе. Научной новизной проекта является то, что будут решены задачи многокритериальной оптимизации подобных ЭМСЭ с использованием эволюционных алгоритмов. Проблема трения в высокооборотных ЭМСЭ в данной работе решается за счет использования гибридных магнитных подшипников. Впервые будет создана обобщенная математическая модель, позволяющее одновременное исследование механических, электромагнитных процессов и динамики ротора, верифицированной экспериментально, методологий расчета, а также методов, позволяющих синтез оптимальных конструктивных схем подобных ЭМСЭ. Кроме того, впервые будут проведены исследования эффективности применения аморфных сплавов в ЭМСЭ, и разработана технология формирования сердечников из них. В основном известны только применения для трансформаторов. В рамках проекта планируется создать экспериментальный макет сверхвысокоборотный электромеханический преобразователь энергии мощностью 100-130 Вт с частотой вращения ротора 1200000 об/мин. В дополнительной документации к проекту представлены исследования авторов, в том числе экспериментальные доказывающие возможность создания таких электрических машин. Данные электрические машины могут активно использоваться в системах электроснабжения беспилотных авиационных и космических аппаратов (спутников) Решение поставленной фундаментальной научной проблемы позволит обеспечить создание новой отечественной техники гражданского применения, превосходящей по своим техническим характеристикам мировые аналоги. Это позволит РФ быть конкурентоспособной на рынке гражданской авиации и энергомашиностроения, в том числе полученные результаты могут быть использованы при создании дальнемагистральных летательных аппаратов нового поколения, полностью электрических самолетов, а также высокоэффективных беспилотных летательных аппаратов. Это позволит привлечь в экономику РФ инвестиции, в том числе и Азиатских стран (Индии, Китая), и, как следствие всего этого, увеличить количество рабочих мест на предприятиях, подняв тем самым уровень жизни населения.

Ожидаемые результаты
По результатам работы планируется написание 12 работ, индексируемых в БД Scopus и Web of Science (журналы IREASE (Q1), IREE (Q2), PIER (Q2), IEEE Transactions on Magnetics (Q1)) и 20 работ в Российских рецензируемых журналах (Известия ВУЗов. Электромеханика, Авиационное приборостроение, Электротехника, Известия ВУЗов. Авиационная техника. Известия РАН. Теория и системы управления) и 1 монографии. Планируется создание трех макетных образцов для экспериментальных исследований с различными типами обмоток и с различными типами магнитных систем ротора. Также результатами проекта являются: -трехмерная компьютерная модель, позволяющая осуществлять фундаментальные исследования основополагающих физических процессов электромеханического преобразования энергии и особенностей этих процессов при частотах вращения ротора. Будет проведена экспериментальная верификация разработанной компьютерной модели. – классификация высокооборотных и сверхвысокооборотных ЭМСЭ; - Результаты численного исследования процессов в высокооборотных ЭМСЭ, и определенные на основе их физические закономерности в ЭМСЭ данного типа. Особое внимание будет уделено анализу и оптимизации аэродинамических потерь, потерь в бандажной оболочки ротора и постоянных магнитах на вихревые токи, потерям в магнитопроводе статора - Результаты экспериментальных исследований свойств различных активных материалов при высоких частотах и научно-обоснованная оценка возможности использования данных материалов в высокотемпературных электромеханических преобразователях энергии. - Математическая модель, описывающая основополагающие физических процессы беспазового электромеханического преобразования энергии при частотах вращения до 1200 000 об/мин. будет проведена экспериментальная проверка разработанной компьютерной модели; - Три демонстрационных макета беспазовых ЭМСЭ с магнитопроводами из аморфного железа, а также результаты их экспериментальных исследований; В рамках проекта планируется создать экспериментальный макет сверхвысокоборотный электромеханический преобразователь энергии мощностью 100-130 Вт с частотой вращения ротора 1200000 об/мин. В дополнительной документации к проекту представлены исследования авторов, в том числе экспериментальные доказывающие возможность создания таких электрических машин. - Методология проектирования сверхвысокооборотных электромеханических преобразователей энергии и результаты расчетов демонстрационного макета для экспериментальной верификации разработанных математических и компьютерных моделей. - Конструкторская документация с литерой "Э" и технические требования к экспериментальному макету для верификации разработанной математической модели. – Новые научно–обоснованные конструктивные схемы высокооборотных, беспазовых ЭМСЭ, планируется подача не менее 3 патентов РФ на изобретения. - требования к активным материалам сверхвысокооборотных ЭМСЭ - Результаты многомерной оптимизации (с учетом электромагнитных, механических, тепловых свойств, а также роторной динамики) магнитной системы ротора сверхвысокооборотных ЭМСЭ электромеханических преобразователей энергии с помощью генетических алгоритмов и метода Парето - оригинальный способ управления положением ротора ЭМСЭ с гибридными магнитными подшипниками - математическая модель, позволяющая осуществлять исследования оригинального способа управления положением ротора - Анализ применимость различных составов хладагентов для использования в сверхвысокооборотных ЭМСЭ и эффективности их схем охлаждения. - методика экспериментальных исследований и методики верификации математической модели, разработанной на первом году исследований - Программа и методика испытаний демонстрационного макета - Анализ расхождения экспериментальных данных с данными компьютерного и математического моделирования - Рекомендации по технологическому освоению производства, с учетом особенностей предприятий РФ, высокооборотных электромеханических преобразователей энергии - Технология изготовления сердечников электрических машин из аморфного железа

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---