Фундаментальные исследования электромагнитных и тепловых полей высокооборотных электромеханических преобразователей энергии с учетом требований прочности, с целью их многомерной оптимизации

Научной проблемой является расширение и дополнение фундаментальных основ по исследованиям электромагнитных и тепловых полей специальных высокооборотных электромеханических преобразователей энергии с учетом требований прочности с целью многомерной оптимизации их по критериям геометрических параметров, массогабаритных показателей и энергетических характеристик. На современном этапе развития электромашиностроения появилась возможность технологического прорыва, обусловленного созданием электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) и электротехнических комплексов (ЭТК) на их основе, обладающих качественно новыми характеристиками: минимальными массогабаритными показателями, при максимальной мощности, надежности и КПД, высокими и сверхвысокими частотами вращения ротора. Данный прорыв позволит достичь принципиально новых результатов в различных областях промышленности: создание энергоемких генераторов с минимальными массогабаритными показателями мощностью до 250–300 кВт¬ позволит расширить круг задач, решаемых авиационными и космическими летательными аппаратами (ЛА), перейти к практической реализации концепции полностью электрического самолета или к созданию космических буксиров. Разработка высокооборотных электродвигателей с частотами вращения ротора до 250 000– 300 000 об/мин позволит перейти на новый уровень в области обработки поверхностей, расширит возможности исследований в молекулярной физике и т.д. Создание и внедрение в промышленность сверхвысокооборотных микрогенераторов с частотами вращения ротора до 1 000 000 об/мин и мощностью до 1 кВт эффективно решает проблемы электроснабжения автономных потребителей малой мощности, например, беспилотных летательных аппаратов, «комплекта солдат будущего» или летающих мишанех. Поэтому разработка ЭМПЭ, обладающих качественно новыми характеристиками: минимальными массогабаритными показателями, при максимальной мощности, надежности и КПД, высокими и сверхвысокими частотами вращения ротора внесет существенный вклад в развитие промышленности Российской Федерации. Создание высокооборотных ЭМПЭ и ЭТК на их основе, обладающих максимальными энергетическими характеристиками и КПД, при минимальных массогабаритных показателях невозможно осуществить без применения в элементах ЭТК новых активных материалов, обеспечивающих повышение эффективности преобразования энергии и повышающих экономическую рентабельность ЭМПЭ, а также без разработки новых научно обоснованных конструктивных схем ЭМПЭ и концепций построения ЭТК на их основе, без создания методологии проектирования высокооборотных ЭМПЭ и решения задач синтеза и многокритериальной оптимизации геометрических размеров высокооборотных ЭМПЭ. Создание высокооборотных ЭМПЭ и ЭТК на их основе, обладающих максимальными энергетическими характеристиками и КПД, при минимальных массогабаритных показателях невозможно осуществить без применения в элементах ЭТК новых активных материалов, обеспечивающих повышение эффективности преобразования энергии и повышающих экономическую рентабельность ЭМПЭ, а также без разработки новых научно обоснованных конструктивных схем ЭМПЭ и концепций построения ЭТК на их основе, без создания методологии проектирования высокооборотных ЭМПЭ и решения задач синтеза и многокритериальной оптимизации геометрических размеров высокооборотных ЭМПЭ. В последние годы в энергомашиностроении наметилась тенденция широкого применения в ЭМПЭ высококоэрцитивных постоянных магнитов (ВПМ). Применение ВПМ имеет ряд преимуществ для ЭМПЭ, таких как повышение энергетических характеристик по сравнению с прочими ЭМПЭ при одинаковых массогабаритных показателях, отсутствие необходимости во внешних источниках для возбуждения энергии, простота конструкции т.д.. Но несмотря на доказанный практический и экономический эффект от применения в ЭМПЭ ВПМ существующая теоретическая база по ним ограничена и представляет разрозненный материал. В положениях известной теории ЭМПЭ с ВПМ почти не уделяется внимания анализу взаимозависимостей тепловых и электромагнитных полей, хотя известно, что характеристики ВПМ в значительной степени зависят от температурных условий их эксплуатации; задачам защиты ВПМ в составе ЭМПЭ как от воздействия электромагнитных полей, так и от внешних химических воздействий, незначительно освещены вопросы по созданию высокооборотных электромеханических систем с ВПМ, а также вопросы защиты от короткого замыкания ЭМПЭ с ВПМ. Высокоэффективные ЭМПЭ и микроЭМПЭ невозможно получить только за счет применения ВПМ, необходимо также решить проблемы надежности и повышения энергоэффективности подшипниковых узлов ЭМПЭ, вопросы, связанные с минимизацией потерь на гистерезис и вихревые токи в стали статора, обусловленные высокой частотой его перемагничивания, а также задачи минимизации тепловыделений в обмотках, задачи обеспечения механической прочности ротора, подвергающегося воздействию значительных центробежных сил. Решение каждой из указанных проблем, в той или иной степени, известно современному научному и техническому сообществу, например, для минимизации потерь на гистерезис и вихревые токи в стали, в последнее время наметилась тенденция применения аморфного железа. В частности известно применение аморфного железа в трансформаторах и экспериментально доказана его эффективность в них по сравнению с электротехническими сталями. Применение аморфного железа в электрических машинах только развивается и ограничивается несколькими публикациями. Высокая цена и сложность изготовления магнитопроводов из аморфного железа штамповкой заставляет примененять безотходные технологии при производстве, такие как гофрированные или витые магнитопроводы и различные модификации их конструктивных схем. Для решения проблем надежности и энергоэффективности подшипниковых узлов применяются бесконтактные подшипниковые опоры: активные магнитные подшипники, гибридные магнитные подшипники (ГМП) или газовые подшипники, которые исследуются как отдельный ЭМПЭ, и практически не рассматриваются взаимовлияния бесконтактных подшипниковых опор на электрическую машину, конструктивным элементом которой она является. Проблемы повышения надежности обмоток и их изоляции решаются применением новых типов изоляции и систем охлаждения. В последнее время наиболее перспективным является применение нанодиэлектриков или высокотемпературной изоляции. Но в то же время, все эти решения, в том числе и применение ВПМ в ЭМПЭ, развиваются оторвано друг от друга и представляют собой разрозненные части теории ЭМПЭ и ЭТК на их основе, что соответственно ограничивает возможности создания ЭМПЭ, обладающих качественно новыми характеристиками: минимальными массогабаритными показателями, при максимальной мощности, надежности и КПД. Кроме того, для повышения надежности элементов ЭМПЭ необходимо совместно с ним использовать блок защит, в задачи которого должен входить контроль исправного состояния ЭМПЭ по ряду параметров (тепловым характеристикам, величинам тока и напряжения и вибрационному состоянию) и обеспечения защит ЭМПЭ в аварийных режимах работы, а при применении ГМП, также совместно с ЭМПЭ должна использоваться система управления ГМП. Причем для минимизации массогабаритных показателей всего комплекса представляется целесообразным синтез этих двух систем в единую, что также практически не рассматривается в работах отечественных и зарубежных авторов к которым относятся: В.А. Балагурова, Ф.Ф. Галтеева, А.Н. Ледовского, Д.А. Бута, А.И. Бертинова, C. Zwyssig, Abdi B., Saban M.,Bailey C., Borisavljevic A., W. Hofman, Dieter Gerling, Hans-Christian Ланне, A. Binder, T. Schneider и многие другие. Обобщенное применение всех указанных выше технических решений приводит не только к изменению конструктивного облика высокооборотного ЭМПЭ, но и к интеграции в электромеханический преобразователь энергии новых электротехнических устройств (магнитных подшипников и их системы управления, датчиков положения ротора, блока защит и устройств защиты ЭМПЭ при аварийных режимах и т.д.), т. е. современный высокооборотный ЭМПЭ – это совокупность взаимосвязанных электротехнических устройств и изделий, предназначенных для производства или преобразования электрической энергии. Поэтому для разрешения всех указанных выше теоретических и практических противоречий и сложившийся в области исследований научной проблемы для достижения передовых научных результатов необходимо произвести фундаментальные исследования электромагнитных и тепловых полей высокооборотных электромеханических преобразователей энергии с учетом требований прочности, с целью многомерной оптимизации их по критериям геометрических параметров и массогабаритных показателей.