Исследования, разработка и внедрение перспективных электромеханических преобразователей для автономных объектов с гибридной силовой установкой

Одним из перспективных направлений развития транспортных средств (ТС, большегрузных и городских автомобилей, малых транспортных средств (мотоциклов, снегоходов), а также специальной техники (десантных машин пехоты, бронетраспортеров и т.д.), которое позволяет повышение их экологичности, бесшумности и топливной эффективности является использование гибридных силовых установок. Данное направление особенно широко начало развивать в последние несколько лет. Созданы гибридные городские автомобили: Toyta Prius, Lexus RX 400h, Honda Insight, в РФ разработали и испытали боевую колесную машину с гибридной энергоустановкой и электротрансмиссией на базе БТР-90 "Росток", компания "Белаз" выпускает большегрузные автомобили с гибридной силовой установкой (ГСУ) и т.д. Развиваются научные исследования в данном направлении, среди Российских ученых, занимающихся исследованиями ТС с ГСУ можно выделить Александрова И. К., Бахмутова С.В., Б.И.Петленко, Е.И.Сурина, A.А.Ипатова, А.А.Эйдинова, В.Е.Ютт, БB.В.Селифонова, Б.Я.Черняк, Ю.А.Купеев, В.Ф.Кутенев, В.Ф.Каменев, Л.Ю.Лежнев, И.П.Ксеневич, Д.Б.Изосимова и др. Среди зарубежных ученых, активно занимаются исследованиями Slobodan Vukosavić, Diter Gerling, Bianchi N., Gieras J.F., Brown N.L., Massimo Barcaro, Nicola Bianchi, David G. Dorrell, Heinz Schäfer. В тоже время, при всех перспективах использования гибридных транспортных средств и большом объеме исследований в данном направлении остается нерешенным ряд технических и научно-практических вопросов (проблемы низкого КПД, ограниченности времени движения ТС только на электрической энергии (бесшумный режим) и т.д.). Решить данные проблемы, в некоторой степени, позволяет создание электромеханических преобразователей энергии (электродвигателей и электрогенераторов) с максимальным КПД и минимальными массогабаритными показателями, в том числе многофазных электромеханических преобразователей, способных эффективно работать на оптимальной частоте вращения двигателя внутреннего сгорания и их систем управления. Также важной задачей, для решения указанных проблем, является выбор оптимального напряжения в системе электроснабжения ГСУ, оптимального числа фаз электрогенератора и частоты тока, так как значительно влияет и на массу и на эффективность и на стоимость всего ТС. Кроме того, необходимо также решить проблемы повышения емкости и эффективности накопительных элементов (аккумуляторов) ТС. При этом в исследованиях отечественных и зарубежных ученых решение, данных проблем не отраженно, что не позволяет, в полной мере, создания высокоэффективных ТС с ГСУ. В связи с этим возникает научное противоречие: при перспективности использования ТС с ГСУ, отсусвуют теоретические и практические знания, позволяюшие создание высокоэффективных электромеханических преобразователей энергии, позволяющих повышение КПД и энергоемкости ТС с ГСУ, при минимизации их массы и стоимости. Данное научное противоречие лежит в основе решаемой в рамках НИР научно-прикладной проблемы. И для решения данной проблемы необходимо исследовать и разработать перспективные электромеханические преобразователи для автономных объектов с гибридной силовой установкой, что позволит перейти к их дальнейшему практическому созданию и внедрению в промышленность, для повышения эффективности ТС с ГСУ. Авторами в рамках работ по ФЦП и госзаданию были получены фундаментальные научные результаты и новые идеи по проектированию электромеханических преобразователей автономных объектов и использование данных идей и фундаментальных результатов позволит решить выявленную научную проблему. Научная новизна предлагаемого исследования заключается в том, что впервые будут исследованы основополагающие физические процессы электромеханического преобразования энергии, в том числе нестационарные трехмерные электромагнитные и тепловые поля в электромеханических преобразователях энергии (ЭМПЭ) с высококоэрцитивными постоянными магнитами, в том числе многофазных с зубцовой обмоткой, с учетом обеспечения максимальной эффективности всего электротехнического комплекса гибридной силовой установки. На основе исследований будут разработаны конструктивные схемы в электромеханических преобразователей энергии нового поколения для ГСУ с оптимальными геометрическими соотношениями, методики их расчета и проектирования, что позволит перейти в дальнейшем к их практическому созданию. Кроме того, в работе будет произведена оптимизация всей системы электроснабжения ГСУ и выбран оптимальный уровень напряжения и род тока. По результатам работы будут созданы демонстрационные макеты данных ЭМПЭ, которые будут представлены предприятиям производителям ТС с ГСУ. При выполнении НИР авторами будет использован фундаментальный научный задел по проектированию высокоэффективных электромеханических преобразователей энергии автономных объектов, полученный при выполнении научно-исследовательских работ в рамках ФЦП "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года", а также при выполнении проектной части госзадания " Исследования и разработка высокоэффективного энергетического комплекса для повышения энерговооруженности и энергоэффективности космических аппаратов". Также будут использованы методы и компетенции по междисциплинарному моделированию, полученные университетом при выполнении работ по 220 постановлению (Научно-исследовательская лаборатория "Групповой анализ математических моделей естествознания, техники и технологи", руководитель проф. Ибрагимов). Также будет использован практический опыт, полученный при выполнении работ в интересах АО "Русская механика" ( Разработка технической документации на программируемую реверсивную микропроцессорную систему зажигания для снегоходов «Тикси», «Тайга», «Буран»).