Разработка и исследование энергетических преобразователей повышенной эффективности для авиакосмической отрасли на основе гибридного магнитопровода из аморфного и прецизионного магнитно-мягкого сплавов

В распределительных сетях электроэнергетических систем, работающих на промышленной частоте 50 Гц широко используются силовые трансформаторы, выполненные из аморфных сплавов. Применение аморфных сталей обеспечивает снижение потерь холостого хода, что, в свою очередь, приводит к экономии электрической энергии, а увеличение массогабаритных показателей на подстанциях не влечет никаких последствий. Основные преимущества аморфного сплава перед электротехническими сталями следующие: низкие удельные потери холостого хода, высокая износостойкость, прямоугольная форма кривой намагничивания, высокая коррозионная стойкость, высокое удельное электрическое сопротивление (ρ = 1 – 1,5 Ом*мм2), низкая коэрцитивная сила (Нс, менее 8 А/м), отсутствие межлистовой изоляции, высокие значения магнитной проницаемости (μн – до 8 000; μmax до 300 000 – 700 000).К недостаткам аморфного сплава следует отнести низкое значение магнитной индукции, что приводит к увеличению массогабаритных показателей ЭП.Основными отечественными производителями аморфных сплавов являются ПАО "Ашинский метзавод" (г. Аша) и ОАО "Мстатор" (г. Боровичи). ПАО "Ашинский метзавод" (г. Аша) выпускают несколько видов аморфных сплавов, в частности сплав 5БДСР, обладающий магнитной индукцией насыщения до 1,3 Т, удельными потерями холостого хода 1,1 Вт/кг при частоте 400 Гц и плотностью материала 7,6 г/см3 и сплав 1СР с магнитной индукцией насыщения 1,5 Т, удельными потерями холостого хода 3,1 Вт/кг при частоте 400 Гц и плотностью материала 7,6 г/см3. ОАО "Мстатор" выпускает аморфный сплав АМАГ 321 с магнитной индукцией насыщения 1,8 Т, удельными потерями холостого хода 6 Вт/кг при частоте 400 Гц и плотностью материала 7,3 г/см3. Недостатком магнитопроводов производства ОАО "Мстатор" является недостаточно развитая технология изготовления, так как магнитопроводы могут быть выполнены только в форме тора, что приводит к увеличению массогабаритных показателей ЭП. Магнитопроводы производства ПАО "Ашинский метзавод" могут быть выполнены витыми трехстержневыми, что значительно снижает массу и размеры. Среди зарубежных производителей аморфных сплавов следует отметить Hitachi Metals, выпускающую сплав Metglas 2605CO с с магнитной индукцией насыщения 1,8 Т, удельными потерями холостого хода 3 Вт/кг при частоте 400 Гц и плотностью материала 7,18 г/см3.Также стоит отметить отечественных исследователей в области применения аморфных сплавов для ЭП: Ю.Н. Стародубцев, В.Я. Белозеров (г. Екатеринбург), Я.Б. Данилевич (ИХС РАН, г. Санкт-Петербург), И.В. Еремин, А.И. Тихонов, Г.В. Попов (ИГЭУ, г. Иваново).В то же время применяется прецизионный магнитно-мягкий сплав (49К2ФА), обладающий магнитной индукцией насыщения не менее 2,35 Т, с высокой точкой температуры Кюри 950°С и высокой магнитострикцией. Магнитно-мягкие прецизионные материалы включают магнитные сплавы, произведенные на основе железа или систем железо-кобальт, железо-никель. Сплавы обладают свойствами ферромагнетика, высокими показателями магнитной проницаемости при небольшой коэрцитивной силе. Намагничивание в сплаве происходит за счет смещения доменных границ. Магнитно-мягкие металлические материалы легко намагничиваются, перемагничиваются и отличаются узкой петлей цикла гистерезиса. Недостатком прецизионного магнитно-мягкого сплава является высокое значение потерь холостого хода (до 80-130 Вт/кг), что снижает эффективность его применения в качестве магнитопровода ЭП.Для оценки целесообразности применения аморфных сплавов в системах электроснабжения летательных аппаратов между АО "Технодинамика" и ФГБОУ ВО "УГАТУ" был заключен и успешно реализован договор № КР 3264-16 от 10.11.2016 г. на выполнение СЧ НИОКР «Создание демонстраторов трансформаторов и дросселей с применением аморфной стали для перспективной системы электроснабжения» (автор проекта выступал ответственным исполнителем работ). В работе были исследованы трансформаторно-выпрямительные устройства, дроссели и уравнительные реакторы, выполненные из различных аморфных сплавов, определены их массогабаритные показатели, потери и произведено их сравнение. На основания исследований были изготовлены базовые конструкции образцов и демонстраторов работы. Результаты проведенных испытаний и теоретических исследований показывают, что использование аморфных сплавов позволяет достигнуть повышение эффективности ЭП и может эффективно применяться в авиакосмической отрасли. При этом масса изделия увеличивается до 15 % (данное увеличение массы может быть скомпенсировано за счет повышения плотности тока в обмотках ЭП), по сравнению со сплавом 49К2ФА, при этом стоимость изделия снижается практически в 2 раза, а удельные потери в магнитопроводе (потери холостого хода) снижаются в 5–6 раз. К тому же, отличительной особенностью системы электроснабжения авиакосмической отрасли является работа электроустановок на частотах 400-800 Гц. Как показали исследования, с увеличением частоты масса ЭП может быть значительно понижена (при увеличении частоты в 2 раза, масса магнитопровода трансформатора снижается в 1,8–1,85 раза). При этом из-за понижения массы, потери возрастают незначительно – до 10 %. Настоящий проект является продолжением работы по повышению эффективности энергетических преобразователей в системах электроснабжения авиакосмической отрасли. Следующим шагом является разработка гибридного магнитопровода с комбинированием свойств аморфного и прецизионного магнитно-мягкого сплавов, что приведет к максимальному использованию высоких значений магнитной индукции прецизионного магнитно-мягкого сплава при работе под нагрузкой и низких потерь холостого хода аморфного сплава. Предполагается выполнить внешнюю часть витого трехстержневого гибридного магнитопровода из аморфного сплава, так как при работе на холостом ходу магнитное поле формируется во внешней части магнитопровода, что приведет к снижению потерь холостого хода. Внутреннюю часть магнитопровода следует выполнить из прецизионного магнитно-мягкого сплава для формирования высокого значения величины магнитной индукции в магнитопроводе ЭП при работе под нагрузкой. Таким образом, использование гибридного магнитопровода на основе аморфного и прецизионного магнитно-мягкого сплавов в ЭП повысит его эффективности при сохранении массогабаритных показателей.ФГБОУ ВО "УГАТУ" владеет всем необходимым для проведения работ оборудованием, в том числе уникальным. В 2015 году ФГБОУ ВО «УГАТУ» совместно с «НПО «Интротест» г. Екатерибург была произведена глубокая модернизация серийной магнитоизмерительной установки МК-4Э, что позволило осуществлять на ней измерение удельных потерь в магнитно-мягких образцах кольцевой формы на частотах перемагничивания до 2000 Гц (на серийной установке возможны измерения только до 400 Гц). Установка прошла сертификацию и поверку (свидетельство о поверке № 166095–0061–26). Заявленная работа будет являться продолжением многолетней работы автора в области энергетических преобразователей. В 2016 году автором была успешно защищена диссертация "Электротехнический комплекс для диагностики и предотвращения перенапряжений с использованием антирезонансного трансформатора напряжения"на соискание ученой степени кандидата технических наук. Также за научные достижения автору проекта в 2014 г. был присужден грант по итогам конкурса научных работ молодых ученых и молодежных научных коллективов по теме «Силовые электромеханические системы с высококоэрцитивными постоянными магнитами» и в 2016 г. был получен грант по итогам конкурса научных работ молодых ученых и молодежных научных коллективов по теме «Исследование, разработка и создание беспазового генератора с магнитопроваодом из аморфного железа для безредукторной вспомогательной силовой установки». Результаты работы автора опубликованы в 37 печатных изданиях, в том числе имеется 2 публикации в изданиях, индексируемых в Scopus по теме исследований:1. Denis V. Gusakov, Flur R. Ismagilov, Lubov" E. Roginskaya, Semen V. Shapiro, Vyacheslav E. Vavilov. Design of High Temperature Six-Phase Starter-Generator Embedded in Aerospace Engine. International Review of Aerospace Engineering (I.RE.AS.E), Vol. 9, N. 6 (2016), Pages: 216-225, DOI: https://doi.org/10.15866/irease.v9i6.10893 (SJR 2015: 1.045, SNIP 2015: 2.094, IPP 2015: 1.038, H Index: 4, Q1).2. Denis Gusakov, Ismagilov Flur, Khayrullin Irek, Vavilov Vyacheslav. High Efficiency Ultra-High Speed Microgenerator. IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Pages: 1670 - 1674, DOI: 10.1109/IECON.2016.7792986 (H index 32).В этих работах рассмотрены электромеханические преобразователи энергии с различными магнитопроводами, в том числе выполненными из аморфной стали. Показано как меняются потери в преобразователях в зависимости от материала, применяемого для изготовления магнитопровода.