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

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.