Разработка нового метода оптимального проектирования и предсказание свойств электромеханических преобразователей энергии на основе генетических и эволюционных алгоритмов

Создание новых перспективных электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) с уникальными характеристиками (в том числе минимальными массогабаритными показателями) и функциональными возможностями является одним из перспективных направлений развития различных отраслей промышленности. Так, 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 физики и т.д. Создание и внедрение в промышленность сверхвысокооборотных микро генераторов 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, воздушных мишеней или «комплекта солдат будущего». 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, а также позволит решить масштабную задачу импортозамещения в аэрокосмической отрасли, децентрализованной энергетике, кораблестроении, станкостроении и т.д. При этом процесс создания новых перспективных ЭМПЭ требует решения следующих задач: – разработку новых конструктивных схем ЭМПЭ, методов их расчета и проектирования; – разработку и применение новых материалов с недостижимыми ранее свойствами; – использование методов и алгоритмов рационального выбора геометрических размеров активной зоны ЭМПЭ (исходя из цены, полноты использования свойств этих материалов, а также энергетических характеристик); – прогнозирование дальнейшего перспективного развития ЭМПЭ и получения определенных параметров при определённых, возможно достижимых в будущем свойствах материалов. Обычно все эти задачи решаются различными, несвязанными друг с другом подходами. Изначально разрабатывается конструктивная схема ЭМПЭ, которая считается наиболее рациональной, по сравнению с другими конкурентными решениями, исходя из каких–либо критериев (в основном используются критерии надежности, технологичности, цены, минимальных массогабаритных показателей при максимальной мощности, максимального КПД). После чего происходит расчёт параметров данной конструктивной схемы ЭМПЭ по известным методикам, а также с применением современных программных продуктов и методами FEMM, при этом закладываются свойства используемых материалов. В случае необходимости, производят численную оптимизацию геометрических размеров ЭМПЭ и корректировку рассчитанных размеров. Такой подход, обуславливает необходимость использовании при создании новых перспективных ЭМПЭ значительных ресурсов, приводит к неэффективному использованию всех свойств материалов, не позволяет на стадии разработки ЭМПЭ выявить наиболее оптимальный вариант их конструктивной схемы из всего многообразия известных конструктивных схем ЭМПЭ и их модификаций, а также не позволяет прогнозировать развитие ЭМПЭ и формулировать на основе этого прогноза требований к материалам, конструктивным узлам ЭМПЭ. Кроме того, традиционный подход не позволяет учитывать, в полной мере, многодисциплинарность процесса проектирования и создания ЭМПЭ (необходимо учитывать тепловые и механические взаимовлияния на электромагнитные характеристики ЭМПЭ). Поэтому целью данной работы является создание нового алгоритма оптимального проектирования ЭМПЭ, который может быть использован при оптимальном проектировании и конструирование любых типов ЭМПЭ, предсказании и прогнозировании их свойств, позволит осуществлять конкурентное сравнение различных типов оптимальных ЭМПЭ.