Исследования новых физических процессов в двухфазных ферромагнитных материалах и разработка на их основе электромеханических преобразователей энергии нового поколения

Общемировые экономические и экологические проблемы, связанные с повышением энергоэффективности и энерговооруженности автономных объектов (АО) в целом и авиационных, космических, железнодорожных, автомобильных транспортных систем (ТС) в особенности, а также вопросы повышения тактико-технических характеристик ТС до границ физических возможностей, обеспечение их энергоэффективности становятся на современном этапе развития науки и техники первоочередными задачами, разрешение которых обеспечит масштабное развитие всех отраслей промышленности, повышение обороноспособности РФ и развитие экономики РФ за счет создания новых инновационных продуктов с широкой возможностью экспорта, по свои характеристикам качественно превышающим зарубежные аналоги. Для повышения энерговооруженности, энергоэффективности ТС в условиях конкуренции между корпорациями, а также требования по минимальным срокам создания новых ТС необходимо обеспечить повышение мощности системы генерирования электроэнергии (СГЭ) при минимизации массогабаритных показателей СГЭ, увеличении его КПД и повышении надежности и при этом минимизировать временные и материальные затраты на создание подобных СГЭ, а также обеспечить энергоэффективность и высокую удельную мощность электродвигателей ТС, как основного потребителя электроэнергии на борту ТС. Для реализации всех требований к перспективным СГЭ ТС и их электродвигателям (далее ЭД) очевидно, что необходимо создавать электрические машины (ЭМ) (как электрогенераторы, так и электродвигатели) нового поколения, которые будут обладать минимальными массогабаритными показателями, максимальной надежностью при максимальной мощности и КПД. Тенденции последних лет показывают, что наибольшую эффективность для использования в ТС как в качестве источника питания, так и в качестве потребителя электроэнергии приобретают ЭМ с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ). Эффективность применения ЭМ с ВПМ в ТС обусловлена тем, что они позволяют получать максимум электрической мощности при минимальной массе электрической машины и достигнуть удельной массы на уровне 0,15–0,2 кг/кВт. ЭМ с ВПМ полностью автономны, и не требуют дополнительной энергии на возбуждение и обладают при этом максимальным коэффициентом полезного действия. При этом, у ЭМ с ВПМ существует ряд сложных технических и научных недостатков, которые ограничивают их эффективное использование в транспортной отрасли: – высокая стоимость ВПМ, что увеличивает стоимость ЭМ с ВПМ, по сравнению с другими конкурирующими вариантами; – надежность и отказобезопасность ЭМ с ВПМ при витковых коротких замыканиях. В ЭМ с электромагнитным возбуждением при возникновении виткового короткого замыкания, происходит сброс возбуждения, в ЭМ с ВПМ сброс магнитного поля не возможен. Поэтому в них применяется только блокировка фазы, при условии многофазности ЭМ. Данные методы были предложены и развиты научным коллективом, выполняющим данный проект в работе . Эти масштабные проблемы ЭМ с ВПМ нашим исследовательским коллективом предлагается решить благодаря новой концепции построения конструктивных схем статоров и роторов ЭМ с ВПМ за счет использования двухфазного ферромагнитного материала. Двухфазный ферромагнитный материал был создан корпораций General Electric Company в 2017 году (патент US 9,634,549 B2 DUAL PHASE MAGNETIC MATERIAL COMPONENT AND METHOD OF FORMING). Совместно с АО «Ашинский металлургический комбинат» ФГБОУ ВО УГАТУ также была произведено создание подобного материала. Особенностью данного материала является чередование магнитопроводящих и магнито не проводящих зон. Это позволит значительно снизить стоимость роторов ЭМ с ВПМ за счет обеспечения более простой формы используемых ВПМ. Но самое главное преимущество двухфазного материала, заключается в возможности формирования магнитной развязки фаз. Традиционно отказоустойчивость обеспечивается благодаря термической, гальванической и магнитной развязке фаз и выполнению ЭМ многофазной. При этом для обеспечения магнитной развязки фаз до настоящего времени не найдено действенного способа. В данном проекте, впервые в мировой практике предлагается для обеспечения магнитной развязки фаз использовать двухфазный ферромагнитный материал. В рамках настоящего проекта коллективом исследователей ФГБОУ ВО «УГАТУ» планируется создать на основе данного материала впервые в мировой практике экспериментальный образец ЭМ с ВПМ с высокими энергетическими характеристиками и функцией отказоустойчивости, при минимальной стоимости и на основе его исследований создать обобщенную теорию и концептуальные подходы к проектированию и разработке и создании подобных электрических машин для нужд транспортной отрасли РФ. Создание подобных ЭМ обеспечит значительное развитие транспортной отрасли РФ, позволит повысить энергоэффективность и топливную эффективность транспортных средств, минимизировать выбросы углекислого газа в окружающую среду. В рамках реализации проекта решены научные задачи: 1. Разработана концепция использования двухфазного ферромагнитного материала в синхронных генераторах и электродвигателях с высококоэрцитивными постоянными магнитами и индукторных электрических машинах. 2. Созданы обобщенные математических и компьютерные модели синхронных генераторов и электродвигателей с магнитопроводом статора из двухфазного ферромагнитного материала. 3. Проведены их теоретические исследования, новые закономерности и численные зависимости, сформированы методологического обеспечения проектирования подобных электрических машин. 4. Проведены экспериментальные исследования двухфазного ферромагнитного материала при различных внешних воздействующих факторах с целью поиска оптимальных соотношений состава и технологии обработки для обеспечения максимальной отказоустойчивости синхронных электрогенераторов и электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами. Экспериментальные исследования удельных потерь, механической прочности и электромагнитных свойств двухфазного ферромагнитного материала.