Проект реализуется в рамках программы "ПРИОРИТЕТ 2030".
Достижение поставленной цели проекта будет осуществляться путём реализации научных тематик, соответствующих направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (Указ Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»). Финансирование научных тематик будет осуществляться за счёт привлечённого внебюджетного и бюджетного финансирования, в том числе средств гранта в форме субсидии из федерального бюджета, предоставленного на оказание поддержки Программы развития УрФУ на 2021-2030 гг. в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Постановление Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 года № 729), которые будут направлены на реализацию научной тематики «Одноименнополюсные синхронные машины с ферритовыми магнитами», прошедшей конкурсный отбор.
Описание реализуемой за счёт средств ПСАЛ «Приоритет 2030» научной тематики «Одноименнополюсные синхронные машины с ферритовыми магнитами»:
Тематика посвящена разработке конструкции и улучшению характеристик бесщеточных одноименнополюсных синхронных электрических машин для применения в тяговом электроприводе и ряде других приложений.
В большинстве тяговых приводов метро, железнодорожных локомотивов, троллейбусов, трамваев, электро- и гибридных автобусов, карьерных самосвалов используется асинхронные двигатели (АД). Однако тяговые приводы с асинхронными машинами имеют следующие недостатки: 1) Большие потери в роторе и нагрев ротора; 2) Массогабаритные характеристики хуже, чем у синхронных машин с редкоземельными магнитами; 3) Требуемая мощность инвертора существенно превышает механическую мощность при большом диапазоне скоростей (моментов) при постоянстве мощности, что приводит к удорожанию инвертора.
Альтернативой тяговым АД являются синхронные машины с редкоземельными магнитами, однако их широкому применению в электротранспорте мешают следующие факторы: 1) Наличие в конструкции дорогостоящих редкоземельных магнитов; 2) При использовании редкоземельных магнитов в производстве электрической машины возникает технологическая зависимость от поставщиков редкоземельных элементов из Китая; 3) Добыча редкоземельных элементов, необходимых для производства редкоземельных магнитов, наносит большой вред окружающей среде.
Чтобы снизить требуемую мощность инвертора и его стоимость, а также увеличить КПД в широком диапазоне скоростей и моментов, по сравнению с асинхронным приводом, ведущие зарубежные производители BMW (см. патент BMW DE102018213567) и Renault (https://doi.org/10.1109/OPTIM-ACEMP50812.2021.9590075) разработали для своих электромобилей синхронные двигатели без магнитов и с обмоткой возбуждения (далее используется термин «СМсОВ») на роторе. Снижение требуемой мощности инвертора обеспечивается возможностью управления магнитный потоком возбуждения в СМсОВ. Однако в электрических машинах BMW и Renault используются скользящий контакт (контактные кольца) для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе, что снижает надежность машины.
Поэтому актуальной является задача разработки новых электрических машин без редкоземельных магнитов с обмоткой возбуждения с повышенным КПД и ресурсом работы, по сравнению с электрическими машинами BMW и Renault. Добиться повышения ресурса работы можно путем применения высоконадежных одноименнополюсных синхронных машин с обмоткой возбуждения на статоре и зубчатым ротором (далее «ОСМ») без магнитов. В таких ОСМ нет скользящих контактов, так как обмотка возбуждения размещена на статоре, поэтому машина обладает высокой надежностью. Такие машины активно применяются как высоконадежные подвагонные генераторы поездов дальнего следования, генераторы для тракторов, генераторы воздушных и морских судов и как сварочные генераторы. В некоторых недавних работах Московского энергетического института и лаборатории электрических машин Уральского федерального университета предложено использовать ОСМ в качестве тягового электродвигателя (двигатель для карьерного самосвала БелАЗ 75570, двигатель для поездов метро). Преимущества тяговых ОСМ, по сравнению с СМсОВ: 1) Предельно простой и надежный зубчатый ротор. На роторе нет обмотки возбуждения и нет скользящего контакта; 2) В зубчатом роторе присутствуют только потери в стали от высших гармоник магнитного поля, которые более чем на порядок меньше, чем потери в обмотке возбуждения на роторе СМсОВ. Поэтому практически отсутствует нагрев ротора; 3) Обмотка возбуждения состоит из катушек кольцеобразной формы. Для создания нескольких полюсов не требуется увеличивать число катушек обмотки возбуждения, уменьшать их шаг и, следовательно, уменьшать магнитодвижущую силу возбуждения при том же токе возбуждения; Однако есть и недостатки ОСМ в сравнении с СМсОВ: массогабаритные характеристики ОСМ хуже, чем у СМсОВ, т.к. каждый зубец ротора покрывает примерно полюсное деление (примерно половина поверхности ротора не используется).
В данном проекте предлагается усовершенствовать конструкцию ОСМ с обмоткой возбуждения на статоре путем добавления дешевых ферритовых магнитов между зубцами ротора. В отличие от ОСМ без магнитов, в ОСМ с ферритовыми магнитами лучше используется поверхность ротора, что приведет к увеличению КПД, уменьшению мощности и стоимости инвертора, улучшению массогабаритных характеристик, при сохранении достоинств традиционных ОСМ.
Применение одноименнополюсной синхронной машины (ОСМ) с обмоткой возбуждения на статоре и ферритовыми магнитами между зубцов ротора взамен тяговых асинхронных двигателей позволит решить следующие практически значимые и актуальные задачи: 1) Снизить требуемую мощность инвертора и его стоимость; 2) Повысить КПД в широком диапазоне скоростей и моментов.
Применение тяговых ОСМ с ферритовыми магнитами взамен тяговых синхронных машин с редкоземельными магнитами позволит решить следующие практически значимые и масштабные проблемы: 1) Снизить стоимость машины; 2) Исключить технологическую зависимость от поставщиков редкоземельных элементов из Китая; 3) Снизить экологический ущерб, который возникает при добыче редкоземельных элементов для магнитов.
Применение тяговых ОСМ с ферритовыми магнитами взамен тяговых синхронных машин обмоткой возбуждения (электроприводы как у BMW и Renault) с контактными кольцами на роторе позволит решить следующие значимые и актуальные задачи: 1) Повысить надежность машины за счет исключения контактных колец, подающих возбуждение в ротор; 2) Снизить потери и нагрев ротора.
План работ на 2022-2024 годы:
Работы на 2022 год (1-й год выполнения проекта):
1) Разработка новой конструкции бесщеточной одноименнополюсной синхронной машины (ОСМ) с обмоткой возбуждения на статоре и ферритовыми магнитами между зубцов ротора (далее ФМОСМ);
2) Составление заявки на РИД, в которой описывается новая конструкция ФМОСМ;
3) Разработка методики математического моделирования электромагнитных процессов в ФМОСМ;
4) Разработка методики оптимального проектирования ФМОСМ на основе разработанной методики математического моделирования электромагнитных процессов и однокритериального алгоритма оптимизации (например, алгоритма Нелдера-Мида);
5) Проведение теоретического сопоставления ФМОСМ с одноименнополюсной синхронной машиной (ОСМ) без постоянных магнитов.
Работы на 2023 год (2-й год выполнения проекта):
1) Разработка методики математического моделирования вентиляционных и тепловых процессов в ФМОСМ;
2) Разработка усовершенствованной методики оптимального проектирования ФМОСМ для различных приложений на основе разработанных методик математического моделирования и однокритериального алгоритма оптимизации (например, алгоритма Нелдера-Мида);
3) Проведение теоретического исследования характеристик ФМОСМ в различных областях применения для выявления наиболее перспективных приложений;
4) Проведение теоретического сопоставления электропривода на основе ФМОСМ с основными конкурирующими решениями, например, с электроприводами на основе ОСМ без постоянных магнитов, ОСМ с редкоземельными магнитами, синхронной машины с обмоткой возбуждения на роторе и синхронной машины с редкоземельными магнитами;
5) Составление одной заявки на РИД по одному из ключевых элементов электропривода на базе ФМОСМ.
Работы на 2024 год (3-й год выполнения проекта):
1) Разработка усовершенствованной методики оптимального проектирования ФМОСМ для различных приложений на основе разработанных методик математического моделирования и многокритериального алгоритма оптимизации (например, генетического алгоритма);
2) Выполнение теоретической разработки алгоритма управления ФМОСМ без датчика положения ротора;
3) Проведение теоретического сопоставления электропривода на основе ФМОСМ с основными конкурирующими решениями, например, с электроприводами на основе синхронной реактивной машины и асинхронной машины;
4) Проведение теоретического исследования характеристик ФМОСМ в наиболее перспективных приложениях;
5) Составление одной заявки на РИД по одному из ключевых элементов электропривода на базе ФМОСМ.
Для выполнения поставленной цели используются методы математического анализа, в том числе аналитические методы расчета, метод конечных элементов, методы оптимального поиска, методы численного решения нелинейных и обыкновенных дифференциальных уравнений. Инструменты и результаты теоретического анализа верифицируются ранее проведенными экспериментальными исследованиями электрических машин различного типа.
Тема данного проекта является развитием многолетних исследований, проводимых в лаборатории электрических машин УрФУ, и посвящена разработке новой конструкции ОСМ с ферритовыми магнитами и созданию методик для оптимального проектирования и управления для этой машины.
Коллектив Научного центра компетенций руководствуется в своей работе Положением о научных центрах компетенций СМК-ПВД-7-01-287-2022, введённым в действие приказом №439/03 от 04.05.2022.