В Уфе создали алгоритм для разработки сверхвысокоскоростных электродвигателей

Исследователи из Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) разработали алгоритм, который позволяет создавать электродвигатели, делающие больше миллиона оборотов в минуту. Они пригодятся для повышения точности обработки металлов, пластмасс и композитов, а также создания миниатюрных медицинских инструментов и станков для производства микроэлектроники. Алгоритм уже прошел экспериментальную проверку на небольшом опытном двигателе. Соответствующая статья опубликована в IEEE Transactions on Energy Conversion. Проектирование сложных изделий с предельно высокими параметрами сегодня уже не ведется методом проб и ошибок, как в XIX и значительной части XX веков. Для этого сперва строят математическую модель работы двигателя, а потом проверяют — будет ли она работать при планируемых для его изготовления материалах и узлах, или их нужно поменять и только тогда агрегат «заработает». Хотя модели редко совпадают с реальностью на 100 процентов, они позволяют отсечь подавляющее большинство вариантов решения проблемы и заметно сэкономить время и средства на создание конечного изделия. Однако и моделей есть свои ограничения. Большинство из них основано на алгоритмах, учитывающих лишь одну сторону работы нового устройства — например, тепловые нагрузки или эффект от механического износа при работе машины или механизма. В то же время в реальных системах, особенно высоко нагруженных при работе, износ сочетается с нагревом, а в случае скоростных электродвигателей — еще и с мощным электромагнитным воздействием. Авторы новой работы впервые в мире предложили такой алгоритм проектирования электрических механизмов, в котором учитываются одновременно тепловые, электромагнитные и механические эффекты для сверхвысокооборотных электродвигателей. Он способен рассчитать работу «движков», со скоростью вращения до 1 200 000 оборотов в минуту (20 000 оборотов в секунду). На сегодня подобные двигатели имеют скорость вращения не выше миллиона оборотов в минуту. Этой величины в ряде случаев уже не хватает — миниатюрные станки для изготовления микроэлектроники часто требуют создания очень малых по размеру отверстий, а чем выше частота вращения электродвигателей, тем более мелкие отверстия сможет создать оснащенное ими устройство. Сам алгоритм включает восемь шагов. На первом определяются начальные параметры будущего двигателя, такие как мощность, частота оборотов, размеры, материалы основных элементов и так далее. На следующих шагах подбираются компоненты электрической машины — подшипники и система охлаждения. Параллельно контролируется сохранение КПД устройства с учетом тепловых, механических и электромагнитных эффектов. Алгоритм, по словам его создателей, стал первым в мировой практике примером междисциплинарного подхода в проектировании электродвигателей. За счет этого удается получить полное физическое описание машины еще до ее создания. Чтобы проверить, насколько точно уфимская модель описывает электромоторы, авторы построили по ее предсказаниям двигатель с частотой вращения в 500 000 оборотов в минуту. Оказалось, что алгоритм предсказал все его параметры с отклонением не более 7% (для большинства параметров — заметно меньше). В дальнейшем ученые планируют проводить аналогичные эксперименты, постепенно увеличивая частоту вращения двигателя вплоть до 1 200 000 оборотов в минуту. Уже сейчас алгоритм с полным описанием такого двигателя указывает, что для его конструкции лучше всего подойдут газодинамические и магнитные подшипники. При их использовании ротор отделяется от неподвижной части машины прослойкой сжатого воздуха (газодинамический подшипник) или магнитной подушкой. Оба типа подшипников обеспечивают низкие потери на трение, что позволит удержать КПД не ниже 80%. В качестве материала ротора (основного вращающегося элемента мотора) выбран мощный магнит из сплава самария и кобальта. Он сможет обеспечить работу двигателя при температуре до 250 °C (такая высокая рабочая температура неизбежна для столь «быстрого» мотора). Для охлаждения двигателя, согласно алгоритму, оптимальнее всего подходит комбинированный метод, когда избыточное тепло от ротора отводится с помощью обмотки (электромагнитная катушка), а сама обмотка при этом охлаждается тонкой водяной «рубашкой».