Российские ученые разработали алгоритм, который позволяет создавать электрические машины со сверхвысокой частотой вращения. Такие двигатели нужны, например, для того, чтобы повысить точность обработки металлов, пластмасс и композитных материалов, создавать медицинские инструменты и миниатюрные станки для микроэлектроники, конструировать беспилотные летательные аппараты с газовыми микротурбинами. Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transactions on Energy Conversion. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

Сотрудники Уфимского государственного авиационного технического университета представили новую теоретическую разработку, которая описывает методику создания сверхвысокооборотных электродвигателей. Они предложили алгоритм проектирования электрических машин, в которых учитываются одновременно тепловые, электромагнитные и механические эффекты для сверхвысокооборотных электрических машин. Такая технология позволяет создавать электродвигатели с частотой вращения до 1 200 000 оборотов в минуту. Для сравнения: скорость вращения современных ультразвуковых бормашин – 800 000 оборотов в минуту, а наибольшая известная частота вращения не превышает 1 000 000.

«Существующие технологии позволяют достигнуть частоты вращения один миллион оборотов в минуту, большего достичь на данный момент не удается. Однако есть направления, которые требуют частоты в полтора миллиона и больше, в частности это создание миниатюрных станков для микроэлектроники. Чем выше частота вращения вала миниатюрного станка, тем проще создавать отверстия очень маленького диаметра», — рассказал Флюр Исмагилов, один из авторов исследования, заведующий кафедрой электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета.

Главное преимущество использования высокооборотных машин заключается в том, что в очень маленьких объемах концентрируется большая плотность энергии.

Разработанный алгоритм предполагает восемь шагов. На первом шаге определяются начальные параметры будущего устройства: мощность, частота оборотов, размеры, материалы основных элементов и так далее. На последующих шагах последовательно подбираются компоненты электрической машины (подшипники и система охлаждения). Параллельно с подбором элементов контролируется выполнение условий эффективности устройства с учетом тепловых, механических и электромагнитных эффектов. Алгоритм стал первым в мировой практике примером использования междисциплинарного подхода в проектировании электродвигателей.

«Любое изменение какого-либо параметра влечет за собой изменение всей системы, и это нужно учитывать. Традиционные алгоритмы этого сделать не позволяют. Мы параллельно учитываем различные процессы: тепловые, механические, электромагнитные, причем осуществляем перерасчет при каждом новом добавленном или измененном элементе. Обычно в моделировании используется один-два процесса, а тут мы получаем полное физическое описание машины», — пояснил другой автор исследования, Вячеслав Вавилов, руководитель гранта, ведущий научный сотрудник кафедры электромеханики.

На основании созданной теоретической модели авторы составили полное описание двигателя с частотой вращения 1 200 000 миллиона оборотов в минуту. В качестве материала ротора (основного вращающегося элемента) устройства выбран мощный магнит из сплава самария (Sm) и кобальта (Co), он обеспечивает работу двигателя при высокой температуре (до 250 °C).

Распределение температур в двигателе со сверхвысоким числом оборотов. Вячеслав Вавилов

По результатам исследования наиболее подходящими для двигателей с высоким числом оборотов оказались газодинамические и магнитные подшипники (в таких устройствах ротор отделяется от неподвижной части прослойкой сжатого воздуха). Такие подшипники обеспечивают низкие потери на трение, поэтому технология позволяет достичь частоты вращения больше миллиона оборотов. Для охлаждения двигателя используется комбинированный метод: избыточное тепло от ротора отводится с помощью обмотки (электромагнитная катушка, основной элемент статора), а сама она охлаждается тонкой водяной прослойкой.

Для проверки полученной модели ученые протестировали алгоритм на примере мотора с частотой вращения 500 000 оборотов в минуту. Экспериментальная проверка продемонстрировала высокую степень адекватности теоретической модели: расхождение теоретических и экспериментальных данных не превысило 7%. В дальнейшем ученые планируют проводить аналогичные эксперименты, увеличивая частоту вращения двигателя вплоть до 1 200 000 оборотов в минуту.