Разработка принципов создания электрических машин псевдопрямого привода для ветроагрегата

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01005

НазваниеРазработка принципов создания электрических машин псевдопрямого привода для ветроагрегата

Руководитель Молоканов Олег Николаевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования

Ключевые слова редуктор, мультипликатор, ветроэнергетика, электромеханика, электрическая машина, псевдопрямой привод, Арктика

Код ГРНТИ45.29.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике в России является одним из приоритетных направлений модернизации энергетического сектора. В подтверждение этому на государственном уровне принят комплекс мер по стимулированию развития возобновляемой энергетики в виде обширной нормативно-правовая базы как для оптовых, так и для розничных рынков электроэнергии. Среди возобновляемых источников энергии настоящий проект направлен на ветроэнергетику. Примение ветровых электростанций особенно актуально для не связанных с Единой энергетической системой районов, составляющих около 65 % территории России. В настоящее время электроснабжение этих регионов в основном осуществляется за счёт дизельных электростанций. Зачастую такие регионы находятся в райнах Крайнего Севера, доставка топлива в которые возможна несколько месяцев в году, что доводит стоимость электроэнергии в эти областях до 150 руб./кВт·ч. Частичная замена дизельных электростанций на ветровые позволит более рационально расходовать топливо, что соответствует предьявляемым правительством требованиям по увеличению энегроэффективности. Это позволяет получить финансовую поддержку государства, что вместе с высокой ценой электроэнергии увеличивает инвестиционную привлекательность таких проектов. С технической точки зрения ветроустановки для изолированных районов должны обладать высокой надёжностью, нетребовательностью к обслуживанию, хорошей ремонтопригодностью, стойкостью к низким температурам и порывам ветра. Ветроагрегат является сложной технической системой со многими элементами ненадёжности. Настоящий проект направлен на совершенствование трансмиссии и системы генерации электроэнергии ветровой установки по средством применения нового типа электрических машин псевдопрямого привода, что позволит не использовать зубчатую передачу. Согласно литературным данным выход из строя зубчатого мультипликатора системы трансмиссии происходит раз в 5–7 лет, однако время простоя даже при нормальной транспортной доступности ветроагрегата в среднем составляет 30 дней. В экстремальных погодных условиях частота выхода из строя зубчатой передачи еще более увеличивается, а замена вышедшего из строя повышающего редуктора может занимать до полугода в условиях плохой транспортной доступности изолированных северных районов, что делает предлагаемые в проекте решения особенно актуальными для арктического применения. Проект нацелен на решение научной проблемы создания низкоскоростных, высокомоментных и относительно компактных электрических генераторов, что даст возможность отказаться от зубчатой передачи, без значительного увеличения массогабаритных показателей электрической машины. Основная научная идея проекта состоит во внедрении в магнитную систему электрической машины магнитной трансмиссии, выступающей в роли бесконтактного трансформатора момента. В отличие от известных решений в данной области в проекте для этих целей впервые будет применен магнитный редуктор с катящимся ротором. По предварительным оценкам такое решение позволит повысить удельный момент в несколько раз. Перечисленные положения показывают актуальность работы и позволяют сформулировать её цель: повышение эффективности и надёжности системы генерации электроэнергии в составе ветровой электростанции. Научная новизна заключается в разработке новой топологии электрической машины псевдопрямого привода на основе магнитного редуктора с катящимся ротором. В проекте будут разработаны статические и динамические математические модели новой топологии электрической машины, на основании чего впервые будут разработаны методики проектирования и получены новые данные о предельных технических характеристиках устройства, а также впервые будет оценена его технико-экономическая эффективность в качестве генератора ветровой установки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Молоканов О. Н. Сравнительный анализ электрических машин с катящимся ротором с различными схемами обмоток Электротехника, Молоканов, О. Н. Сравнительный анализ электрических машин с катящимся ротором с различными схемами обмоток / О. Н. Молоканов // Электротехника. – 2024. – № 6. – С. 64-70. – DOI 10.53891/00135860-2024-6-64-70. – EDN EKPVTV. (год публикации - 2024)
10.53891/00135860-2024-6-64-70

2. Молоканов О.Н. Comparison of Multiphase Windings for Unipolar Supply of Rolling Rotor Electrical Machine Proceedings 2025 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Comparison of Multiphase Windings for Unipolar Supply of Rolling Rotor Electrical Machine / O. Molokanov // 2025 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) (May 12–16 2025 ). — Sochi, Russian Federation. — 2025. — С. 373-380. — doi: 10.1109/ICIEAM65163.2025.11028351 (год публикации - 2025)
10.1109/ICIEAM65163.2025.11028351

3. Молоканов О. Н. Анализ удельных характеристик электрических машин с катящимся ротором Труды XX Международной конференции «Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические Материалы и Компоненты» 2024, Анализ удельных характеристик электрических машин с катящимся ротором / О.Н. Молоканов // XX Международная Конференция «Электромеханика, Электротехнологии, Электротехнические Материалы и Компоненты». Труды МКЭЭЭ-2024 (16 сентября – 19 сентября 2024). – C. 259–263. — ISBN 978-5-87789- 089-3 (год публикации - 2024)

4. Молоканов О.Н. Sinusoidal vs. Unipolar Current Supply of Rolling Rotor Electrical Machine 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sinusoidal vs. Unipolar Current Supply of Rolling Rotor Electrical Machine / O. N. Molokanov // 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). — Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 617-622, doi: 10.1109/ICIEAM60818.2024.10553781 (год публикации - 2024)
10.1109/ICIEAM60818.2024.10553781

5. Молоканов О.Н. Электрическая машина с интегрированным магнитным трансформатором момента Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) «Изобретения. Полезные модели», № 31–2024., Электрическая машина с интегрированным магнитным трансформатором момента Патент на изобретение № 2829646; Автор: О. Н. Молоканов; Патентообладатель: ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ" ; Заявка: № 2024112828; Приоритет изобретения: 13.05.2024; Дата государственной регистрации: 02.11.2024; Срок действия исключительного права на изобретение: 13.05.2044. (год публикации - 2024)

6. Молоканов О.Н. Электрическая машина с интегрированным магнитным редуктором Cборник тезисов. Первая всероссийская научнотехническая конференция «Постоянные магниты: Наука и Технологии. Производство. Применение», Электрическая машина с интегрированным магнитным редуктором / О. Н. Молоканов // Cборник тезисов. Первая всероссийская научнотехническая конференция «Постоянные магниты: Наука и Технологии. Производство. Применение» (25–27 сентября 2024 г., Cуздаль), С. 39 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках второго этапа проекта было продолжено теоретическое исследование электрической машины псевдопрямого привода новой топологии, основанной на циклоидальной магнитной передаче. Основная цель данного этапа заключалась в расчете динамических характеристик. Для достижения этой цели потребовалось разработать новые динамические математические модели и методики расчета. На первом этапе исследования были определены основные кинематические зависимости, связывающие частоту электродвижущей силы (ЭДС) с частотой вращения ротора. На основании этих зависимостей был выполнен расчет синхронного режима работы машины мощностью 100 кВт. В результате были определены пульсации момента, составляющие около 0,1% от номинального электромагнитного момента ротора, что обеспечивает высокую плавность хода разработанной топологии. Разработанные динамические модели позволили построить карты КПД в зависимости от скорости и момента для машины мощностью 100 кВт. В результате были выявлены элементы магнитной системы с наибольшими потерями: магнитопроводы транслятора (1241 Вт) и статора (671 Вт), а также обмотка (775 Вт). Потери в постоянных магнитах циклоидальной магнитной передачи составили не более 134 Вт, а в магнитопроводе ротора — 35 Вт. На основании этих данных было сделано заключение о возможности пренебрежения потерями в магнитной передаче при расчете КПД в первом приближении. Расчетный КПД в рабочей точке 19 кН·м 50 об/мин составил более 96,5%. Полученные результаты моделирования позволили рекомендовать марки стали с пониженными удельными потерями, такие как 2421, для использования в качестве материалов магнитопроводов ротора и транслятора. На следующем этапе были построены карты КПД для передаточных отношений в диапазоне от 50 до 150. Результаты показали, что увеличение передаточного отношения не приводит к повышению КПД. Напротив, при передаточном отношении 50 максимальное значение КПД составляло 96,9%, а при 150 — уже 92,9%. Таким образом, при диаметре ротора 0,5 м оптимальным диапазоном передаточных отношений можно считать 50–90. Было проведено исследование влияния реакции якоря на постоянные магниты в режиме короткого замыкания. Было показано, что даже при 20-кратном токе обмотки статора относительно номинального значения рабочая точка постоянных магнитов смещается не более, чем на 100 кА/м. Это позволило сделать вывод, что постоянные магниты надёжно экранированы от размагничивающего поля обмотки статора магнитопроводом транслятора. Далее была проведена конструкторская проработка машины новой топологии, в ходе которой была создана ее трехмерная (3D) модель как отдельно, так и в составе ветроустановки мощностью 100 кВт. В конструкции машины отсутствуют нестандартные элементы. Основной особенностью конструкции является система крепления транслятора, включающая 12 подшипников и эксцентрики (водила), обеспечивающие поступательное движение транслятора по круговой траектории. Компоновка внутри гондолы ветроустановки показала, что разработанная машина является крайне компактной по сравнению с существующими решениями прямого привода, что обусловлено до 3 раз большим удельным моментом разработанной в рамках проекта новой топологии. Для экспериментальной проверки базовых кинематических принципов новой топологии была разработана и изготовлена экспериментальная установка — прототип циклоидальной магнитной передачи с изолированными тихоходным и быстроходным роторами с передаточным отношением 15. Элементы конструкции были изготовлены с использованием 3D-печати. В качестве магнитов была использована марка N52, опоры были организованы с помощью четырнадцати стандартных подшипников. Результаты испытаний подтвердили корректную работу устройства с ожидаемым передаточным отношением как в режиме редуктора, так и мультипликатора, при этом ход был плавным, без заметных пульсаций. На заключительном этапе исследований была разработана методика проектирования, включающая набор формул для определения предварительных размеров магнитной системы и рекомендации по их уточнению с использованием численного моделирования. Также были сформулированы рекомендации по применению предложенной топологии электрической машины с псевдопрямым приводом. Среди перспективных областей применения, помимо ветроэнергетики, были выделены малая гидроэнергетика, электротранспорт и робототехника.

Публикации