Энергоэффективные безжелезные электрические машины осевого потока
Быстрый переход:
Основная информация
Название :
Энергоэффективные безжелезные электрические машины осевого потока
Автор:
Основное технологическое направление :
Информационно-телекоммуникационные системы и программное обеспечение
Дополнительные технологические направления :
ESG и рациональное природопользование
Транспортно-логистические и космические системы
Дата
публикации:
01.11.2024
Видимость :
Да
Аннотация:
Разрабатывается конструкция энергоэффективной безжелезной электрической машины осевого потока для транспортных средства в качестве тяговых электрических приводов, а также стартер-альтернаторов в системах гибридного энергоснабжения
Номер ЕГИСУ НИОКТР
АААА-А20-120071590008-7
Решаемые проблемы и области применения
Решаемые проблемы :
Достижение высоких показателей удельной мощности электропривода транспортных средств в условиях естественного охлаждения электрического двигателя ( свыше 5кВт/кг)
Снижение до нуля потерь на перемагничивание и на вихревые токи в стали
Возможность выполнения конструкции электрической машины только из коррозионностойких, в том числе морозостойких материалов
Снижение до нуля эффекта магнитного торможения на холостом ходу электрической машины
Безотходность производства электрических машин
Актуальность проблемы:
В электрических и гибридных транспортных средствах актуальной является проблема достижения высоких показателей запаса хода на одном заряде аккумуляторной батареи, при условии достижения нужного эффекта применением доступных, не дорогих рыночных решений. С этой целью предлагается конструкция электрической машины повышенной энергоэффективности, способной развивать значительную полезную мощность на единицу массы и единицу объёма
Области применения:
Транспорт, хранение, логистика и переработка
Технология
Описание технологии и ее ценность :
Базовой технологией, разрабатываемой в проекте, является технология бескаркасной намотки статорных катушек безжелезных электрических машин осевого потока. Характерной особенностью технологии является достижение 100% заполнения подобмоточного пространства статора обмоточным проводом. Ценность применения этой технологии для конечного потребителя заключается в том, что при использовании самых доступных материалов (таких как круглый провод) достигается максимально возможная полезная мощность на единицу объема электрической машины
Научная база :
1. АААА-А20-120071590008-7. Разработка математической модели нестационарных электродинамических процессов в магнитных системах электрических машин осевого потока повышенной энергоэффективности для лёгкого наземного и воздушного электротранспорта, 2020-2022гг.
2. АААА-А18-118011790161-8. Разработка конструкций и исследование характеристик двухзазорной электрической машины с постоянными магнитами, 2018г.
3. Ноу-хау ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» №1, 03.12.2018г. Филиппов Д.М., Козик Г.П. Технология изготовления бескаркасной обмотки генератора осевого потока // Свидетельство о регистрации РИД, охраняемого в режиме коммерческой тайны ФГАОУ ВО «КФУ им.В.И.Вернадского».
4 Filippov, D.M. Improving Effectiveness of the Double Layer Method for Modeling of Three-Dimensional Magnetic Field of for Electromagnetic Systems / D.M. Filippov, A.A. Shuyskyy, G.P. Kozik, D.V. Samokhvalov, A.N. Kazak // Progress In Electromagnetics Research B. - Volume 89. - 2020. - pp. 195-211. (http://www.jpier.org/PIERB/pier.php?paper=20111105)
5 Filippov, D.M. Improving efficiency of the secondary sources method for modeling of the three-dimensional electromagnetic field of eddy currents / D.M. Filippov, A.A. Shuyskyy // Progress In Electromagnetics Research M. - Volume 78. - 2019. - pp. 19-27. (http://www.jpier.org/PIERM/pier.php?paper=18102707)
6. Kazak, A.N. Development of In-wheel Motor for Vehicles / A.N. Kazak, D.M. Filippov // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus 2019
28 February 2019). - 2019 - pp.1406-1408. (https://ieeexplore.ieee.org/document/8657014)
7. Samokhvalov, D.V. Research of Maximum Power Point Tracking Control for Wind Generator / D.V. Samokhvslov, A.I. Jaber, D.M. Filippov, A.N. Kazak, M.S. Hasan // Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus 2020). – 2020. – pp. 1301–1305. (https://ieeexplore.ieee.org/document/9039180)
8. Lugovskoy, N. Investigation of welds by the method of the magneto-optical eddy current flaw detection / N. Lugovskoy, V. Berzhansky, D. Filippov, A. Prokopov, A. Shuyskyy // EPJ Web of Conferences 185. - 2018 - 3p. (https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/abs/2018/20/epjconf_mism2017_02014/epjco
nf_mism2017_02014.html)
9. Berzhansky, V.N. Magneto-optical Visualization of Eddy Current Magnetic Fields / V.N. Berzhansky, D.M. Filippov, N.V. Lugovskoy // Physics Procedia. - Volume 82. - 2016. - pp. 27-31. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S187538921630089X?via%3Dihub)
10. Filippov, D.M. Numerical and Experimental Analysis of an Axial Flux Electric Machine / D.M. Filippov, A.A. Shuyskyy, A.N. Kazak // 2020 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). ― 2020. ― 6p. (https://ieeexplore.ieee.org/document/9112004/references#references)
Конкурентные технологии :
Ближайшей конкурентной технологией является технология американской компании LaunchPoint, которая также стремится обеспечить 100% заполнение подобмоточного пространства статора, а следовательно максимальной компактности электрической машины.
Инновационность технологии, конкурентные преимущества :
Технология LaunchPoint достигает цель обеспечения 100% заполнения подобмоточного пространства статора путем сильного увеличения числа катушек (и следовательно числа полюсов, достигая 50-80 полюсов) в электрической машине, благодаря чему катушки становятся узкими (практически прямоугольными а не трапециевидными), что и позволяет укладывать эти катушки таким образом, что между ними практически не остается свободного (не используемого) пространства.
Недостатком такого подхода является большая частота переменного магнитного потока в зазоре машины в номинальном режиме работы (так как машина по определению многополюсная), что приводит к значительным дополнительным потерям в "меди", и необходимости применения специального провода типа Литцендрат, а следовательно к уменьшению коэффициента заполнения, и увеличению омического сопротивления обмотки.
Технология, предлагаемая в настоящем проекте позволяет максимально рационально использовать пространство электрической машины даже при минимальном числе полюсов, равном двум, и применении обычного круглого (медного или алюминиевого) эмалированного провода.
Схема обмотки, применяемой в разработанной электрической машине, является двухслойной распределенной. Следовательно катушки не имеют витков нулевой площади (как в случае схемы с сосредоточенной обмоткой).
Намотка катушек осуществляется на многоразовой специализированной технологической оснастке, которая изготавливается с применением станков с ЧПУ (в частности электроэрозионного станка) для достижения максимальной точности и повторяемости геометрии катушек.
В процессе намотки витков катушек применяется специально разработанный алгоритм укладки проводников, обеспечивающий образование в заготовке катушки свободных зон, в которые при последующей формовке катушки уходят определённые витки, что позволяет избежать излишней деформаций и повреждений изоляционного слоя проводников.
Формованная катушка приобретает такую геометрию, при которой толщина секции катушки уменьшается при движении вдоль радиуса электрической машины от оси к краю статора. Данное решение с одной стороны позволяет обеспечить упомянутое 100% заполнение подобмоточного пространства статора. И, с другой стороны, приводит к уменьшению немагнитного зазора электрической машины, что, в свою очередь позволяет увеличить вращающий момент более чем на 15% без увеличения затрат активных материалов (магнитов и провода), исключительно за счет максимально рационального использования пространства машины.
Конкурентными преимуществами предлагаемой технологии также является:
- безотходность производства основных элементов конструкции электрической машины (отсутствует штампованная сталь; ротор, корпус и щиты электрической машины изготавливаются из алюминиевого сплава путем литья);
- доступность и бюджетность всех материалов, из которых изготавливается электрическая машина (обычный эмалированный провод, литьевой алюминий. конструкционная сталь для вала, постоянные магниты Nd-Fe-B);
- высокие показатели удельной мощности даже при естественном охлаждении (>5кВт/кг).
Текущее состояние
Описание текущего состояния :
Изготовлен и протестирован лабораторный образец электрической машины номинальной мощности 400Вт.
Изготовлен и частично протестирован экспериментальный образец в реальном масштабе электрической машины номинальной мощности 22кВт (пиковой мощности 45кВт).
Интеллектуальная собственность :
Название документа | Ноу-хау ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» №1, 03.12.2018г. Филиппов Д.М., Козик Г.П. Технология изготовления бескаркасной обмотки генератора осевого потока // Свидетельство о регистрации РИД, охраняемого в режиме коммерческой тайны ФГАОУ ВО «КФУ им.В.И.Вернадского». |
Номер | Ноу-хау ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» №1, 03.12.2018г. Филиппов Д.М., Козик Г.П. Технология изготовления бескаркасной обмотки генератора осевого потока // Свидетельство о регистрации РИД, охраняемого в режиме коммерческой тайны ФГАОУ ВО «КФУ им.В.И.Вернадского». |
Текущее финансирование :
2500000
Текущее финансирование (Описание) :
Грант РФФИ №20-08-00962 по 1250000 руб. на 2020 и 2021гг.
План развития :
2022 | Разработана конструкторская документация и изготовлены в заводских условиях элементы конструкций (по два комплекта) полноразмерных экспериментальных образцов электрических машин номинальной мощности 700Вт и 22000Вт соответственно. Собрано по меньшей мере четыре экспериментальных образца в реальном масштабе, с медной и алюминиевой обмотками для двух электрических машин номинальной мощности 700Вт и 22000Вт соответственно. Проведены стендовые испытания в специализированных лабораториях (предварительно на базе ЛЭТИ и МГТУ) |
Команда проекта
Численность проектной команды :
4
Структура и компетенции команды :
1. "Проектирование электродвигателей герметичных насосов" (на стадии регистрации, Заказчик - ЛЭТИ)
2. АААА-А20-120071590008-7. (РФФИ)
3. АААА-А18-118011790161-8. (КФУ)
Члены команды :
Филиппов Дмитрий Максимович | Научный руководитель | разработка математических моделей, разработка 3D-моделей и чертежей элементов конструкции электрических машин, разработка и изготовление элементов технологической оснастки на станке ЧПУ, проведение лабораторных испытаний разработанных образцов, подготовка публикаций и патентов |
Шуйский Александр Александрович | Исполнитель проекта | Разработка вычислительных алгоритмов, разработка программного кода |
Козик Геннадий Петрович | Исполнитель проекта | организация и проведение лабораторных испытаний образцов, разработка и изготовление элементов технологической оснастки |
Казак Анатолий Николаевич | Менеджер проекта | экономическое моделирование, составление бизнес-плана, работа с потенциальным инвестором |
Предложение инвестору / партнеру
Необходимые ресурсы для реализации проекта :
Обеспечение возможностями по изготовлению на базе нашей разработки продукта. Например электрического или гибридного автомобиля, трактора, водного или воздушного судна - эквивалент 4-6 млн.руб.
Дорожная карта развития проекта :
2022 | 2023 | 2023 |
Изготовлены и протестированы в условиях специализированных лабораторий полномасштабные экспериментальные образцы электрических машин Установлены на несущую систему легкового электротранспортного средства разработанных образцов электрической машины | Проведение дорожных испытаний электротранспортного средства на специализированных стендах, а также в условиях, приближенных к реальной эксплуатации | Изготовление предсерийных образцов электроприводов, на база разработанных электрических машин Создание производства |
Прикреплённые файлы к проекту :
Филиппов Д.М._01.12.2021.pdf
НАЦИОНАЛЬНАЯ АССОЦИАЦИЯ ТРАНСФЕРА ТЕХНОЛОГИЙ 01.12.2021.pdf