Сила «Магнито». Челябинские ученые создали электромотор будущего
14 Мая 2018
Фото: Виктория Матвейчук
Транспорт ХХI века будет на электротяге. Электромобили, беспилотные электротакси, сверхскоростные поезда и роботы «на батарейках» станут обычным делом.
Казалось бы, решение проблемы возбуждения синхронного электродвигателя найдено: в качестве своего рода «стартера» может выступать постоянный магнит! Но до последнего времени развитие электромашинного парка сдерживало некое противоречие: если «разгонный» пусковой момент будет большой, неизбежны потери в скорости.
Однако челябинские ученые придумали, как решить и эту проблему! Они разработали новый метод так называемого компьютерного векторного управления, позволяющий расширить диапазон регулирования скоростей. Что это может дать электротранспорту, другим сферам — об этом наш разговор с одним из авторов ноу-хау доктором технических наук Сергеем Ворониным, профессором кафедры «Летательные аппараты» ЮУрГУ.
Умный электромотор
— Сегодня сфера применения синхронных электродвигателей, по сравнению с традиционными асинхронными, довольно ограниченная...
— Это так. Но «синхроны» в приоритете для наукоемких отраслей, и потребность в них растет. Производство таких двигателей стало бурно развиваться с появлением постоянных магнитов высоких удельных энергий, при изготовлении которых используются редкоземельные элементы. Поэтому стоимость магнитов высока. Сегодня их главный поставщик в мире — Китай, у которого самые большие запасы таких руд, но и у России в этом плане большие возможности. Озерское предприятие Magnetar производит магниты в основном из китайского сырья. Но редкоземельные элементы можно получать путем переработки отходов производства и в нашем отечестве.
— В чем новизна вашей технологии? Поможет ли она выйти на новый уровень качества электромоторного производства?
— Этому может послужить разработанный нами новый метод векторного управления. Изюминка новации — в электронном регулировании двух векторов — поля статора и ротора электродвигателя. Мы с помощью умной электроники научились контролировать не только величину и частоту напряжения, но и фазу, а значит, и угол пространственного вектора. Найдена золотая середина, намного повышающая «скоростные возможности» электромотора.
Раньше контроль проводили с помощью анализа данных, поступающих от датчиков угла, тока и напряжения. Причем приходилось их переводить из трехфазной в двухфазную систему координат, реализовать заданные алгоритмы управления, а потом проводить обратное преобразование. Для этого требовались большие компьютерные мощности, что сказывалось на себестоимости. Мы же упростили процесс, составили точную модель «поведения» электропривода. Разработанные нами алгоритмы позволяют его прогнозировать с высочайшей точностью.
И коляски, и болиды
— Где могут найти применение двигатели с постоянными магнитами?
— Сфера их использования самая широкая: это медицина, транспорт, машиностроение, ракетно-космическая, ядерная, нефтяная промышленность.
— Как я слышал, на автотракторном факультете уже строят гоночный электромобиль для студенческой «Формулы-1»...
— Мы тоже в свое время соорудили авто на электротяге, правда, в «игрушечном» варианте. В кооперации с орским заводом, где делают детские педальные автомобили, и миасскими партнерами разработали электропривод. Выпустили опытные образцы мини-электромобиля «Орь», которым очень заинтересовались в Индии, но в серию он не пошел: не выдержал демпинговой конкуренции с китайскими аналогами.
Такая судьба постигла и другую нашу разработку — инвалидную коляску с магнитным электроприводом. Ее выпускали в Уфе, миасский завод «Электроаппарат» изготавливал электромеханические детали, кыштымский радиозавод — электронику. Магниты же поставляли из Озерска. В свое время на День Победы ветеранам Великой Отечественной бесплатно выделили 100 таких колясок, и они пользовались большой популярностью. По словам экспертов из немецкой фирмы «Майра», аналогов магнитных «инвалидок» не было даже на Западе! Но дешевые, хоть и во многом уступающие в качестве, тайваньские коляски вытеснили их с рынка.
А гоночный электроболид наших студентов пока не вышел из стадии опытного образца, на реализацию проекта нужны большие деньги. На мой взгляд, чтобы инновации ученых были востребованы, науке и отечественному производителю нужны протекционистские меры государства.
Беспилотный авторобот
— Какие возможности открывает ваше ноу-хау для «оборонки»?
— По заказу ЧТЗ мы создали принципиально новый стартер-генератор для двигателя мощностью 1500 лошадиных сил.
А недавно для завода «Станкомаш» нами разработана универсальная роботизированная платформа на гусеничном ходу весом 15 тонн. Этот авторобот с рукой-манипулятором хорошо себя показал на учениях «Запад», способен передвигаться как в автономном режиме, так и на дистанционном управлении, по командам оператора. Он может подвозить боеприпасы, эвакуировать раненых. Его электромотор и электронную аппаратуру по нашим чертежам изготовили на предприятии «Резонанс».
— Может ли ваш «Магнито» защищать небо?
— Одна из наших последних разработок — тяговый электродвигатель для беспилотного летательного аппарата. Он уже успешно прошел испытания и готовится к запуску в массовое производство. Для создания электрической обмотки БПЛА из легкого и прочного сплава мы применили новейшие технологии 3D-печати.
Кроме того, уже сегодня боевые блоки ракет управляются с помощью электропривода. Этот метод применяется и при создании другого высокоточного оружия, например, бомб, сбрасываемых с самолета и «наводимых на цель» электричеством.
В космос — «на электротяге»?
— А сможет ли электропривод вывести ракету в космос?
— В 2017 году в Новой Зеландии компания RocketLab запустила на орбиту первую «электрическую» ракету «Электрон». Электропривод, пришедший на смену традиционной турбине, полностью управляет ее полетом, регулирует подачу топлива. Но и в России, в частности, в ГРЦ, уже ведутся подобные разработки, о которых, думаю, мы скоро услышим.
— Вы создаете алгоритмы не только для «движущей силы» машин, но и для электронного мозга. Поможет ли искусственный интеллект обезопасить Землю от астероидной угрозы?
— В сотрудничестве с НПО «Автоматика» (Екатеринбург) мы работаем над проектом создания системы автоматической посадки беспилотного космического модуля на астероид. Она будет использовать самообучающуюся искусственную нейронную сеть. А определять место посадки модуль будет методом «нечеткой логики», во многом схожей с человеческой, — отбрасывая непригодные варианты и выбирая лучший из возможных.
Возможно, для этого придется применить «генетические» методы синтеза алгоритмов управления. Они во многом схожи с «природными» тем, что отбрасывают ненужное, вбирают полезное и создают своего рода математические гибриды.
Мехатронное «сердце»
— Можно ли ваше изобретение поставить на стражу здоровья?
– Это одна из главных сфер его применения. Например, по заказу Московского авиационного института работаем над созданием мини-электродвигателя для аппарата искусственного кровообращения, который будет встраиваться в аорту. Этот крошечный цилиндр 20 на 10 мм во время операций на сердце будет качать кровь, поддерживать жизнь человека.
А в сотрудничестве с Уральским электромеханическим заводом (Екатеринбург) создаем двигатель для аппарата искусственной вентиляции легких. Его уникальность в том, что для компрессора нужно обеспечить равномерность подачи воздуха, а скорость закрытия и открытия клапанов — всего несколько миллисекунд! Для этого разрабатываем алгоритмы управления IT-приборами, выстраиваем искусственную нейронную сеть.
Двигатель турбокомпрессора для аппарата искусственной вентиляции лёгких
— Сможет ли электрическая мехатроника прогнозировать болезнь?
— Мы в 2015 году, выиграв грант РФФИ, построили необычное устройство для определения психического состояния человека, на которое уже получен патент. Медицинскую часть разработали ученые НИИ мозга РАН, а мы — электрическую и механическую. На голову пациента надевают энцефалограф, манипулятор имитирует движения рук или ног, и по нервным импульсам мозга компьютер уже на ранней стадии выявляет психическое заболевание!
Для этого аппарата пришлось сконструировать «умный» электропривод, который управляет сложнейшей компьютерной диагностикой. Но это только начало, и я уверен: эта технология открывает для медицины новые, почти безграничные возможности.
Однако челябинские ученые придумали, как решить и эту проблему! Они разработали новый метод так называемого компьютерного векторного управления, позволяющий расширить диапазон регулирования скоростей. Что это может дать электротранспорту, другим сферам — об этом наш разговор с одним из авторов ноу-хау доктором технических наук Сергеем Ворониным, профессором кафедры «Летательные аппараты» ЮУрГУ.
Умный электромотор
— Сегодня сфера применения синхронных электродвигателей, по сравнению с традиционными асинхронными, довольно ограниченная...
— Это так. Но «синхроны» в приоритете для наукоемких отраслей, и потребность в них растет. Производство таких двигателей стало бурно развиваться с появлением постоянных магнитов высоких удельных энергий, при изготовлении которых используются редкоземельные элементы. Поэтому стоимость магнитов высока. Сегодня их главный поставщик в мире — Китай, у которого самые большие запасы таких руд, но и у России в этом плане большие возможности. Озерское предприятие Magnetar производит магниты в основном из китайского сырья. Но редкоземельные элементы можно получать путем переработки отходов производства и в нашем отечестве.
— В чем новизна вашей технологии? Поможет ли она выйти на новый уровень качества электромоторного производства?
— Этому может послужить разработанный нами новый метод векторного управления. Изюминка новации — в электронном регулировании двух векторов — поля статора и ротора электродвигателя. Мы с помощью умной электроники научились контролировать не только величину и частоту напряжения, но и фазу, а значит, и угол пространственного вектора. Найдена золотая середина, намного повышающая «скоростные возможности» электромотора.
Раньше контроль проводили с помощью анализа данных, поступающих от датчиков угла, тока и напряжения. Причем приходилось их переводить из трехфазной в двухфазную систему координат, реализовать заданные алгоритмы управления, а потом проводить обратное преобразование. Для этого требовались большие компьютерные мощности, что сказывалось на себестоимости. Мы же упростили процесс, составили точную модель «поведения» электропривода. Разработанные нами алгоритмы позволяют его прогнозировать с высочайшей точностью.
И коляски, и болиды
— Где могут найти применение двигатели с постоянными магнитами?
— Сфера их использования самая широкая: это медицина, транспорт, машиностроение, ракетно-космическая, ядерная, нефтяная промышленность.
— Как я слышал, на автотракторном факультете уже строят гоночный электромобиль для студенческой «Формулы-1»...
— Мы тоже в свое время соорудили авто на электротяге, правда, в «игрушечном» варианте. В кооперации с орским заводом, где делают детские педальные автомобили, и миасскими партнерами разработали электропривод. Выпустили опытные образцы мини-электромобиля «Орь», которым очень заинтересовались в Индии, но в серию он не пошел: не выдержал демпинговой конкуренции с китайскими аналогами.
Такая судьба постигла и другую нашу разработку — инвалидную коляску с магнитным электроприводом. Ее выпускали в Уфе, миасский завод «Электроаппарат» изготавливал электромеханические детали, кыштымский радиозавод — электронику. Магниты же поставляли из Озерска. В свое время на День Победы ветеранам Великой Отечественной бесплатно выделили 100 таких колясок, и они пользовались большой популярностью. По словам экспертов из немецкой фирмы «Майра», аналогов магнитных «инвалидок» не было даже на Западе! Но дешевые, хоть и во многом уступающие в качестве, тайваньские коляски вытеснили их с рынка.
А гоночный электроболид наших студентов пока не вышел из стадии опытного образца, на реализацию проекта нужны большие деньги. На мой взгляд, чтобы инновации ученых были востребованы, науке и отечественному производителю нужны протекционистские меры государства.
Беспилотный авторобот
— Какие возможности открывает ваше ноу-хау для «оборонки»?
— По заказу ЧТЗ мы создали принципиально новый стартер-генератор для двигателя мощностью 1500 лошадиных сил.
А недавно для завода «Станкомаш» нами разработана универсальная роботизированная платформа на гусеничном ходу весом 15 тонн. Этот авторобот с рукой-манипулятором хорошо себя показал на учениях «Запад», способен передвигаться как в автономном режиме, так и на дистанционном управлении, по командам оператора. Он может подвозить боеприпасы, эвакуировать раненых. Его электромотор и электронную аппаратуру по нашим чертежам изготовили на предприятии «Резонанс».
— Может ли ваш «Магнито» защищать небо?
— Одна из наших последних разработок — тяговый электродвигатель для беспилотного летательного аппарата. Он уже успешно прошел испытания и готовится к запуску в массовое производство. Для создания электрической обмотки БПЛА из легкого и прочного сплава мы применили новейшие технологии 3D-печати.
Кроме того, уже сегодня боевые блоки ракет управляются с помощью электропривода. Этот метод применяется и при создании другого высокоточного оружия, например, бомб, сбрасываемых с самолета и «наводимых на цель» электричеством.
Тяговый двигатель беспилотного летательного аппарата
В космос — «на электротяге»?
— А сможет ли электропривод вывести ракету в космос?
— В 2017 году в Новой Зеландии компания RocketLab запустила на орбиту первую «электрическую» ракету «Электрон». Электропривод, пришедший на смену традиционной турбине, полностью управляет ее полетом, регулирует подачу топлива. Но и в России, в частности, в ГРЦ, уже ведутся подобные разработки, о которых, думаю, мы скоро услышим.
— Вы создаете алгоритмы не только для «движущей силы» машин, но и для электронного мозга. Поможет ли искусственный интеллект обезопасить Землю от астероидной угрозы?
— В сотрудничестве с НПО «Автоматика» (Екатеринбург) мы работаем над проектом создания системы автоматической посадки беспилотного космического модуля на астероид. Она будет использовать самообучающуюся искусственную нейронную сеть. А определять место посадки модуль будет методом «нечеткой логики», во многом схожей с человеческой, — отбрасывая непригодные варианты и выбирая лучший из возможных.
Возможно, для этого придется применить «генетические» методы синтеза алгоритмов управления. Они во многом схожи с «природными» тем, что отбрасывают ненужное, вбирают полезное и создают своего рода математические гибриды.
Мехатронное «сердце»
— Можно ли ваше изобретение поставить на стражу здоровья?
– Это одна из главных сфер его применения. Например, по заказу Московского авиационного института работаем над созданием мини-электродвигателя для аппарата искусственного кровообращения, который будет встраиваться в аорту. Этот крошечный цилиндр 20 на 10 мм во время операций на сердце будет качать кровь, поддерживать жизнь человека.
А в сотрудничестве с Уральским электромеханическим заводом (Екатеринбург) создаем двигатель для аппарата искусственной вентиляции легких. Его уникальность в том, что для компрессора нужно обеспечить равномерность подачи воздуха, а скорость закрытия и открытия клапанов — всего несколько миллисекунд! Для этого разрабатываем алгоритмы управления IT-приборами, выстраиваем искусственную нейронную сеть.
Двигатель турбокомпрессора для аппарата искусственной вентиляции лёгких
— Сможет ли электрическая мехатроника прогнозировать болезнь?
— Мы в 2015 году, выиграв грант РФФИ, построили необычное устройство для определения психического состояния человека, на которое уже получен патент. Медицинскую часть разработали ученые НИИ мозга РАН, а мы — электрическую и механическую. На голову пациента надевают энцефалограф, манипулятор имитирует движения рук или ног, и по нервным импульсам мозга компьютер уже на ранней стадии выявляет психическое заболевание!
Для этого аппарата пришлось сконструировать «умный» электропривод, который управляет сложнейшей компьютерной диагностикой. Но это только начало, и я уверен: эта технология открывает для медицины новые, почти безграничные возможности.
Поделиться
