Как работают электродвигатели

Ученые передовой инженерной школы Московского авиационного института (МАИ) разработали новый электродвигатель для тяжелых беспилотных летательных аппаратов. Он обладает универсальностью и может комплектоваться на различные типы беспилотников с винтовой группой — как коптеров, так и планеров. При небольшой доработке его также можно устанавливать на наземные и надводные аппараты.

Как рассказали разработчики, двигатель почти полностью состоит из отечественных компонентов. Зарубежного производства только магниты, которые в России в настоящее время не изготавливают. Согласно расчетам, при запуске серийного производства отечественный силовой агрегат в своем классе сможет конкурировать с китайскими аналогами, которые сейчас занимают подавляющую часть рынка подобных устройств в нашей стране.

— Электродвигатели главным образом производят в Китае. Однако при сопоставимой стоимости разработка МАИ обладает лучшим качеством материалов и более высокими массо-энергетическими показателями. В частности, при частоте вращения 6800 оборотов в минуту двигатель может обеспечить длительную мощность до 12–13 кВт и кратковременно — до 16 кВт, — рассказал «Известиям» руководитель научно-исследовательского отдела кафедры «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Николай Иванов.

По его словам, увеличить характеристики изделия удалось за счет авторских методик вычислительного моделирования. С их помощью разработчики определили наиболее рациональные пути, по которым в двигателе замыкается магнитный поток. За счет этого в некоторых случаях прирост эффективности может достигать 10%.

Как объяснил ученый, магнитная цепь силовой установки включает в себя такие элементы, как статор, ротор, постоянные магниты, а также воздушные зазоры между ними. Если геометрия и расположение этих компонентов выбраны оптимально, то магнитный поток не «утекает» за пределы полезной зоны (например, через корпус двигателя), а равномерно распределяется внутри. Это снижает потери на рассеяние энергии и повышает эффективность ее преобразования в работу.

От мощности электрического двигателя, пояснил разработчик, зависит создаваемая им тяга. Увеличение этого ресурса позволит производителям нарастить скорость, грузоподъемность или маневренность беспилотников.

— На сегодняшний день в России похожие силовые агрегаты разрабатывают только под конкретные аппараты и определенных заказчиков, а на свободном рынке доступных отечественных решений нет. Исходя из этого, специалисты разработали решение, которое может найти применение в различных типах беспилотных устройств. Вес таких аппаратов может составлять от 30 до 120 кг в зависимости от количества двигателей, — объяснил Николай Иванов.

Какие технологии нужны для импортозамещения

Изделия выдержали необходимый цикл испытаний, тестирование выполнили на специализированных стендах для винтомоторных групп, рассказал ученый. Второй этап испытаний прошел на аэродроме МАИ в Алферьево — полноценной авиационной базе с собственным воздушным пространством.

Как уточнил Николай Иванов, в комплекте с двигателем создается блок управления к нему и соответствующее программное обеспечение. В течение года разработчики планируют выйти на серийное производство.

— Разработка МАИ — это улучшение и модификация уже известных типов двигателей, но важна сама попытка наладить их производство в России. Ведь сейчас в стране, как правило, закупают китайские аналоги, — отметил доцент кафедры эксплуатации авиационной техники Самарского университета имени Королева Александр Зайцев.

При этом, добавил он, большинство современных электродвигателей бесколлекторные. То есть в них вращение ротора происходит с помощью переменного магнитного поля, что устраняет физический контакт между стационарной и вращающейся частями. Это делает силовые агрегаты более долговечными и эффективными. Однако стоит обратить внимание, что в нашей стране нет собственных производств магнитов, а добычу редкоземельных металлов, которые необходимы в их изготовлении, монополизировал Китай. Поэтому для достижения истинной конкурентоспособности необходимо также наладить всю цепочку, начиная от редкоземов и магнитных материалов.

По словам эксперта, к другим трудностям, с которыми могут столкнуться разработчики, относится отсутствие четкой отработанной методики проектирования двигателей. Такие расчеты ведут приближенно, а затем уточняют с помощью программных средств моделирования. Кроме того, высокооборотные двигатели сталкиваются с проблемами вибрации пластин статора. Они могут колебаться с частотой тока, протекающего в обмотках статора, что может привести к резонансу и разрушению двигателя. Эти физические явления также сложно учесть.

— Бесколлекторному двигателю нужен контроллер. Это плата с микросхемами, которая переключает ток в магнитных катушках, чтобы двигатель вращался. Компании, которые сообщают о собственном производстве двигателей, «забывают» упомянуть, где они закупают контроллеры. А это отдельная сложная история, — добавил генеральный директор ЦКБР Дмитрий Кузякин.

Например, в обычном FPV-дроне стоят четыре двигателя и для каждого нужен свой контроллер, пояснил эксперт. В каждом контроллере есть микропроцессор и программа, которая управляет двигателем, без этого он просто не будет крутиться. Сделать сам двигатель — это полдела, а вот создать контроллер для него уже гораздо сложнее. Чтобы производить их, нужно развивать собственную микроэлектронику, резюмировал эксперт.