Текст уведомления здесь

В Уфе создали алгоритм для разработки сверхвысокоскоростных электродвигателей

Они необходимы для создания средств производства микроэлектроники и газовых микротурбин для беспилотников.
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) разработали алгоритм, который позволяет создавать электродвигатели, делающие больше миллиона оборотов в минуту. Они пригодятся для повышения точности обработки металлов, пластмасс и композитов, а также для создания миниатюрных медицинских инструментов и станков для производства микроэлектроники. Алгоритм уже прошел экспериментальную проверку на небольшом опытном двигателе. Соответствующая статья опубликована в IEEE Transactions on Energy Conversion.

Проектирование сложных изделий с предельно высокими параметрами сегодня уже не ведется методом проб и ошибок, как в XIX и значительной части XX века. Для этого сперва строят математическую модель работы двигателя, а потом проверяют, будет ли она работать при планируемых для его изготовления материалах и узлах, или их нужно поменять и только тогда агрегат «заработает». Хотя модели редко совпадают с реальностью на 100 процентов, они позволяют отсечь подавляющее большинство вариантов решения проблемы и заметно сэкономить время и средства на создание конечного изделия.

Однако у моделей есть свои ограничения. Большинство из них основано на алгоритмах, учитывающих лишь одну сторону работы нового устройства — например, тепловые нагрузки или эффект от механического износа при работе машины или механизма. В то же время в реальных системах, особенно высоко нагруженных при работе, износ сочетается с нагревом, а в случае скоростных электродвигателей — еще и с мощным электромагнитным воздействием.

Авторы новой работы впервые в мире предложили такой алгоритм проектирования электрических механизмов, в котором учитываются одновременно тепловые, электромагнитные и механические эффекты для сверхвысокооборотных электродвигателей. Он способен рассчитать работу «движков» со скоростью вращения до 1 200 000 оборотов в минуту (20 000 оборотов в секунду). На сегодня подобные двигатели имеют скорость вращения не выше миллиона оборотов в минуту. Этой величины в ряде случаев уже не хватает — миниатюрные станки для изготовления микроэлектроники часто требуют создания очень малых по размеру отверстий, а чем выше частота вращения электродвигателей, тем более мелкие отверстия сможет создать оснащенное ими устройство.

Сам алгоритм включает восемь шагов. На первом определяются начальные параметры будущего двигателя, такие как мощность, частота оборотов, размеры, материалы основных элементов и так далее. На следующих шагах подбираются компоненты электрической машины — подшипники и система охлаждения. Параллельно контролируется сохранение КПД устройства с учетом тепловых, механических и электромагнитных эффектов. Алгоритм, по словам его создателей, стал первым в мировой практике примером междисциплинарного подхода в проектировании электродвигателей. За счет этого удается получить полное физическое описание машины еще до ее создания.

Чтобы проверить, насколько точно уфимская модель описывает электромоторы, авторы построили по ее предсказаниям двигатель с частотой вращения в 500 000 оборотов в минуту. Оказалось, что алгоритм предсказал все его параметры с отклонением не более 7% (для большинства параметров — заметно меньше).

В дальнейшем ученые планируют проводить аналогичные эксперименты, постепенно увеличивая частоту вращения двигателя вплоть до 1 200 000 оборотов в минуту. Уже сейчас алгоритм с полным описанием такого двигателя указывает, что для его конструкции лучше всего подойдут газодинамические и магнитные подшипники. При их использовании ротор отделяется от неподвижной части машины прослойкой сжатого воздуха (газодинамический подшипник) или магнитной подушкой. Оба типа подшипников обеспечивают низкие потери на трение, что позволит удержать КПД не ниже 80%.

В качестве материала ротора (основного вращающегося элемента мотора) выбран мощный магнит из сплава самария и кобальта. Он сможет обеспечить работу двигателя при температуре до 250 °C (такая высокая рабочая температура неизбежна для столь «быстрого» мотора). Для охлаждения двигателя, согласно алгоритму, оптимальнее всего подходит комбинированный метод, когда избыточное тепло от ротора отводится с помощью обмотки (электромагнитная катушка), а сама обмотка при этом охлаждается тонкой водяной «рубашкой».

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

На Ямале обнаружили первый на Земле ледяной вулкан

До сих пор считалось, что криовулканы существуют только на Церере или Марсе, но не на нашей планете.
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из МГУ им. М.В. Ломоносова изучили обнаруженную на Ямале крупную воронку (диаметр более 20 метров), имевшую неясное происхождение. Оказалось, что она образована не прорывами подземного метана, а из-за процессов криовулканизма, которые, как считалось ранее, существуют лишь на некоторых планетах Солнечной системы. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

В последние четыре года на Ямале находят все больше загадочных воронок, часто довольно большого диаметра. До недавнего времени их происхождение оставалось загадкой. Считалось, что это результат прорывов метана из-под земли, следы своего рода взрывов. Метан, согласно этим гипотезам, мог попасть туда из глубоких подземных месторождений вследствие протаивания прилегающего грунта из-за глобального потепления.

Однако авторы новой работы подошли к проблеме со свежим взглядом. Они изучили признаки промерзания грунтов и структурные особенности льда, встречающиеся в породах близ воронки. Кроме того, они детально исследовали состав талой воды, скапливающейся в воронке, и спутниковые снимки местности до ее образования и после.

Выяснилось, что на самом деле картина взрыва не имеет ничего общего с прорывом метана из подземных месторождений. На снимках за считанные годы перед образованием воронки на ее месте был бугор — выступ, нетипичный для равнинной тундры. Сопоставив это явление с данными анализа самой воронки, авторы работы пришли к выводу, что она возникла в результате ранее неизвестных процессов, которые они назвали криовулканизмом — по аналогии со сходными процессами, идущими на других небесных телах. Следует отметить, что ямальский криовулканизм — биогенного происхождения, что отличает его от абиогенного криовулканизма на иных планетах Солнечной системы. [ ... ]

Читать полностью

В Омске создали алгоритм самосборки наноструктур

С его помощью можно создать массовое промышленное нанотехнологическое производство.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из Омского государственного технического университета разработали алгоритм, позволяющий предсказать, какие наноструктуры могут самостоятельно собираться из заранее определенных молекул конкретных веществ. Это позволит «программировать» самосборку необходимых наноструктур в промышленных масштабах. Соответствующая статья опубликована в Physical Review B. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) .

Наноструктуры имеют массу интересных особенностей, отсутствующих у более крупных микроструктур. Из них можно делать новую особо компактную и производительную электронику, эффективные катализаторы, средства для адресной доставки лекарств и многое другое. Однако создание наноструктур посредством управляемых манипуляций неизбежно делает их достаточно дорогими. Наиболее рентабельным способом их производства могла бы стать самосборка необходимых наноструктур за счет межмолекулярного и межатомного притяжения между их «кирпичиками».

Для этого необходимо рассчитать, какие атомы и молекулы вероятнее всего образуют «нанокомки». Вычислив необходимые составные элементы, их можно «скормить» производственной установке и получить на выходе массовые и дешевые наночастицы и наноструктуры. Типичным примером такого рода самособирающихся структур — своего рода идеалом для нанотехнологий — является ДНК. Это очень сложная конструкция, но она собирается весьма точно за счет самоорганизующихся процессов. Новый алгоритм ученых из ОмГТУ моделирует подобные процессы самосборки (впрочем, пока гораздо проще, чем в ДНК), что позволяет отказаться от крайне сложных, продолжительных и дорогих натурных экспериментов.

В основе разработки — моделирование поведения димерных молекул на подложке, имеющей сотовую структуру. Типичным примером такой подложки является графен. Димеры — это молекулы, состоящие из двух одинаковых элементов, которыми могут быть как атомы, так и радикалы или группы. Все димеры имеют «ось» — связь, соединяющую два элемента, из-за чего в упрощенных моделях их уподобляют гантеле. [ ... ]

Читать полностью

Пермский аспирант сделал 3D-принтеры быстрее и «металличнее»

За счет нового модуля 3D-принтеры смогут выдерживать высокие температуры, а значит, быстрее печатать и использовать легкоплавкие металлы.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа разработчиков во главе с аспирантом Пермского национального исследовательского политехнического университета Евгением Матвеевым разработала модуль для печати (экструдер) для 3D-принтера. Новинка позволит заметно быстрее распечатывать нужные предметы, а также существенно расширит возможности использования для печати металлов, термостойких композитов и пластиков. Об этом сообщается в поступившем в редакцию пресс-релизе.

Новый 3D-принтер получил обозначение FDM ver. 2.0. Согласно разработчикам, с обновленным экструдером он сможет печатать не просто в несколько раз быстрее и при этом точнее, но и будет работать с материалами, имеющими температуру плавления свыше 1000 градусов по Цельсию. Типовые коммерческие 3D-принтеры сегодня годятся только до рабочих температур в 200—300 градусов. Использование в экструдере высокопрочных и жаростойких сплавов вместо обычных латуни и бронзы позволит поднять пропускную способность устройства до 800—1000 миллиметров в секунду. Типовой коммерческий аналог, как правило, ограничен 200—300 миллиметрами в секунду.

Особо подчеркивается, что экструдер является фактически универсальным. Его можно установить на 3D-принтер стороннего производителя, тем самым заметно подняв его рабочие температуры и скорость печати. В настоящий момент, после получения рабочего прототипа, пермские инженеры планируют создать первую партию экструдеров, открыть предзаказ на них и вступить в кооперацию с производителем композитов.

В начале марта 2018 года проект стал победителем трека TechNet акселератора GenerationS от РВК, где выиграл 500 тысяч рублей и был приглашен на финал акселератора. Авторы разработки отмечают, что на рынке есть специализированные и дорогие продукты с подходящими параметрами. Например, Dynoma 3D и I3D могут печатать так же быстро, как и новый принтер пермяков. Принтеры Markforged и Anisoprint способны работать с металлами. Однако редко кто сочетает обе возможности в одной установке. [ ... ]

Читать полностью