Критерии применения ротора в интегрированном стартер-генераторе

Основанием для развития авиационной отрасли является непрерывный процесс изменения конструкций, характера работы и условий эксплуатации применяемых электромеханических преобразователей энергии. Дополнительным фактором, подталкивающим к развитию, является расширение за рубежом тренда на гибридные силовые установки, что позволяет повысить уровень электрификации летательного аппарата и сделать очередной шаг к созданию “более электрического самолета”. Одним из таких шагов является интеграция электромеханических преобразователей энергии в виде стартер-генератора в авиационный двигатель, что позволит достичь большей компактности, унификации технологий, разрабатываемых при его внедрении, и говорить о повышении уровня прочности элементов интегрируемого преобразователя.

В работе рассматриваются особенности подходов при разработке и изготовлении ротора, стартергенератора для авиационного двигателя; анализируются конструкция ротора, интегрированного стартер-генератора, а также материалы, входящие в его состав. Приведены расчетные данные нагрузки бандажа и магнитов ротора при его работе. Рассмотрены результаты разгонных испытаний роторов с постоянными магнитами.

Целью проводимых исследований является оценка возможности применения композитного бандажа для интегрированного стартер-генератора, а также анализ возможных повреждений бандажа и постоянных магнитов, используемых в конструкции ротора. В результате проведенных работ получены расчетные и экспериментальные данные, указывающие на возможность применения композитного бандажа для роторов с частотой вращения до 40 000 об/мин; приведен алгоритм оценки запаса прочности, а также проведена экспериментальная апробация исследований. Полученные в результате эксперимента данные показывают возможные дефекты бандажа и магнитов, что позволяет установить технологические причины их возникновения и предотвратить их дальнейшее повторение.

1. Garcia J. R., Ortega J. A., Aldabas E., Romeral L. Moving Towards a More Electric Aircraft. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2007;22(3):3–9. https://doi.org/10.1109/MAES.2007.340500.

2. Greenwood E., Brentner K., Rau R., Ted Gan Z. F. Challenges and opportunities for low noise electric aircraft // International Journal of Aeroacoustics. 2022;21(5-7):1–67. https://doi.org/10.1177/1475472X221107377.

3. Охотников М. В. Концепция разработки и внедрения интегрированного авиационного генератора с внешним ротором // Электротехника. 2024. № 12. С. 48–53. https://doi.org/10.53891/00135860-2024-12-48-53. EDN: FTDKUX.

4. Дубровский В. А., Каблов Е. Н., Герасимов В. В. Испытание и исследование монокристальных лопаток I ступени турбины двигателя ПС-90А // Авиационная промышленность. 1994. № 9-10. С. 11–15. EDN: ZPYXLV.

5. Gieras J. F. Permanent magnet motor technology: design and applications. CRC Press, 2010. 612 р.

6. Вавилов В. Е., Исмагилов Ф. Р., Хайруллин И. Х., Каримов Р. Д. Высокотемпературные электромеханические преобразователи энергии с возможностью интеграции в авиационный двигатель. Перспективы и проблемы создания // Авиакосмическое приборостроение. 2015. № 9. С. 48–56. EDN: UJXBGF.

7. Rjckard R. Secttnde, Robert P. Macosko, David S. Repas Integrate Enginegenerator concept for aircraft electric secondary power national aeronautics and space administration // Washington, D. C., June 1972, NASATM X2579, pp 22.

8. Daniel I. M., Ishai O. Engineering Mechanics of Composite Materials. Oxford University Press, 2006. 462 p. ISBN 978-0-19-515097-1.

9. Труханов В. М. Надежность технических систем типа подвижных установок на этапе проектирования и испытаний опытных образцов. Москва: Машиностроение. 2003. 320 с.

10. Boglietti A., Cavagnino A., Staton D. [et al.]. Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009;56(3):871–882. https://doi.org/10.1109/TIE.2008.2011622.

11. Du G., Xu W., Zhu J., Huang N. Rotor Stress Analysis for High Speed Permanent Magnet Machines Considering Assembly Gap and Temperature Gradient. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2019;34(4):2276–2285. https://doi.org/10.1109/TEC.2019.2939220.

12. Jaatinen P. Design and control of a permanent magnet bearingless machine. Lappeenranta, 2019. 73 p.

13. Гриневич Д. В., Яковлев Н. О., Славин А. В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 7 (79). С. 92–111. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-7-92-111. EDN: KENLSM.

14. Lei Zu, Hui Xu, Bing Zhang, Debao Li, Huabi Wang, Bin Zi Filament-wound composite sleeves of permanent magnet motor rotors with ultra-high fiber tension, Composite Structures, Volume 204, 2018, pp. 525-535, ISSN 0263-8223, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.07.119.

15. Adams R. D., Cawley P. A review of defect types and nondestructive testing techniques for composites and bonded joints. NDT International. 1988;21(4):208–222. https://doi.org/10.1016/0308-9126(88)90333-1.