Методология создания систем генерирования электроэнергии летательных аппаратов с магнитоэлектрическими преобразователями энергии : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : 05.09.03

Общемировые экономические и экологические проблемы, связанные с повышением энергоэффективности и энерговооруженности автономных объектов (АО) в целом и авиационных и космических летательных аппаратов (ЛА) в особенности, а также вопросы повышения тактико-технических характеристик ЛА до границ физических возможностей становятся на современном этапе развития науки и техники первоочередными задачами, решение которых обеспечит масштабное развитие всех отраслей промышленности, повышение обороноспособности РФ и развитие экономики РФ за счет создания новых инновационных продуктов с широкой возможностью экспорта.
Для повышения энерговооруженности, энергоэффективности ЛА в условиях конкуренции авиастроительных корпораций и требований по минимальным срокам создания новых ЛА необходимо обеспечить повышение мощности системы генерирования электроэнергии (СГЭ) при минимизации массогабаритных показателей СГЭ, увеличении его КПД и повышении надежности и при этом минимизировать временные и материальные затраты на создание подобных СГЭ. Согласно ГОСТ Р 54073-2010, СГЭ – это совокупность источников или преобразователей электроэнергии (генераторов, преобразовательных установок рода тока и величины напряжения, аккумуляторов), устройств стабилизации их напряжений и частот, устройств параллельной работы, защиты, управления и контроля, которые обеспечивают производство электроэнергии и поддержание ее характеристик в заданных пределах в точках регулирования при всех режимах работы системы.
В общем виде СГЭ ЛА является самодостаточным, изолированным электротехническим комплексом, который состоит из электромеханического преобразователя энергии (ЭМПЭ), аккумуляторной батареи (АКБ), системы управления (СУ) СГЭ и регулятора напряжения (РН), элементов для преобразования электроэнергии (трансформаторов, статических преобразователей и т.Д.), измерительной системы (ИС) СГЭ и системы обеспечения функционирования СГЭ. СГЭ ЛА может иметь различное агрегатное состояние в зависимости от типа ЛА и его назначения. В диссертации рассматриваются СГЭ
9
ЛА не только для пассажирских, но и для короткоресурсных ЛА, в которых в
основном используются высокооборотные ЭМПЭ.
Из-за высокой конкуренции между авиастроительными корпорациями
одними из основных критериев при создании СГЭ ЛА являются сроки его реализации и материальные затраты, которые необходимо вложить в разработку того или иного СГЭ ЛА, т.к. именно эти критерии во многом обеспечивают выведение на рынок и стоимость ЛА. Минимизация временных и материальных затрат при создании СГЭ ЛА достигается минимизацией времени проектирования, минимизацией стоимости технологического цикла изготовления агрегатов СГЭ ЛА и их материалоемкости. Это обеспечивается параллельными взаимосвязанными вычислениями при создании агрегатов СГЭ ЛА, решением оптимизационных задач и созданием методологий для их реализации. При этом для обеспечения параллельных взаимосвязанных вычислений при создании агрегатов СГЭ ЛА необходимо разработать научные подходы, позволяющие выполнение взаимосвязанных тепловых, электромагнитных и механических расчетов с использованием многодисциплинарных обобщенных математических моделей. При этом данные подходы должны быть аналитическими, т.к. именно аналитические методы обеспечивают минимальное расчетное время, с последующим уточнением расчетов методами компьютерного моделирования с помощью метода конечных элементов. Подобная идеология позволяет сократить время расчетов и проектирования агрегатов СГЭ ЛА в частности и СГЭ ЛА в целом на 30–50%.
Для реализации всех требований к перспективным СГЭ ЛА очевидно, что необходимо создавать ЭМПЭ (основной энерговырабатывающий узел СГЭ) нового поколения, которые будут обладать минимальными массогабаритными показателями при максимальной мощности и КПД. При этом особой перспективой обладают ЭМПЭ, которые могут интегрироваться без редуктора в силовые установки ЛА (например, на вал низкого или высокого давления авиационного двигателя или на турбину вспомогательной силовой установки). Тенденции последних лет показывают, что наибольшую эффективность для использования в ЛА в качестве источника питания приобретают ЭМПЭ с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ) с частотой вращения ротора от 12 000 до 240 000 об/мин или более высокими частотами вращения ротора, что характерно

10
для короткоресурсных объектов. Эффективность применения ЭМПЭ с ВПМ в ЛА
обусловлена тем, что они позволяют получать максимум электрической мощности при минимальной массе электрической машины и достигнуть удельной массы на уровне 0,2–0,25 кг/кВт. ЭМПЭ с ВПМ полностью автономны, и не требуют дополнительной энергии на возбуждение. Частным случаем ЭМПЭ с ВПМ, значительно повышающим эффективность последних, являются высокооборотные ЭМПЭ с ВПМ, которые используются в основном в короткоресурсных объектах совместно с воздушной турбиной на борту ЛА, например в системах турбохолодильных агрегатов (ТХА), комплексных турбокомпрессорных установках (КТУ), турбогенераторных источниках (ТГИ) или при прямом безредукторном соединении со вспомогательной силовой установкой (ВСУ).
Создание высокомощных ЭМПЭ с ВПМ и СГЭ на их основе при минимальных временных и материальных затратах невозможно осуществить без разработки методологии проектирования и решения задач синтеза и многокритериальной оптимизации геометрических размеров, свойств материалов и энергетических характеристик ЭМПЭ с ВПМ, в том числе и высокооборотных, а также синтеза систем СГЭ, создания новых, научно обоснованных конструктивных схем ЭМПЭ с ВПМ и других элементов СГЭ, концепций построения СГЭ ЛА на их основе, без создания методов учета взаимовлияний процессов как в самом СГЭ, так и в его элементах, в том числе взаимовлияний магнитных, тепловых и механических процессов, протекающих в ЭМПЭ с ВПМ.
Существующая теоретическая база с эмпирическими рекомендациями, полученными на основе исследований традиционных ЭМПЭ, не позволяет эффективное использование новых материалов в элементах СГЭ с уникальными свойствами для минимизации материальных затрат при создании СГЭ ЛА, новых конструктивных схем элементов СГЭ и новых требований по их совместному функционированию, а также требований по точности проектирования СГЭ. Известная теоретическая база по электрическим машинам требует расширения и дополнения, в том числе по исследованию нестационарных магнитных полей в ЭМПЭ с ВПМ в трехмерном пространстве, с учетом взаимовлияния температурных полей. Необходимо решить проблемы надежности и повышения энергоэффективности подшипниковых узлов ЭМПЭ с ВПМ, вопросы, связанные с минимизацией потерь на гистерезис и вихревые токи в стали статора,

11
обусловленные высокой частотой его перемагничивания, задачи минимизации
тепловыделений в обмотках, задачи обеспечения механической прочности ротора, подвергающегося воздействию значительных центробежных сил, вопросы создания эффективных схем обмоток, в том числе зубцовых, вопросы защиты от короткого замыкания ЭМПЭ с ВПМ, вопросы особенностей роторной динамики ЭМПЭ и т.д.
Объектом исследований в диссертации является система генерирования электроэнергии перспективных ЛА, состоящая из магнитоэлектрического электромеханического преобразователя энергии, системы стабилизации его напряжения, системы управления СГЭ, элементов преобразования (трансформаторов, трансформаторно-выпрямительных устройств и т.д.) и системы обеспечения функционирования элементов в СГЭ (электродвигатели, магнитные подшипники, муфты и т.д.).
Необходимо отметить, что в работе рассматриваются СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ с частотой вращения 12 000–24 000 об/мин, предназначенные для пассажирских или грузовых ЛА и СГЭ ЛА и с частотой вращения 30 000– 120 000 об/мин, предназначенные для короткоресурсных ЛА.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиям высокоэффективных ЭМПЭ посвящены работы В. А. Балагурова, Ф. Ф. Галтеева, А. Н. Ледовского, Д. А. Бута, А. И. Бертинова, А. Б. Захаренко, Я. Б. Данилевича, Ю. М. Красильникова, Л. Б. Ганзбурга, В. Я. Гечи, И. Ю. Кручининой, А. В. Левина, В. В. Лохнина, Ю. Б. Казакова, В. А. Нестерина, А. Ю. Смирнова, Ю. А. Макаричева, Ю. В. Зубкова, Б. С. Зечихина, М. Ю. Румянцева, Ф. Р. Исмагилова, И. Х. Хайруллина, А. М. Сугробова, К. Л. Ковалева, В. Т. Пенкина,С. А. Харитонова, J. R. Hendershot, T. J. E. Miller, A. Borisavljevic, A. Nagorny, Z. Q. Zhu, J. Pyrhönen и многих других. Развитию методов расчета систем с постоянными магнитами большое внимание уделяли такие ученые, как А.Б.Альтман, В.К.Аркадьев, Р. Р. Арнольд, А. В. Гордон, Ю.М. Пятин, K. Halbach, R. Ravaund, G. Lemarquand и др.
Исследованиям, оптимизации и синтезу авиационных систем электроснабжения, систем генерирования и агрегатов ЛА посвящены работы Д. Э. Брускина, В. В. Кушнерева, Б. Н. Калугина, В. С. Кулебакина, В. Т. Морозовского, В. Н. Сучкова, Ф. А. Гизатуллина, Е. В. Волокитиной,

12
С. А. Грузкова, И. А. Лазарева, М. И. Комисара, С. П. Халютина, С. Б. Резникова,
W. J. Clardy, W. L. Berry, J. P. Dallas, B. Adkins, W. Philipp, A. Hossle и др. Анализу тепловых процессов и задачам повышения КПД ЭМПЭ посвящены работы Г. А. Сипайлова, Ф. Н. Сарапулова, И.Ф. Филиппова, S. Nategh, L. Zhenguo,
F. Deping, G. Jianhong, G. Guobia и т.д.
Вопросы математического и компьютерного моделирования магнитных
полей ЭМПЭ в своих трудах отразили Б. К. Буль, О. Б. Буль, В. Я. Беспалов, А. И. Вольдек, О. Д. Гольдберг, В. В. Домбровский, К. С. Демирчян, А. В. Иванов- Смоленский, И. П. Копылов, Ю. Б. Казакова и др.
Анализ публикаций по теме исследований показывает, что в работах отечественных и зарубежных авторов изложены фундаментальные основы разработки и анализа систем электроснабжения (СЭС) и СГЭ ЛА. Но требования авиастроительных корпораций по минимизации времени создания новых ЛА, с минимизацией времени вывода их на рынок, диктуют расширение теории в части методологии и научных подходов, позволяющих добиться минимизации временных и материальных ресурсов при создании перспективных СГЭ ЛА. Кроме того, новые структуры СГЭ с высоконагруженными ЭМПЭ с ВПМ (в том числе с ЭМПЭ с ВПМ, интегрированными в силовую установку) с требованиями по повышению мощности СГЭ, появление новых методов повышения эффективности ЭМПЭ обязывает к дальнейшему развитию теории СГЭ ЛА. Из анализа литературы видно, что недостаточно развиты подходы, позволяющие многодисциплинарное проектирование полностью всей системы генерирования электроэнергии ЛА с ЭМПЭ с ВПМ с учетом взаимовлияния всех элементов, входящих в него, хотя именно наличие подобных подходов позволяет значительно ускорить процесс создания СГЭ ЛА. В большинстве зарубежных публикаций поставленные задачи решаются либо экспериментальным путем, либо методами компьютерного моделирования. Это, несомненно, имеет значительную практическую ценность, но затрудняет использование данных результатов при расчетах ЭМПЭ в широком диапазоне мощностей и габаритных размеров. Неосвещенными остаются вопросы создания обобщенной математической модели ЭМПЭ на бесконтактных подшипниковых опорах (БПО), использование которых позволяет повысить ресурс и эффективность СГЭ с ЭМПЭ с ВПМ, мало исследованы взаимовлияния тепловых

13
и электромагнитных полей в ЭМПЭ с ВПМ, не создан обобщенный метод
многокритериального выбора материала магнитопровода статора.
Исходя из этого, научная проблема, решаемая в диссертации – развитие теории СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ, создание методологии комплексного анализа и разработки систем генерирования электроэнергии летательных аппаратов с магнитоэлектрическими преобразователями энергии. Решение данной крупной научной проблемы обеспечит создание перспективных высокомощных
СГЭ ЛА при минимальных затратах времени и средств.
Цель работы – разработка и создание мощных, энергоэффективных и
отказоустойчивых СГЭ на основе ЭМПЭ с ВПМ современных и перспективных ЛА при минимальных затратах времени и средств.
Идея работы заключается в использовании многодисциплинарных подходов к анализу процессов в перспективных СГЭ и его агрегатах, учете взаимозависимостей магнитных, тепловых полей и механических процессов в энерговырабатывающих преобразователях СГЭ ЛА, разработке новых конструктивных схем агрегатов СГЭ ЛА, использовании новых материалов и технологий, позволяющих их эффективное применение.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка обобщенной структурной модели СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ с учетом тенденций развития современных ЛА, учитывающей возможности интеграции ЭМПЭ с ВПМ в силовую установку ЛА и позволяющей выполнять исследования СГЭ ЛА при условии многовариантности их построения.
2. Разработка и исследования обобщенной математической модели, описывающей процессы в ЭМПЭ с ВПМ в установившихся и переходных режимах, учитывающей взаимовлияние тепловых, механических и электромагнитных процессов, а также процессов в подшипниковых узлах и влияние эксцентриситета ротора на параметры ЭМПЭ с ВПМ.
3. Многокритериальная оптимизация агрегатов, входящих в СГЭ ЛА по заданным критериям и разработка алгоритма, позволяющего выполнять процесс многодисциплинарного проектирования СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ.
4. Разработка нового метода обеспечения отказоустойчивости ЭМПЭ с ВПМ в части защиты ЭМПЭ с ВПМ от витковых коротких замыканий,

14
обеспечивающего минимизацию последствий витковых замыканий ЭМПЭ с ВПМ,
а также купирование поврежденной катушки или фазы. Разработка методики компьютерного моделирования процессов при различных видах коротких замыканий (в том числе витковых) в ЭМПЭ с ВПМ.
5. Исследование режимов работы ЭМПЭ с ВПМ совместно с регулятором напряжения в составе СГЭ и оценка эффективности различных способов стабилизации напряжения ЭМПЭ с ВПМ в составе СГЭ ЛА. Разработка методики исследования магнитного поля реакции якоря в программном комплексе Ansys, позволяющей минимизацию временных затрат при компьютерном моделировании ЭМПЭ с ВПМ.
6. Анализ и создание алгоритмов расчета потерь в стали в агрегатах СГЭ при частотах более 400 Гц, выбора материалов и расчета ЭМПЭ, трансформаторно- выпрямительных устройств нового поколения на основе магнитопроводов из аморфного железа, разработка нового метода изготовления магнитопровода статора ЭМПЭ из аморфного железа.
7. Разработка, создание и внедрение новых, научно обоснованных конструктивных схем высокоэффективных агрегатов СГЭ. Экспериментальные исследования характеристик ЭМПЭ с ВПМ в статическом и динамическом режимах и анализ особенностей эксплуатации ЭМПЭ с ВПМ при различных режимах работы СГЭ ЛА.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена методология создания СГЭ ЛА, отличающаяся от известных тем, что учитывает взаимозависимости тепловых, электромагнитных полей агрегатов СГЭ ЛА, возможность совместной комплексной оптимизации характеристик агрегатов СГЭ ЛА и позволяет выполнять процесс многодисциплинарного проектирования СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ при минимальных временных и материальных затратах.
2. Разработана обобщенная структурная модель СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ с учетом тенденций развития современных ЛА, отличающаяся учетом возможности параллельной реализации нескольких СГЭ ЛА и прямой интеграции ЭМПЭ с ВПМ в силовую установку ЛА, а также многофазности и дублируемость элементов в отказоустойчивых ЭМПЭ с ВПМ СГЭ ЛА и позволяет выполнять исследования СГЭ ЛА при условии многовариантности их построения.

15
Предложены частные структурные модели для основных и аварийных СГЭ
ЛА.
3. Предложен новый метод обеспечения защиты ЭМПЭ с ВПМ от
витковых коротких замыканий, отличающийся тем, что учитывается гальваническая, термическая и электромагнитная связь катушек ЭМПЭ с ВПМ и позволяет сохранять работоспособность ЭМПЭ с ВПМ при витковых коротких замыканиях и изолировать одну из фаз или катушек ЭМПЭ с ВПМ.
Доказана возможность обеспечения защиты ЭМПЭ с ВПМ (без дополнительных обмоток на роторе) от витковых коротких замыканий во всех режимах работы.
4. Предложен новый метод гибридной стабилизации напряжения ЭМПЭ с ВПМ, который отличается от известных тем, что позволяет обеспечивать стабилизацию напряжения ЭМПЭ с ВПМ благодаря совокупности теоретических и технических решений в части магнитной системы ротора и магнитопровода статора и при этом не ухудшает массогабаритные показатели ЭМПЭ с ВПМ в отличие от известных параметрических способов стабилизации напряжения.
5. Разработан метод компьютерного моделирования коротких замыканий ЭМПЭ с ВПМ в программном комплексе Ansys Maxwell, отличающийся от известных тем, что учитывает механические процессы, взаимовлияние геометрических размеров ЭМПЭ с ВПМ и параметров обмотки и позволяет исследования как отдельных типов коротких замыканий, так и их различных комбинаций.
Теоретическая и практическая значимость работы подтверждается 8 актами внедрения результатов на предприятиях и в научных организациях: АО «УАПО» (Уфа), АО «ОКБ Кристалл» (Москва), АО «УНПП «Молния» (Уфа), ФГУП «ЦИАМ» (Москва), ООО «АльфаГидро» (Санкт-Петербург), ООО «Эрга» (Калуга), АО «УППО» (Уфа), а также одним актом внедрения в учебный процесс ФГБОУ ВО «УГАТУ» и др.
1. На основе полученных в работе научно-технических результатов созданы:
– система генерирования электроэнергии ЛА, состоящая электротехнического комплекса генератора МЭГ-100Ч и РН УФЦМ-150 (договор НР 574-15 между ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и ОАО «Технодинамика»). Созданная СГЭ предназначена для использования в перспективных ЛА;

16
– СГЭ, состоящая из генератора ГМЭТСЧ и РН (в интересах ОАО «ОКБ
«Кристалл»). Мощность генератора 150 кВт, частота вращения 24 000 об/мин, охлаждение жидкостное, напряжение реализовано методами подмагничивания спинки статора. Объект применения – магистральный генератор перспективных ЛА;
– СГЭ, состоящая из высокооборотного стартер-генератора с магнитопроводом из аморфного железа и его системы управления. Мощность стартер-генератора 120 кВт, частота вращения ротора 50 000 об/мин. КПД – более 98%. Объект применения – перспективная безредукторная ВСУ для перспективных ЛА, в том числе ЛА с коротким жизненным циклом;
– СГЭ, состоящая из высокооборотного стартер-генератора мощностью 20 кВт с частотой вращения ротора 12 000 об/мин и ТВУ, мощностью 10 кВт;
– электротехнические комплексы на основе энергоэффективных электродвигателей с постоянными магнитами и их системой управления для топливных насосов типа ЭЦН-91, используемых в системе охлаждения элементов СГЭ, в интересах АО «АО «УАПО» (Уфа). Электродвигатели предназначены для использования на вертолетах Ми-8;
– электротехнические комплексы на основе энергоэффективных электродвигателей с постоянными магнитами и их системой управления для топливных насосов типа ЭЦН-73, используемых в системе охлаждения элементов СГЭ, в интересах АО «ОКБ Кристалл» (г. Москва);
– разработано техническое задание на СГЭ для авиационного двигателя ПД-35 (планируемый объект применения – ШФМДС), создан и испытан опытный образец СГЭ, состоящий из стартер-генератора и статического преобразователя для авиационного двигателя ПД-35, частота вращения ротора 12 000 об/мин, мощность 250 кВт;
– разработано техническое задание на электрогенератор для межрегионального самолета с гибридной силовой установкой (шифр Электролет). Создан и испытан опытный генератор для межрегионального ЛА с гибридной силовой установкой и его система управления (неуправляемый выпрямитель), частота вращения ротора 12 000 об/мин, мощность 400 кВт;

17
– стенд на АО «УНПП «Молния» для испытания системы генерирования на
основе ЭМПЭ с ВПМ мощностью 15 кВт с частотой вращения 10 400 об/мин для самолета ТУ 204/214.
– высокоскоростной генератор с постоянными магнитами переменной частоты вращения, унифицированный с генератором наземной газотурбинной установки (договор АП-ЭМ-09-14-ХГ между ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и ОАО «УАПО» и договор между ОАО «УАПО» и ОАО «УАП «Гидравлика», No 89-200- 13/2). Мощность генератора 120 кВА, частота вращения 60 000 об/мин, линейное напряжение 200 В, охлаждение жидкостное. Испытания генератора производились на безредукторной ВСУ ОАО «УАП «Гидравлика». Объект применения – безредукторная ВСУ-120;
– магнитоэлектрический генератор ВМГ (договор ИМА-Интеграция 2 между ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и ФГУП «ГосНИИАС»). Мощность генератора 100 кВт, частота вращения ротора 60000 об/мин, охлаждение жидкостное, объект применения – перспективная безредукторная ВСУ для перспективных ЛА, в том числе ЛА с коротким жизненным циклом;
– отказоустойчивые многофазные электродвигатели с постоянными магнитами и частотным пуском для топливных насосов, используемых в системе охлаждения элементов СГЭ, в интересах ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова».
2. Исследованы методы стабилизации напряжения ЭМПЭ с ВПМ и доказано, что применение подмагничивания участков магнитопровода статора позволяет регулирование напряжения до 50%, а не как считалось ранее – до 20%.
3. Разработанные автором алгоритмы и методология позволяют выполнять многодисциплинарное проектирование и создание СГЭ ЛА. Экспериментальная верификация подтвердила возможность ее практического использования для создания перспективных СГЭ.
4. Разработанная технология изготовления магнитопроводов статора из аморфного железа позволила создать высокооборотную электрическую машину мощностью 120 кВт с частотой вращения ротора 60 000 об/мин, удельной массой 0,23 кг/кВт и воздушным охлаждением.
5. Разработаны и рекомендованы к внедрению в промышленность оригинальные конструктивные схемы устройств ЭМПЭ с ВПМ. Данные ЭМПЭ с

18
ВПМ позволили значительно повысить КПД и уменьшить массу СГЭ, топливной
системы ЛА, при увеличении их ресурса и надежности.
6. С использованием разработанной математической модели разработаны
новые способы управления положением ротора в бесконтактных подшипниковых опорах и диагностики технического состояния (защищенные патентами РФ на способы: патенты РФ NoNo 2518053, 2539690, 2542596, 2549363, 2605692, 2656871). Разработанные способы позволяют повысить точность и быстродействие систем управления положением ротора в бесконтактных подшипниковых опорах, при одновременной минимизации их стоимости.
7. Разработаны экспериментальные стенды и методики экспериментальных исследований, которые могут использоваться для определения характеристик и параметров ЭМПЭ с ВПМ при приемочных и типовых испытаниях.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематикой государственного заказа федеральных органов исполнительной власти: Минобороны России (проект 8.1277.2017/4.6 «Исследования, разработка и внедрение перспективных электромеханических преобразователей для автономных объектов с гибридной силовой установкой», проект 8.287.2014/К «Исследования и разработка высокоэффективного энергетического комплекса для повышения энерговооруженности и энергоэффективности космических аппаратов»); Российского научного фонда (проект 17-79-20027 «Обобщенная теория основополагающих физических процессов в высокотемпературных электромеханических преобразователях энергии, интегрированных в авиационный газотурбинный двигатель», проект 16-19-10005 «Создание высокооборотных и сверхвысокооборотных электромеханических преобразователей энергии средней и малой мощности на гибридном магнитном подвесе для аэрокосмической отрасли»); Российского фонда фундаментальных исследований (проект 16-38- 60001 «Исследования основополагающих физических процессов, протекающих в гибридных системах магнитной левитации энерговырабатывающего оборудования автономных систем электроснабжения»); Минпромторга России (государственная программа РФ «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы» от 14.04.2017 г. No17411.1770290019.18.013 и государственный контракт от 14.04.2017 г. No 17411.1770290019.18.011; Государственный контракт в рамках государственной программы РФ «Развитие авиационной промышленности на

19
2013–2025 годы» от 24 июля 2017 года No 17411.1740290019.18.001), а также в
рамках научно-исследовательских работ с предприятиями АО «УАПО» (договор 2085/АП-ЭМ-12-17-ХК), АО «КБ Электроприбор» (договор АП-ЭМ-01-17-ХК), АО «ММЗ Знамя» (договор подряда No 1), АО «ОКБ Кристалл» (договоры АП-ЭМ- 17-17-ХК, АП-ЭМ-01-18-ХК), АО «Электропривод» (договор 31502807658), ФГУП «ГосНИИАС» (договоры АП-ЭМ-05-18-ХГ, АП-ЭМ-04-18-ХГ), ФГУП «ЦИАМ» (договор 352-058-11-1935/ГК), ООО «АльфаГидро» (договор No 44), ООО «Эрга» (договоры АП-ЭМ-11-14-ХГ, 199-Э/15), АО «ОДК Авиадвигатель» (договор АП- ЭМ-03-18-ХК), АО «Технодинамика» (договоры КР 3264-16, К 2995-16, НР 574- 15), ЗАО «ПТФК «ЗТЭО» (договор АП-ЭМ-10-17-ХК) и др.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы аналитические методы исследования магнитного поля, в том числе анализ системы уравнений Максвелла для медленно движущихся проводящих сред и уравнения Лапласа в частных производных, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, а также постулаты теории теплопроводности. Анализ электромагнитных сил производился через их объемные плотности. При решении задач многокритериальной оптимизации использовались методы весовых функций, метод Парето. Численные задачи решались в пакетах Maple, Matlab, Matchad, задачи компьютерного моделирования магнитного поля, тепловых процессов, механической прочности и динамики ротора решены методом конечных элементов в пакетах Ansys и Ansoft Maxwell, с использованием пакета SolidWorks для создания твердотельных трехмерных моделей, имитационное моделирование осуществлялось на ПК в среде Matlab Simulink, обработка экспериментальных данных и данных компьютерного моделирования – пакет SplineTool. Также для анализа тепловых процессов использовался MotorCad. При разработке программного обеспечения использованы языки высокого уровня (VBA) и пакеты прикладных программ MathCAD, Matlab.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методология создания систем генерирования электроэнергии летательных аппаратов с магнитоэлектрическими преобразователями энергии, включающая в себя обобщенную структурную модель СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ с учетом тенденций развития современных ЛА, учитывающая возможности

20
интеграции ЭМПЭ с ВПМ в силовую установку ЛА, обобщённую математическую
модель, методы стабилизация напряжения ЭМПЭ с ВПМ и защиты от коротких замыканий и позволяющая выполнять исследования СГЭ ЛА при условии многовариантности их построения.
2. Обобщенная математическая модель, описывающая процессы в ЭМПЭ с ВПМ как основного элемента СГЭ ЛА в установившихся и переходных режимах, учитывающая взаимовлияние тепловых, механических и электромагнитных процессов, а также процессов в подшипниковых узлах и влияние эксцентриситета ротора на параметры ЭМПЭ с ВПМ.
3. Многокритериальная совместная оптимизация агрегатов, входящих в СГЭ ЛА по заданным критериям и методология создания СГЭ ЛА на основе ЭМПЭ с ВПМ, позволяющая одновременное многодисциплинарное проектирование всех компонентов, входящих в СГЭ ЛА.
4. Метод обеспечения отказоустойчивости ЭМПЭ с ВПМ в части защиты ЭМПЭ с ВПМ от витковых коротких замыканий, позволяющий минимизировать последствия витковых замыканий ЭМПЭ с ВПМ и методика компьютерного моделирования процессов при различных видах коротких замыканий (в том числе витковых) в ЭМПЭ с ВПМ с учетом механических процессов.
5. Исследования режимов работы ЭМПЭ с ВПМ совместно с регулятором напряжения в составе СГЭ и методика исследования магнитного поля реакции якоря в программном комплексе Ansys, снижающая временные затраты при компьютерном моделировании ЭМПЭ с ВПМ.
6. Исследования потерь в агрегатах СГЭ, алгоритм расчета потерь в стали при частотах более 400 Гц и алгоритм выбора материалов и расчета геометрических размеров ЭМПЭ, трансформаторно-выпрямительных устройств нового поколения, новый метод изготовления магнитопровода статора ЭМПЭ из аморфного железа.
7. Новые, научно обоснованные конструктивные схемы высокоэффективных агрегатов СГЭ. Рекомендации по их проектированию, полученные на основе экспериментальных исследований выходных характеристик ЭМПЭ с ВПМ в статическом и динамическом режимах и анализа особенностей эксплуатации ЭМПЭ с ВПМ при различных режимах работы СГЭ ЛА.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строгих математических

21
методов, компьютерным моделированием, подтверждаемых результатами
экспериментальных исследований. Достоверность подтверждена практикой использования предлагаемых решений при расчете и конструировании, создании, выполнении специальных испытаний и внедрении разработанных электромеханических преобразователей энергии на предприятиях АО «УАПО» (Уфа), АО «ОКБ Кристалл» (Москва), АО «УНПП «Молния» (Уфа), ФГУП «ЦИАМ» (Москва), ООО «АльфаГидро» (Санкт-Петербург), ООО «Эрга» (Калуга), АО «УППО» (Уфа), ФГБОУ ВО «УГАТУ» и др. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, определяющих общемировые тенденции развития отрасли: ICEM 2018 (Греция, 2018), XVII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, 2018), SPEDAM (Италия, 2018), IWED, 2018, 2019 (Москва), ICEPDS 2018 (Новочеркасск), IECON, 2016 (Италия), 2017 (Китай), Is the 42, 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IES); World Conference on Intelligent Systems for Industrial Automation, WCIS (Ташкент, 2014), The 38th PIERS (Санкт-Петербург, 2016), ХV международная научно-техническая конференция «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования. Энергоэффективность и энергосбережение» (Москва, 2012) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 135 научных работ, в том числе 4 монографии, 20 работ в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 8 работ, индексируемых в БД Web of Science, 38 работ, индексируемых в БД Scopus, в том числе 7 работ в изданиях с рейтингом Q1, 13 работ, опубликовано автором единолично, без соавторов. По результатам диссертационной работы получено 15 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ, 46 патентов РФ на изобретение, 12 патентов РФ на полезную модель, в том числе 2 патента и 1 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ получено автором единолично, без соавторов.
Некоторые научно-технические результаты получены автором в ходе зарубежной стажировки по программе ОАО «РусГидро» «Инновационные решения в ВИЭ, включая гидроэнергетику» в Бельгии, Германии и Нидерландах, а также в ходе научной стажировки в Bundeswehr University Munich.

22
Опубликованные работы полностью отражают основное содержание
диссертационной работы. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, отражены в публикациях автора, приведённых в автореферате: Работы [1, 5-6, 10, 17-18, 23, 32, 42, 50-51, 116,129] выполнены автором единолично. В работах [4, 8, 15, 24, 28, 34, 35, 37, 39, 43, 44, 51, 53, 56, 58, 77] соискателем разработаны предлагаемые математические модели, выполнена постановка научной проблемы, разработаны методы и предложены новые конструктивные решения.