В НИУ «МЭИ» создали установку для нагрева вращающихся деталей и изделий с использованием постоянных магнитов

В промышленности широко используется как индукционный нагрев, так и другие виды электронагрева для обеспечения заданных температурных режимов деталей, изделий и заготовок в различных технологических процессах. Индукционный нагрев используется для моделирования тепловых режимов вращающихся дисков турбин авиационных двигателей и газотурбинных установок при испытаниях в авиастроении и машиностроении, что является актуальным. Установки индукционного нагрева отличаются высокой стоимостью, сложной конструкцией, имеют полный КПД 40—60 % и требуют дополнительных систем электропитания и систем охлаждения, производимых зарубежными кампаниями. В связи с этим, в условиях импортозамещения актуальна разработка новых энергосберегающих методов нагрева и более простых по конструкции установок без использования дополнительных систем электропитания и систем охлаждения, которые значительно снизят материальные затраты и позволят экономить электроэнергию.

В 2007 году сотрудники кафедры ЭППЭ с помощью 3D расчетного моделирования методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS получили результаты, которые показали эффективность нагрева вращающихся металлических дисков в электромагнитном поле, созданного постоянными магнитами c остаточной индукцией 1 Тесла. В 2010 году была подана заявка на изобретение, а в 2011 году профессором, д.т.н. А.Б. Кувалдиным, д.т.н. А.Р. Лепешкиным и к.т.н. С.А. Лепешкиным был получен патент РФ на изобретение «Способ получения энергии и устройство для его реализации» (патентообладатель НИУ «МЭИ»), в котором был представлен новый метод нагрева вращающихся дисков и деталей с использованием сильных постоянных магнитов.

В мае 2023 года на кафедре ЭППЭ в составе научного коллектива: профессора, д.т.н. А.Р. Лепешкина, аспиранта, ведущего инженера С.С. Кондрашова, профессора, д.т.н. М.А. Федина была разработана новая экспериментальная установка для нагрева вращающихся дисков и деталей с использованием постоянных магнитов. Данное событие является очень важным для кафедры ЭППЭ и новым научным достижением в работах по электротехнологиям, которыми профессор, д.т.н. Лепешкин А.Р.  занимается более 40 лет. На фотографии 1 представлены участники научного коллектива, которые принимали участие в создании установки. На фотографии 2 представлена разработанная установка. Так же в создании экспериментальной установки приняли участие, как и студенты каф. ЭППЭ, так и сотрудники кафедры «Технологии металлов» и кафедры «Химия и электрохимическая энергетика». Кроме того, в развитии установки участвовал к.т.н, доцент Ефимов А.Р. В июне 2023 года на кафедре ЭППЭ успешно защищена магистерская диссертация по созданию указанной установки с отличной оценкой.

Экспериментальная установка состоит из высокоскоростного электродвигателя, экспериментального диска из нержавеющей стали (диаметром 300 мм, толщиной 1.5 мм), изготовленного с применением технологии высокоточной лазерной резки, разработанного переходного адаптера сложной формы на кафедре ЭППЭ, датчика частоты вращения основанного на современной лазерной системе измерения, измерительной и тепловизионной аппаратуры, лабораторного автотрансформатора для регулирования частоты вращения электродвигателя, постоянных магнитов (из сплава неодим-железо-бор с остаточной индукцией 1 Тесла) с никелевыми и теплозащитными покрытиями, крепежных кубических рам и др. Между поверхностью диска и постоянными магнитами может изменяться зазор от 3 мм до десятков мм.

На данной установке проведены исследования нагрева экспериментального диска (из нержавеющей стали), вращающегося на повышенных частотах в электромагнитном поле, созданном постоянными магнитами. Первые результаты с применением тепловизионной аппаратуры показали, что температуры вращающегося диска за время 40 сек достигают значений 200-250 °С. Причем, в процессе эксперимента наблюдалось тормозящее действие (момент) от постоянных магнитов на вращение диска за счет взаимодействия вихревых токов в материале диска с постоянными магнитами и была получена зависимость температуры диска от частоты вращения. С учетом полученных эффектов в настоящее время необходимо дополнить установку электродвигателем улучшенной конструкции с более высокой частотой вращения и необходимой характеристикой момента, что позволит получить более высокие температуры за меньшее время.

Предложенный метод нагрева позволяет повысить КПД до 90%, что в среднем в 1.5—2 раза увеличит эффективность нагрева вращающихся деталей.

Разработанный энергосберегающий метод нагрева является новым и перспективным методом в области электротехнологий. Его можно использовать для нагрева малоразмерных вращающихся дисков и деталей авиационных двигателей, цилиндрических заготовок и изделий из алюминиевых и других сплавов в авиастроении, машиностроении, энергетике и металлургической промышленности.