РАЗДЕЛ 2
ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ И ОСНОВЫ ТЕОРИИ
ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
2.1. Принципы создания и основы систематики базовых видов полифункциональных
электромеханических преобразователей
Структура, функции и выходные параметры электромеханического преобразователя
определяются технологическим процессом и общей технической системой (ТС),
реализующей этот процесс. Логическую схему формирования ТС можно представить в
виде такой последовательности:
выбор маршрутов переработки сырья и синтеза заданного целевого продукта;
выбор технологических режимов;
выбор общей конструкции и структуры подсистем ПЭМП;
расчеты (тепловой, электромагнитный, гидродинамический и др.) ПЭМП;
расчет технологических показателей эффективности каждой из подсистем и ПЭМП в
целом;
выбор системы разделения полезного и вторичного продукта;
выбор системы рециркуляции;
выбор системы теплообмена.
На рис. 2.1 представлена «луковичная» диаграмма формирования ТС. При этом ядром
луковичной диаграммы является собственно технологический процесс переработки
веществ и их смесей, либо процесс получения тепловой энергии путем
преобразования электрической энергии с использованием гидродинамических
процессов кавитации. Все слои луковичной системы взаимодействуют друг с другом.
Изменения в технологическом процессе вызывают изменения и в теплообменной
системе и в количестве потребляемых внешних энергоносителей – внешних утилит.
Технологическим процессам, в которых задействованы ПЭМП, присущи два наиболее
важных свойства. Первое из них – это свойство интерэктности, т.е. наличие
взаимосвязанных и взаимодействующих частей. Второе – эмерджментность,
характеризующее способность порождения новых, присущих системе, системных,
интегративных свойств. Среди всех факторов и мероприятий интенсификации
Рис. 2.1. Луковичная диаграмма формирования технологической системы
процессов в ТС особую роль играют эффекты, связанные с оптимальным выбором
структуры, элементов системы и интеграцией последних. Опыт показывает, что
экономический эффект от оптимальной ТС примерно на порядок выше эффектов от
оптимальной организации отдельных элементов или оптимального управления
процессом [90]. За основу алгоритмических методов синтеза и анализа оптимальных
ТС берем интегральные методы. В отдельных случаях мы воспользуемся
декомпозиционными методами для уточнения инженерных методик каждого узла,
процесса или подсистемы. Суть интегральных методов заключается в объединенном
математическом описании отдельных подсистем, процессов и аппаратов.
Для рассмотрения берем две конструктивно-технологические схемы (рис. 2.2 и
рис. 2.3), наиболее полно отображающие интегральные свойства и технологическую
направленность ПЭМП.
Рис. 2.2. Конструктивно-технологическая схема шнекового ПЭМП:
1 – статор двигательного (тормозного) модуля;
2 – полый неподвижный вал;
3 – внешний ротор–шнек;
4 – днище шнека;
5 – корпус;
6 – индукторы подогрева днища;
7 – аксиальные каналы ротора-шнека;
8 – ввод питающего напряжения.
Рис. 2.3. Конструктивно-технологическая схема бистаторного
погружного ПЭМП:
1 – внешний статор;
2 – внутренний статор;
3 – внешний ротор;
4 – внутренний ротор;
5 – торцевой индуктор;
6 – лопасти;
7 – ось винтового насоса;
I; II … N – коаксиальные слои материала.
Принципы создания ПЭМП можно разделить на следующие группы [110- 120]:
1. Принципы структурной и функциональной интеграции.
2. Принципы интеграции тепловых процессов.
3. Принцип саморегуляции по разделению на составляющие полезной мощности.
4. Принципы безредукторного обеспечения малой частоты вращения и кратного
усиления вращающего момента.
Задачи определения границ существования и разработка систематики видового
разнообразия произвольных функциональных классов ПЭМП относятся к принципиально
новому классу задач системного уровня. Поэтому разработка системной методологии
исследования структурного разнообразия класса ПЭМП, с возможностью прогноза
неявных видов (т.е., видов еще отсутствующих на данное время эволюции класса),
представляет актуальную научную проблему.
2.1.1. Принципы структурной и функциональной интеграции. ПЭМП технологического
назначения – новый класс ЭМC, который представлен на данное время эволюции лишь
отдельными объектами, созданными на основе вращающихся и линейных электрических
машин и аппаратов.
С точки зрения структурного анализа, объект исследования относится к классу
совмещенных ЭМC с полифункциональными свойствами, так как процессы
преобразования энергии осуществляются с использованием трех видов энергии
(электрической, механической и тепловой), а ее структура в общем случае,
совмещает электромеханический преобразователь, движитель (рабочий орган) и
источники тепловой энергии.
Полнота и мощность синтезируемого множества порождающих ЭМ-структур,
определяющих генетическую структуру некоторого вида SGT G F (где G – род; F –
семейство ПЭМП) и удовлетворяющих заданной функции цели, непосредственно
связаны с выбором генетических операторов синтеза. В работе [18] показано, что
на генетическом уровне представления порождающих электромагнитных структур
число таких операторов ограничено. При этом, каждому из операторов ставится в
соответствие определенная процедура преобразования исходной структуры, которая
реализуется конкретным признаком, приобретаемым структурами-потомками.
Указанные свойства генетических операторов открывают возможность моделирования
генетического процесса структурообразования, т.е. определения конечного
множества порождающих ст