CC BY
21
Состав электродвигателя Таблица 1.
№ п/п Наименование Количество
1 Статор 1
2 Пакет статора 1
3 Обмоточный провод 1
4 Пропитка-компаунд 1
5 Выводные провода 5
6 Корпус (сварные соединения) 7
7 Ротор 1
8 Подшипник 1
9 Пакет ротора 1
10 Медные стержни 5
11 Кольца короткозамыка-ющие 2
12 Вал 1
Формулы (2) не учитывают отказы пропитки, стержней, колец, корпуса и др. Поэтому для получения уточненной оценки надежности необходимо
модифицировать расчетную формулу (2), и тогда она будет иметь вид:
Лмм = Лм + Дж + Лз + Лк (3)
где: Лм - интенсивность отказов электродвигателя (9); ЛsE - интенсивность отказов прокладки; ЛG -интенсивность отказов сварных соединений; Лк -интенсивность отказов электрических кабелей.
Заключение
Таким образом, несмотря на большое количество различных методик посвященных расчетам надежности электромеханических компонентов, ни одна из них не учитывает всех параметров. Поэтому для получения наиболее точного результата необходимо комбинировать математические модели или дополнять.
Статья написана в рамках научного проекта (№ 15-05-0029), выполненного при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2015/16 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жаднов В.В. Прогнозирование надежности электронных средств с механическими элементами: научное издание. / В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Изд-во ООО «Форт Диалог-Исеть», 2014. - 172 с.
2. Лушпа И.Л. Оценка коэффициентов вариации ресурса резисторов. / И.Л. Лушпа. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.1. Пенза: ПГУ, 2015. с. 304-306
3. Лушпа И.Л. Исследование надежности механических компонентов антенно-фидерного устройства системы управления беспилотным летальным аппаратом. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.2. Пенза: ПГУ, 2014. с. 264-266
4. Лушпа И.Л. Разработка модуля расчета интенсивности отказов фильтрующих элементов для АСОНИКА-К-СЧ. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов, В.М. Фокин. // Надежность и качество-2013: труды Международного симпозиума: в 2-х т. Т.1. Пенза: Издательство ПГУ, 2013. с. 113-115.
5. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. / В.В. Болотин. // М.: Машиностроение, 1984. 312 с.
6. В.В. Шашкин Надежность в машиностроении: Справочник. / В.В. Шашкин, Г.П. Карзов. // СПб.: Политехника, 1992. 719 с.
7. Воробьев В.Е. Прогнозирование срока службы электрических машин: Письменные лекции. / В.Е. Воробьев, В.Я. Кучер // СПб.: СЗТУ, 2004. 56 с.
8. Прытков, С.Ф. Надежность ЭРИ: Справочник /С.Ф. Прытков, В.М. Горбачева, А.А. Борисов и др. // Науч. рук. С.Ф. Прытков. - М:. ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2006.
9. MIL-HDBK-217. Reliability prediction of electronic equipment.
10. Юрков Н.К. К проблеме моделирования риска отказа электронной аппаратуры длительного функционирования / Н.К. Юрков, И.И. Кочегаров, Д.Л. Петрянин // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2015. № 4 (32). С. 220-231.
11. NSWC-11. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment. - USA: CARDEROCDIV, 2011. - 522 p.
УДК 621.319:621.311 Погорелов А.М., Пиганов М.Н.
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) (СГАУ), Самара, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье рассмотрены существующие накопители энергии. Проведено сравнение электрохимичеких конденсаторов на основе нано-структурированных материалов с другими накопителями энергии, выделены преимущества и недостатки. Рассмотрена конструкция элементарного двойнослойного электрохимического конденсатора и показаны пути развития технологии его изготовления.
Введение
Электрохимические конденсаторы занимают промежуточную позицию между аккумуляторами и традиционными диэлектрическими конденсаторами. Все чаще понятие электрохимических конденсаторов заменяют синонимами «суперконденсаторы». На сегодняшний день аккумуляторы могут запасать довольно высокую электрическую энергию, но диэлектрические конденсаторы обладают способностью отдавать высокую мощность в течение времени порядка миллисекунд. Тем не менее развитие технологии электрохимических конденсаторов позволяет выводить их на первый план среди существующих накопителей энергии. В настоящее время так называемые «суперконденсаторы» получили широкое применение в космической и автомобильной индустрии, стационарной энергетике, бытовой электронике и технике, радиоэлектронике и других областях потребления и накопления электрической энергии. Разработчики электрохимических конденсаторов ставят перед собой цели, отвечающие запросам настоящего и будущего. Следовательно, накопители энергии, имеющие электрохимическую природу, должны обладать высоким ресурсом и надежностью; адекватной себестоимостью, которая включает в
себя расчёт энергии и мощности одного цикла использования; способностью эксплуатироваться в условиях широкого спектра внешних и внутренних воздействий (высокая амплитуда токов, перепады напряжения, экстремальные температурные условия); максимальной экологичностью, что с каждым годом настоящего столетия является серьёзнейшей задачей, отодвигающей на задний ракурс технические преимущества технологии устройства.
Отличительные особенности накопителей энергии
Конденсатор - это устройство, которое обладает свойством накопления электрической энергии, что нельзя не сказать про аккумулятор. Однако разница между ними существенна.
Конденсатор характеризуется определенным свойством - емкостью [1]:
с = 1 и
где q - заряд, запасаемый на электродах конденсатора; U - градиент напряжения, приложенного к обкладкам конденсатора.
Преобразовав формулу емкости получим:
ц = Си
Таким образом, при постоянном напряжении увеличение значения накапливаемого заряда ведет к росту значения емкости. Если осуществлять циклы
заряд/разряд в гальваностатическом режиме током I, то формулу накапливаемого заряда можно представить так:
q = П.
Следовательно
Ч 1 и = - = -с. с с
Изменение напряжения на обкладках конденсатора будет осуществляться пропорционально времени, образуя линейную зависимость функции напряжения:
1/(0 = к-г,
где к - это коэффициент, отвечающий за угол наклона линейной функции и(1). Он равен отношению постоянного тока (заряда или разряда) к емкости конденсатора:
к = -
В ходе чередования цикла заряд/разряд, получим пилообразную зависимость напряжения от времени, как представлено на рис. 1.
Зарнд |
I Разряд |
н Н:МЮТ Г'1 ДИСК? НЛ1фЯЖ
1 1 1
Время, ч
Рисунок 2 - Зависимость потенциала аккумулятора от времени
Если же говорить о «суперконденсаторах», то их характеристика зависимости потенциала от времени близка к пилообразной, как и у традиционных конденсаторов, что дает огромные преимущества по
параметру отдачи мощности. Тем не менее характеристика нелинейна, так как при заряде и разряде электрохимического конденсатора задействованы электрохимические процессы движения заряженных частиц, благодаря которым «суперконденсаторы» вплотную приближены к аккумуляторам по параметру накопления энергии.
Электрохимические процессы электрохимического двойнослойного конденсатора
В основе принципа работы электрохимического двойнослойного конденсатора лежит теория двойного электрического слоя Гельмгольца, как обкладок плоского конденсатора. Двойной электрический слой формируется зарядами противоположных знаков на границе раздела двух фаз электрод/электролит. Взаимодействие двух фаз имеет существенную особенность: различие характера проводимости фазы электрода и фазы электролита. Они обладают соответственно электронной и ионной проводимостью, а также различно агрегатное состояние фаз (электрод - твердое тело и электролит - жидкость). Как и в традиционных конденсаторах, в электрохимических двойнослойных конденсаторах реализован статический принцип, представляющий из себя процесс зарядки и разрядки двойного электрического слоя, в результате которого не происходит электрохимическая реакция.
Элементарный двойнослойный конденсатор имеет конструкцию, представленную на рис.3. Он состоит из двух пористых поляризуемых электродов, сепаратора, электролита, и двух токовых коллекторов «+» и «-» [3]. Электрод и сепаратор находятся в среде электролита.
Время, мс.
Рисунок 1 - Зависимость потенциала на обкладках диэлектрического конденсатора от времени
Заряд и разряд конденсатора обусловлены накоплением и потерей электростатической энергии.
Циклы заряд/разряд аккумулятора сопровождаются электрохимической реакцией, которая протекает при квазипостоянном напряжении (квазипостоянном потенциале) [2]. На рис. 2 представлена зависимость потенциала аккумулятора во времени при его заряде и разряде.
Таким образом скорость заряда и разряда конденсатора существенно превышает соответствующие скорости заряда/разряда аккумулятора, потому что аккумуляторы обладают далеко не быстрыми скоростями химических и фазовых превращений электродных веществ.
Рисунок 3 - Конструкция элементарного двойнослойного электрохимического конденсатора
Пропитанный электролитом электрод состоит из слоя пластифицированного активированного угля на подложке из материала, аналогичного материалу сепаратора. Толщина слоя активированного угля находится в пределах 0,1...5,0 мм, а размеры частиц активированного угля - в пределах 1.50 мкм, размеры активных пор: 0,7.16 нм.
В качестве электролитов в «суперконденсаторах» используют как водные растворы щелочи (напряжение разложения 1,23 В и электропроводность 1,0 См/см), так и органические электролиты, называемые ионными жидкостями (напряжение разложения 2,7 В и электропроводность 0,01 См/см).
Материалом для сепараторов довольно часто служит асбестовая бумага, так как соответствует предъявляемым требованиям по электрическим и механическим характеристикам, а также обладает целесообразными экономическими качествами.
При формировании разности потенциалов на то-коотводах двойнослойного конденсатора отрицательные ионы электролита устремляются к положительному электроду, а положительные ионы - к отрицательному. Пористый диэлектрический сепаратор между электродами пропускает ионы электролита, но не допускает короткого замыкания между электродами.
Электрохимический процесс в двойнослойном электрохимическом конденсаторе можно представить следующим образом [4]:
положительным электрод Es + А- -E+s || А- + е-
отрицательный электрод Es + К+ + е- - E-s || К+
суммарная реакция ES + ES + К+ + А- - E-S || К+ + E+S ||А- , где Es - поверхность электрода; || - двойной
электрический слой, где заряд аккумулируется на обеих его сторонах; К+ и А- - катионы и анионы электролита.
В процессе заряда электрохимического конденсатора электроны переносятся от положительного электрода к отрицательному через внешний источник тока, тем временем ионы из объема электролита двигаются к электродам. А при разряде «суперконденсатора» электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному через сопротивление нагрузки, а ионы переходят из межфазной границы в объём электролита. Следовательно, при зарядке и разрядке «суперконденсатора» изменяется плотность заряда на границе раздела фаз и, в то же время, концентрация электролита.
На рис. 4 представлена зависимость изменения напряжения двойнослойного электрохимического конденсатора во времени при его заряде и разряде.
Рисунок 4 - Зависимость потенциала двойнослойного электрохимического конденсатора от времени
Отсутствие электрохимических реакций в цикле заряда/разряда и присущих им поляризационных затруднений предлагают электрохимические конденсаторы в качестве очень «быстрых» устройств, где критическим является только омическое сопротивление. Тем не менее процессы движения ионов в электролите и формирования двойного электрического слоя занимают достаточно длительное время относительно процессов движения электронов и дырок в твёрдом теле, что присуще традиционным конденсаторам с диэлектриком.
Заключение
Благодаря развитию технологий создания электрохимических конденсаторов на основе нанострук-турированных материалов, происходит качественная и надежная миниатюризация устройства накопления энергии. На данный момент развития двой-нослойный электрохимический конденатор с жидким электролитом обладает высокими показателями ресурса службы - порядка 106 циклов заряд/разряд, при этом отдача по энергии в районе 1000-го цикла составляет 95% и не опускается ниже 85% к концу срока службы. Данные устройства накопления энергии способны заряжаться за короткое время (до 30 секунд), выдавать удельную мощность порядка 3000 Вт/кг, обладая при этом удельной энергией около 10 Вт^ч/кг.
Конечно развитие технологии двойнослойных конденсаторов не стоит на месте. Уже известны подробности исследований в UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе), где для создания новых типов конденсаторных электродов использовался стандартный DVD оптический привод [5].
Процесс осуществления технологии представлен на рис. 5. Обычный DVD диск покрывают тонкой пленкой (около 15 мкм) оксида графита. С помощью DVD привода и лазерной технологии LightScribe на диск наносится трафарет в виде микроскопической сетки, что позволяет получить графеновый электрод. Рассмотренная структура получила имя LSG (Laser Scribed Graphene, гравированный лазером графен). Графеновые электроды являются как активными элементами, так и коллекторами тока. Интересная особенность нового «суперконденсатора» в том, что пространство между электродами заполнено гелеобразным полимером, служащим одновременно электролитом, сепаратором и клеем.
Рисунок 5 - LSG-технология электрохимического конденатора и схема её осуществления
В таких «суперконденсаторах» ионы электролита удельная поверхность графенового трафарета де-
при движении затрачивают более короткий путь, лает емкость электрического заряда электрохи-
нежели они преодолевают в активированном угле. мического конденсатора сопоставимой с емкостью
Результатом этого являются высокая пиковая мощ- аккумуляторной батареи, ность и еще более быстрая зарядка, а высокая
ЛИТЕРАТУРА
1. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы // «Энергия» Ленинградское отделение, 1969. 36с.
2. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы // М: Изумруд , 2003. 28с.
3. Измайлова М.Ю. Разработка суперконденсаторов с использованием ионной жидкости 1-метил-3-бутилимидазолийтетрафторбората // Москва, 2010. 15с.
4. Zheng J.P., Huang J., Jow T.R. The limitations of energy density for electrochemical capacitors. // J. Electrochem. Soc. 1997. V.144. P.2026.
5. Интернет ресурс Electronics Weekly: http://www.electronicsweekly.com/news/research-news/de-vice-rd/graphene-makes-better-supercapacitors-2 013-04/
