CC BY
75
УДК 629.78.03:621.313.29
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН НА БАЗЕ БЕСКОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПЕЧАТНОЙ ОБМОТКОЙ НА СТАТОРЕ ДЛЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Т.Н. Баландина
Томский политехнический университет E-mail: error.balandina@yandex.ru
Создание нового электромеханического исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика для системы ориентации космического аппарата с улучшенными массо-габаритными характеристиками позволит экономить потребителям деньги при запуске космических аппаратов. Требование минимальной массы является одним из главных, предъявляемых к электромеханическим исполнительным органам. Целью исследования является расчет параметров и разработка конструкции электромеханического исполнительного органа на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с улучшенными массогабаритными характеристиками. Это достигается за счет применения плоского статора, выполненного в виде печатного монтажа, при длине статора цилиндрической формы десятки миллиметров сокращаются до 1,5-2,0 мм, что влечет уменьшение размеров силовой части корпуса исполнительного органа, а соответственно, и массы всего двигателя-маховика. Результатом выполненной работы является разработанная конструкция двигателя-маховика на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с печатной обмоткой на дисковом статоре.
Ключевые слова:
Электромеханический исполнительный орган, управляемый по скорости двигатель-маховик, космический аппарат, бесконтактный двигатель постоянного тока с печатной обмоткой, кинетический момент, момент управления.
В настоящее время в электромеханических исполнительных органах (ЭМИО) космических аппаратов наибольшее применение находят бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ). Отсутствие щеточно-коллекторного узла у данного вида двигателя увеличивает надежность и долговечность, повышает коэффициент полезного действия. Такой вид электродвигателя может работать в условиях широкого диапазона температур, в вакууме [1-2].
Научно-технической новизной данной конструкции является то, что данный тип электродвигателя по анализу доступных публикаций не имеет аналогов применения в космической области.
В данной статье рассматривается конструкция ЭМИО на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на якоре, мощностью 5 Вт и напряжением питания 12 В, кинетическим моментом 0,3 Нмс, угловой скоростью 628 рад/с. Применение плоского статора с печатной обмоткой для ЭМИО является оригинальным новшеством.
Конструкция ЭМИО на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на статоре вместе с блоком управления приведена на рис. 1.
Баландина Татьяна Николаевна, магистрант кафедры точного приборостроения Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail:
error.balandina@yandex.ru Область научных интересов: системы управления космическими аппаратами.
15 3 18 10 11 24- 13 22 1
052.5
072
Рис. 1. Конструкция ЭМИО на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на статоре с блоком управления и его габариты
Ротор 3 включает в себя кольцевой магнитопровод из магнитомягкого материала, в пазах которого установлены литые постоянные магниты квадратной формы. Крепление постоянных магнитов в пазах магнитопровода осуществляется приклеиванием. Кольцо 2 является второй частью магнитопровода. Поверхности кольца 2 и самих полюсов, образующие торцевой воздушный зазор, тщательно обработаны для обеспечения одинаковых величин зазора магнитной индукции под каждым полюсом. Магнитная система встраивается в корпус 12 и диафрагму маховика 16 из немагнитного материала. Через отверстие в корпусе 12 подводятся провода питания (от разъема 25) к трехфазному статору 1, блоку управления 4 и датчикам положения 22, установленным на пластинах, которые при помощи резьбового соединения крепятся в пазах втулки-держателя 13. Статор 1 приклеивается к втулке-держателю 13. Блок управления 4 крепится к корпусу 12 при помощи шпилек 21. Вся конструкция ЭМИО закрывается верхним 15 и нижним 14 кожухами. Отверстия в кожухах и корпусе заливаются компаундом. Для установки ЭМИО на борту малого космического аппарата используются ножки корпуса.
Отличительной чертой конструкции данного электродвигателя является плоская форма тонкого диска статора с печатной обмоткой (рис. 2).
Рис. 2. Печатный дисковый якорь (слева) и якорь обычного исполнения (справа) двигателей постоянного тока одинаковой мощности [3]
Статор бесконтактного двигателя постоянного тока с печатной обмоткой (рис. 3) представляет собой тонкий диск из механически прочного и нагревостойкого изоляционного материала.
На обеих сторонах диска напечатаны плоские тонкие медные проводники обмотки. Радиальные участки 1 проводников (рис. 3) образуют активную зону обмотки. Изогнутые по эво-вольвенте части 2 проводников вблизи кромки и центра дискового статора необходимы для соединения активных проводников 1 и называются лобовыми частями обмотки. Лобовые части, напечатанные на противоположных сторонах диска, соединяются между собой через гальванизированные отверстия 3 (гальванические заклепки). На внутреннем диаметре гальванизированные переходы 3 часто располагаются в два ряда в шахматном порядке.
б
Рис. 3. Схема восьмиполюсной волновой печатной обмотки дискового статора [3]: а - обмотка на диске статора; б - схема соединения печатных проводников на обеих сторонах диска статора
Ниже приведен расчет основных параметров статора с печатной обмоткой и маховика. И - оптимальный средний диаметр статора (рис. 4).
а
Рис. 4. Размеры печатной обмотки дискового статора [3]
Внутренний диаметр обмотки [3]: д — = 34'0,074 = 1 б(см), где
' 2' Ж'у 2'3,14'0.77 '
^ — минимальный шаг печатной обмотки; у — отношение минимального шага печатной обмотки ^ к минимальному шагу на внутреннем диаметре ^ .
Внешний диаметр обмотки [3]: Д = Д +л у Д = 3,6 + 3,14 0,77 1,6 = 4ДШ), где
2' р 2' 3
Д - внутренний диаметр внешних лобовых частей (рис. 4). Но, исходя из рациональной комплектации всего ЭМИО, приняты следующие значения диаметров обмотки (с сохранением пропорций): внутренний диаметр обмотки 2,26 см, внешний -5,2 см.
Для данной магнитной системы выбраны неодимовые магниты марки N35. Допустимая магнитная индукция магнитов: В = 1,9'10—4(вб / см2) коэрцитивная сила: Нс = 87 600(А/см). Воздушный зазор [3]: 8 = 0,03 - Д = 0,03 - 3 = 0,09 (см).
Выражение ширины полюса: ь = а—Р,т = 1,37'0,°01 1 57 = 1 14(см), где а - коэффи-
т В 0,00019 ' '
циент рассеяния; В - средняя индукция в воздушном зазоре. Длина полюса:
/т = 0.268 • = 0.268• 3 = 0.81 (см) , высота полюса:
0.000145 • 0.0001-0.09
й_ =-
ср
В • В„ •5
Ис • В -Ц0- аг 87600 • 0.00019 -1.26 -10 8 • 0.9
0.2 (см).
Момент инерции маховой массы и ротора 3 [4]: 3 = Н = -03 = 0.00047 (кг•м2). Момент
О 628
инерции ротора составляет 0,00023 (кг • м2) , то момент инерции обода маховика равен 0,00024 (кг • м2). Так как размеры маховика выбираются таким образом, чтобы фактический момент инерции был равен или несколько больше требуемого момента инерции, для дальнейших расчетов принимаем значение момента инерции, равное 0,0003 (кг• м2).
Используя выражение момента инерции маховой массы [4] 3 =
пу • Ъ 2
•(Я4 - г4))
где
Ъ = 0,007 (м) - высота обода; у = 77 500 Н/м - удельная масса материала (сталь марки 14Х17Н2); Я = 0,033 (м) - наружный радиус маховика; г - внутренний радиус маховика, м. Определим внутренний радиус обода маховика:
г = 41Я4 —= 4/0.0334 -п Ъ •у
2 • 0.0003
3.14 • 0.007 • 7500
= 0.031 (м).
Масса обода маховика равна 0,043 кг, масса ротора 0,055 кг, то масса ротора и обода маховика равна 0,098 кг.
Разработанный ЭМИО предназначен для пространственной ориентации и стабилизации положения малого космического аппарата (рис. 5).
а б
Рис. 5. 3Б-модель исполнительного органа: а - в собранном виде; б - в разобранном виде
Основными компонентами разработанной конструкции исполнительного органа являются: двигатель - маховик, датчики положения ротора, блок управления.
Разработанный исполнительный орган генерирует переменный кинетический момент Н = ±0,3(Нмс).
Двигатель-маховик включает в себя:
1. БДПТ с печатной обмоткой на дисковом статоре вращающий маховик с переменной угловой скоростью О = ±6000(об / мин).
2. Маховик представляет собой массивный ротор с явно выраженным ободом.
3. Датчики положения ротора, реализованные на датчиках Холла.
В табл. 1 приведены основные технические характеристики разработанного ЭМИО.
Таблица 1. Технические характеристики разработанного ЭМИО
Технические параметры Значение
Кинетический момент, Нмс 0,3
Максимальный управляющий момент, Нм 0,01
Максимальная потребляемая мощность, Вт 5
Ресурс, ч/лет 81613/9
Масса УДМ/БА, кг 0,21/0,11
Габаритные размеры, мм УДМ=70х21; БА=52х19
Проведенные расчеты конструкции ЭМИО на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на статоре показывают, что данная конструкция имеет меньшие размеры (почти в два раза), чем ЭМИО с классическим бесконтактным двигателем. К недостаткам рассматриваемой конструкции ЭМИО относится то, что при несимметричном расположении полюсов магнитное рассеяние значительно больше, чем при симметричном. Однако в маломощных двигателях с дисковым статором применяют все же несимметричное расположение полюсов, имеющее ряд конструктивных достоинств, а именно:
• почти в 2 раза меньшее количество деталей;
• несимметричная магнитная система более технологична.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. - 343 с.
2. Дмитриев В.С. Электромеханические исполнительные органы систем ориентации космических аппаратов. Ч. 1 / В.С. Дмитриев, Т.Г. Костюченко, Г.Н. Гладышев: учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - 208 с.
3. Казанский В.М., Основич Л.Д. Малоинерционные электродвигатели постоянного тока с печатной обмоткой на якоре. - М.: Энергия, 1965. - 96 с.
4. Гладышев Г.Н. Системы управления космическими аппаратами / Г.Н. Гладышев, В.С. Дмитриев, В.И. Копытов: учеб. пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - 207 с.
Поступила 12.05.2014 г.
