Моделирование электромагнитных процессов в устройстве арретирования ротора электродвигателя-маховика с активным магнитным подвесом

Поляков М.В.; Бобриков А.Н.; Липовцев А.А.; Алексанов П.А.

УДК 62-233.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВЕ АРРЕТИРОВАНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА С АКТИВНЫМ МАГНИТНЫМ ПОДВЕСОМ

М. В. Поляков1' 2, А. Н. Бобриков1, А. А. Липовцев1, П. А. Алексанов1

:АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: [email protected]

Приведены результаты электромагнитного моделирования устройства арретирования ротора электродвигателя-маховика с активными магнитными подшипниками, используемого в системе ориентации и стабилизации космического аппарата.

Ключевые слова: устройство арретирования, электромагнитный подшипник, электродвигатель-маховик, моделирование.

ELECTROMAGNET MODELLING OF LAUNCH-LOCK DEVICE OPERATION FOR ACTIVE MAGNETIC BEARING REACTION WHEEL

M. V. Polyakov1, 2, A. N. Bobrikov1, A. A. Lipovtsev1, P. A. Aleksanov1

1JSC "Scientific & Industrial Centre "Polyus" 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation 2National research Tomsk polytechnic university 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected]

The paper presents the results of electromagnetic modelling of launch-lock device for active magnetic bearing reaction wheel used as actuator in spacecraft attitude and orbit control system.

Keywords: launch-lock device, active magnetic bearing, reaction wheel, modelling.

Введение. Необходимыми узлами электродвигателя-маховика, реализованного на активных магнитных подшипниках и используемого в системе ориентации космического аппарата, являются страховочные опоры и устройство арретирования [1]. Страховочные опоры предотвращают контакт ротора с корпусными элементами и обеспечивают его выбег в аварийных режимах [1; 2]. Устройство арретирования механически фиксирует ротор относительно корпуса при отключенной системе электромагнитного подвеса.

Для фиксации ротора электродвигателя-маховика с магнитными опорами разработано устройство арре-тирования [3; 4], состоящее из двух идентичных узлов. Каждый узел содержит вал-фиксатор 8, установленный в шарикоподшипниках 7 и перемещающийся совместно с якорем 4 в осевом направлении на расстояние 5 под действием сил притяжения постоянного магнита 3 и электромагнита 6 (рис. 1). В арретирован-ном положении ток в обмотке электромагнита 6 отсутствует, якорь 4 прижимается к постоянному магниту 3 с силой Fпм. При разарретировании по обмотке электромагнита 6 протекает ток 1эм, создающий силу Fэм, смещающую якорь 4 на расстояние 5 и удерживающую его в таком положении.

Моделирование работы устройства арретирования. Посредством моделирования электромагнитных процессов в различных режимах работы устройства арретирования, выполненном в программном обеспечении А№У8 [5], решались следующие задачи:

- определение расчетных зависимостей сил, создаваемых постоянным магнитом Fпм и электромагнитом Fэм, от положения якоря 5 (воздушного зазора);

- определение оптимальной силы тока 1эм, который должен создавать силу притяжения Fэм, достаточную для надежного отрыва якоря от магнита и его удержания в разарретированном положении, и быть минимально возможным для снижения энергопотребления и температуры узлов устройства арретирования. Принятый коэффициент запаса по силе кР = Fэм / Fпм > 2.

Результаты моделирования. Из анализа зависимостей сил, создаваемых постоянным магнитом Fпм (рис. 2, а) и электромагнитом Fэм при различных значениях силы тока 1эм (рис. 2, б), видно, что для отрыва якоря от постоянного магнита, создающего усилие 850 Н, сила тока 1эм должна составлять 2,5 А. Сила притяжения якоря к электромагниту при данной силе тока составляет 2000 Н, что обеспечивает требуемый запас по силе.

Математические методы моделирования, управления и анализа данных

I 2 3

Рис. 1. Узел арретирования ротора электродвигателя-маховика: 1 - вал ротора; 2 - щит; 3 - постоянный магнит; 4 - подвижный якорь; 5 - корпус; 6 - электромагнит; 7 - подшипники; 8 - вал-фиксатор

Рис. 2. Зависимости:

а - Fm (5); б - F3M (5); 1 - /эм = 2,5 А; 2 - /эм = 2,0 А; 3 - Дм = 1,5 А; 4 - Дм = 1,0 А; 5 - Дм = 0,7 А

б

а

Рис. 3. Циклограмма изменения силы тока электромагнита 1эм (а) и перемещения якоря (б) при разарретировании ротора: /раз - момент подачи сигнала на разарретирование; Цд - окончание процесса разарретирования, удержание ротора в разарретированном положении

В разарретированном положении расчетная сила притяжения якоря к постоянному магниту составляет 400 Н, поэтому для надежного удержания якоря с коэффициентом запаса кР > 2 требуется усилие Дэм > 800 Н. Такое усилие создается при силе тока 0,7 А. Расчетная циклограмма работы устройства арретирования имеет вид, приведенный на рис. 3.

Заключение. По результатам моделирования определены зависимости сил, создаваемых постоянным магнитом Дщ и электромагнитом Дэм, от положения

якоря 5, на основании которых выбрана оптимальная циклограмма изменения силы тока электромагнита /эм при разарретировании ротора электродвигателя-маховика системы ориентации космического аппарата и его удержания в разарретированном положении.

Библиографические ссылки

1. Bichler U., Eckardt T. A gimbaled low noise momentum wheel // NASA conference publication of the 27th aerospace mechanisms symp. 1993. P. 181-196.

2. Журавлев Ю. Н. Активные магнитные подшипники: теория, расчет, применение. СПб. : Политехника, 2003. 206 с.

3. Поляков М. В., Гладышев Г. Н., Лянзбург В. П. Устройство арретирования ротора электродвигателя-маховика с магнитным подвесом // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. (11-14 ноября 2014, г. Красноярск) : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 505-507.

4. Поляков М. В., Гладышев Г. Н., Лянзбург В. П. Устройство арретирования и страховочные опоры ротора двигателя-маховика в магнитном подвесе // Электронные и электромеханические системы и устройства : сб. науч. тр. Томск : Изд-во Том. политехн. ун-та, 2016. С. 329-336.

5. Хоцянов И. Д. Расчет электромагнитных и тепловых полей электромеханических устройств с постоянными магнитами в программе ANSYS // Вестник Мос. энергетич. ин-та. 2012. № 4. С. 36-42.

References

1. Bichler U., Eckardt T. A gimbaled low noise momentum wheel. NASA conference publication of the 27th aerospace mechanisms symp. 1993. P. 181-196.

2. Zhuravlev Yu. N. Aktivnye magnitnye podshipniki: Teoriya, raschet, primenenie [Active magnetic bearings: Theory, design, application]. St. Petersburg, Politekhnika. 2003. 206 p.

3. Polyakov M. V., Gladyshev G. N., Lyanzburg V. P. [Launch-lock apparatus for rotor of magnetic bearing reaction wheel]. MaterialyXVIIIMezhdunar. nauch.-prakt. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVIII Intern. Scientific and Practical Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014. Vol. 1. P. 505-507. (In Russ.)

4. Polyakov M. V., Gladyshev G. N., Lyanzburg V. P. [Launch-lock apparatus and emergency bearings for rotor of magnetic bearing reaction wheel]. Elektronnye i elektromehanicheskie sistemy i ustroistva: Sbornik nauchnyh trudov [Electronic and electromechanic systems and devices: Collected scientific papers]. Tomsk, 2016. P. 329-336. (In Russ.)

5. Khotsyanov I. D. [Calculation of electromagnetic and temperature fields in electromechanic gadgets with permanent magnets by computer code ANSYS]. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta. 2012. No. 4. P. 36-42. (In Russ.)

EleСtromagnet Modelling of Launch-lock device operation for Active magnetic Bearing reaction wheel