AN ELECTROMECHANICAL EXECUTIVE BODY BASED ON THE CONTACTLESS DIRECT CURRENT MOTOR WITH A WINDING PRINTING DISK STATOR FOR SMALL SPACECRAFTS

Full Text

Введение. В настоящее время широкое применение имеют электромеханические исполнительные органы (ЭМИО) на базе двигателей-маховиков. Данный вид ЭМИО обладает меньшей массой и отсутствием динамической ошибки при стабилизации углового положения космического аппарата, чем исполнительные органы (ИО) на базе реактивных двигателей, и более простой конструкцией по отношению к ИО, использующим гиростабилизаторы. Двигатели-маховики являются инерционными ИО, так как они не требуют отброса массы и управляющие моменты связаны с проявлением инерционных свойств перемещаемых, а точнее, вращающихся тел (маховиков) [1-3]. В настоящее время в 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 [4]. Объект исследования. 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 (ПО) на статоре, мощностью 5 Вт и напряжением питания 12 В, кинетическим моментом 0,3 Н∙м∙с, 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. Ротор 2 включает в себя кольцевой магнитопровод из магнитно-мягкого материала, в пазах которого установлены литые постоянные магниты квадратной формы. Крепление постоянных магнитов в пазах магнитопровода осуществляется приклеиванием. Поверхности магнитопровода 3 и самих полюсов, образующие торцевой воздушный зазор, тщательно обработаны для обеспечения одинаковых величин зазора магнитной индукции под каждым полюсом. Магнитная система встраивается в основание 5 и диафрагму маховика 15 из немагнитного материала. Через отверстие в основании 5 и корпуса 12 подводятся провода питания (от разъема 28) к трехфазному статору 1, блоку управления 4 и датчикам положения 25, установленным на пластине 16. Статор 1 приклеивается к корпусу 12 и поджимается пластиной 16 при помощи винтов (на рисунке не показано). Блок управления 4 крепится к основанию 5 при помощи шпилек 24. Вся конструкция ЭМИО закрывается верхним 14 и нижним 13 кожухами. Отверстия в кожухах и корпусе заливаются клеем. Для установки ИО на борту малого космического аппарата используются ножки корпуса. Технической особенностью данного электродвигателя является плоская форма его конструкции за счет применения дискового статора с печатной обмоткой (рис. 2). 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 эвольвенте 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 [5-7]. Ниже приведен расчет основных параметров статора с печатной обмоткой и маховика и размеры печатной обмотки дискового статора (рис. 4), где Dср - оптимальный средний диаметр статора. Рис. 1. Конструкция ЭМИО на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на статоре, с блоком управления и его габариты Рис. 2. Печатный дисковый якорь (слева) и якорь обычного исполнения (справа) двигателей постоянного тока одинаковой мощности а б Рис. 3. Схема восьмиполюсной волновой печатной обмотки дискового статора: а - обмотка на диске статора; б - схема соединения печатных проводников на обеих сторонах диска статора Рис. 4. Размеры печатной обмотки дискового статора Внутренний диаметр обмотки [7]: где tя = 0,074 см = = 0,74 мм - минимальный шаг печатной обмотки; отношение минимального шага печатной обмотки к минимальному шагу на внутреннем диаметре число проводников печатной обмотки. Внешний диаметр обмотки [7]: , где = 3,9 см = = 39 мм - 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 30 мм, внешний 58 мм. Для данной магнитной системы выбраны неодимовые магниты марки № 35 [8]. Допустимая магнитная индукция магнитов: Коэрцитивная сила: Нс = 9550 А/см = 955 А/мм. Воздушный зазор: Выражение ширины полюса [7]: где σ - коэффи-циент рассеяния; - средняя индукция в воздушном зазоре [7]. Длина полюса [7]: lm = 0,33 · Dср = 0,33 · 3,6 = = 1,2 см = 12 мм. Высота полюса [7]: Момент инерции маховой массы и ротора 2 [9]: Момент инерции ротора составляет 0,00023 кг∙м2, тогда 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, то для дальнейших расчетов принимаем значение момента инерции равное 0,0003 кг∙м2. Используя выражение момента инерции маховой массы [4] , где h = 8 мм = = 0,008 м - высота обода; - удельная масса материала (сталь марки 14Х17Н2) [10]; - наружный радиус маховика; r - внутренний радиус маховика, м, определим внутренний радиус обода маховика [11]: Основываясь на результатах расчетов основных параметров двигателя-маховика была построена 3D-модель конструкции ЭМИО с помощью программы T-flex CAD 14 ЗАО «Топ Системы» (г. Москва) [12]. Масса 3D-модели обода маховика равна 0,043 кг, масса 3D-модели ротора - 0,055 кг, суммарная масса 3D-моделей ротора и обода маховика составляет 0,098 кг. Разработанный ЭМИО предназначен для пространственной ориентации и стабилизации положения малого космического аппарата (рис. 5). Основными компонентами разработанной конструкции исполнительного органа являются: двигатель-маховик, датчики положения ротора, блок управления. Разработанный исполнительный орган генерирует переменный кинетический момент Двигатель-маховик включает в себя: БДПТ с печатной обмоткой на дисковом статоре, вращающий маховик с переменной угловой скоростью об/мин. Маховик, представляющий собой массивный ротор с явно выраженным ободом. Датчики положения ротора, реализованные на датчиках Холла MLX90217 [13]. В таблице приведены основные технические характеристики разработанного ЭМИО с дисковым статором и двух ЭМИО с цилиндрическим статором: производства ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) [14] и «СПУТНИКС» (ООО «Спутниковые инновационные космические системы», г. Сколково) [15]. а б Рис. 5. 3D-модель исполнительного органа: а - в собранном виде; б - в разобранном виде Технические характеристики разработанного ЭМИО, МДМ-0,5 и SX-WH-25 Технические параметры ЭМИО с ПО МДМ-0,5 (ОАО «НПЦ «Полюс») SX-WH-25 «Спутникс» Кинетический момент, Н∙м∙с 0,3 0,5 0,25 Максимальный управляющий момент, Н·м 0,013 0,015 0,0215 Энергопотребление (ном./макс.), Вт 0,64/5 2/15 2,3/23 Ресурс, лет 20 17 - Масса УДМ/БА, кг 0,21/0,11 1,2/0,4 0,3 Габаритные размеры, мм УДМ = 70×21; БА = 52×19 - 84×86×71 Заключение. За счет применения плоского статора, выполненного в виде печатного монтажа, при длине статора цилиндрической формы десятки миллиметров сокращаются до 1,5-2 мм, что влечет уменьшение размеров силовой части корпуса исполнительного органа, а соответственно, и массы всего двигателя-маховика. Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод, что разработанная конструкция электромеханического исполнительного органа на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на дисковом статоре при меньшем значении управляющего момента по отношению к рассмотренным ЭМИО имеет следующие преимущества: 1) меньшее энергопотребление; 2) больший ресурс (по сравнению МДМ-0,5); 3) меньшую массу (по сравнению МДМ-0,5); 4) меньшие габариты.

About the authors

T. N. Balandina

JSС “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: error.balandina@yandex.ru
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

E. A. Balandin

JSС “Information Satellite System” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

References

Supplementary files