Электромеханический исполнительный орган на базе бесконтактного электродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на дисковом статоре для малого космического аппарата

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 маг- нитопровода 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 D ср – 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

б

а

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]: D i =

N ■ t я

2 ■ п ■ y

57 ■ 0,074 „ — _ _ -----------= 0,87 см = 8,7 мм, где t„ = 0,074 см = 2 ■ 3,14 ■ 0,77

1,45■Ю - ⁴ ■ 0,24 9550 ■ 0,5 ■ 10 - ⁴ ■ 1,26 ■Ю - ⁹ ■ 0,9 0,3 см = 3 мм.

= 0,74 мм – минимальный шаг печатной обмотки;

Y = 0,77 - отношение минимального шага печатной

обмотки t _я к минимальному шагу на внутреннем диаметре t i ; N = 57 — число проводников печатной обмотки.

‘ п ■ Y ■ D

Внешний диаметр обмотки [7]: D e = D e +-- ‘- =

² ■ Р

= 3 9 + 3,14 ■ 0,77 - 1,9

’            2 ■ 3

= 4,7 см = 47 мм, где D e = 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: В с = 1,6 ■ 10 — ⁴ Тл.

Коэрцитивная сила: Н с = 9550 А/см = 955 А/мм.

Воздушный зазор: 5 = 0,24 см = 2,4 мм.

Момент инерции маховой массы и ротора 2 [9]: J = ” = 628- = 0,00047 кг ■ м ² . 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 т П■ Y■ h массы [4] J = —2--(R — r ), где h = 8 мм =

= 0,008 м - высота обода; у = 77500 Н / м ³ - удельная масса материала (сталь марки 14Х17Н2) [10]; R = 34 мм = 0,034 м - наружный радиус маховика;

r – внутренний радиус маховика, м, определим внутренний радиус обода маховика [11]:

2 ■ J п ■ h ■ y

° ■ B cp

Выражение ширины полюса [7]: b =--т = B c

= 4 0,034 4

2 ■ 0,0003

3,14 ■ 0,008 ■ 7500

1,5 ■ 0,5 ■ 10 ^{— 4}

1,6 ■ 10 ^{— 4}

■ 1,9 = 0,8 см = 8 мм,

где σ – коэффи-

циент рассеяния; В _ср = 0,5 ■ 10 ⁴ Тл - средняя индук-

ция в воздушном зазоре [7].

Длина полюса [7]: l m = 0,33 ∙ D ср = 0,33 ∙ 3,6 = = 1,2 см = 12 мм.

Высота полюса [7]:

hm

B r ■ 5

Hc ■ B cp ■ Рл ■ ^a 5

= 0,03 м = 30 мм.

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 Н =± 0,3 Н ⋅ м ⋅ с.

Двигатель-маховик включает в себя:

• 1.    БДПТ с печатной обмоткой на дисковом статоре, вращающий маховик с переменной угловой скоростью Ω = ± 6000 об/мин.

• 2.    Маховик, представляющий собой массивный ротор с явно выраженным ободом.

• 3.    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].

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.