
О проекте
- Моделирование гибридного шагового двигателя для блоков механики космических аппаратов в пакете Ansys Maxwell
- АО «ЦНИИМФ»
- Аэрокосмос
Моделирование гибридного шагового двигателя для блоков механики космических аппаратов в пакете Ansys Maxwell
Современные технические требования к космическим аппаратам, их системам, устройствам и элементам — это минимизация массы, снижение энергопотребления, увеличение мощности полезной нагрузки, обеспечение длительного срока активного существования изделия. Одним из базовых элементов космического аппарата является электрический двигатель, который приводит в движение механизмы систем, обеспечивающих жизнедеятельность спутника, таких как система наведения антенн, устройство поворота солнечных батарей, устройство поворота двигателей коррекции, механизм выдвижения мачты, устройство поворота рефлектора и т.п.
Для обеспечения быстрого и точного проектирования электрических микромашин в области космического машиностроения, минимизации их размеров и массы с сохранением технических характеристик, для обеспечения выполнения целевой задачи существует потребность математического моделирования и визуализации электромагнитных процессов, происходящих в электрической машине в процессе ее эксплуатации. Результат такого моделирования и визуализации позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на разработку электрической машины, и точно подобрать ещё на начальном этапе разработки минимальные габаритные размеры, материалы, принять необходимые конструкторские решения, позволяющие обеспечить требуемые технические характеристики двигателя.
С помощью программного обеспечения для моделирования Ansys Maxwell компания «МЦД» выполнила моделирование гибридного шагового двигателя для блоков механики космических аппаратов.
Основными задачами проведения исследования были: разработка модели электрической машины по исходным данным; определение по результатам моделирования статической характеристики макета гибридного шагового двигателя, в том числе такого важного параметра, как момент самоторможения в не запитанном состоянии; а также сравнение результатов моделирования с техническими характеристиками макетного образца, полученными в результате проведения лабораторных испытаний.

В процессе расчета двигателя было проведено упрощение геометрии, предоставленной заказчиком. Это упрощение связано с удалением скруглений на конструктивных элементах двигателя. Пакет Ansys Maxwell, применяемый для первоначального расчета характеристик двигателя, использует метод конечных элементов (МКЭ). Объёмы вычисления при использовании этого метода напрямую связаны с размером сетки. Соответственно, для уменьшения ячейки сетки требуется уменьшить количество криволинейных поверхностей (скруглений). Для удобства, детали ГШД были представлены в виде цветовой схемы. После всех упрощений и преобразований геометрии была получена конечная расчетная модель.

В модель была добавлена область расчета, которая включила в себя всю конструкцию двигателя. Также добавлена область вращения, граница которой проходит по середине воздушного зазора и включает только вращающиеся элементы конструкции – ротор.
На этапе подготовки модели по исходным данным были заданы свойства материалов зубчатых венцов ротора, магнитопровода статора, обмоток и постоянных магнитов. Для материала зубчатых венцов ротора и магнитопровода статора в свойства материалов была введена кривая намагничивания B(H).
Для всех элементов двигателя были заданы параметры сетки. А именно, максимальные длины элементов сетки. С учетом заданных параметров сетка для ¼ модели составила 1916186 элементов.
Первый расчёт был проведён с целью определения момента самоторможения ротора двигателя в не запитанном состоянии. Для этого использовалась модель двигателя, в котором параметры питания обмоток двигателя не задавались, т.е. равны нулю. Таким образом, в системе присутствует только магнитное поле постоянных магнитов. После проведения расчета были получены картины распределения поля индукции по элементам ротора, статора, векторное представление поля индукции, а также максимальные значения индукции в роторе и статоре.
Индукция ротора имеет периодический характер, связанный с тем, что он состоит из 4х зубчатых венцов и 3х магнитов. Магниты расположены одноименными полюсами друг к другу. Таким образом, магнитный поток направляется в радиальном направлении через венцы ротора в полюса статора. В этом случае наблюдается одинаковое распределение поля индукции во всех венцах. Это показывает эффективность работы такой конструкции ротора.
По результатам расчёта был получен график зависимости момента в зазоре при прохождении зубца венца ротора под зубцом статора. Получено максимальное значение момента.
Второй расчет проводился с заданием в одной обмотке значения постоянного тока в соответствии с исходными данными в диапазоне от 0 до 0,65 А, поэтому расчет проводился с заданием токового значения диапазона с шагом 0,025 А. Этот момент будет являться моментом удержания ротора при разном значении тока.
По результатам расчёта получены распределение поля индукции по элементам ротора, статора и максимальные значения индукции в роторе и статоре.
В данном случае поле индукции формируется не только постоянными магнитами, но и катушками одной фазы. Таким образом, в этом варианте в формировании крутящего момента участвует все венцы ротора. Поле индукции в статоре распределяется по полюсам равномерно в обоих случаях.
Лабораторные испытания макета гибридного шагового двигателя

Измерение момента самоторможения при не запитанных обмотках
При намотанной на шкив нити в 3–4 оборота на её свободный конец подается нагрузка при помощи набора поверенных гирь. В случае, если груз на нити удерживается моментом самоторможения двигателя и висит спокойно, масса груза увеличивается на 2 грамма. Увеличение нагрузки происходит до тех пор, пока момент самоторможения двигателя не станет меньше момента нагрузки и вал двигателя не провернется. Предпоследний замер момента нагрузки, созданного грузом на нити, фиксируется в протоколе испытаний.
Измерение статической характеристики при запитанной обмотке двигателя
Процесс измерения статической характеристики двигателя аналогичен процессу измерения момента самоторможения за исключением того, что в одну из обмоток двигателя подается постоянный ток от внешнего источника. Первой точкой статической характеристики является уже измеренный выше момент самоторможения при нулевом токе. Вторая и последующие точки статической характеристики сняты при токах от 0,025 А до 0,35 А с шагом изменения тока 0,025 А. Дальнейшее увеличение тока для выхода материала магнитопровода двигателя в зону насыщения было нецелесообразно в связи с возможным выходом из строя обмотки в результате её перегрева.
В результате исследования, выполненного специалистами «МЦД», по исходным данным была построена модель электрической машины; по результатам моделирования определена статическая характеристика макета гибридного шагового двигателя, в том числе момента самоторможения в не запитанном состоянии; был выполнен сравнительный анализ характеристик макета гибридного шагового двигателя для блоков механики космического аппарата с характеристиками модели этого же двигателя, созданной в пакете Ansys Maxwell; проведена оценка точности моделирования. Сравнительный анализ показал сходимость результатов моделирования и лаборторных испытаний.
Есть подобная задача? Звони!
+7 (495) 644-06-08
info@digitaltwin.ru
Пн-Пт 9:00 – 18:00
Другие проекты по теме
Отправить сообщение
Свяжитесь с нами
+7 (495) 644-06-08
info@digitaltwin.ru
Пн-Пт 9:00 – 18:00