Моделирование гибридного шагового двигателя для блоков механики космических аппаратов в пакете Ansys Maxwell

О проекте

  • Моделирование гибридного шагового двигателя для блоков механики космических аппаратов в пакете Ansys Maxwell
  • АО «ЦНИИМФ»
  • Аэрокосмос
  • 2016 год

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.

Трёхмерная модель гибридного шагового двигателя
Рисунок 1. Трёхмерная модель гибридного шагового двигателя

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.

Геометрическая модель ГШД после подготовки к расчетам в ANSYS Maxwell
Рисунок 2. Геометрическая модель ГШД после подготовки к расчетам в ANSYS Maxwell

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

Макет двухфазного гибридного шагового двигателя
Рисунок 3. Макет двухфазного 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!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00