Учебное пособие 800623

УДК 621.313

И.А. Брежнев, Е.Е. Некравцев, Ю.В. Писаревский

АВИАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК БЕСПИЛОТНЫХ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В настоящей статье рассматриваются проблемы и перспективы разработки электродвигателей для силовых установок беспилотных летательных аппаратов. На данный момент нет общепринятой классификации беспилотных летательных аппаратов, что осложняет разработку и освоение в производстве серий авиационных электродвигателей для силовых установок беспилотных летательных аппаратов. Российская электротехническая промышленность имеет возможность создания машин не только не уступающих, по своим характеристикам, зарубежным аналогам, но и опережающих таковые. Существующие и перспективные летательные аппараты могут быть укомплектованы силовыми установками на основе электродвигателей отечественного производства, а значит актуальным является вопрос разработки таких машин

Ключевые слова: электрические машины, беспилотная авиация, беспилотные летательные аппараты БЛА

Беспилотная авиация как вид военной техники развивается чрезвычайно быстро. Этому способствовали серьёзные технологические успехи в различных областях техники. Отметим основные из них: создание новых высокопрочных и одновременно лёгких материалов; разработка композиционных материалов с уникальными характеристиками; совершенствование технологий обработки материалов; быстрое развитие микроэлектронных средств; создание высокоэффективных источников питания (литийполимерные аккумуляторы и топливные элементы и т. д.); создание солнечных высокоэффективных батарей, позволяющих использовать возобновляемый источник энергии – солнце; разработка высокоресурсных бесщёточных электродвигателей и реактивных двигателей с высокими технико-экономическими характеристиками; введение в строй системы ГЛОНАС; общее развитие вычислительной техники, средств связи и специального программного обеспечения. Однако существующее отставание в этой области вооружений от наших вероятных противников ещё слишком велико и требует концентрации сил и средств на тех составных частях беспилотных авиационных систем (БАС) и комплексов (БАК), которые жизненно необходимы. Форум Армия

31

2016 показал, что разработчики беспилотных летательных аппаратов (БЛА) предлагают слишком большое разнообразие конструкций инициативной разработки, которые плохо вписываются в стройную систему БАС и БАК. Необходимо признать, что в настоящее время нет даже общепринятой классификации беспилотных летательных аппаратов, что осложняет разработку и освоение в производстве серий авиационных электродвигателей для силовых установок беспилотных летательных аппаратов. Безусловно БЛА необходимо классифицировать по таким признакам, как максимальное время и дальность полета, т. к. именно эти характеристики аппарата будут определяться во многом качеством двигателя. Также важно на начальном этапе определить массогабаритные показатели будущего устройства, его конкретное исполнение с точки зрения авиационного конструирования (самолет, конвертоплан, вертолет и т.п.). Очевидно, что серийное освоение необходимых типов электродвигателей является предпосылкой значительного снижения стоимости машин. Поэтому остановимся, например, на многоцелевых вертолётах – мультикоптерах, которые образуют наиболее стройный кластер летательных аппаратов. Эти БЛА наиболее распространены благодаря простой конструкции и надёжной системе управления. Мультикоптеры имеют один существенный недостаток – малое полётное время (30-40 мин.). Перспективный квадрокоптер военного назначения должен иметь следующие показатели: полётное время 1 час; скорость горизонтального полёта 25 м/с; скорость вертикального перемещения 10 м/с; взлетный вес с полезной нагрузкой 5 кг; габаритные размеры 500 Х 500 мм. Двигатели, применяемые российскими производителями мультикоптеров, как правило, китайского производства серии T-Motor. Значительно реже применяют электродвигатели европейского производства (фирма Махоn). Электродвигатели не являются самой дорогой частью квадрокоптера, но именно от них зависит полётное время аппарата.

На основании анализа доступной информации о характеристиках машин T-Motor КНР можно сделать некоторые выводы о перспективах разработки более совершенных двигателей, увидеть пути совершенствования силовых установок, например, для квадрокоптеров военного назначения. Так можно заключить, что максимум КПД машины соответствует 100% ее нагрузки. Это означает, что при изменении режима работы машины

32

эффективность преобразования энергии падает и уменьшается полётное время. Особо сильно это будет проявляться при эксплуатации аппарата в ветряную погоду.

Большинство машин T-Motor имеют классические механические характеристики практически линейные на рабочем участке. Номинальное изменение частоты вращения часто составляет примерно 18%. Абсолютно очевидно, что перспективным здесь является увеличение жесткости механической характеристики устройства, т.е. уменьшение влияния нагрузки на частоту вращения.

Кроме того, стоит заметить рациональность повышения надежности силовых установок БЛА. Во-первых, к аппаратам такого рода не только военного, но и гражданского назначения предъявляются все более и более жесткие требования к работе в специальных условиях (например, в тяжелой климатической обстановке, в случаях чрезвычайных ситуаций и т.д.). Во-вторых, одной из самых распространенных причин крушения БЛА армии США является отказ двигателя. В связи с этим можно рассмотреть реализацию двигателей для силовых агрегатов БЛА, например, с применением не классических, а магнитных подшипников.

Таким образом, у электродвигателей следующего поколения механическая характеристика должна быть более жёсткой. Номинальное изменение частоты вращения должно быть не более 10%. Максимальное значение КПД должно составлять ориентировочно 94%. Причём максимум КПД должен соответствовать нагрузке 60% от номинальной. Рационально внесение изменений в классическую конструкцию машины с целью повышения надежности силовой установки (указанная выше смена типа подшипников).

Воронежский государственный технический университет

33

УДК 621.313.333.2

В.В. Мурзинов, А.В. Кононенко

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАГНИТОПРОВОДОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА В ЗАДАННОМ ГАБАРИТЕ

Рассматривается зависимость влияния площади и размеров паза ротора на электромагнитный момент асинхронного трёхфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Результаты вычислений основываются на конечноэлементном методе расчёта электрических машин

Ключевые слова: энергоэффективный асинхронный двигатель, площадь паза ротора, число пазов ротора, зубцовая зона, размеры паза

В настоящее время большое внимание разработчики новой техники уделяют созданию энергоэффективных электрических машин. Головной НИИ по разработке асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором выпускает машину исполнения АИРМ132М4, повысить энергоэффективность которого на сегодня традиционными способами не представляется возможным.

Используем подход, применённый в трудах коллектива аспирантов и учёных, руководимого профессором Кононенко К. Е. Сущность метода заключается в параметрической оптимизации магнитопровода с использованием численного расчёта электромагнитного поля на основе метода конечных элементов. [1]

Модернизируемый двигатель массово выпускается Владимирским электромоторным заводом (ОАО «ВЭМЗ») совместно с Научно-исследовательским проектно-конструкторским и технологическим институтом (НИПТИЭМ), имеет мощность 11 кВт, 36 пазов на статоре и 34 паза на роторе. Рисунок магнитопровода представлен на (Рис. 1).

Рис. 1. Магнитопровод базовой модели

34

Выполним расчёт базовой модели, в качестве исходных данных возьмём параметры машины для номинального режима. В результате решения электромагнитный вращающий момент получился равным МЭ = 469,1 Н*м/м. Картина распределения уровней магнитной индукции представлена на рисунке 2. По цветовой схеме можно увидеть, что машина насыщена, индукция в зубцовой зоне ротора и статора более 1,4 Тл.

Рис. 2. Уровни магнитной индукции магнитопровода Выполним серию расчётов, изменяя число пазов на роторе в

интервале от 19 до 37, сохранив при этом площадь каждого паза. Для наглядности результаты решений представим в виде графика зависимости электромагнитного момента от числа пазов (Рис. 3).

35

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

-изменение суммарной площади пазов ротора влияет на энергоэффективность электрической машины в большей степени, чем изменение соотношения высоты паза к ширине;

-существует оптимальное значение площади паза ротора, при котором значение электромагнитного момента максимально;

-из рисунков 3 и 4 виден различный характер влияния пазов ротора и статора на величину электромагнитного вращающего;

-при проектировании ЭМ необходимо использовать все доступные способы повышения энергоэффективности в комплексе.

Литература

1.Крутских С. В. Способы повышения энергоэффективности асинхронных двигателей: Дис. канд. тех. наук: 05.09.01 / Ворон. гос. тех. ун-т. Воронеж, 2016. 113с.

2.Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / Кравчик А. Э., Шлаф М. М., Афонин В. И. и др. — М.: Энергоиздат, 1982. — 504 с., ил.

Воронежский государственный технический университет

39

УДК 621.313

Д.В. Егунов, Р.О. Нюхин

РАСЧЕТ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЭЛ 40-20 (80)

Определены параметры активных частей магнитной системы цилиндрического линейного электродвигателя

Ключевые слова: главные размеры электродвигателя, магнитные системы электрических машин, активные проводники якоря

Целью расчета является определение параметров активных частей магнитной системы цилиндрического линейного электродвигателя ЭЛ – 40 – 20 (80)

Главными размерами машины в данном случае является длина активной части машины La, внешний d2 и внутренний d1 диаметр катушек. Эти величины непосредственно определяют, на сколько рационально используются применяемые в машине материалы и степень совершенства конструкции в целом.

Одним из важных показателей машины является ее КПД, который определяет уровень потерь в электродвигателе и его термическое состояние. Анализ аналогов показывает, что КПД составляет 0,5…0,6

Экспериментальные исследования показывают потери (в меди) машины малой мощности составляют 2/3 всех потерь

40