автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Особенности конструирования и технологии изготовления бесконтактных электродвигаталей постоянного тока для космической техники

/ ' й О - / ' Л ; Л О I

т > / ^ ,5-7

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВСЕРОССИЙСКИМ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ С ЗАВОДОМ (ВНИИЭМ) ИМ. А.Г.МОСИФЬЯНА

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

05.09.01 -Электромеханика

Диссертация г виде научного доклада насоискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1999 г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Копылов И.П., кандидат технических наук, с. к. с. Лопатин В.В.

Ведущее предприятие: РКК "Энергия" г.Корояев Московской области.

Защита состоится 21 октября 1999 г. в 15 часов на заседании.диссертационного совета Д143.08.01 в КПП ВНИИЭМ, Хоромный тупик, д.4. Почтовый адрес: 101000, Москва, Главпочтамт, а/я 498

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке НПП ВНИИЭМ

. Диссертация в виде научного доклада разослана 21 сентября 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного.совета, к.т.*

Ю.Т. Портной

Конкретные отечественные разработки е области ракеткой жши осуществлялись уже в 1948 г. (ракеш P I, Р-5), а пуски первых межпланетных аппаратов "Луна-1" и "Венера-1" состоялись еще до полета Гагаротв (1961г.).

Уже с появлением первых ракет возникла потребность в экепропрн-водах посюгшого тока малой мощности с м&шмн габарягао-кжошми по-(азишмк.

Первым ш этот запрос опгликнужя ВНИИЭМ (в те годи НШЗИШ), создав в 1956-59 гг. первую в страна эеряю коллекторные raspaa«ar-

родвигателей иостолшюго тока /.(ОМ с возбужденней от шсгашшх наган»

и. ■.

тов.

С последующим внедрением серия на Воронежском заводе в серийное производство, она яолучила широкое раофосграненке в ракетно-космической технике.

Однако, как любому электрэдвигапгето (ЭД) иостояшгсго 'тот, имеющему щегочно-коллекгорный узел» ДОМ был присущ кеюбсзяшй шрок • малый ресурс при невозможности замш» щеток в эксплуатации. При частоте вращения 4-6 тыс. 1/мин ресурс едва достигал 1000 ч, что не могло удовлетворить создателей космических аппаратов (КА) уже в конда 50-х годов.

Наличие щстсчио-жоилекторного узла .* ЭД постоянного тока усжшня-яо и технические решения узлов и систем для КА. Так, прк создании ¡ектронасосных агрегатов (ЭНА) для систем терморегутфования КА, йг-'эйгиы нмелк магнитные муфты, герметично отдепяющиг ЭД от явооса,. а нбор низкой часто™ вращения (2500 l/ыш), с целью увеличения ресурса щеточно-колиекторного узла» ггриводии к необходимости жшшдовшвд к гэкономичных и нетехнологичных шестершчатмгн шиоеоа.

Наработка коллекторных ЭД в вакууме исчислялась 100-200 % при орогостоящих консгфуктйрсго-тхлшологичгских ухтщжниех.

Проблема была налицо, и в i960 г. ВНИМЗМ первым из р&сскйсхнх предприятий создал бесконтактный электродвигатель постоянного тока (БДПТ), з котором щеточно-коллекторньш узел заменен электронным блоком-коммутатором обмоток статора. Как теперь широко известно, это обращенная электрическая машина постоянного тока с постоянными магнитами на роторе и неподвижной обмоткой на статоре, сохранившая практически все характеристики классического ЭД постоянного тока. Для управления работой коммутатора в БДПТ появился новый функциональный узел - датчик положения ротора (ДПР).

Позднее разработкой БДПТ стали заниматься НИИЭМ г. Воронеж,-ВНИИМЭМ и ВНИИМАШ г. Санкт-Петербург, НПО «Полюс» г. Томск, МЭЙ в МАИ г Москва. Из зарубежных ф!фм, занимающихся БДПТ известны Siemens (ФРГ), Canon Seiki Со (Япония), Philips (Голландия), Evershed LTD (Амглш), General Electric Corp. (США), CSF (Франция) - всего около тридцати фирм.

Несмотр* на щшсущие первым БДГГГ недостатки, проблема повышения ресурса, частоты вращения, работы в вакууме или агрессивных средах были, в принципе, решены. -

В дальнейшем, по мере развития космической техники и по&вленш -.t новых требований к БДПТ, были разработаны несколько школений кх, а также специальные электромеханические устройства ва их базе, при постоянном приоритете повышения ресурса.

С 1958 г. и пс настоящее время автор принимал непосредственное участие в создании упомянутой техники, работая во ВНИЙЭМ в качестве конструктора, ведущего конструктора, начальника конструкторского сектора, зш.шчшц,таа тлело.

В процессе конструкторских разработок, внедрения в производство и эксплуатацгао БДПТ, автором решались следующие -задачи:

1 .Исследование и экспериментальные работы по минимизации потерь в элементах коьструкции БДПТ;

2.Исслздовакие, эксперименталыю-кснструкторские и технологические работы по созданию оптимальной конструкции серюм БДПТ;

3. Исследований! и разработка глдпшпниковых узлов, обсспгтавающих непрерывно растущие требования к ресурсу БДПТ;

4 .Разработка конструкций, специальных юделий на базе БДПТ (двигатели-маховики, приводы сканеров и т.п.);

5 .Исследование и разработка конструкции БДПТ на щпростэтических опорах, для насосных агрегатов с ресурсом 100 тис. ч; •

бЛсследовшие и разработка ряда БДПТ дам общепромышленных устройств.

Результаты работ» автора приведены в печатных трудах и авторских свидетельствах (приложение 1 и 2), технических отчетах н в конструкторской документации НИИ ВНЙИЭМ, по которой изготавливаются рассмотренные ниже конкретные изделия. Список литературы других авторов по рассматриваемым вопросам ¡приведен в научных трудах по приложению 1.

Работа по решению поставленных задач проводилась, в основном, применительно к нуждам космической тешивн.

Коммутация тоха в обкотаах статора БДПТ осуществляется жехцкт-ным блоком-коммутатором, силовые транзисторные "ключи" которого открываются по команде ДПР, определяющего положение полюсов магнита ротора относительно обмоток статора. ' -

С самого начала во ВНИИЭМ был разработан ДПР на датчиках ЗДС Холла, меняющих каправлеше тока в холдавской цепи, ш зависимости от смо-ны полярности вращающегося магавпа (магнитов) ротора. Как шхазал к дальнейшем опыт, появившиеся позднее индуктивные и трансформаторные ДПР, а также ДПР с использованием шт> шр или гершодв, мене« технологичны, структурна сложнее юта мене« надежны.

В двух первых тажояеникх БДПТ, разработанных ВНИИЭМ в 60-х годах дан КА "Молния" (ЭД БП-200 и БПС-200) и для КА "Союз"» "Салют" (ЭД тиров "Б" я "БГ*), ДПР представлял отдельный конструктивный узел в двигателе.

Ов состоял ид кольцевого магнита провода в виде пакета шшгговайшй электротехнической стали, имеющего сквозные радиальные щели (пшрига 0,5 мм), в которых вклеивались даггшш Холла, по числу фаз ДЕигателк. На -роторе имелся отдельный магнит, располагавшийся -внутри (в "расточке") уиэшшутого пакета (рис. I)<

При этом, к пространстве вокруг щелей образуете» весьма интенсивное* матншое годе (иняуиш* в щели до 1,0 тл), пульсации всоторого с частотой вратденш ротора создают в теле щита, несущего вгапдашлровэд ДПР, ощутимые потери мощности от викревых токоа.

1.?.. Вкбср оптимальных материалов щита я корпуса БД1П'. с цгяью енжжеаш.пш^ь в БДШ.

Несмотря ж шзвачиггедыше моадаосш БДПТ нервы;. поколений (1-15 Вт), зватапгельшя насыщенность йми КА, а также относительно ие>-большая энерговооруженность первых КА требовали от ЭД максимально возможного КПД

В Ершщиок, для радикального снижения -потерь от токов Фуко в ка-жой-либо детаня жегатсльио применение диэлектрических материале®, шп-рииер пластмасс. .

Однако их цраменение з высокоресурсных ЭД.с высокой степень?« надетюсти пр&бт&штчиа, ш связи с нестабшсьносшс геометрии и размеров тшешвостмк деталей во времени, под воздействием широкого температурного диапазона, разлтеюго химического состава окружающей среды. '. Поэтому работы но снижению потерь нощносги в тцтах и корпусах БДПТ, вмзиваежых ДПР, проводились по линии поиска металлических немапятшх матвришюв с максимально вошояошм злезстркческим сопротивлением.

* Используя ЭД с тарированкьши характеристиками дна привода иосп»~ дуемого двилггеяя, в котором менялись щиш ш корпуса т разных материалов, опред^1ть:ьчпетерк я них.

Рассматривались дюраялзомизшй Д16Т с ошесш шпротиагошвем 0.073 ом-мн2/«, титановые сплавы ВТ-1-1 и СТ-4г1 (р=0,58~0,6 ом-мм^/м) к нержавеюща«, немагнитна» сталь 12Х18НЮТ (р=0,72 ом-шЛк). В табл. 1 приведены результаты нонешний для двух комбинаций размеров и часгогы вращййта.

1'шшт 1

Потери а щик ДПР (Вт)

ДПР' Конструкторские характеристик® Мащмжзлы;

Д16Т ВТ-1-1 ВТ-4-1 12Х18К10Т

1. с= 13000 1/мин Шопа. = 27 мм 5щели-0,4мм пакет: Ьх! =4x6 5,8 0,6 0,47

2. я = 12000 1/мнк Омагк. = 40 мм Зщедк = 0,4 мм 11,0. ли 1,0

Поскольку сотерн ог вихревых токов протарциошиькы хвгдраку частоты вращения Л? - £(р2), то, естественно, они бодыле (при ©дазаковых размерах ДПР) у ЭД с большими скоростями (п=3000-13000 Шин). Именно на таких двигателях были заменены материалы щито» и корпусов, а на нкзкеюборотньв; ЭД материалы шиша, на сталь 12Х18Ш0Т.

В результате замены материала на 20-й ЭД мощноаы® $3 Вт и частотой вращения 120001/иин КПД был даднат с 30% до 57%.

12. Снижение ттрь в пявьзах, раадетиявдш: статор р ротор насосных

БДГПГ.

Введение в кояегрукшю Б ДТП", не имеющего щетотао-етялекторнаго узла, тонкостенной герыегшчной тльзы, отделяющей сгаггор от ротора,

; . ..8 : шзволяет эксплуатировать последний непосредственно в среде теплоносителей систем терморегулирования (CIP), (рис.3). При этом отпадает ие>-обходщюсгь в магнитных муфтах для стыковки ЗД с насосом, уменьшаются размеры ЭНА, увеличиваете« его надежность.

Учитывая комплекс требований, предъявляемых к гкльзе по стойкости к температуре (-60*^ +80°С), избыточному давлению (до 50 атм),механи-ческим перегрузкам, химической стойкости, немагнитности - в качестве материала гильзы была выбрана немагнитна* нержавеющая сталь I.2X1SHÎ0T. Толщина гильзы в диапазоне диаметров "расточки'' статора 15-30 ми отставши» ОД мм.

Поскольку через гильзу, расположенную в рабочем зазоре ЭД, щхь ходит весь мавгштшй «сток вращающихся магнитов ротора, возшаеающке к ней потери от шхревых токоз весьма значительны.

Как показал опыт, нрн указанных в габл.1 диаметрах, шиьз, потери г ней презшиают в 20 раз потери в щотах ДПР.

Исходи вз формулы ЭДС вращения обмотки двигателя Cr«S>Wf (1), где Се - постоянная, Ф - магнитный поток, W - число витке» обмотки, f - частота вращения, и представив гильзу в гиде одкэвшкевопз электрического хошурл можно оценить потери в ней ж» формуле Е* С*Ф¥ .

После преобразования формулы к виду, удобному для практических, расчетов: -

В2 иг ж1 Г»3-! -5

ДР = ---—----К (Вт\ (3)

. . бСР-р

отчетливо наддаю, что потери в гильзе пропорциональны квадрату ая. дукции в зазоре и частоте вращения ЭД, кубу диаметра гильзы, толщине гильзы (5) и обратно лропориконгльны омическому сопротивлению материала.

Снижение потерь в пашьзе путем уменьшения аддукции, скорости шм диаметра пвдьзы приводит к недопустимым изменениям параметров ЭД.

Уменьшение толщины гильзы невозможно по

Поэтому, как в в случае с ДПР, снижение потерь шло ж лшш поизяо« материалов с максимально возможным омическим сопротивлением.

Результаты измерения потерь в гшшшх при частоте вращения ШСН>-13000 1/мин приведены в таблХ

Потери при скоростях 7000 и 5000 1/мин получены перасчстои ш формуле

а"

АРг- = ДРг'

(4)

Потри в гильзе (Вт)

№№ гильз Материал гильз Р рммм м п' 1/мин ДРГ' • Д1'гг Фшакч. толиика пшьзы, мт

п"=7000 п"-5СЧЮ " " ." 1 ■

1 Сталь 12Х18Н10Т 0,72 13000 12,0 3,5 1,8 0,155

2 Титан ВТ-1-1 0,58 12300 14,8 4,8 2,47 0.153

3 Сталь ЭИ-437Б 1,22 13300 10,5 ' 2,9 1,5 0,18

4 Титан ВТ-« 1,6 13500 9,05 2,4 1Д 0,162

5 Тктан ВТ-8 1,65 13600 8,35 ' 2,15 1,1 0,16

Сталь ЭИ-437Е была забракована из-за технологических трудностей ее обработки резанием. Тетановые шлавы ВТ-6 и ВТ-8 с омичееташ сащху тйвлекием, более чем в 2 раза превышающим сталь 12Х13Ш0Т, ш технологичные в обработке были принята для гапьз насосных БДИТ,

В резузгьтате КПД насосных ЭД был повышен ш 4-5% иря частоте врада.еншг 4000 1/мин.

Лшага результатов испытаний приводит к выводу, что з настоящее ярсдо пряиенегок металличегашх потьз при частотах вращения вышг 6С00 1/мин кеделесоабргако ю-га резкого возрастания шгерь.

Персдактпвяой а этом смысле является раг«работка новых высожоомзшх материалов, например сплавов тиган-алюмкний-железо с

р ~ 2,5-3,0 Ом-мм/м2, однако требуется тщательное исследование их фшико-

кеханических н технологических сао{кпв.

Проведена работа по созданию дазсшассовш гильз, в которых потери «г шхрашх токов исюшчяютса.

Апробированы несколько марок литьевых пластмасс с достаточно высокими мшляшескими шказетешми и толщиной гильз 0,4-0.5 мм. Даяшейшее уменьшение толщины затрудняю т техталогаческим при-чанш. Указанная тотцииа означает 40-50%-е увеличение рабочего зазора ЗД, те вызывает необходимость применения новых магнитов или перепроектирование двигателя. Кроме того, пластмассовые гильзы выдерживали без даврзииюшй внутреннее давление з&аздкости не более £-10 агш, к ощутимо меняли свои размеры г диапазоне температур -40°-»-+60оС. Таким образом, пластмассовые гильзы могут быть использованы- яри ограниченном тшиературжш диапазоне 0-и-40*С- и отсутствии значительных внутренних

L3. Снижение потерь а насосных БДПТ кроекгно-конетрукхорекнми оюсобаш».

При жвнгашюх БДПТ полезней мощностью '100 Вт, частотой щятезтя 6ÛÛ0 1/иин, диаметром корпуса 80 мм и имевшего гильзу диаметром 40 мм из сплава ВТ-6, было установлено, что потери в ней . достигают! 35 Вт. ...

В тоже время, из выражения (3) следует теедеящи® к снижению индукции, частоты ращения и диаметра гщьзы в пользу увеличена« осевой длины ее, Уменьшение диаметра гальзы, а следовательно и ротора, при пожышешюм немагнитном зазоре (ю-за размещены« гальзы) влечет за собой

требование повышения коэрцитивной силы постоянных магнитов и повышения их магнитной энергии (ВхН) для компенсации уменьшения размеров.

С появлением редкоземельных магнитов ЗтСо5, удовлетворяющих этим условиям, взамен упомянутого ЭД был разработан дшстггздь ДЬ-б!>9СМ. При той же полезной мощности, скорости 4000 1/мин и диаметре гильзы 25 мм, он имеет диаметр корпуса 60 мм, а потери в гильзе составили 3.5 Вт.

Магниты двигателя выполнены в виде отдельных, прямоугольных брусков, что облегчает кх изготовление, камешкчены в радиальном направлении и установлены на маплггопроводящем вале ЭД. Длина двигателя выросла в 1,2 раза.

2. Экспсэдиментально-конструкторские и технологические работы по созданию оптимальной конструкции серки БДПТ

В начале 70-х годов, ко результатам накопленного опыта разработки, испытаний и эксплуатации трех поколений БДГГГ (около 35 тююразмерон) гачакмсь работы по созданию серии БДИТ, охватывающей да&вазон мощности от 1,0 до 100 Вт, на частотах вращения 3-10 тыс Л/»гик и ресурсом 10-20 тысл.

Мощность предшествующих ЭД достигали 15 Вт, ь ресурс кздетий составлял 7500 ч ври работе * газовой среде и 2500 ч ¡ери работе подашшшвдв з жидкости.

За первое десятилетие ^дествоваикя БДПТ были выявлены их слабые места в свете постоянного увеличения объемов производства и новых зкегшуатационннх требований:

а) недостаточная теплостойкость германиевых датчиков Холла к шс уязвимость прк монтаже в ЭД из-за слабой конструкции;

б) негежшшогичность обработки магнитов и значительный бра« их при шлифовке внутренних отверстий ((1= 3-8 мм) для посадки на игл:

* . э ^

¡Л

в) недостаточная коррозионная стойкость магнатом в иекстсрых теплоносителях;

г> значительный отход материала щ>й изготовлении цельной гильзы и затруднения с обеспечением точности изготовления ее глухого "заднего" подшипникового "гнезда";

д) значительное количество деталей, требующих высокоточной обработки в связи с традиционной конструкцией - корпус плюс ¡юдкшщшковые щиты, •

е) значительное количество мелжяго афшгзка дж скреаяшкя элемск-»хжкожлрукдии;

ж) нетехявлогичность сжяяйаж я яоеятаующей обработан шихтованных пакетов железа статора;

з) уязвимость гальванопокрьтзй алюмшдаевых корпусов ж механическим воздействиям в процессе производства.к эксплуатации.

К новым условием эксплуатации следует отнести работу БДЩ* в среде чкстг/го кислорода при высокой влажности (скафандр космонавта), работу в ' вакууме при высоких температурах, требование ощутимого повышений ресурса шаршкиюдшипшяюв, работающих вереде тегшскосишжй.

Решение перечисленных вопросов стало возможным также благодаря появление к этому времени новых магшшшх и изшшеишешх материагтв, новыхтезшологических процессов.

2.1. Констзруюсорско-техшлошческие решенш по корпусиай, части

БДГГГ.

Важным моментом для дальнейшего развштя БДГГГ во ВНИИЭМ стало устранение ДПР как отдельного узла. С ■ разработкой (сошестис с Истринским филиалом ВНИИЭМ) усиленной конструкции тшлостойжого - кремниевого датчика Холла, имеющего метагапсткхжий корпус м печатные выводы на гибкой яолшшкиной пленке, стало возможным поместить ело непосредственно в пазы на зубцах статбрного шкй-а. Для возбуждения датчиков стал использоваться силовой магнит ЭД. Совмещение ДПР с

силовой частью двигателя позволило сократить его длину, га6ашпьс£ от "железа" и магнита ДПР. Освобождение торца двигателя от ДПР позволит» устанавливать на него хоммугапор; т.е. совместить