Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ электромеханических систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов 10
1.1. Тенденции развития систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов. 10
1.2. Классификация систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов . 14
1.3. Анализ способов бесконтактной передачи электроэнергии. 20
1.4. Принципы реализации бесконтактной передачи электроэнергии электромагнитным способом. 25
Выводы к главе 1. 28
ГЛАВА II. Методы исследования бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии 30
2.1. Структура предлагаемого преобразователя и особенности его функционирования. 30
2.2. Выбор программного обеспечения для моделирования и расчета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии. 35
2.3. Выбор программного обеспечения для конечно-элементного моделирования трансформатора. 38
2.3.1. Расчет конструктивной схемы трансформатора. 38
2.3.2. Графическое изображение геометрии конструкции. 39
2.3.3. Конечно-элементное моделирование трансформатора. 42
Выводы к главе 2. 44
ГЛАВА III. Результаты теоретического исследования бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии 45
3.1. Магнитные системы конструкций сердечников высокочастотных трансформаторов. 45
3.2. Выбор материала для магнитопровода трансформаторов. 48
3.3. Метод и алгоритм расчета трасформатора с учетом данных, полученых в ходе конечно-элементного моделирования . 60
3.4. Результаты расчета и моделирования трансформатора в бесконтактном электромагнитном преобразователе энергии. 81
Выводы к главе 3. 94
ГЛАВА IV. Анализ экспериментальных исследований бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии . 95
4.1. Описание макетного образца бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии. 95
4.2. Экспериментальные исследования макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии . 101
4.3. Сравнение результатов экспериментальных и численных исследований бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии. 106
4.4. Сопоставление предлагаемого привода с существующими аналогами. 109
Выводы к главе 4. 113
Заключение 114
Приложение 116
Список литературы 136
- Классификация систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов
- Выбор программного обеспечения для моделирования и расчета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии.
- Метод и алгоритм расчета трасформатора с учетом данных, полученых в ходе конечно-элементного моделирования
- Экспериментальные исследования макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии
Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость увеличения сроков службы космических аппаратов (КА), ужесточение требований к качеству питания бортовой аппаратуры, внутренним источникам механических возмущений КА выдвигают повышенные требования к системам энергоснабжения (СЭС) и системам ориентации (СОСБ) фотоэлектрических батарей (БФ). Вместе с тем, новые активные материалы и элементная база, стойкие к воздействию факторов космического пространства, создают предпосылки для проведения исследований, направленных на выполнение этих требований. Поскольку БФ относительно корпуса КА совершает вращательное движение, закон которого предполагает поддержание направления нормали плоскости БФ на Солнце, электрический ток от БФ к СЭС передается через подвижный контакт (токосъемник), представляющий собой достаточно сложный и ответственный узел.
Современные тенденции проектирования СОСБ в РФ и за рубежом направлены на минимизацию массо-габаритных показателей и улучшения технических характеристик за счет применения специальных материалов в этом узле, а так же использованию новых типов двигателей и редукторов для привода БФ, например, шаговых двигателей. На этом пути возможности дальнейшего улучшения показателей качества указанных устройств практически исчерпаны.
Вместе с тем, большое количество публикаций посвящено теоретическому обоснованию, разработке и практической реализации принципов бесконтактной передачи энергии для взаимоподвижных и опорно-поворотных устройств наземного применения. Так, кольцевые трансформаторы и тороидальные двигатели описаны в работах Хрущева В.В., Маринина Ю.С., Копылова И.П. и др. Принципы бесконтактной передачи энергии достаточно подробно описаны в работах A.J. Moradewicz, М.Р. Kazmierkowski, J.P.C. Smeets, D.C.J. Krop, J.W. Jansen, E.A. Lomonova и
др.
Однако в доступной литературе применение безконтактных методов передачи энергии для приводов СОСБ, других систем КА не выявлено.
Поэтому актуальное значение приобретают исследования, связанные с разработкой технических решений для передачи энергии от БФ к СЭС без механического (гальванического) контакта, созданием электромагнитного преобразователя энергии космического назначения. Для создания такого
преобразователя требуется детальная проработка и анализ структуры СОСБ, материалов, пригодных для использования в КА, принципов бесконтактной передачи энергии.
Поэтому исследование возможностей применения бесконтактного преобразователя энергии для КА, поиск и выбор активных материалов, разработка алгоритма расчета являются актуальной научной задачей. Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке и исследовании электромагнитного преобразователя для бесконтактной передачи энергии от фотоэлектрических панелей солнечной батареи, подвижной относительно космического аппарата, к его бортовой сети. Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:
Анализ принципов бесконтактной передачи энергии и выбор наиболее оптимального для космического аппарата.
Анализ и формирование критериев качества для устройства передачи энергии от фотоэлектрических батарей.
Выбор форм-факторов и компоновка элементов устройства передачи энергии применительно к приводу БФ.
Выбор методов расчета, программных средств и разработка алгоритма проектирования.
Анализ и выбор активных материалов электромагнитного преобразователя.
Расчет магнитной системы и основных параметров электромагнитного преобразователя энергии.
Изготовление макета электромагнитного преобразователя энергии, проведение испытаний и анализ результатов экспериментальных исследований.
Методы исследования. Исследования выполнялись на основе базовой теории электрических машин, с применением методов расчета магнитных систем с использованием теории поля и методов проектирования трансформаторов. Для моделирования электромагнитного преобразователя применялась программа на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования разработанного макетного образца электромагнитного преобразователя энергии для привода солнечных батарей космического аппарата выполнялись с использованием современных измерительных средств.
Научная новизна полученных результатов.
Проанализированы существующие принципы бесконтактной передачи энергии применительно к фотоэлектрическим батареям космического аппарата и сформулированы критерии качества для создания электромагнитного преобразователя.
Выбраны форм-факторы и предложена компоновка электромагнитного преобразователя энергии, учитывающая особенности привода БФ.
Разработан алгоритм и методика расчета электромагнитного преобразователя на основе его конечно-элементной модели.
Научные положения, выносимые на защиту.
Компоновка и форм-факторы электромагнитного преобразователя бесконтактной передачи энергии БФ КА.
Критерии качества для электромагнитного преобразователя бесконтактной передачи энергии БФ КА.
Алгоритм расчета, учитывающий результаты конечно-элементной модели электромагнитного преобразователя энергии.
Результаты экспериментальных исследований макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии привода БФ. Достоверность научных положений и результатов расчета электромагнитного преобразователя энергии, обоснована корректностью использования математических методов и подтверждена экспериментальными данными.
Практическая ценность работы.
Создана конечно-элементная модель магнитопровода электромагнитного преобразователя для исследования электромагнитных процессов в сердечниках из ферромагнитных и аморфных материалов.
Разработан макетный образец электромагнитного преобразователя энергии позволяющий экспериментально исследовать процессы, протекающие в подобного рода системах, оптимизировать схемотехнические параметры.
Проведено исследование макетного образца электромагнитного преобразователя энергии и установлено соответствие расчетных и экспериментальных данных.
Результаты диссертации планируются к использованию в ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ" для проектирования опытного образца электромагнитного преобразователя энергии БФ КА.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XVI-ой и XVII-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г., 2011 г.); HaVI-ой международной (XVII-ой Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Тула, ТулГУ, 2010 г.); на XL-ой Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) "Федоровские чтения -2010" (Москва, МЭИ, 2010 г.); на международной научно-практической конференции "Научные итоги 2010 года" (Киев, 2010 г.); на научно-техническом семинаре молодых ученых и специалистов предприятий Роскосмоса (Королев, 2010 г.); на ХП-ом международном форуме "Высокие технологии XXI века" - "ВТ ХП-2011" (Москва, ЦБК ЗАО "Экспоцентр",
2011г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 2
в рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ, подана заявка с
приоритетом от 06.10.2011 на изобретение "Двухчастотная электрическая
машина".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
Классификация систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов
Блок электроники. Осуществляет питание электродвигателя, преобразуя постоянное напряжение сети в трехфазное напряжение постоянной формы.
Приводной электродвигатель. Функциональный узел обеспечивающий разгон, вращение с постоянной скоростью, торможение и реверсирование солнечных батарей космического аппарата. В качестве такого двигателя может быть использован один из следующих типов: асинхронный (АД), шаговый (ШД) или бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ). Скорость вращения обычно находиться в пределах 1200 – 2400 об/мин. На космической станции “Мир” и аппаратах “Метеор” и “Ресурс” установлены трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Тахогенератор. Используется как датчик направления вращения (изменение чередования фаз напряжения с измененением направления вращения), но может быть использован и для быстрой остановки привода в заданном положении. В этом случае, одновременно со снятием напряжения с электродвигателя осуществляется линейное короткое замыкание его обмоток.
Кабельный барабан (кольцевой токоподвод). Предназначен для укладки кабелей при вращении привода. Чтобы уменьшить взаимное трение и трение о внутреннюю поверхность барабана при укладки, участки кабеля обшиты специальной тканью. Неподвижные концы кабелей оканчиваются разъемами и стыкуются с герморазъемами. Угол поворота солнечных батарей ограничен специальным упором, при его достижении кабельным барабаном срабатывает кольцевой выключатель и осуществляется поворот СБ в обратном направлении. Кольцевые токоподводы осуществляют электрическую связь между подвижными и неподвижными частями системы ориентации, и выполняют ту же самую функцию, что и кабельный барабан.
Предохранительная муфта. Этот узел выполняет сразу несколько функций, а именно: ограничивает момент, действующий на привод со стороны кабельного барабана; защищает редуктор при испытаниях и нештатных ситуациях; передает вращающий момент электродвигателя через герметическую стенку к механизму вращения. Редуктор (волновой или цилиндрический). Существует для передачи движения без нарушения герметичности быстровращающихся частей привода, расположенных в герметичном отсеке, к медленно вращающимся частям системы ориентации, а именно – СБ. Кабели. Предназначены для передачи электрической энергии и сигналов управления от вращающихся панелей солнечных батарей к потребителям этой энергии в корпусе космического аппарата. В результате вращения они подвержены циклическим механическим воздействиям, а именно на протяжении всего активного срока существования аппарата испытывают многочисленные циклы закручивания и раскручивания. Классификация систем ориентации солнечных батарей может быть произведена по разным параметрам, ниже приведена классификация по типу ориентации солнечных батарей относительно корпуса космического аппарата: 1. Постоянно ориентированные фотоэлектрические батареи. Панели СБ жестко закреплены и неподвижны относительно корпуса космического аппарата. Такой тип ориентации солнечных батарей используется на аппаратах, чьей рабочей орбитой является солнечно-синхронная орбита. В силу специфики орбиты нет необходимости в повороте панелей солнечной батареи. Недостатком такой системы является узкая специализация использования. 2. Системы, ориентация БФ которых осуществляется за счет поворота корпуса КА. Применяется на космических аппаратах вне зависимости от типа орбиты, на которой предполагается его использование. Имеет в комплекте необходимое количество электромеханических блоков, осуществляющих поворот панелей СБ, а также определенное количество блоков управления, формирующий и выполняющий команды управления для ЭМБ. Такая система ориентации БФ неприемлема для космических аппаратов осуществляющих фото-, видеосъемку поверхности Земли. 3. Всенаправленная солнечная батарея. В данном случае корпус космического аппарата обклеивается кварцевыми пластинами. Главным недостатком такой СОСБ является плохое терморегулирование. Может использоваться для небольших космических аппаратов вне зависимости от типа их орбиты. 4. Система, приводом которой является асинхронный двигателей с зубчатым редуктором. Также как и в случае с СОСБ, поворот БФ которых осуществляется за счет поворота корпуса КА, применяется на аппаратах, эксплуатируемых на эллиптических, круговых, солнечно-синхронных и прочих орбитах. К недостаткам такой системы следует отнести необходимость компенсации возмущающих воздействий вследствие поворота панелей БФ.
Выбор программного обеспечения для моделирования и расчета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии.
Рассмотрим подробнее программное обеспечение, используемое для моделирования и расчета отдельных составляющих создаваемой системы.
Для моделирования на персональном компьютере электрических, электронных и интегральных схем используются имитационные программы, среди которых MATLAB, Electronics Workbench, Multisim, однако большинство из них созданы на основе языка SPICE. Так же на этом языке написана программа PSpice, эта программа была разработана специалистами из университета Беркли, Калифорния (Berkeley, California) и является на сегодняшний день наиболее распространенной и востребованной.
PSpice широко применяется в промышленности и академическом образовании, позволяя исследовать работу схем без создания реальных макетов в лаборатории. При этом достигается существенная экономия материалов и рабочего времени. Если проект требует изменений или улучшений, результаты легко могут быть получены на компьютере при изменении исходных условий. Разработчик просто заменяет компоненты, которые обычно используются в реальных цепях, и после этого снова исследует работу и электрические свойства устройства. Обычно трудно бывает предсказать, сколько таких компонентов должно быть заменено. Когда же этим занимается компьютерная программа, она производит утомительные вычисления с меньшей вероятностью ошибок и намного быстрее, чем человек. [5] Помимо PSpice, при моделировании схем, могут быть использованы и такие программы как Probe, которая позволяет графически построить реакцию цепи на входное воздействие во временной и частотной областях, а также Schematics, которая позволяет разработчику размещать в схеме различные компоненты, создавая их изображения на дисплее, и проводить в дальнейшем анализ на PSpice.
Вместе с тем программный продукт PSpice продолжает развиваться от версии в версии, так сразу после объединения в январе 1999 года MircoSim и OrCAD появилась версия PSPICE 9.0, в которой редактор проектирования электронных схем MircoSim-SCHEMATICS был заменен редактором OrCAD-CAPTURE. В отличие от предыдущей версии 9.0 имела некоторые недостатки, так, например, нельзя было непосредственно на схеме указывать токи и напряжения в рабочей точке аналоговых микросхем, а также двоичные состояния в цифровых микросхемах, что чрезвычайно удобно при проектировании. Все недочеты были устранены в версии 9.1. Кроме того, версия 9.1 позволяет чертить схему как в редакторе MicroSim-SCHEMATICS, так и в OrCAD-CAPTURE. [4] Поэтому в наших исследованиях будем применять программу PSpice, версия 9.1.
Стандартный алгоритм расчета элементов силовой части преобразователя включает следующие этапы [6], [7]: 1. Расчет коэффициента трансформации и минимального коэффициента регулирования. Коэффициент трансформации находится из регулировочной характеристики, при выбранном ранее коэффициенте заполнения (длительности управляющих импульсов – ). 2. Расчет индуктивности дросселя. Дроссель выбирается из условия, что при минимальном токе нагрузки наблюдалась бы 100% пульсация магнитного потока, то есть дроссель работает в граничном режиме непрерывного магнитного потока. 3. Расчет индуктивности намагничивания трансформатора. Индуктивность намагничивания трансформатора выбирают так, чтобы пульсация тока в ней составляла 20% от выходного тока. В худшем случае рассчитывается при минимальном выходном токе. 4. Расчет выходной емкости. Выходная емкость рассчитывается при максимальной пульсации тока. 5. Выбор силовых транзисторов. Транзисторы выбираются по току. Ток рассчитывается через обратное напряжение, которое прикладывается к транзисторам. 6. Выбор силовых диодов. Диоды так же выбираются по току, которой течет через него. При создании и исследовании трансформатора, используемого для бесконтактной передачи электрической энергии, можно выделить три основных этапа: 1.) Расчет конструктивной схемы трансформатора. 2.) Графическое изображение расчетной модели трансформатора. 3.) Конечно-элементное моделирование трансформатора.
В современном мире разнообразие программных средств для решения поставленных на каждом этапе задач, достаточно велико, поэтому существует проблема выбора подходящей программной среды. В этом подразделе представлен выбор используемых программных средств, а так же краткое обоснование этого выбора.
При расчете конструкции, проектируемого трансформатора, могут быть использованы системы компьютерной алгебры, помогающие выполнять символьные вычисления. Таких программ огромное множество, вот некоторые из них: Maple, Mathcad, Mathematica, MATLAB, MuPAD, Scilab, Maxima и пр. Однако, все они весьма специализированы под различные применения. Например, системы Maple или Mathematica, ориентированы в большей степени на решение задач теоретической математики, для чего имеют в своем составе огромное количество специализированных процедур и функций. При решении поставленной задачи данные системные инструменты не будут использованы в полной мере, вместе с тем их применение потребует затраты значительного ресурса со стороны вычительной техники. В качестве недостатком для этих систем, можно так же обозначить следующее: для работы с ними требуется изучение специального языка программирования (Mathematica), а так же текстовый режим ввода выражений.
Программа Mathcad, в отличие от Maple и Mathematica, изначально задумывалась и создавалась как средство численного решения математических задач, без погружения в их математическую суть, что вполне достаточно для расчета конструкции трансформатора без лишних затрат вычислительных мощностей ПК и времени расчетчика. Вместе с тем, дружественный интерфейс, способный к графическому вводу выражений, сыграл не последнюю роль при выборе Mathcad в качестве основного расчетного средства. К достоинствам это программного пакета так же стоит отнести его широкую распространенность в инженерной среде и тот аспект, что формулы после набора будут иметь привычный, аналогичный книжному, вид. Все выше изложенное значительно упрощает проверку набранных расчетов и, при необходимости, позволяет эффективно взаимодействовать со всеми соисполнителями проекта.
Метод и алгоритм расчета трасформатора с учетом данных, полученых в ходе конечно-элементного моделирования
Теперь несколько подробнее о моделях сердечников, будем рассматривать только модель представленную на рисунке 3.9, так как модель представленная на рисунке 3.10 – аналогична ей и отличается только геометрией сердечника. Тип анализа разработанной модели – стационарный, магнитный, с открытыми границами, трехмерный. Для правильного расчета сердечника, необходимо проанализировать его трехмерное магнитное поле. Этот анализ в программе ANSYS будет производиться методом скалярных магнитных потенциалов, который обозначается функцией SOLID96. Возможны три модификации применения метода скалярных магнитных потенциалов: 1.) Метод снижения скалярного потенциала RSP (Reduced Scalar Potential); 2.) Метод дифференциального скалярного потенциала DSP (Difference Scalar Potential); 3.) Метод обобщенного скалярного потенциала GSP (Generalized Scalar Potential). Существует ряд рекомендаций по условиям применения той или иной модификации метода при решении различных задач, подробно об этом можно почитать в документах Electromagnetic Field Analysis Guide [23] и ANSYS, Inc. Theory Reference [24]. Здесь же приведены краткие справочные данные, а именно метод RSP рекомендуется использовать в системах без магнитопровода или в системах с железом, но без источников тока. Методом DSP рассчитываются системы с незамкнутым магнитопроводом, как электромагнит и магнитная система для электрофизических установок [20]. Метод GSP применяется для расчета магнитных систем с замкнутым магнитопроводом. В данной работе будем применять метод DSP (дифференциальный скалярный потенциал), это связано с тем, что в SOLID96 при создании сетки конечных элементов (см. рис. 3.11) используются в качестве ее элементов четырехгранники с четырьмя узлами вместо восьми. Магнитный поток в моделях таких систем может быть перпендикулярен и параллелен границам. Кроме того, границы могут быть конечной длины (замкнутыми) и открытыми (удаленными в бесконечности) [20]. Соответственно граничные условия могут быть: 1.) Поток-перпендикулярное граничное условие – условие, при котором на границе , где А – модуль векторного потенциала; n – нормаль к границе. В методе векторного магнитного потенциала оно вводится автоматически. 2.) Поток-параллельное граничное условие – условие, при котором на границе . В методе векторного магнитного потенциала его надо вводить. Делается это следующим образом, сначала выбираются узлы конечно-элементной сетки той поверхности, вдоль которой проходит магнитный поток. Далее по средствам последовательности специальных команд ANSYS прикладывается поток-параллельное граничное условие к узлам. Последовательность команд имеет следующий вид: U_M: Select – Entities. M_M: Preprocessor – Loads – Define Loads – Apply – Magnetic – Boundary – Vector Poten – Flux Par l – On Nodes. И в заключении: Apply Flux – Parallel Conditions – Pick All. Для метода скалярного магнитного потенциала граничные условия будут задаваться несколько в другом виде, а именно: 1.) Поток-перпендикулярное граничное условие – условие, при котором , где – скалярный магнитный потенциал. 2.) Поток-параллельное граничное условие – условие, при котором , где – скалярный магнитный потенциал; n – направление нормали к границе. В методе скалярного магнитного потенциала по умолчанию вводится не поток-перпендикулярное граничное условие, как в методе векторного потенциала, а поток-параллельное. Напротив, поток-перпендикулярное граничное условие в методе скалярного магнитного потенциала должно быть введено в явном виде. Особенностью этого метода является также необходимость ввода значения скалярного магнитного потенциала хотя бы одной точки (узла) модели (обычно вводится нулевое значение). [20] Исходными данными для построения модели являются: 1.) Геометрические размеры сердечников трансформатора (см. рис. 3.3 для модели рис.3.9 и рис.3.5 для модели рис.3.10); 2.) Кривая намагничивания материала магнитопровода (феррит марки НМ, рис.3.2; аморфная сталь марки ММ, рис.3.4); 3.) Относительная магнитная проницаемость воздуха и объема, занимаемого обмотками; 4.) Число витков каждой обмотки; 5.) Ток в первичной и вторичной обмотках. По результатам анализа определяются индуктивности первичной и вторичной обмоток. Вместе с тем строятся зонные картины поля суммарной магнитной индукции (см. рис.3.12 и рис.3.13). Однако при анализе проектируемого сердечника в программе ANSYS, следует учесть следующие допущения [20]: 1.) Бесконечно протяженное поле рассматриваемой системы ограничивается поверхностями куба, обозначенного на рисунках 3.12 и 3.13 желтым цветом, а на рисунке 3.11 зеленым цветом. 2.) Связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля определяется кривыми намагничивания (см. рис.3.2 и рис.3.4). 3.) Для расчета вихревого поля с помощью скалярного потенциала используется методика, описанная в подразделе П7.3 [20]. 4.) Магнитный поток параллелен вертикальным плоскостям симметрии ZY и ZX и перпендикулярен горизонтальной плоскости симметрии XY. 5.) На верхней горизонтальной и боковой цилиндрической поверхностях модели принимается поток-параллельное граничное условие. Так же для конечно-элементой модели необходимо задать граничные условия, которые уже были озвучены в допущениях 4 и 5, кстати говоря, четвертое допущение осуществляется тем, что для всех точек плоскости модели XY скалярный магнитный потенциал принимается одинаковым и равным нулю. Последнее, на что стоит обратить внимание в данной модели, так это то, что нагрузка задается при помощи встроенного макроса Racetrack, путем ввода МДС обмотки при его назначении. Эти модели использовались в расчете энергетических параметров трансформаторов, результаты которых представлены выше (табл. 3.5). Выводы к главе 3. Подведем основные итоги проделанной работы: Проанализированы возможные конструкции трансформатора для бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии и определены основные критерии качества и геометрия сердечников. Осуществлен выбор активных материалов магнитопроводов трансформаторов и компоновка элементов электромагнитного преобразователя энергии для привода фотоэлектрической батареи космического аппарата. Разработан алгоритм расчета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии, отличающегося учетом результатов конечно-элементного моделирования сердечников его трансформатора.
Экспериментальные исследования макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии
В этом подразделе проведем сравнительный анализ разработанной структуры привода солнечной батареи и существующих аналогов. Параметрами, по которым будет проводиться анализ, являются: максимальный угол поворота солнечной батареи, погрешность ориентации СБ, потребляемая мощность и масса системы ориентации солнечной батареи. Для сравнения были выбраны системы ориентации солнечных батарей и космические аппараты, классифицируемые в отечественных и зарубежных публикациях как МКА [21], среди них: “Монитор-Э”, “Кондор-Э” и “Метеор-М”. Эти данные приведены в таблицу 4.1.
Из таблицы 4.1 видно, что разработанная модель системы ориентации солнечной батареи весьма конкурентоспособна, по нескольким параметрам. Поясним некоторые из них. Важными параметрами для систем ориентации солнечных батарей считаются их максимальный угол поворота и погрешность ориентации СБ. Оба эти параметра влияют на коэффициент освещенности панелей солнечных батарей, то есть на эффективность использования СБ. Наилучшими значениями считаются максимальный угол поворота – близкий к 360 или без ограничений и минимально возможная погрешность ориентации, выраженная в градусах. Для разработанного привода эти параметры удовлетворяют приведенным выше критериям. Не менее важны минимально возможные значения потребляемой мощность и массы СОСБ. Под потребляемой мощностью, понимается мощность необходимая шаговому двигателю для поворота панелей солнечных батарей на заданный системой управления угол. Иными словами мощность затрачиваемая двигателем для создания достаточного момента, чтобы преодолеть силу трения в подшипниках и момент инерции солнечной батареи. Вся остальная мощность – проходящая через систему, это мощность, которая передается через устройство и является рабочей мощностью (осуществляет передачу электрической энергии), и в таблице не отображается. Что же касается массы СОСБ, то в таблице 4.1 приведена вся масса устройства, а в скобках масса шагового двигателя и вращательного трансформатора, то есть электромеханического блока. Оба эти значения существенно меньше, чем у аналогов. В ходе сравнения этих параметров с приведенными в таблице, для другим МКА, становится ясно, что разработанная конструкции СОСБ весит и потребляет энергии меньше, чем аналоги. Вместе с тем, еще раз говоря о новом, разработанном приводе СОСБ, хочется отметить, что его основным отличием от аналогов в первую очередь является уникальность электромеханического блока, которая может быть выражена в следующих особенностях: 1.) Применение в составе привода шагового двигателя: а.) Простота регулирования частоты вращения. б.) Отсутствие датчиков положения ротора. в.) Наличие удерживающего момента при снятии напряжения питания. г.) Меньшие габариты, масса и потребление электроэнергии. 2.) Повышенная надежность системы, так как уменьшение количества звеньев системы ведет к повышению ее надежности. 3.) Отсутствие механического контакта (если используются контактные кольца) и решается проблема многочисленных циклов закручивания и откручивания токопроводящего кабеля (для кабельного барабана) в узле токосъема. 4.) Использование современной элементной базы при проектировании электромагнитного преобразователя, позволило уменьшить его габариты и массу, сохранив при этом функционал. 5.) Масса разработанного ЭМБ в несколько раз меньше массы аналогов (его масса составляет – 1-1,5 кг). Приведенные выше отличия весьма существенны и могут послужить не последним аргументом для внедрения разработанного ЭМБ в состав СОСБ МКА на первом этапе в качестве прототипа. А после прохождения натурных испытания, может быть принятым в производство. Выводы к главе 4. Проведено сопоставление экспериментальных и расчетных данных, что с большой вероятностью позволяет судить об адекватности алгоритма расчета трансформатора бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии. Сконструирован макет бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для привода солнечной батареи космического аппарата, способного передать через немагнитный зазор, с достаточно высоким КПД, электрическую мощность до 135 Вт на частоте питающей сети 20 кГц. Проведен ряд экспериментов, имевших цель найти оптимальное и наиболее выгодное с точки зрения эффективности передачи энергии, соотношение чисел витков обмоток трансформатора, для заданной частоты питающей сети – 20 кГц. По результатам выполненной работы можно сформулировать следующие выводы: 1. Применение вышеописанного электромеханического блока в составе системы ориентации солнечной батареи космического аппарата позволяет улучшить его массогабаритные и энергетические показатели, так же повышается надежность функционирования, как отдельных узлов системы, так и всей системы в целом. 2. Проанализированы современные методы проектирования и расчета узлов бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для привода БФ, с учетом особенностей МКА. Разработан алгоритм расчета этих узлов с учетом результатов их моделирования конечно-элементным методом. Алгоритм расчета элементов преобразователя привода СОСБ, с учетом, результатом МКЭ, подтвержден и выполнен при использовании современных общедоступных программ.
