Исследование бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для космического аппарата

Актуальность работы. 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 массогабаритных 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 AJ. 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 бесконтактных 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.

Целью диссертационной работы является поиск путей модернизации системы ориентации солнечных батарей космического аппарата. Применение новых конструкционных решений к узлу передачи электрической энергии, разработка новейших схемотехнических решений для системы управления и передачи электроэнергии, вот те направления, которые будут освещены в следующих главах.

Актуальность темы

Эффективность и надежность работы привода солнечной батареи во многом обеспечивается его конструкцией и законом управления, поэтому создание простой и надежной конструкции является весьма актуальной задачей на сегодняшний день.

Работы по созданию систем ориентации солнечных батарей в нашей стране ведутся достаточно давно. Так из литературных источников [2, 22, 32] известно, что впервые в советском союзе система ориентации по направлению на Солнце СБ, получившая название СОСБ, была разработана во ВНИИЭМ для КА «Метеор». Разработчикам этой системы Р. И. Бихману, Д. М. Вейнбергу, М. Т. Геворкяну, H.H. Шереметьевскому было выдано авторское свидетельство № 582 641 с приоритетом от 01.03.1963 г. [22]. В последующие десятилетия эти системы непрестанно совершенствовались, однако массогабаритные показатели, достаточно велики, а ресурс приводов БФ недостаточен для использования их в системах ориентации СБ малых космических аппаратов (МКА). С учетом изложенного есть основания проводить модернизацию этих систем и вводить в строй новые эффективные системы.

Учитывая экстремальные условия работы СОСБ КА, следует учитывать, что их надежность должна быть крайне высока. Этого вполне можно добиться, упрощая конструкцию систем ориентации, иными словами сокращая количество функциональных узлов. Так, например, системы ориентации КА, работающих на солнечно-синхронных орбитах, где практически нет необходимости во вращении БФ, а момент двигателя нужен в основном для преодоления силы трения в подшипниках, комплектуются более компактными шаговыми двигателями. Система токосъема, которая может быть выполнена в виде кольцевых токосъемников и щеток или кабельного барабана, заменяется трансформатором, обмотки которого поворачиваются друг относительно друга и вокруг оси симметрии вала. Такое конструктивное решение позволит уменьшить массогабаритные показатели всей системы, увеличить КПД и ресурс привода БФ, тем самым обеспечит энергосбережение, увеличит ресурс и повысит технико-экономические показатели системы. Такая структура СОСБ предлагается впервые и аналогов не имеет, вследствие чего ее разработка является весьма актуальной задачей.

Цель работы. 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:

1. Анализ принципов бесконтактной передачи энергии и выбор наиболее оптимального для космического аппарата.

2. Анализ и формирование критериев качества для устройства передачи энергии от фотоэлектрических батарей.

3. Выбор форм-факторов и компоновка элементов устройства передачи энергии применительно к приводу БФ.

4. Выбор методов расчета, программных средств и разработка алгоритма проектирования.

5. Анализ и выбор активных материалов электромагнитного преобразователя.

6. Расчет магнитной системы и основных параметров электромагнитного преобразователя энергии.

7. 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.

Новые научные положения, выносимые на защиту.

1. Компоновка и форм-факторы электромагнитного преобразователя бесконтактной передачи энергии БФ КА.

2. Критерии качества для электромагнитного преобразователя бесконтактной передачи энергии БФ КА.

3. Алгоритм расчета, учитывающий результаты конечно-элементной модели электромагнитного преобразователя энергии.

4. Результаты экспериментальных исследований макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии привода БФ.

Практическая ценность работы.

1. Создана конечно-элементная модель магнитопровода электромагнитного преобразователя для исследования электромагнитных процессов в сердечниках из ферромагнитных и аморфных материалов.

2. Разработан макетный образец электромагнитного преобразователя энергии, позволяющий экспериментально исследовать процессы, протекающие в подобного рода системах, оптимизировать схемотехнические параметры.

3. 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 ХУ1-ой и ХУП-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г., 2011 г.) — наУ1-ой международной (ХУП-ой Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Тула, ТулГУ, 2010 г.) — на ХЬ-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 ХИ-ом международном форуме «Высокие технологии XXI века» — «ВТ ХП-2011» (Москва, ЦВК ЗАО «Экспоцентр», 2011 г.).

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» .

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате разработки и исследования бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для привода фотоэлектрической батареи космического аппарата были решены следующие задачи:

Теоретически обосновано упрощение конструкции электромеханического блока системы ориентации солнечной батареи космического аппарата. А именно, описана возможность замены электрического двигателя (АД, БДПТ) с редуктором на шаговый двигателькольцевого токосъемника или кабельного барабана — трансформатором, обмотки которого соосны и параллельны, вращаются друг относительно друга и вокруг оси симметрии устройства.

Проведен анализ принципов бесконтактной передачи, энергии, определены критерии качества и форм-факторы бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для привода БФ КА.

Осуществлен выбор активных материалов элементов преобразователя, произведена компоновка устройства.

Разработана схема электромагнитного преобразователя, в которую возможно встроить трансформатор, мощностью 135 Вт. При этом, предварительно рассчитана конструкция такого трансформатора. Создана модель электромагнитного преобразователя в программе РБрюе.

Разработан алгоритм расчета трансформатора, в котором учтены данные его конечно-элементной модели в программе А1ЧГ8У8. Разработанная конечно-элементная модель — параметрическая, что существенно упрощает проектирование приводов различной мощности.

Сконструирован макет привода СОСБ КА, способный передать через немагнитный зазор, электрическую энергию мощностью порядка 100 Вт, с коэффициентом полезного действия более 80%.

Проведено исследования характеристик макета привода СБ., сняты зависимости передаваемой мощности от частоты питающей сети для различных коэффициентов трансформации. Эти зависимости соотнесены с теоретически-рассчитанными значениями. Проведено подтверждение алгоритма расчета, которое показало достаточное совпадение теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований, выполненных на макете привода. Разработанный алгоритм может применяться для проектирования трансформаторов бесконтактных электромагнитных преобразователей энергии для приводов МКА и давать достаточно точные значения энергетических параметров проектируемых систем.

Таким образом, примененный подход к проектированию и расчету элементов СОСБ, позволяет решить проблему механического контакта при передаче электрической энергии от панелей БФ к бортовой сети КА в условиях космоса. Вместе с тем дал новые идея для развития технологии бесконтактной передачи энергии в повседневной жизни и применения их и областях напрямую не связанных с космической отраслью.