Исследование бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии для космического аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Шепталин, Денис Сергеевич

• Шепталин, Денис Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шепталин, Денис Сергеевич

4.1. Описание макетного образца бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии.

4.2. Экспериментальные исследования макета бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии.

4.3. Сравнение результатов экспериментальных и численных исследований бесконтактного электромагнитного преобразователя энергии.

4.4. Сопоставление предлагаемого привода с существующими аналогами.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 №582641 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".

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Шепталин, Денис Сергеевич

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 двигатель; кольцевого 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шепталин, Денис Сергеевич, 2012 год

1. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 е.: ил.

2. Васильев В. Н. Системы ориентации космических аппаратов. М.: Техносфера, 2006 г. 632 с.

3. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Москва 2006 г.

4. Хайнеман P. PSPICE: Моделирование работы электронных схем. Москва, ДМК 2005 г.

5. Кеоун Дж. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей (+DVD). М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер,2008. - 640 е.: ил.

6. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера, 2005. - 632 с.

7. Марти Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. МК-Пресс, Киев, 2007. 268с.

8. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студетов и инженеров: Русская версия. BHV-Петербург, 2009г. ISBN 978-5-9775-0403-4

9. Сайт MAS В. Очова http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPUBookNew/mas/index.html

10. Сайт Exponenta.ru раздел Mathcad. http://exponenta.ru/soft/Mathcad/Mathcad.asp

11. Норенков И.П. Автоматизированное проектирование. Учебник. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 188 с.

12. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - с.

13. Полешук H.H. AutoCAD. Разработка приложений, настройка и адаптация. СПб.: "БХВ-Петербург", 2006. - с. 992.

14. Зуев С.А., Полещук H.H. САПР на базе AutoCAD как это делается. - СПб.: "БХВ-Петербург", 2004. - с. 1168.

15. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. Пер. с англ.- М.: Мир, 1975.

16. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Пер. с анл. М.: Мир, 1984.-428 е., ил.

17. Деклу Ж. Метод конечных элементов. Пер. с франц.- Мир, 1976.

18. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 е.: ил.

19. Рычков С.П. MSC.visual NASTRAN для Windows / Рычков С.П. -M.: HT Пресс, 2004. 552 е.: ил.

20. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANS YS: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 288 с.

21. Авербух В.Я. Электромеханические комплексы: ВНИИЭМовские хроники М.: ФГУП "НПП ВНИИЭМ", 2011. - 168 с.

22. SAS 3rd Edition ANSYS Release 5.5 Electromagnetic Field Analysis Guide, September 1998.

23. SAS ANSYS, Inc. Theory Reference: ANSYS Release 9.0, 2004. 1063 c.

24. Шихов С. Проектирование планарных трансформаторов. // Компоненты и технологии. 2003 г. №7.

25. Кенио Т. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М.: Энергоатомиздат, 1987 г.

26. Москаленко B.B. Электрический привод. М.: Мастерство: Высшая школа, 2000 г. 368 с.

27. Джонс М. X. Электроника практический курс. Москва: Постмаркет, 1999 г. - 528 с.

28. Лобанов В. "Компания Diamond Antenna& Microwave corp. вращающиеся сочления для передачи СВЧ и НЧ - сигналов." стр.46-48, Электроника 00099 1/2010 г.

29. Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат. // Компоненты и технологии. 2003. № 6.

30. Макриденко Л. А., Боярчук К. А. Микроспутники. Тенденция развития. Особенности рынка и социальное значение. Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. М.: ФГУП "НЛП ВНИИЭМ", 2005 г., том 102, с. 12-27.

31. Авербух В.Я., Лещинский Э.А. Новое поколение систем ориентации солнечных батарей космических аппаратов. Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. М.: ФГУП "НПП ВНИИЭМ", 2005 г., том 102, с. 35 -39.

32. Сайт группы компаний Лидер. Альтернативные источники энергии, http ://www. lidergc .ru/

33. Флора В.Д. Электрические машины специальных конструкций и принципов действия. Учебник. Запорожье - Информационная система iElectro, 2011.-254 с.

34. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. Физика и техника полупроводников, 2004 г., том 38, вып. 8, с. 937 947 с.

35. Artur J. Moradewicz Ph.D. Thesis Contactless Energy Transmission System with Rotatable Transformer Modeling, Analyze and Design. Electrotechnical Institute, Warsaw, Poland 2008. - 118 c.

36. A.J. Moradewicz, M.P. Kazmierkowski High efficiency contactless energy transfer system with power electronic resonant converter. Bulletin of the Polish academy of sciences technical sciences, vol. 57, no. 4, 2009. c. 375 -381.

37. Черкашин Ю. Расчет трансформаторов при произвольных законах изменения напряжения и тока. Силовая Электроника, №2, 2009 (www.power-e.ru). с. 26 - 29.

38. Булгаков Н.И. Расчет трансформаторов. М.: Госэнергоиздат, 1950 г.

39. Матвеев К. Использование пакета ANSYS для моделирования электромагнитных элементов импульсных преобразователей. Силовая Электроника, №2, 2004 (www.finestreet.ru). с. 92 - 94.

40. Лейтес JI.B. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия. 1981 г.

41. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики: Учебник для вузов. 2-изд., перераб. И доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1985 - 368 е., ил.

42. J.P.C. Smeets, D.C.J. Krop, J.W. Jansen, E.A. Lomonova Contactless Power Transfer to a Rotating Disk. Electromechanics and Power Electronics Group, Eindhoven University of Technology, Netherlands. 2010. c. 748 - 753.

43. WiTricity Corp. Home (Сайт www.witricity.com)

44. PowerBeam Wireless Electricity (Сайт www.powerbeaminc.com)

45. Сидоров И.Н., Христинин A.A., Скоряняков C.B. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник. М.: Радио и связь, 1989. - 384 е.: ил.

46. Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь 1993. - 232 е.: ил.

47. Подъяпольский А.Н. Как намотать трансформатор. М.: Государственное энергетическое издательство 1953. - 28 с.

48. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб. Пособие для электротехн. Специальностей вузов. М.: "Высш. школа", 1975.

49. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.A. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1986.-488 е.: ил.

50. Немцов М.В., Шамаев Ю.М. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М.: Энергоиздат, 1981. - 136 е., ил.

51. Баканов М.В., Лыска В.А., Алексеев В.В. Информационные микромашины следящих и счетно-решающих систем (вращающиеся трансформаторы, сельсины). М., "Сов. радио", 1977, 88 с.

52. Лондон С.Е., Томашевич С.В., Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. М.: Радио и связь, 1984. - 216 е., и.

53. Лодочникова Э.А., Юферова Ю.М., Микроэлектродвигатели для систем автоматики (технический справочник). М., "Энергия", 1969. 272 е. ил.

54. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. -552 е., ил.

55. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин: Учеб. Пособие для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 360 е., ил.

56. Найвельт Г.С., Мазель К.Б., Хусаинов Ч.И. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1985. -576 е., ил.

57. Александров H.H. Электрические машины и микромашины. М.: Колос, 1983. - 384 е., ил. - (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. Заведений).

58. Емельянов A.B., Шилин А.Н. Шаговые двигатели: учеб. Пособие. -ВолгГТУ. Волгоград, 2005. - 48 с.

59. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990. - 416 е.: ил.

60. Тихонов А.И., Казаков Ю.Б. Методы анализа и синтеза электромехаических устройств на основе компонентной интеграции моделей. ГОУ ВПО "Ивановский государственый энергетический университет имени В.И. Ленина". Иваново, 2008. - 80 с.

61. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1991. - 208 е.: ил.

62. Шепталин Д.С., Геча В.Я. Система привода солнечных батарей космического аппарата с бесконтактной передачи электрической энергии // Приводная техника. М., 2010. №6. - с.36-44.

63. Шепталин Д.С., Геча В .Я. Привод солнечной батареи космического аппарата. // Известия тульского государственного университета. Технические науки, Тула, 2010г. с.213-216.

64. Шепталин Д.С., Геча В.Я. Привод солнечной батареи космического аппарата. // Тезисы докладов шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010г. с.36-37.

65. Шепталин Д.С., Геча В.Я., Дульцев A.A. Привод солнечной батареи космического аппарата с бесконтактной передачей электрической энергии. // Международная научно-практическая конференция научные итоги 2010, Киев, 2010г.-с. 66-68.