Статья опубликована в рамках: LXXXI Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 12 сентября 2019 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Технологии
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Тема беспилотных летательных аппаратов очень актуальна в настоящее время, так как все большее количество технических решений переходит на автоматический режим, в том числе и управление различной техникой и машинами. Одной из самых важных частей в данном направлении является двигатель, потому что именно он поднимает беспилотный летательный аппарат в воздух и перемещает его в трех пространственных координатах. Точнее сказать не двигатель, а двигатели, исходя из того, что в беспилотных летательных аппаратах их более двух. Это необходимо для более точного, плавного и информативного управления беспилотным летательным аппаратом.
В данной статье будет рассмотрено моделирование двигателя постоянного тока для беспилотного летательного аппарата, а именно – рассмотрение распространения индукции в данном двигателе постоянного тока. Это необходимо для того, чтобы знать, как поведет себя двигатель при определенных условиях. Данное моделирование поможет при подборе электродвигателя для беспилотного летательного аппарата, так как нужно учитывать много нюансов, а не только его вес, мощность и габариты [2].
Данное моделирование будет проводиться в программном обеспечении ELCUT. Это компьютерная программа для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов. Компьютерное моделирование и численный анализ в промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных натурных испытаний, ускоряет, дополняет и иллюстрирует процесс проектирования и разработки, способствует развитию инженерной интуиции.
Для начала рассмотри виды электродвигателей, выбираемых для беспилотных летательных аппаратов. Два вида двигателей - это две разных реализации. Главное отличие – расположение обмотки (Рисунок 1) [4].
Рисунок 1. Реализация двигателей. Статор – неподвижная (static) часть двигателя. Ротор – вращающаяся (rotation) часть.
Коллекторные двигатели.
Данный вид двигателей обладает щеточно-коллекторным узлом. Коллектор - это набор контактов (обмоток), расположенных на роторе, и щётка – скользящий контакт, расположенный на статоре. Как раз наличие этой щётки и убавляет ресурс коллекторного мотора (Рисунок 2), ибо создаёт трение. Двигатель начинает вращаться при подаче на него постоянного тока, а направление вращения зависит от полярности оного. Плавно разгоняются и замедляются [1].
Рисунок 2. Коллекторный двигатель
Преимущества:
- Маленький вес и размер;
- Низкая стоимость;
- Прост в ремонте;
Недостатки:
- Низкий КПД;
- Низкая скорость вращения;
- Перегрев;
- Быстрый износ.
Бесколлекторные двигатели (бесщёточного типа).
Данный вид двигателя состоит из ротора с постоянными магнитами и статора, с обмотками (Рисунок 3). Изменение направления вращения осуществляется изменением полярности (Нужно поменять два провода из трёх). Разгон и замедление происходят очень быстро (рывком). Имеют разное количество полюсов. Чем их больше, тем медленнее, но с большим усилием, вращается ротор.
Рисунок 3. Бесколлекторный двигатель
Преимущества:
- Высокая скорость вращения;
- Износостойкость;
- Защищённость от внешних воздействий;
Недостатки:
- Стоимость;
- Сложный ремонт.
Стоит отметить, что устройство данного двигателя бесколлекторного типа может отличаться.
Существует два основных типа:
- Inrunner – Стандарт. Ротор с постоянными магнитами вращается в статоре с обмотками.
- Outrunner – Нестандарт. Здесь ротором выступает корпус, который вращается вокруг статора с обмотками.
Теория электромагнитного поля.
Электромагнитное поле − это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое поле и магнитное поле.
Задачи расчета электромагнитного поля в электротехнических устройствах могут быть классифицированы следующим образом:
Электромагнитное поле:
− Электростатика;
− Квазиэлектростатическое приближение;
− Магнитостатика;
− Квазимагнитостатическое приближение;
− Стационарное электрическое поле постоянного тока;
− Квазистационарное электромагнитное поле;
− Быстроменяющееся электромагнитное поле;
− Волновые процессы.
Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, описываются системой дифференциальных уравнений Максвелла:
∇×H=J+∂D/∂t, (1)
∇×E=−∂B/∂t, (2)
∇·D=ρ, (3)
∇·B=0, (4)
где:
ρ − объёмная плотность стороннего электрического заряда (в единицах СИ — Кл/м³);
J − плотность электрического тока (плотность тока проводимости, А/м²);
E − напряжённость электрического поля (В/м);
H − напряжённость магнитного поля (А/м);
D − электрическая индукция (Кл/м²);
B − магнитная индукция (Тл);
∇ − дифференциальный оператор набла.
Моделирование двигателя постоянного тока в ELCUT.
Для моделирования в данной программе был выбран наиболее распространённый вид электродвигателей для беспилотных летательных аппаратов − двигатель постоянного тока бесколлекторного типа.
Геометрия данного двигателя представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. Геометрия двигателя
Зададим параметры для моделирования.
Модели двигателя постоянного тока с постоянными магнитами сделаны для:
- 7 значений толщин стального ярма s: 1...8 мм,
- 3 значений плотности тока j.
Решение задачи в пакете ELCUT.
Вычисления проводятся для исследования зависимости механического момента (на 1 м длины) в зависимости от толщины ярма и плотности тока (а также других характеристик материала). Можно наблюдать эффект насыщения для механического момента с ростом толщины ярма и деформацию линий магнитной индукции с ростом плотности тока (Рисунок 5). Эти данные могут быть полезны при проектировании двигателя. Также смоделирована температурная задача (Рисунок 6) [3].
Рисунок 5. Решение задачи моделирования (Индукция)
Ниже представлены зависимости решенной задачи.
Зависимость электромагнитного момента от плотности тока J:
|
J, А/мм2 |
1 |
3 |
5 |
7 |
|
M, Н·м |
3,4 |
10,1 |
16,6 |
22,7 |
Зависимость электромагнитного момента от толщины ярма s:
|
s, мм |
1 |
2 |
3 |
4 |
5,1 |
6,3 |
7,4 |
8,6 |
9,8 |
|
M, Н·м |
2.6 |
4.8 |
6.8 |
8.6 |
10.1 |
11.0 |
11.4 |
11.5 |
11.5 |
Рисунок 6. Решение задачи (Температура)
В ходе данной работы было проведено изучение процесса эффекта насыщения для механического момента с ростом толщины ярма и деформацию линий магнитной индукции с ростом плотности тока. Также был смоделирован тепловой нагрев в статоре и роторе электродвигателя. Данное моделирование осуществлялось в пакете ELCUT. Такое моделирование двигателя постоянного тока помогает при его выборе на беспилотный летательный аппарат, а также при его разработке.
Список литературы:
- БПЛА. Беспилотники и моторы для них [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vesservice.com/products/avtomobilnye-vesy/105/, свободный. – (Дата обращения: 04.09.2019).
- Квадрокоптер – наше все. Оборудование [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://parktronika.com/oborudovanie.htm, свободный. – (Дата обращения: 03.09.2019).
- ООО «Тримет». Нагрев двигателя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://trimet.ru/services/weighing/, свободный. – (Дата обращения: 05.09.2019).
- Статор и что это такое. Методы и средства изучения двигателей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sensorse.com/page100.html, свободный. – (Дата обращения: 03.09.2019).
дипломов
Оставить комментарий