В последнее время многочисленные проблемы и задачи стали возлагаться с пилотируемой авиации на «плечи» беспилотной авиации. Основные положительные моменты такого рода авиации это: невысокая стоимость и сравнительно малый вес, а также возможность дистанционно управлять беспилотным летательным аппаратом. Одним из основных элементов летательного аппарата считается его силовая установка. В качестве силовой установки в беспилотных летательных аппаратах широкое применение нашли двигатели внутреннего сгорания либо электрические двигатели [1].
Электрический двигатель – это такая электрическая машина (электромеханический преобразователь), который преобразовывает электрическую энергию в механическую. А двигатель внутреннего сгорания – это такого рода двигатель, где сгорание топлива происходит непосредственно внутри рабочей камеры, преобразуя тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу. В двигателях внутреннего сгорания подобных размеров и объемов применяют в качестве топливного горючего метиловый спирт, что в свою очередь приводит к последующим недостаткам, таким как низкое качество надежности и недолгий ресурс двигателя, трудности запуска. В связи с этим в качестве силовых установок наибольшее применение и признание получили установки, выполненные с применением электрических двигателей [1–3].
Высокие эксплуатационные характеристики электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов делают их наиболее перспективными электрическими машинами для использования их в качестве силовой установки для беспилотных летательных аппаратов. Конструкция таких двигателей проста, надежна, кроме того, данные электродвигатели имеют довольно жесткую механическую характеристику и не требуют дополнительных затрат энергии в обмотке возбуждения [4–7].
В рамках современной стратегии развития России, связанной с внедрением в производство передовых технологий, импортозамещением, энерго- и ресурсосбережением, развитием средств комплексной автоматизации производства – научно-исследовательским институтам и организациям Российской Федерации необходимо срочно активизировать деятельность по становлению рынка разработки и производства электрических машин на основе высокоинтеллектуальных систем управления.
Таким образом, исследования по разработке силовых приводов для беспилотных летательных аппаратов актуальны и требуют новых решений по повышению эффективности используемых приводов.
Целью работы является обоснование применения электрического двигателя с постоянными магнитами в качестве силовой установки беспилотного летательного аппарата в преимуществе перед двигателями других типов.
Теория
Электродвигателем с возбуждением от постоянных магнитов называется такой электродвигатель постоянного тока (ДПТ), в основе принципа действия которого лежит взаимодействие поля постоянных магнитов на роторе и вращающегося магнитного поля обмотки статора.
В качестве постоянных магнитов используют огромное количество сталей, сплавов и их композиций, различие которых происходит по магнитным свойствам и по технологии производства. Постоянные магниты можно разделить на две группы: магниты, коэрцитивная сила которых по индукции много меньше (в 4–20 раз) отношения Br/µ0, и постоянные магниты, коэрцитивная сила которых по индукции приближается к этому отношению [8].
Такие особенности применения высококоэрцитивных постоянных магнитов в электрических машинах, как сложность регулирования напряжения традиционными способами при изменении нагрузки и частоты вращения, наличие жесткой зависимости скорости вращения от момента в сочетании с высокими массо-габаритными показателями, предопределили специфику подхода к выбору конструкции машин с редкоземельными магнитами [4].
Отличительная черта электродвигателей на постоянных магнитах от электродвигателей с традиционным электромагнитным возбуждением – это устройство их магнитных систем. Электродвигатель подобной конструкции еще иногда называют моментным, другими словами, он выдает высокие значения вращающего момента без использования редуктора, кроме того, данные электродвигатели выдерживают 20–50 кратные перегрузки на малых оборотах.
В настоящее время преобладают следующие исполнения магнитных систем электродвигателей с постоянными магнитами:
– кольцевое расположение магнитов;
– тангенциальное расположение магнитов;
– радиальное расположение магнитов.
Высококоэрцитивные магниты применяются не только в двигателях постоянного тока, но и в синхронных машинах.
Синхронный электродвигатель с высококоэрцитивными магнитами – это синхронный электродвигатель, у которого на роторе располагаются постоянные магниты.
Различные исследования показывают, что синхронный электродвигатель с высококоэрцитивными магнитами имеет больший КПД, чем высокоэффективный асинхронный электродвигатель, при одинаковых конструкциях статора и при условии использования одного и того же частотного преобразователя для управления [9, 10].
Конструкция синхронного электродвигателя с высококоэрцитивными магнитами представлена на рис. 1. В данном случае электрическая машина состоит из статора и ротора. Традиционно неподвижной частью является статор, подвижной или вращающейся частью – ротор. Магниты в данном случае расположены на роторе.
Рис. 1. Основные элементы конструкции электродвигателя с постоянными магнитами
В преобладающих случаях статор располагается снаружи, однако существует конструкция, когда статор расположен внутри – электродвигатели обращенного типа (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция электродвигателя с постоянными магнитами: справа – стандартная, слева – обращенная
Конструкция ротора синхронных электродвигателей позволяет разделить их на две группы:
1) к первой группе можно отнести электродвигатели, ротор которых имеет явно выраженные полюса;
2) ко второй группе относятся электродвигатели, которые не имеют выступающих полюсов на роторе, т.е. ротор – с неявно выраженными полюсами.
Кроме того, непосредственно магниты могут располагаться либо по поверхности ротора электродвигателя (рис. 3), либо могут быть встроенными в ротор (рис. 4).
Аналогично, конструкция статора синхронных электродвигателей позволяет разделить их на следующие группы в зависимости от типа обмотки:
– статор с распределенными обмотками полюсов (рис. 5);
– статор с сосредоточенными обмотками (рис. 6).
Редкоземельные магниты на роторе синхронного электродвигателя создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора [10]. Поэтому при подключении СДПМ напрямую к сети трехфазного тока он не может запуститься сам. Другими словами, для работы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами необходимы либо преобразователь частоты, либо сервопривод – система управления электродвигателем [5, 11–14]. В качестве такого рода автоматического преобразователя или системы регулирования электродвигателем используют, как правило, информационно-измерительный датчик углового перемещения в унифицированный электрический сигнал. При этом особое внимание уделяется условиям эксплуатации электропривода в целом – в агрессивной среде к датчикам могут предъявляться повышенные требования точности и надежности.
В последнее время наибольшее предпочтение в различных системах отдают преобразователям углового перемещения с электрической редукцией. Среди них большое распространение получили индукционные редуктосины, позволяющие определять угол с высокой точностью.
С развитием полупроводниковой элементной базы и микропроцессорной техники актуальными являются задачи разработки управляющих алгоритмов обработки информации с информационно-измерительных датчиков для определения текущего положения ротора и частоты вращения электродвигателя [5, 13].
Таким образом, указанные факторы хотя и создают определенные сложности на пути внедрения электропривода с постоянными магнитами в различных областях народного хозяйства, но при этом электродвигатели данной конструкции, несмотря ни на что являются наиболее перспективными для применения, в том числе и в качестве силовой установки для беспилотного летательного аппарата.
В то же время электродвигатели коллекторного типа имеют ряд недостатков, вызванные наличием щеточно-коллекторного узла, который может снижать надежность и срок службы электропривода в целом. Кроме этого, данный узел может быть источником пыли и создавать акустические радиопомехи. Применение данных электродвигателей такого рода затруднено при высоких температурах и влажности, также во взрывоопасной среде. Именно поэтому растет интерес к бесколлекторным двигателям на постоянных магнитах, называемых также вентильные двигатели.
Вентильные электродвигатели применяются в устройствах бытовой техники, в электроприводах рулевых механизмах летательных аппаратов, также электродвигатели с постоянными магнитами нашли широкое применение в автомобилестроении (элементы стеклоподъемников и электромеханических усилителей руля, стартер-генераторы и др.). Кроме того, в различного рода электромобилях, инвалидных колясках и электровелосипедах также используются электродвигатели с постоянными магнитами.
Удешевление редкоземельных магнитных материалов, а также постоянное интенсивное развитие микропроцессорной элементной базы для блоков управления создают возможность применения электродвигателей с постоянными магнитами в качестве силовой установки для беспилотных летательных аппаратов, где традиционно применялись другие типы двигателей.
Рис. 3. Ротор электродвигателя c установкой магнитов на поверхности
Рис. 4. Ротор электродвигателя со встроенными магнитами
Рис. 5. Внешний вид распределенной обмотки статора
Рис. 6. Внешний вид сосредоточенной обмотки статора
Заключение
По итогам проведенного анализа выявлено, что наиболее перспективным направлением научного исследования является использование электродвигателей на постоянных магнитах в различных отраслях народного хозяйства, в том числе для применения в составе силовой установки беспилотного летательного аппарата. При этом существует необходимость развития все более новых технологий, позволяющих существенно улучшить параметры вентильных электродвигателей без увеличения цены.
Данные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (договор № 14.Z56.16.5570-МК).