около Дэн Джонс, директор инженерного подразделения Dynetic Systems, Inc. Элк-Ривер, Миннесота.

Когда готовые двигатели не соответствуют техническим требованиям, вам, возможно, придется делать их на заказ, но это уже не так плохо, как раньше.

Система управления двигателями и авионика беспилотного летательного аппарата объединились с “X-box”, миниатюрными устройствами управления двигателями и графическими дисплеями для создания самолета нового поколения, получившего название Беспилотного летательного аппарата или БПЛА. Такие летательные аппараты, как Predator, Reaper, Shadow и Mexican-S4, в настоящее время выполняют стратегически важные разведывательные функции.

Разработка двигателя на заказ может быть дорогостоящим мероприятием, и большинство из нас стараются избегать этого. Но иногда стоимость должна быть второстепенным фактором, особенно когда серийный двигатель не может быть изготовлен в соответствии с определенными жесткими требованиями, такими как военные стандарты AS9100. Это примерно соответствует более известным отраслевым стандартам ISO 9000, в которых оба документа требуют строгого контроля и системы обеспечения качества.

Одним из конкретных примеров конструкции является электрический двигатель топливного насоса, разработанный для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), таких как Predator, Reaper, Shadow и Mexican-S4. Ни один серийный двигатель не выдержит сложных условий, необходимых для применения в беспилотных летательных аппаратах, поэтому пришлось разрабатывать специальный двигатель. Что сделало работу по проектированию этого небольшого двигателя особенно сложной, так это обеспечение требуемого крутящего момента в определенном температурном диапазоне при необычно малом весе двигателя. Среди других препятствий были сжатый график, возможность поддерживать надежную связь с конкретным производителем насоса, согласовать двигатель с приводом и использовать некоторый опыт работы со стороны производителя двигателя, который был необходим для безупречного сопряжения компонентов двигателя, насоса и привода.

Подробные требования к конструкции компонентов содержатся в военной рабочей спецификации DO 160, которая охватывает многочисленные электрические, механические и экологические требования, которые должны быть соблюдены. Например, сам топливный насос обеспечивает постоянное рабочее давление 40 фунтов на квадратный дюйм при любых условиях окружающей среды, а приводящий его в действие бесщеточный двигатель PM должен работать на высоте от уровня моря до 60 000 футов при температуре окружающей среды в диапазоне от -65°F до +165°F. Цель состояла в том, чтобы обеспечить
компактный корпус, обеспечивающий номинальный крутящий момент в 25 унций-дюйм. при номинальной частоте вращения 7450 об/мин и максимальной эффективности двигателя в этой рабочей точке. И все это достигается благодаря бесщеточному двигателю PM и приводу весом не более 3 фунтов.

Конструкция двигателя

Небольшой вес двигателя в значительной степени диктовал необходимость выбора высокоэнергетического магнита из неодима, железа и бора, который мог бы одновременно поддерживать заданный крутящий момент в диапазоне температур. Такие характеристики компонентов для военных обычно выходят за рамки дизайна. Основным критерием здесь было поддержание плотности потока мягкого железа в статоре на уровне ниже 17 кгс.

Для соединения с ротором на неодимовых магнитах была разработана специальная обмотка статора. Хотя это была работа по индивидуальному проектированию, для создания совершенно новой геометрии ламинирования статора было недостаточно времени, поэтому был выбран существующий статор. Для получения максимальной площади пазов обмотки статора при максимальном объеме меди была выбрана “Т-образная” ламинация статора. Обмотка статора, которую можно использовать с зубцами Т-образной ламинации, представляет собой обмотку с частичным шагом, которая оборачивается непосредственно вокруг каждого слоя. Это максимально короткая средняя длина медного витка, которая позволяет свести к минимуму фазное сопротивление и развить более чем достаточный крутящий момент двигателя.

Как и во многих других новых приложениях, в ходе реализации программы заказчик увеличил требования к номинальному крутящему моменту и сохранил первоначальные требования к номинальной частоте вращения. Это новое требование увеличило выходную мощность двигателя на 56%, но двигатель смог выполнить новые требования без изменения диапазона. Разработка базовой конструкции двигателя и характеристик привода была завершена в течение 3 с половиной недель.

Первоначальной механической конфигурацией был бесщеточный двигатель PM 23 небольшого размера, длина которого составляла всего 5,8 дюйма, включая привод. Меньшая длина была необходима для удовлетворения жестких требований к малому весу. Однако наружный диаметр двигателя был увеличен, чтобы вместить прочный взрывозащищенный корпус, который необходим для применения в этом беспилотном летательном аппарате. Наконец, для решения важных задач беспилотного летательного аппарата двигатель топливного насоса должен был быть герметичным. На разработку и изготовление прототипа, а также первоначальные испытания двигателя ушло три месяца.

В настоящее время этот двигатель проходит официальные приемо-сдаточные испытания, а затем будет запущен в эксплуатацию. С момента начала проекта до поставки прототипа прошло около 15 недель.

Использование инструментов для проектирования двигателей

Эффективная, но сравнительно дорогая программа для анализа конструкции магнитов, которая использовалась в этом проекте, называется SPEED. Она была разработана исследовательской лабораторией Университета Глазго при кафедре электроники и электротехники в Великобритании. В нем содержится множество уровней анализа конструкции, и в среднем он ежегодно обновляется новыми функциями для улучшения его возможностей и упрощения использования. Специально выбранная программа проектирования бесщеточных электродвигателей PM называлась PC-BDC. Он чрезвычайно быстр и предоставляет исчерпывающие данные, но не заменяет инженера-конструктора. В PC-BDC указано только, что могут быть достигнуты номинальные рабочие параметры. Следующим шагом было начать оценку влияния условий окружающей среды на общую производительность двигателя. Тепловые характеристики любого двигателя являются ограничивающим фактором для работы в целом. Для оценки влияния условий окружающей среды и повышения температуры двигателя на работу двигателя можно использовать программу проектирования PC-BDC. Типичная процедура с использованием этой программы заключается в следующем:

• Требования к проверке
• Выберите материал постоянного магнита для ротора.
• Выберите материал из мягкого железа для ламинирования статора. Программа SPEED содержит библиотеку характеристик магнитов и материалов из мягкого железа.
• Сопоставьте механические параметры, вводимые в программу (размер, объем, вес).
• Исходя из опыта или имеющегося оборудования для статора, выберите количество полюсов ротора и пазов статора
• Используя программу, приведите требования к крутящему моменту и частоте вращения в соответствие с электрическими входами и измените внутреннюю геометрию двигателя по мере необходимости.
• Выберите схему намотки и оптимизируйте витки, размер провода и заполнение пазов обмотки статора.
• Проверьте правильность выходных данных программы.
• Выполните итерацию. Запустите другие решения, изменяющие определенные параметры для оптимизации, такие как:
1. Добавьте и уберите виток намотки
2. Измените воздушный зазор между ротором и статором
3. Измените толщину магнита
4. Проверьте тепловые характеристики и влияние на работу двигателя
5. Проверьте влияние на допуск, напряжение, ток и так далее
6. Проверьте соответствие решений программы требованиям заказчика и выберите наиболее подходящий вариант
• Повторно проверьте соответствие решения требованиям

Результаты работы программы SPEED дают разработчикам четкое представление о траекториях потока и геометрии статора и ротора хорошо спроектированного двигателя, что было достигнуто только после серии итераций. Цель здесь состояла в том, чтобы сохранить плотность потока мягкого железа в статоре ниже 17 кгс.

Помимо повышения быстродействия, в качестве инструмента механического проектирования использовался SolidWorks. 3D-модель особенно полезна производителям насосов. Она позволяет обеспечить соответствие двигателя выбранным размерам. Он также генерирует физические сборки двигателя в 3D, а затем извлекает компоненты в традиционном формате 2D-чертежей. Схема двигателя и общие чертежи сборки предоставляются заказчику для ознакомления.

Привод

Для этого применения выбран тип электронного привода — привод без датчика напряжения. Сигнал обратной ЭДС двигателя синхронизирует переключение фаз двигателя относительно положения вала. Этот конкретный привод уже зарекомендовал себя во многих областях применения с регулируемой и постоянной скоростью вращения, что дает ему высокую степень уверенности в успехе. Обычно регулирование скорости составляет 3% в широком диапазоне скоростей, но привод также точно управляет двигателем на одной скорости в широком диапазоне нагрузок.

К дополнительным основным требованиям, предъявляемым к эксплуатации, относятся функции плавного пуска и ограничения тока. Привод ограничивает пусковой ток двигателя до уровня менее 38 А. Привод крепится к двигателю шарнирно и имеет длину в осевом направлении менее 1,3 дюйма. Размещение выводов на задней панели двигателей имеет ряд преимуществ, в том числе короткие соединения электродвигателя с приводом, которые значительно снижают уровень радиочастотных помех. А поскольку от бесщеточного электродвигателя PM отходят только два вывода, он выглядит как простой щеточный двигатель постоянного тока.

Динамические системы
www.dynetic.com

СКОРОСТНОЕ программное обеспечение
Свяжитесь с корпорацией Magsoft Corp.,
Боллстон, Нью-Йорк:
www.magsoft-flux.com