Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 751-754

ВВЕДЕНИЕ

Гистерезисное электромеханическое преобразование энергии с помощью преобразователей, работающих как гистерезисные электродвигатели, традиционно применяется в гироскопии, системах автоматики и управления, смежных с ними и других наукоёмких отраслях [1, 2], в которых используются электроприводы с миниатюрными электродвигателями. В настоящее время сфера использования миниатюрных электродвигателей расширяется и, в перспективе, эта тенденция будет только усиливаться. Кроме этого, все большую актуальность и распространение приобретают сверхминиатюрные электродвигатели для применений в медицине, прецизионных приборах и др.

Японское аэрокосмическое агентство, компания ShinMaywa Industries, университеты Ibaraki и Shizuoka разработали миниатюрный и высокопроизводительный электродвигатель массой 25 грамм [3, 4]. Его максимальная мощность достигает 50 Вт, а КПД 80% и выше при разных частотах вращения и широком диапазоне изменения мощности. Как отмечают разработчики, на частоте вращения 15 000 об./мин КПД электродвигателя достигает 85%, при этом выработка тепла очень незначительна.

Предполагается, что электроприводы с подобными миниатюрными электродвигателями найдут применение в космических исследованиях, проводимых Японией. В частности, на поверхности Луны, где нет атмосферы, и на поверхности Марса, где атмосфера сильно разряжена, существует проблема рассеивания тепла от работающего электродвигателя, поэтому высокопроизводительный электродвигатель, который незначительно нагревается при работе, будет очень востребован для подобных использований.

Сверхминиатюрные электродвигатели используются в медицине, в частности, в различных зондах. Размеры сверхминиатюрных электродвигателей могут быть как у стандартных медикаментозных средств в виде таблетки и меньшими. Сверхминиатюрные электродвигатели легко вводятся в организм в составе миниатюрного медицинского зонда, например, с целью анализа желудочного сока пациента. Электропривод со сверхминиатюрным электродвигателем обеспечивает продвижение зонда по желудку и даже по кишкам. Сверхминиатюрный электродвигатель может перемещать камеру для обследования стенок желудка и кишечника с помощью телеустановки.

Наличие значительного количества вспомогательных элементов существенно снижает надежность и энергетические показатели электроприводов со сверхминиатюрными электродвигателями, усложняет их конструкционное выполнение. Это особенно актуально в связи с тем, что прецизионные электроприводы со сверхминиатюрными электродвигателями для приборов, характеризующиеся малыми габаритами, уже используются с диаметрами корпуса 3 мм. Происходит ужесточение требований к качеству изготовления, сроку службы, безотказности и энергопотреблению [3].

ОПИСАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Цель работы состояла в создании научной базы для совершенствования гистерезисного электромеханического преобразования энергии и управления им, а также для обеспечения перспективных разработок миниатюрных и сверхминиатюрных гистерезисных электродвигателей и электроприводов.

Рис. 1.

Структурная схема вторичного источника электропитания всех систем гироблока: ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема, БИН – блок импульсного намагничивания ротора электродвигателя гиродвигателя, МП – мостовая транзисторная схема для электропитания электродвигателя.

В качестве базового варианта для исследования был выбран управляемый гистерезисный электропривод прецизионной мехатронной системы – гироскопической системы для использования на космическом спутнике, в частности, при измерениях вектора угловой скорости для ориентации спутника.

Рассматривалась реализация предложений по совершенствованию математических моделей [5‒7] и методик расчета применительно к исследованию и проектированию миниатюрных и сверхминиатюрных гистерезисных электродвигателей и электроприводов. Исследовался учет влияния полей рассеяния от других элементов системы на характеристики приводного гистерезисного электродвигателя. Анализировались и побочные влияния магнитных полей рассеяния на элементы прецизионной системы.

Структурная схема гистерезисного электропривода, в частности, используемого на борту космического спутника, очень проста и не содержит обратных связей, что особо важно для миниатюрных и сверхминиатюрных электроприводов (рис. 1). Элементы схемы: сеть; вторичный источник электропитания (ВИП); блок импульсного намагничивания (БИН); гистерезисный электродвигатель; технологический механизм, например, маховик.

Анализировались процессы работы и управления гистерезисного электродвигателя для электропривода гироскопа с поплавковым подвесом ротора, устанавливаемого, в частности, в гироскопические измерители вектора угловой скорости для ориентации спутника в пространстве. Исследовались вопросы разработки и исследования нового ряда гиродвигателей – гистерезисных электродвигателей с меньшими габаритами, с повышенной частотой вращения, с использованием в перспективе для производства деталей новых материалов.

В гироскопической системе на космическом спутнике бортовая сеть поставляет электрическую энергию постоянного тока напряжением 27 В, получаемую от солнечной батареи спутника на вторичный источник электропитания. Этот источник служит для электропитания всех систем гироблока, включая гиродвигатель, датчики углов и др. С вторичным источником объединяется блок импульсного намагничивания (БИН) (рис. 1).

Рис. 2.

Форма междуфазных электрических напряжений при выработке трeхфазного напряжения в форме квазисинуса с импульсами для намагничивания ротора электродвигателя гиродвигателя.

Этот блок вырабатывает импульсы тока (напряжения), которые подаются по электрической цепи статора приводного гистерезисного электродвигателя и обеспечивают управление электродвигателем путем подмагничивания и намагничивания его ротора. Форма междуфазных электрических напряжений представлена на рис. 2. Гироскопический электродвигатель это гистерезисный электромеханический преобразователь энергии нормального исполнения (рис. 3 ), ротор которого вращается на двух сферических газодинамических опорах. Гироблок с гистерезисным гиродвигателем конструкционно в целом на порядок сложнее и тем не менее он компактно размещается в малых габаритах.

Рис. 3.

Схема конструкционного исполнения гиродвигателя с гистерезисным электродвигателем: 1 – статор, 2 – ротор, 3 – активная часть или гистерезисный слой ротора, 4 – сферические газодинамические опоры, 5 – маховики.

Таким образом, разработки и исследования гистерезисного электромеханического преобразования энергии в гироскопическом электродвигателе, являющемся ключевым элементом базового ряда электродвигателей, предназначенных для применения в составе класса поплавковых гироблоков, показывают эффективность применения полученных результатов для миниатюрных электродвигателей и электроприводов.

Перспективы использования полученных результатов обусловлены направлениями исследований ведущих профильных организаций, а также интенсивным межотраслевым переносом электромеханических гироскопических технологий, происходящим в рамках создания продукции двойного назначения. В соответствии с этим переносом технологий гистерезисные электроприводы эффективны для применения в новых сферах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время сфера использования миниатюрных электродвигателей расширяется и, в перспективе, эта тенденция будет только усиливаться. Кроме этого, все большую актуальность и распространение приобретают сверхминиатюрные электродвигатели для различных применений в медицине, биофизических и биохимических технологиях. Электроприводы с подобными миниатюрными электродвигателями также актуальны для увеличения продолжительности работы беспилотных летательных аппаратов, в робототехнике, в точных измерительных приборах, для которых недопустимо колебание температур в процессе их длительной работы. Проявляется тенденция к изготовлению всe большего количества деталей, компонентов и элементов миниатюрных электроприводов и электродвигателей на 3D-принтерах, стремление к 100%-процентному изготовлению на 3D-принтерах.

Существенным недостатком используемых сверхминиатюрных электродвигателей: коллекторных, бесколлекторных постоянного тока, шаговых – является наличие ряда вспомогательных элементов в составе электропривода: мотор-редукторов, в частности, цилиндрических, планетарных, волновых, оптических и магнитных датчиков абсолютного и относительного отсчета, электромагнитных тормозов, микроконтроллеров, блоков управляющей электроники. Наличие многих вспомогательных элементов резко снижает надежность и энергоэффективность электроприводов со сверхминиатюрными электродвигателями, усложняет их выполнение.

Гистерезисные электродвигатели имеют ряд преимуществ перед другими электродвигателями: конструкционную простоту, монолитность, механическую стабильность и прочность ротора. Его ротор может быть выполнен в виде одной детали с созданием методами термомагнитной обработки различных магнитных свойств в областях, соответствующих активной части, валу и переходной втулки между активной частью и валом. Ротор может быть объединeн с технологическим механизмом в единое целое с устранением, таким образом, механических передач и уменьшением числа элементов в системе и связей между ними. Гистерезисный электропривод прост по структуре, не имеет обратных связей и компактно встраивается в сложные внешние системы, что показывают разработки гироэлектродвигателей и гироблоков.

Методы и средства управления гистерезисным электродвигателем в составе электропривода просты в реализации и могут быть сведены к подаче управляющих импульсов непосредственно по цепям электропитания статора. Достоинства гистерезисных электродвигателей и электроприводов, подтверждeнные опытом их применения в гироскопии, системах автоматики и управления, позволяют успешно осуществлять их дальнейшую миниатюризацию с обеспечением высоких показателей, в первую очередь, надeжности, энергоэффективности, минимального числа элементов в системе.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ГФЕН Китая в рамках научного проекта № 19-58-53025 ГФЕН-а и № 18-58-53047 ГФЕН-а.