Введение 6
1 Анализ предметной области 9
1.1 Обзор существующих электромеханических исполнительных органов
системы ориентации космического аппарата 9
1.2 Принцип действия электромеханического исполнительного органа с
пассивной опорой на постоянных магнитах 14
1.3 Выбор среды моделирования 19
1.4 Выводы к главе 1 24
2 Моделирование магнитной опоры электромеханического исполнительного
органа в среде ANSYS Maxwell 25
2.1 Принятые допущения 25
2.2 Построение модели магнитной опоры электромеханического
исполнительного органа в среде ANSYS Maxwell 25
2.3 Расчеты проводимые ANSYS Maxwell 32
2.4 Результаты математического моделирования магнитных процессов в
опоре электромеханического исполнительного органа в среде ANSYS Maxwell 33
2.5 Выводы к главе 2 40
3. Постановка полнофакторного эксперимента над моделью магнитной опоры в среде ANSYS MAXWELL 41
3.1 Обоснование применения полнофакторного эксперимента 41
3.2 Планирование полнофакторного эксперимента 41
3.2.1 Выбор параметров оптимизации 41
3.2.2 Выбор факторов и уровней 42
3.3 Проведение полнофакторного эксперимента 43
3.3.1 Проверка воспроизводимости результатов эксперимента 43
3.3.2 Расчет однородности магнитного поля 54
3.3.3 Построение математической модели в явном виде с расчетом
коэффициентов уравнения регрессии 63
3.4 Выводы к главе 3 83
Заключение 84
Список сокращений 86
Список использованных источников 87
Приложение А 91
Система ориентации и стабилизации (СОС) современных космических аппаратов (КА) является сложной системой, в которую входят чувствительные элементы, определяющие с высокой точностью положение КА в пространстве, исполнительные органы, изменяющие пространственное положение КА, и система управления, которая обеспечивает обработку поступающей от чувствительных элементов информации и выдачу управляющих сигналов на исполнительные органы (ИО). В качестве исполнительных органов КА, применяются малогабаритные реактивные двигатели, электромеханические исполнительные органы (ЭМИО), к которым относятся двигатели-маховики, силовые гироскопические устройства и моментный магнитопровод.
В настоящее время в системах ориентации и стабилизации (СОС) КА широкое применение нашли ЭМИО. Преимуществами данного типа исполнительных органов КА являются: отсутствие расхода рабочего тела, используемого при ориентации КА посредством реактивных двигателей, и более высокая точность ориентации КА по сравнению с ориентацией посредством моментного магнитопровода. Наиболее характерным ЭМИО является исполнительный орган, выполненный на основе вращающегося осесимметричного тела (ротора). Подобные исполнительные органы называют двигателями-маховиками, силовыми гироскопами, гироскопическими стабилизаторами КА [1-3].
Актуальность работы.
В настоящее время в космической отрасли наблюдаются четко выраженная тенденция роста срока активного существования космических аппаратов. Срок активного существования (САС) космического аппарата может быть увеличен за счет повышения эксплуатационных характеристик комплектующих изделий и узлов космического аппарата, в том числе и ЭМИО.
Срок функционирования электромеханического исполнительного органа может быть увеличен за счет резервирования или повышения надежности критичных узлов. Резервирование позволяет решить задачу повышения надежности электромеханического исполнительного органа космического аппарата, но существенно удорожает его стоимость и массу, что при выведении космического аппарата на околоземную орбиту ведет к увеличению стоимости выведения [4-7].
В ЭМИО уязвимым узлом является опора, которая преимущественно выполняется на шарикоподшипниках. Газовые и магнитные опоры не получили широкого распространения. Наиболее перспективной является пассивная опора на постоянных магнитах, которая отличается относительной простотой, высокой несущей способностью и отсутствием энергопотребления.
Основным препятствием ну пути внедрения опоры на постоянных магнитах в космической технике и приборостроения в целом стоит вопрос о возможности физической реализации данного устройства с подходящими характеристиками.
Поскольку взаимодействие магнитных полей в опоре является труднопрогнозируемым, то применение специализированных программ (САПР) позволит создать адекватную модель для оценки работоспособности и выявления конструктивных недостатков.
Цель работы: проверка возможности реализации магнитной опоры электромеханического исполнительного органа системы ориентации космического аппарата на базе постоянных магнитов на примере ее модели.
Задачи:
1 Анализ предметной области, обзор существующих ЭМИО и выявление конструктивных недостатков. Представление перспективного решения магнитной опоры ЭМИО СОС КА.
2 Обзор САПР для выбора среды моделирования и построения адекватной модели экспериментальной магнитной опоры ЭМИО СОС КА.
3 Создание математической модели экспериментальной магнитной опоры ЭМИО СОС КА на базе постоянных магнитов в САПР.
4 Определение показателей качества и факторов, влияющих на устойчивость магнитной опоры ЭМИО.
5 Количественная оценка основных показателей качества на основе модели, созданной в среде Ansys Maxwell.
6 Вычислительный эксперимент для проверки устойчивости магнитной опоры.
7 Экспериментальное подтверждение воздействия факторов на показатели качества, выявление характера этого влияния.
Объект исследования: магнитная опора электромеханического исполнительного органа системы ориентации космического аппарата на базе постоянных магнитов
Предмет исследования: устойчивость опоры на постоянных магнитах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке и изучении математической модели экспериментальной установки магнитной опоры ЭМИО СОС КА на базе постоянных магнитов в среде Ansys Maxwell, что позволит спроектировать штатные и опытные образцы электромеханических исполнительных органов без проведения многочисленных затратных и сложных экспериментов.
Практическая значимость Применение схемных и конструктивных решений имитационной экспериментальной модели позволят подтвердить реализуемость магнитной опоры, а также позволит осуществлять оперативную доработку и модификацию конструкции опоры ЭМИО в зависимости от конструктивного исполнения ЭМИО и условий эксплуатации КА.
Объем работы:
1 Рассмотрены общие сведения об ЭМИО и выявлено перспективное направление в развитии ЭМИО на пассивной магнитной опоре. Сделано описание объекта и предмета исследования.
2 Был представлен перечень современных аналогов САПР и выбрана среда моделирования ANSYS Maxwell за ее выгодное отличие в части расчетов и дополнительных возможностей.
3 В среде ANSYS Maxwell было выполнено построение элементов магнитной опоры и контрольных плоскостей с заданием свойств материалов. Осуществлена проверка и просчет созданной модели с последующим построением картины распределения магнитной индукции внутри тела опоры и вычислением силы магнитного поля в зазоре.
4 Произведен ряд опытов над моделью магнитного подвеса созданной в среде Ansys с целью получения уравнений регрессии и интерпретация их с точки зрения влияния факторов на показатели качества.
Принятые допущения при создании модели магнитной опоры в программе ANSYS Maxwell металлы конструкции имеют идеальную однородную структуру вещества, средой моделирования принимается вакуум, а также некоторые конструктивные упрощения.
В магистерской работе были рассмотрены основные разновидности исполнения ЭМИО СОС КА на базе гиродинов, маховиков и гиростабилизаторов а также их отличия в части принципа действия. Выявлено перспективное направление развития СОС КА основанное на применении ЭМИО с пассивной опорой на постоянных магнитах.
Для прогнозирования рабочих характеристик опоры и анализа магнитных полей в 3D пространстве с применением специализированных программ (САПР) для численного моделирования процессов была выбрана система автоматического инженерного анализа (CAE - Computer Aids Engineering) - Ansys Maxwell.
В среде конечного элементного моделирования Ansys была разработана модель опоры ЭМИО на постоянных магнитах, описывающая геометрию статора, ротора и дополнительных контрольных поверхностей с заданными материалами и граничными условиями.
На основании математической модели силы магнитного поля в коническом зазоре опоры показателями качества были выбраны магнитная индукция В (Тл) и однородность магнитного поля (%). В качестве факторов, влияющих на объект исследования приняты: коэрцитивная сила магнита (А/м), размер зазора (мм) и объемная проводимость магнитопровода (См/м).
По итогам проведения первого эксперимента было получено подтверждение о воспроизводимости результатов в отношении обоих показателей качества. Построены уравнения регрессии по данных ПФЭ, на основе которых была произведена интерпретация результатов и выявлено, что наибольшее положительное влияние на силу магнитного поля оказывает тип магнита, меньшее метал магнитопровода. На второй исследуемый параметр - однородность поля наибольшее положительное влияние имеет величина зазора, незначительное отрицательное влияние - метал магнитопровода. Отсутствие влияния типа магнита свидетельствует, что независимо от выбора сплава постоянного магнита достигается равномерное распределение магнитного поля внутри зазора, подтверждая тем самым оптимальную конструктивную разработку опоры ЭМИО.
По результатам расчета в программе Ansys Maxwell были построены картины распределения магнитной индукции внутри тела опоры на контрольных плоскостях и пути замыкания результирующего магнитного потока для наглядной демонстрации равномерного поля в зазоре. Произведена количественная оценка сил тяжения и отталкивания в зазоре, которая соответствует 116Н, что достаточная для поддержания ротора в рабочем положении.
Т.о. для улучшения устойчивости магнитной опоры ЭМИО следует увеличивать зазор между ротором и статором до оптимально значения, с целью повышения радиальной нагрузочной способности опоры целесообразно выбирать магнит с наибольшей коэрцитивной силой.
На основании вышеизложенного следует сделать вывод, что создание магнитной опоры ЭМИО КА на базе постоянных магнитов в данном конструктивном исполнении возможно.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
