В последнее время многочисленныепроблемы и задачи стали возлагаться с пи-лотируемой авиации на «плечи» беспилот-ной авиации

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ В КАЧЕСТВЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В последнее время многочисленныепроблемы и задачи стали возлагаться с пи-лотируемой авиации на «плечи» беспилот-ной авиации. Основные положительныемоменты такого рода авиации это: невы-сокая стоимость и сравнительно малыйвес, а также возможность дистанционноуправлять беспилотным летательным ап-паратом. Одним из основных элементовлетательного аппарата считается его си-ловая установка. В качестве силовой уста-новки в беспилотных летательных аппара-тах широкое применение нашли двигателивнутреннего сгорания либо электрическиедвигатели [1].Электрический двигатель – это такая электрическая машина (электромехани-ческий преобразователь), который преоб-разовывает электрическую энергию в ме-ханическую. А двигатель внутреннегосгорания – это такого рода двигатель, где сго-рание топлива происходит непосредственновнутри рабочей камеры, преобразуя тепло-вую энергию от сгорания топлива в меха-ническую работу. В двигателях внутренне-го сгорания подобных размеров и объемовприменяют в качестве топливного горючегометиловый спирт, что в свою очередь при-водит к последующим недостаткам, такимкак низкое качество надежности и недолгийресурс двигателя, трудности запуска. В свя-зи с этим в качестве силовых установок наи-большее применение и признание получилиустановки, выполненные с применениемэлектрических двигателей [1–3].Высокие эксплуатационные характери-стики электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов делают их наиболее перспективными электрическими машина-ми для использования их в качестве силовой установки для беспилотных летательных аппаратов. Конструкция таких двигателей
проста, надежна, кроме того, данные элек-тродвигатели имеют довольно жесткую ме-ханическую характеристику и не требуют дополнительных затрат энергии в обмотке возбуждения [4–7].В рамках современной стратегии разви-тия России, связанной с внедрением в произ-водство передовых технологий, импортоза-мещением, энерго- и ресурсосбережением, развитием средств комплексной автомати-зации производства – научно-исследова-тельским институтам и организациям Рос-сийской Федерации необходимо срочно активизировать деятельность по становле-нию рынка разработки и производства элек-трических машин на основе высокоинтел-лектуальных систем управления.Таким образом, исследования по разра-ботке силовых приводов для беспилотных летательных аппаратов актуальны и требу-ют новых решений по повышению эффек-тивности используемых приводов.Целью работы является обоснованиеприменения электрического двигателя с по-стоянными магнитами в качестве силовой установки беспилотного летательного ап-парата в преимуществе перед двигателями других типов.ТеорияЭлектродвигателем 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 ис-пользуют огромное количество сталей, сплавов и их композиций, различие которых происходит по магнитным свойствам и по технологии производства. Постоянные маг-ниты можно разделить на две группы: маг-ниты, коэрцитивная сила которых по индук-ции 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 вы-сококоэрцитивных постоянных магнитов в электрических машинах, как сложность регулирования напряжения традицион-ными способами при изменении нагрузки и частоты вращения, наличие жесткой за-висимости скорости вращения от момента в сочетании с высокими массо-габаритны-ми показателями, предопределили специ-фику подхода к выбору конструкции машин с редкоземельными магнитами [4].Отличительная черта электродвигате-лей на постоянных магнитах от электро-двигателей с традиционным электромаг-нитным возбуждением – это устройство их магнитных систем. Электродвигатель по-добной 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 следу-ющие исполнения магнитных систем элек-тродвигателей с постоянными магнитами:– кольцевое расположение магнитов;– тангенциальное расположение магнитов;– радиальное расположение магнитов.Высококоэрцитивные магниты приме-няются не только в двигателях постоянного тока, но и в синхронных машинах.Синхронный электродвигатель с высо-кокоэрцитивными магнитами – это синхрон-ный электродвигатель, у которого на роторе располагаются постоянные магниты.Различные исследования показывают, что синхронный электродвигатель с вы-сококоэрцитивными магнитами имеет больший КПД, чем высокоэффективный асинхронный электродвигатель, при одина-ковых конструкциях статора и при условии использования одного и того же частотного преобразователя для управления [9, 10].Конструкция синхронного электродви-гателя с высококоэрцитивными магнитами представлена на рис. 1. В данном случае электрическая машина состоит из статора и ротора. Традиционно неподвижной ча-стью является статор, подвижной или вра-щающейся частью – ротор. Магниты в дан-ном случае расположены на роторе.

Рис. 1. Основные элементы конструкции электродвигателя с постоянными магнитамиВ преобладающих случаях статор рас-полагается снаружи, однако существуетконструкция, когда статор расположенвнутри – электродвигатели обращенноготипа (рис. 2).

INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED AND FUNDAMENTAL RESEARCH No 12, 2017230TECHNICAL SCIENCESРис. 2. Конструкция электродвигателя с постоянными магнитами: справа – стандартная, слева – обращеннаяКонструкция ротора синхронных элек-тродвигателей позволяет разделить их на две группы:1) к первой группе можно отнести элек-тродвигатели, ротор которых имеет явно выраженные полюса;2) ко второй группе относятся электро-двигатели, которые не имеют выступающих полюсов на роторе, т.е. ротор – с неявно вы-раженными полюсами.Кроме того, непосредственно магниты могут располагаться либо по поверхности ротора электродвигателя (рис. 3), либо мо-гут быть встроенными в ротор (рис. 4).Аналогично, конструкция статора син-хронных электродвигателей позволяет раз-делить их на следующие группы в зависи-мости от типа обмотки:– статор с распределенными обмотками полюсов (рис. 5);– статор с сосредоточенными обмотка-ми (рис. 6).Редкоземельные магниты на роторесинхронного электродвигателя создают по-стоянное магнитное поле. При синхроннойскорости вращения ротора с полем статораполюса ротора сцепляются с вращающим-ся магнитным полем статора [10]. Поэтомупри подключении СДПМ напрямую к сети трехфазного тока он не может запуститьсясам. Другими словами, для работы син-хронного электродвигателя с постояннымимагнитами необходимы либо преобразова-тель частоты, либо сервопривод – системауправления электродвигателем [5, 11–14].В качестве такого рода автоматическогопреобразователя или системы регулиро-вания электродвигателем используют, как правило, информационно-измерительныйдатчик углового перемещения в унифи-цированный электрический сигнал. При этом особое внимание уделяется условиямэксплуатации электропривода в целом – в агрессивной среде к датчикам могутпредъявляться повышенные требованияточности и надежности.В последнее время наибольшее предпо-чтение в различных системах отдают преоб-разователям углового перемещения с элек-трической редукцией. Среди них большое распространение получили индукционные редуктосины, позволяющие определять угол с высокой точностью.С развитием полупроводниковой эле-ментной базы и микропроцессорной тех-ники актуальными являются задачи разра-ботки управляющих алгоритмов обработки информации с информационно-измеритель-ных датчиков для определения текущего по-ложения ротора и частоты вращения элек-тродвигателя [5, 13].Таким образом, указанные факторы хотя и создают определенные сложности на пути внедрения электропривода с постоянными магнитами в различных областях народно-го хозяйства, но при этом электродвигатели данной конструкции, несмотря ни на что яв-ляются наиболее перспективными для при-менения, в том числе и в качестве силовой установки для беспилотного летательного аппарата.В то же время электродвигатели коллек-торного типа имеют ряд недостатков, вы-званные наличием щеточно-коллекторного
узла, который может снижать надежность и срок службы электропривода в целом. Кроме этого, данный узел может быть ис-точником пыли и создавать акустические радиопомехи. Применение данных электро-двигателей такого рода затруднено при вы-соких температурах и влажности, также во взрывоопасной среде. Именно поэтому рас-тет интерес к бесколлекторным двигателям на постоянных магнитах, называемых так-же вентильные двигатели.Вентильные электродвигатели приме-няются в устройствах бытовой техники,в электроприводах рулевых механизмах ле-тательных аппаратов, также электродвига-тели с постоянными магнитами нашли ши-рокое применение в автомобилестроении(элементы стеклоподъемников и электро-механических усилителей руля, стартер-ге-нераторы и др.). Кроме того, в различногорода электромобилях, инвалидных коля-сках и электровелосипедах также исполь-зуются электродвигатели с постояннымимагнитами.Удешевление редкоземельных маг-нитных материалов, а также постоянноеинтенсивное развитие микропроцессор-ной элементной базы для блоков управ-ления создают возможность примененияэлектродвигателей с постоянными маг-нитами в качестве силовой установки для беспилотных летательных аппаратов, где традиционно применялись другие типыдвигателей.