XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В данной статье рассматривается проблема повышенного уровня вибрации и шума, исходящих от электродвигателя системы жизнеобеспечения на космических станциях, а также увеличенных массогабаритных характеристик. Была проанализирована динамика движения модели электродвигателя и для снижения виброактивности электродвигателя в конструкцию шарикоподшипниковых опор встроена промежуточная резиновая втулка. Значительное внимание уделяется разработке чертежа вентильного электродвигателя и его 3D модели, а также подбору материалов.

In this article problems of increased noise and vibration that emanate from electric motor and increased Physical Data are considered. Driving dynamics of electric motor model was analyzed, As a result, intermediate rubber hub is built into construction of ball bearings. Significant attention is paid to the design drawings of brushless DC electric motor, 3D model and selection of materials.

На космической станции в отсутствии земной гравитации потоки теплого и холодного воздуха самостоятельно не перемешиваются. Поэтому круглосуточно на ней работают мощные вентиляторы, принудительно смешивая эти потоки.

Известно, уровень шума, вырабатываемый вентиляторами, находится в зоне примерно 80 дБ, что соответствует весьма громкому разговору, и этот шум круглосуточно воздействует на членов экипажа космической станции.

Вентилятор состоит из двух основных узлов, которые генерируют вибрации, являющиеся источниками акустического шума (электродвигатель и лопастное колесо). В данной работе объектом исследования является основной источник вибрации и шума – электродвигатель.

Целью данной работы является проектирование вентильного электродвигателя постоянного тока с улучшенной акустической характеристикой, а также и лучшими массогабаритными характеристиками в сравнении с аналогами.

Для обеспечения поставленной цели решается задача разработки технических решений, позволяющих улучшить экологическую обстановку в помещениях космической станции.

Как известно, любая механическая система, содержащая элементы упругости и массы, при воздействии на нее постоянной периодической силы (момента) может быть введена в режим колебательного движения [1]. Электродвигатель представляет слабодемпфированную механическую систему, которую для нашего случая можно представить моделью, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Колебательная система

Для одной степени свободы (из 3х) динамику движения механической системы можно описать дифференциальным уравнением

(1)

где m – масса электродвигателя; k – жесткость конструкции электродвигателя; - частота вынуждающих колебаний; - сумма всех возмущающих сил.

Из уравнения (1) следует, что электродвигатель является генератором вибрационного движения любой механической системы, частью которой он является.

Принимая начальные условия

решение линейного неоднородного дифференциального уравнения 2-го порядка будет иметь вид

(2)

где – собственная частота;

Первые два члена уравнения описывают переходный режим, а третий член описывает установившуюся реакцию от действия вынуждающей силы .

Из решения 2 следует, что масса m₁ будет колебаться как с собственной частотой, так и с частотой вынуждающей силы. Поэтому электродвигатель следует установить на упругие амортизаторы с демпфирующими свойствами.

Тогда в уравнении 1 добавиться демпфирующий член, а в решении после переходного периода исчезнут собственные колебания.

Установившаяся реакция в безразмерных единицах качественно представлена на рисунке 2.

Из рисунка 2 видна зависимость амплитуды колебаний механической системы от отношения частот собственных и вынужденных колебаний и коэффициента демпфирования .

Кроме того при проектировании электродвигателя дополнительно в конструкцию ш/п узла встроено амортизирующее кольцо с максимально возможным значением коэффициента (резина марки АМС 2-го класса, вида Ф, средней степени твердости, I типа).

Рисунок 2 – Установившаяся реакция на возмущение системы

Исходя из вышеизложенного, была разработана 3D модель вентильного электродвигателя (условно рассеченная вдоль оси электродвигателя (рисунок 3).

Электродвигатель состоит из следующих основных элементов. Ротор с установленными в нем постоянными магнитами. В качестве материала постоянных магнитов был выбран порошок феррита-стронция марки 28ПФС250. Этот ротор штифтом зафиксирован на валу, на котором также установлены два шарикоподшипниковых узла. Эти ш/п узлы крепятся в корпусе электродвигателя. В пазах статора уложена двухфазная обмотка.

В блоке управления располагаются печатные платы с электрорадиоэлементами (показаны условно). Функцию бесконтактного коммутатора в электродвигателе выполняет датчик Холла.

Рисунок 3 – Сечение 3D модели электродвигателя

Исходя из главной цели разработки (обеспечение минимальной виброактивности и минимальной массы и габаритов), был проведен комплексный анализ конструкции, в результате чего подобраны соответствующие материалы: сталь, алюминиевый сплав, электротехнические материалы, ABS-пластик.

В результате проведенной НИР спроектирован вентильный электродвигатель постоянного тока, обладающий комплексом технических характеристик (вращающий момент, потребляемая мощность, габариты, масса, виброактивность, уровень шумов) на уровне современных требований.

Литература:

Цзе Ф.С., Морзе И.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания. – М.: Изд-во «Машиностроение», 1966. – 508 с.

Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. – Л.: Судостроение, 1971. – 415 с.

Код для цитирования: Скопировать