ЭЛЕКТРОПРИВОД ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1
Раздел 1. Электропривод летательных аппаратов. Общие сведения
1.1. Цель курса
На современных ЛА имеется большое число различных исполнительных механизмов и агрегатов, работа
которых связана с затратами механической энергии. В качестве источников механической энергии
используются электрические, гидравлические и пневматические приводы. Целью настоящего курса
является ознакомление с особенностями различных типов электроприводов с учетом области применения
(ЛА).
1.2. Место электропривода в составе ЛА
ЛА
.
ЭЛА
По
СЭС
Ис
по
Распр.
н
че
лу
~33%
з.
ПЭЭ
СПРЭЭ
ЭП
ль
ЭО
~33%
ОСО
АПРО
~17%
~17%
Рис.1. Место электропривода в составе
электрооборудования ЛА
Электрооборудование ЛА – это совокупность систем
и устройств, предназначенных для
получения,
распределения и использования электроэнергии на борту
ЛА.
ЭЛА включает в себя три группы устройств:
1) Систему электроснабжения (включает в себя
устройства для производства и преобразования
электроэнергии
–
генераторы,
преобразователи,
аккумуляторы, регуляторы напряжения и частоты,
аппараты защиты).
2) Систему передачи и распределения электрической
энергии (включает в себя бортовую электросеть,
распределительные устройства, коммутационную и
защитную аппаратуру).
3) Приемники (потребители) электрической энергии.
Основными потребителями электроэнергии на борту ЛА являются [13]:
Электрический привод, потребляет около 33% электроэнергии [13]; привода – до 80% [20].
Системы электрического обогрева и противообледенители.
Автоматическое, приборное и радиооборудование.
Осветительное и светосигнальное оборудование.
На борту тяжелого самолета находится около 200 электромеханизмов, причем подавляющее число
(90%) – маломощные до 100 Вт [21].
Статистические данные по электромеханизмам на самолетах [20]
ЛА
Типов
Всего
Ил-62
15
68
Ан-22
22
106
Як-40
5
19
Ту-144
16
80
Ту-134
10
35
Ту-154
12
60
Ми-6
8
26
КА-25
8
17
1.3. Базовая функциональная схема электропривода
ИЭЭ
ПЭЭ
ЭД
УУ
МП
Н
ЭП
Рис.2. Базовая функциональная схема ЭП
Электропривод представляет собой электромеханическую систему, предназначенную для приведения в
движение рабочего органа механизма, управления его движением по заданному закону и состоящую в
общем случае из:
1) устройства, преобразующего электрическую энергию в механическую - электродвигателя ЭД;
2
2) устройства, служащего для преобразования и передачи механической энергии к исполнительному
механизму (редуктор, муфты) – механическая передача МП;
3) регулятора или преобразователя электрической энергии, поступающей к электродвигателю ПЭЭ;
4) системы управления УУ, осуществляющей заданный закон движения механизма и обеспечивающей
оптимизацию процесса преобразования энергии в электродвигателе по заданному критерию путем
воздействия на регулятор.
Питание электропривода осуществляется от источника электрической энергии ИЭЭ. На ЛА в качестве
ИЭЭ служат электрогенераторы, химические источники питания, включая аккумуляторы, на космических
аппаратах - солнечные батареи, ядерные источники питания [20].
Выходная энергия электропривода поступает на нагрузку Н, которую будем называть исполнительным
механизмом ИМ или приводимым агрегатом. Функционирование исполнительного механизма связано с
движением отдельных органов и звеньев, то есть с затратой механической энергии, источником которой
является электропривод.
Электропривод включает в себя два канала: силовой канал и канал управления. Силовой канал является
энергетическим каналом: по нему передается преобразуемая энергия для приведения в движение
исполнительного механизма. Канал управления – это канал передачи управляющей информации и
информации о функциональном и техническом состоянии элементов электропривода.
В приведенной функциональной схеме все устройства, входящие в состав электропривода, разделены на
четыре блока, каждый из которых выполняет определенную задачу. В различных ЭП наполнение каждого
блока различное, а в некоторых исполнениях отдельные элементы могут отсутствовать. В простейшем
случае электропривод может состоять, например, из выключателя и электродвигателя, связанного
непосредственно с приводимым в движение агрегатом.
Выделим два типа самолетного электропривода [5].
1. Электродвигательные агрегаты, состоящие из исполнительного механизма и встроенных в него (или
собранных с ним заодно) электродвигателя и системы передачи движения исполнительному механизму.
2. Электромеханизмы, состоящие только из элементов, относящихся к приводу: электродвигателя и
системы передач движения от него. Они отличаются тем, что поставляются на сборку самолета без
исполнительного элемента.
1.4. Классификация электроприводов
Одним из классификационных признаков электроприводов является область их применения
(см. Дополнение 1 к Разделу 1). Перечислим ряд других классификационных признаков.
1) По виду двигателя.
1.1 Электродвигательный привод
1.2. Электромагнитный привод на базе электромагнитов
- постоянного тока;
- переменного тока.
В авиационных силовых электромагнитных приводах в подавляющем большинстве случаев
используются электромагниты постоянного тока [10].
Достоинства электромагнитного привода:
- большое значение создаваемого начального и конечного усилия [5] (до сотен ньютонов);
- высокое быстродействие [5]. Время срабатывания электромагнитного привода может быть менее
0,01...0,02 с [10].
- простота конструкции и малые габариты [5];
- отсутствие вращающихся и контактных устройств, снижающих надежность [5].
Недостатки:
- малая величина перемещения исполнительного механизма, обеспечиваемая электромагнитным
приводом [10];
- невозможность регулирования скорости перемещения якоря [5];
- сложность реверсирования и фиксирования промежуточных положений [5];
- значительная масса и потребляемая мощность для преодоления больших усилий [5].
Электромагнитный привод применяется для привода ИМ, имеющих прямолинейное движение рабочего
органа, малое перемещение, требующих мгновенного срабатывания, работающих по принципу «включено-
3
выключено». Это механизмы полного открытия или закрытия (замки, защелки, краны – топливные, а также
гидравлических, пневматических и противопожарных систем, тормоза, спуски баков) [5].
2) По назначению.
2.1. Силовые электроприводы, выполняющие основную функцию электрофицированного
исполнительного агрегата.
2.2. Вспомогательные электроприводы, выполняющие вспомогательную функцию.
3) По роду тока [4].
- постоянного тока
а) 27В.
б) 270В (получаем после выпрямления переменного напряжения).
- переменного тока:
а) однофазная и трехфазная 115В/200В 400 Гц и 1000 Гц (действ.значение фазного и линейного
напряжения).
б) трехфазная 36В 400 Гц и 1000 Гц (вторичные системы малой мощности, в частности для питания
навигационных приборов. Получают путем трансформирования [5]).
в) однофазная 27 и 6 В (вторичные системы малой мощности; потребителями, в частности, являются
осветительные приборы, кухонное оборудование и т.д. Получают путем трансформирования [5])
г) также ГОСТ 21128-83 допускается однофазное питание напряжением 200 В и частотой 6000Гц [9].
При повышенном уровне напряжения масса электрооборудования становится меньше, так как при тех
же мощностях величина тока становится меньше, а значит, меньшими могут выбираться сечения проводов.
Однако, при этом ухудшаются условия коммутации в ЭМ и ЭА. Проблемы коммутации в сетях
переменного тока нет, так как в машинах переменного тока отсутствует щеточно-коллекторный узел, а
разрыв цепи в ЭА происходит в момент перехода напряжения через нулевое значение.
Поэтому при значительной общей мощности источников питания, большой протяженности электросети,
большой высоте полета (при которой ЭМ переменного тока более надежны) применяется переменный ток
повышенного напряжения.
Отметим, что системы электроснабжения характеризуются другими стандартными уровнями
напряжения, например: 28,5 В (пост) и 120/208 В (перем). Приведенные выше цифры соответствуют
значениям напряжений на клеммах потребителей. Разница напряжений учитывает потери в сети.
4) По типу электродвигателя.
- коллекторные двигатели постоянного тока с возбуждением:
--- независимым,
--- последовательным,
--- параллельным,
--- смешанным
--- от постоянных магнитов;
- вентильные двигатели;
- асинхронные двигатели;
- синхронные двигатели;
- гистерезисные двигатели.
5) По режиму работы.
Разделение на режимы производится на основе теплового состояния электродвигателя.
5.1. Длительный (продолжительный) – S1.
При длительном режиме перегрев ЭД достигает установившегося уровня.
На ЛА с таким режимом работают, например, гироскопы, насосы, нагнетатели воздуха для герметичных
кабин [3].
5.2. Кратковременный – S2.
При кратковременном режиме работы за время включения ЭД не успевает нагреться до
установившегося уровня, а при выключенном – температура ЭД успевает снизиться до температуры
окружающей среды. Серийные электродвигатели, работающие в кратковременном режиме, проектируются
на стандартизированную (15,30,60,90 мин [11]) длительность работы, для которой и указываются в
каталогах их номинальные данные. Реальная длительность работы электродвигателей на ЛА, работающих в
этом режиме, составляет от нескольких секунд до 1-2 минут [3].
4
В кратковременном режиме работают, например, ЭП шасси, посадочных щитков, стабилизаторов,
выдвижных фар и т.п.
5.3. Повторно-кратковременный – S3.
При повторно-кратковременном режиме ЭД за время включения не успевает нагреться до
установившейся температуры, а за время выключения не успевает остыть до температуры окружающей
среды. Температура ЭД постепенно повышается, достигая значения, соответствующего средним потерям.
ПКР характеризуется продолжительностью включения (ПВ) – отношением включенного состояния ко
времени цикла. Стандартизированные значения ПВ составляют 15, 25, 40, 60 [11]. Для многих механизмов
ЛА, работающих в ПКР, стандартная относительная продолжительность включения за период полета
составляет 10% при длительности всего цикла (вкл+выкл) 10 минут. Для механизмов рулей
продолжительность включения равна 1-7%. После 2-5 циклов назначается перерыв в 0,5-10 мин или до
полного охлаждения [5].
На ЛА в повторно-кратковременном режиме работают механизмы жалюзи водяных радиаторов,
триммеров руля высоты, лопастей винтов изменяемого шага, пулеметных и пушечных турелей и др [20].
Наибольшее применение в самолетном электроприводе находят двигатели повторно-кратковременного
и кратковременного режимов [3].
При повторно-кратковременном и кратковременном режимах возможно допускать в обмотках
электродвигателей значительно большие плотности тока, чем при длительном режиме (до 30 А/мм2 , в то
время как в обычных ЭМ она не превышает 5-6 А/мм2) [3].
5.4. Режимы S4-S8. Повторно-кратковременные с особыми условиями пуска и торможения
6) По системе передачи движения от электродвигателя к исполнительному механизму.
6.1. Электромеханический привод (через редуктор).
6.2. Электрогидравлический привод.
6.3. Электропневматический привод.
7) По способу управления.
7.1. С ручным управлением.
7.2. С полуавтоматическим управлением.
7.3. С автоматическим управлением.
В ручном и полуавтоматическом управлении участвует оператор – один из членов экипажа ЛА. При
автоматическом управлении роль оператора выполняют датчики управления или задающие устройства.
Полуавтоматическое и автоматическое управление является наиболее распространенным на ЛА.
8) По структурной схеме.
8.1. Разомкнутый.
8.2. Замкнутый.
8.3. Комбинированный.
9) По типу передаточных устройств.
9.1. Редукторный.
Передаточное устройство ЭП содержит редуктор
9.2. Безредукторный.
В передаточном устройстве отсутствует редуктор
К созданию безредукторных электроприводов привело стремление к упрощению кинематических цепей
машин и механизмов. По сравнению с редукторными безредукторные электроприводы обладают большей
надежностью и быстродействием, технологичнее в изготовлении [15]. Особенно это важно для сложных
систем автоматического управления технологическими установками, к которым предъявляются жесткие
требования по качеству управляемого механического движения. Для таких систем неравномерность хода,
упругость и люфт редуктора препятствует улучшению точностных характеристик, а повышенный его износ
приводит к потере точности и уменьшению срока службы, ограничивает возможности увеличения
быстродействия устройства [18].
9.3. Электрогидравлический привод
Имеет гидравлическое передаточное устройство [22].
10) По виду движения.
10.1. Вращательный.
5
В составе ЭП используется вращательный электродвигатель
10.2. Поступательный.
В составе ЭП используется линейный электродвигатель
Наиболее распространено вращательное движение, используемое в электроприводах насосов,
вентиляторов, подъемных механизмов, лентопротяжных устройствах, гироскопах и т.д.
Поступательное (линейное) перемещение используется в различных механизмах управления геометрией
крыла самолета – закрылках, триммерах и т.д).
Отметим, что у машин с вращательным движением постоянная времени на порядок выше, чем у машин
с поступательным движением [20].
11) По направлению вращения
11.1. Реверсивный
Обеспечивает движение выходного вала в обоих направлениях
11.2. Нереверсивный.
Имеет только одно направление движения выходного вала
12) По характеру изменения параметров.
12.1.Нерегулируемый ЭП.
Параметры нерегулируемого ЭП изменяются только в результате возмущающих воздействий.
В нерегулируемом приводе все управление двигателем сводится к его подключению и отключению от
сети. Пример такого ЭП – привод вентилятора или насоса.
12.2. Регулируемый ЭП.
Параметры регулируемого ЭП могут изменяться под воздействием управляющего устройства.
Регулирование применяется в приводах пушечных турелей, грузовых лебедок, топливных насосов, в
следящих приводах [2].
13) По роду задач регулирования.
13.1. Со стабилизацией параметров.
Служит для поддержания какого-либо параметра на заданном уровне. Стабилизация скорости вращения
требуется в механизмах лентопротяжных устройств, электромашинных преобразователях постоянного тока
в переменный [+2], в электродвигательных реле времени [2]. Для механизмов гироскопов [2] требуется
стабилизация целого ряда параметров: момента, частоты вращения, положения ротора, тока, магнитного
состояния двигателя, тепловых параметров двигателя [5].
13.2. Программно-управляемый ЭП.
Служит для изменения того или иного параметра по заранее заданной программе.
13.3. Следящий ЭП.
Отрабатывает изменение выходного параметра в соответствии с произвольно меняющимся задающим
сигналом.
13.4. Адаптивный ЭП.
Автоматически избирает структуру или параметры системы регулирования при изменении условий
работы [22].
14) По количеству исполнительных механизмов, приходящихся на один двигатель [5].
14.1. Групповой.
ЭД приводит в движение два или более механизма: например, левую и правую части рулей высоты или
элеронов; интерцепторы; секции закрылков или предкрылков. Групповой привод обеспечивает строгую
синхронность перемещения приводимых ИМ, позволяет получить экономию в массе, площади и
затрачиваемой мощности (за счет уменьшения числа ЭД). Недостаток проявляется при больших
расстояниях между работающими синхронно агрегатами, когда механические связи между ними становятся
громоздкими.
14.2. Индивидуальный.
Обеспечивает движение одного исполнительного органа рабочей машины. При необходимости
синхронность перемещения достигается электрическими методами.
14.3. Многодвигательный.
На один общий вал работают несколько электродвигателей [22].
1.5. Условия работы электропривода ЛА
6
Специфичность условий работы ЭП ЛА, как и всего электрооборудования ЛА, определяется широким
изменением параметров окружающей среды, обусловленным как различной высотой полета, так и
временем года и климатической зоной, в которых происходит эксплуатация ЛА.
Характер изменения параметров окружающей среды с ростом высоты различен для разных широт,
времен года, для суши и моря. Для проведения расчетов самолетных систем были введены усредненные
характеристики атмосферы - параметры так называемой международной стандартной атмосферы (ГОСТ
4401-73).
Наиболее значимыми с позиций влияния на электропривод ЛА являются следующие условия работы:
1. Широкий диапазон изменения температуры окружающей среды от –60С до +50С.
Характер изменения температуры окружающей среды в зависимости от высоты над уровнем моря
сложен и неоднозначен.
В тропосфере (до высоты 11 км) температура убывает в среднем на 6,5С на 1 км (характер изменения
температуры обусловлен тем, что нагрев воздуха осуществляется в основном отраженными от земной
поверхности солнечными лучами).
В стратосфере (до высоты 30-35 км) температура постоянна и равна –56,5С, затем повышается и на
высоте 50-55 км доходит до +75С (около 0?), что обусловлено повышенным содержанием озона, который
обладает способностью поглощать ультрафиолетовое излучение. На еще больших высотах температура
вновь понижается вследствие уменьшения содержания озона в атмосфере. На высоте 82-83 км температура
воздуха достигает -35С [6].
На высотах более 90 км температура повышается достигая 1300К на высоте 300-400 км, и продолжает
расти с высотой до 2000-3000К. Однако, вследствие сильной разреженности воздуха физическое понятие
температуры среды в термосфере носит условный характер. Температура определяется кинетической
энергией частиц (скоростью движения молекул). В космосе на больших высотах температура принимается
равной 0К. Вследствие малой плотности газа на больших высотах эти температуры на работу
электрооборудования не влияют [24].
Также влияние на температуру частей обшивки самолета и температуру воздуха, который через
воздухозаборник подается для охлаждения машин с продувом, вносит аэродинамический нагрев
(вызванный адиабатическим сжатием воздуха в пограничном слое), зависящий от скорости полета. При
скорости 2500 км/ч температура обшивки достигает +130С, а в ряде случаев и до 400С [4].
При размещении оборудования в непосредственной близости от авиадвигателей температура воздуха
будет еще выше и определяется характеристиками силовых установок. При размещении оборудования в
гермоотсеках в кабинах экипажа температура окружающей среды будет соответствовать условиям в
отсеках и кабинах [4].
Отметим, что общие температурные условия определяет также и тепловое излучение соседних агрегатов
и тепло, связанное с потерями самого агрегата.
В космосе температура тела определяется не окружающей средой, а лучистым равновесием, т.е.
количеством поглощаемой и излучаемой энергии [24].
Изменение температуры агрегата, вызванное изменением температуры окружающей среды и
выделением потерь агрегата при его работе, влечет изменение свойств материалов и, как следствие, может
привести к изменению свойств агрегата в целом.
Выделим следующие негативные воздействия температуры:
а) Изменение линейных размеров деталей агрегатов.
Вследствие температурных колебаний линейных размеров деталей в конструкции могут возникать
внутренние напряжения.
Изменение зазоров в сопрягаемых деталях
ΔА = D*(α1- α2)*(T-T0),
где D – номинальный размер сопряжения, α1 и α2 – коэффициенты теплового линейного расширения
сопрягаемых деталей, Т0 – исходная температура, при которой собран узел, ºС; Т – температура, для
которой определяется изменение зазора, ºС [5].
Коэффициенты теплового расширения в диапазоне температур от -20 ºС до +80 ºС имеют следующие
значения: для чугуна α=10,4*10-6 1/ºС, для стали α=12*10-6 1/ºС, для меди α=17*10-6 1/ºС, для бронзы
α=18*10-6 1/ºС, для латуни α=19*10-6 1/ºС, для алюминия α=24*10-6 1/ºС [7].
Колебания величины зазоров создают периодические прослабления и натяги, что способствует
увеличению трения в подшипниках и разрушению деталей [5].
б) Изменение свойств смазочных материалов.
При снижении температуры смазка густеет и вследствие этого увеличивается момент сопротивления.
7
При температуре свыше 150˚С также ухудшается смазка подшипников [29].
в) Изменение свойств диэлектриков.
При повышении температуры свойства диэлектриков ухудшаются.
г) Изменение свойств конденсаторов.
Изменение температуры на 20С влечет изменение емкости бумажных конденсаторов на 5-8%, а
слюдяных на 1-1,5% [5].
д) Изменение свойств проводников
При изменении температуры изменяется сопротивление проводников. При температуре Т
сопротивление проводника:
RТ = R0*(1+ α*(Т-Т0)),
где α – температурный коэффициент сопротивления, R0 – сопротивление проводника при температуре Т0
(20 ºС).
Для меди температурный коэффициент сопротивления α=0,0043 1/ ºС, для алюминия α=0,0042 1/ ºС, для
золота α=0,004 1/ ºС.
При изменении температуры с -50С до +100С сопротивление медного провода увеличится почти в 2
раза [5].
е) Ограничения по температуре для полупроводников.
Германиевый диод теряет свои выпрямляющие свойства при температуре +100С, а кремниевый – при
+250-300С [5].
ж) Изменение свойств магнитов.
При изменении температуры изменяются значения остаточной индукции и коэрцитивной силы
ВТ = В0*(1+ 0.01*α*(Т-Т0)),
НсТ = Нс0*(1+ 0.01*α*(Т-Т0))
Для альнико (сплав Fe - Ni - Al – Со) α=-0,02 %/ ºС, для ферритов α=-0,2 %/ ºС, для сплавов самарийкобальт α=- 0,035 %/ ºС, для магнитов из сплава Nd-Fe-B α=-0,07...0,13 %/ ºС.
Отметим, что магниты тех или иных марок недопустимо использовать при температуре выше
определенного значения. Например, для магнитов, изготавливаемых из сплава Nd-Ge-B, максимальная
рабочая температура (в зависимости от марки магнита) составляет от 80 до 240 ºС.
з) Магнитные свойства сталей в пределах рабочего диапазона температур изменяются незначительно.
Вообще:
У стали Э31 (1411) индукция насыщения кривой намагничивания снижается на 20-22% при нагреве до
+600 ºС. Нагрев до "температуры Кюри" (для железа примерно - 750 ºС) может привести к полной потере
ферромагнитных свойств материала [29].
и) Значительное ухудшение свойств щеток и процессов коммутации (при температурах более 220250˚С), поскольку заметное снижение сопротивления переходного контакта в этом случае увеличивает ток
в короткозамкнутой секции и повышает искрение на коллекторе [29].
к) Влияние температуры на свойства аккумуляторов.
Все это приходится учитывать при выборе мощности двигателя, типа конструктивного решения,
используемых материалов и комплектующих.
2. Широкий диапазон изменения давления.
Атмосферным давлением называется давление, вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и
ударами его хаотически движущихся молекул. Атмосферное давление объясняется тем, что воздух
подобно всем другим веществам обладает весом и притягивается землей [6].
На поверхности Земли стандартное давление равно приблизительно 105 Па (другая размерность:
1атм=1,0332 кгс/м2 или 760 мм.рт.ст [6]). С ростом высоты оно снижается по экспотенциальному закону.
На высоте 12 км – давление в 5 раз меньше, а на высоте 35 км - в 180 раз меньше, чем на поверхности
Земли [4]. Давление окружающей среды в космосе падает до 10-11 Па [24].
С увеличением высоты на 12 метров давление падает на 1 мм рт.ст.
Для герметичных машин пониженное давление окружающей среды приводит к дополнительным
требованиям ко всем герметизирующим уплотнениям и прокладкам [27]
3. Широкий диапазон изменения плотности воздуха.
Плотность воздуха – это количество воздуха (т.е.масса воздуха), содержащаяся в 1 м3 объема. В
нормальных условиях плотность воздуха 1,225 кг/ м3.
Высота атмосферы Земли составляет более 2000 км. Геокорона Земли, где еще обнаруживаются
следы атмосферы, расположена на расстоянии 25000 км [24].
Отметим, что в пределах околоземного пространства до высоты 20 км находится около 95% всей
массы атмосферного воздуха; 90%, остальная часть атмосферы – разреженный ионизированный газ [24].
8
Плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре.
C увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, что объясняется тем, что давление уменьшается
в большей степени, чем уменьшается температура. По сравнению с плотностью воздуха у поверхности
Земли, на высоте 12 км плотность воздуха меньше в 4 раза, на высоте 20 км – меньше в 14 раз, на высоте 35
км – меньше в 140 раз [4], на высоте 100 км – меньше в 1000 раз [24].
С уменьшением плотности воздуха:
a) Снижается эффективность воздушного охлаждения (уменьшается способность воздуха отводить
тепло). На высотах до 11 км одновременное снижение температуры окружающего воздуха несколько
компенсирует уменьшение плотности, но на больших высотах это компенсирующее влияние отсутствует.
Это приводит к необходимости снижать нагрузки и увеличивать вес ЭП.
б) Возрастает электропроводность (снижается диэлектрическая прочность) воздуха. Наряду с
уменьшением плотности это обуславливается и увеличением интенсивности ионизации воздуха
космическими и ультрафиолетовыми лучами [4]. Это влияет на электрическую прочность воздушных
промежутков между токоведущими частями, а также на время горения дуги при размыкании электрических
контактов и увеличение искры на коллекторах ЭМ. Приходится предусматривать большие изоляционные
промежутки и увеличивать вес изделий. В большей степени это относится к высоковольтным машинам при
рабочих напряжениях свыше 200 В и работе на высотах свыше 20 км, где этот фактор становится
определяющим [27].
4. Высокая влажность.
Под абсолютной влажностью подразумевается количество (масса) водяного пара в 1 м3 воздуха. Она
резко уменьшается, начиная с высоты 6 км. Это влечет увеличение трения и износа щеток ЭМ [5].
Практически на высотах около 20 км работа щеточно-коллекторного узла становится невозможной [27].
Относительной влажностью называется отношение имеющейся абсолютной влажности к
максимальной абсолютной влажности, возможной при данной температуре и давлении, выраженное в
процентах [5]. При температуре 20°С и стандартном давлении в одном кубическом метре воздуха
максимально может "раствориться" 17,3 граммов воды; при -15°С эта величина составит около 1,5 г/м3.
Большее содержание влаги в воздухе при названных условиях невозможно – избыток влаги выпадает в виде
росы [8].
Таким образом, при неизменной абсолютной влажности воздуха относительная влажность при
снижении температуры возрастает и при превышении содержания парообразной влаги выше максимально
возможного значения часть ее конденсируется и выпадает в виде росы (соответствующая температура
называется точкой росы). Это происходит при быстром наборе высоты. Влага может попасть на агрегаты
самолета и непосредственно из окружающего воздуха. Влага приводит к коррозии металлов и образованию
токопроводящих дорожек на электрической изоляции [5].
5. Механические воздействия
Механические воздействия характеризуются частотой и амплитудой вибрационных нагрузок,
ускорениями и ударными нагрузками.
Вибрация – это длительные, знакопеременные колебания. Такие колебания возбуждаются
вращающимися частями машин: валами и турбинами авиадвигателей, лопастями винтов, роторами
электрических машин и насосов. Вибрация также вызывается нестабильностью процесса горения в
авиадвигателях и турбулентностью обтекания воздухом корпуса самолета. Источником вибраций могут
быть и другие самолетные агрегаты, если они попадают в резонанс с собственной частотой колебаний [5].
Ударные нагрузки отличаются кратковременностью и большой начальной амплитудой колебаний,
которые со временем затухают. Эти нагрузки возникают при взлете и посадке самолета, изменении его
скорости и направления полета, стрельбе и т.д.
Динамическая сила, действующая на агрегат при вибрации и ударе, определяется по второму закону
Ньютона:
F=ma
где m – масса агрегата, а – максимальное ускорение, создаваемое при динамическом воздействии на
агрегат.
При синусоидальной вибрации [5]:
а=хω2=х*(2πf)2=x*4*π2*f2,
где х – амплитуда колебаний (мм), f – частота колебаний (Гц).
Таким образом, динамическая сила, действующая на агрегат, пропорциональна амплитуде его колебания
и квадрату частоты:
F = 4*π2*m*x*f2
9
Часто величину ускорения выражают через ускорение свободного падения g, называя отношение a к g
перегрузкой.
На ЛА частота вибрации находится в диапазоне от 0,5 до 500 Гц и выше с амплитудами до 2,5 мм,
перегрузка может достигать 10 g [4].
Механические силы, действующие на электромеханические системы, могут привести к обрыву
проводов, особенно в местах их пайки, появлению трещин и порче электроизоляционных материалов,
ускоренному износу осей и подшипников в электромеханизмах [20], к ослаблению затяжки винтов, болтов,
гаек и их самотвинчиванию. на элементах с малой жесткостью при вибрационных нагрузках могут
наблюдаться явления резонанса, которые приводят к механическим разрушениям. В этом отношении
особенно критичными являются длинные трубопроводы, тонкие валы, пружины щеткодержателей [27].
6. Влияние внешних воздействий. К внешним воздействиям можно отнести пары топлива, масла,
радиацию и др. Сильные внешние электромагнитные поля способны вызвать сбой в системе управления
ЭП. В ряде случаев ЭП работает в условиях повышенной радиации, изменяющей химико-физические
свойства материалов.
7. Практически любое положение самолета в пространстве.
Особое влияние положение в пространстве оказывает при масляном распылительном охлаждении
электропривода [27]
1.6. Требования к электроприводу ЛА
Область применения и условия работы электропривода определяют требования, предъявляемые к нему.
В их число входят общие требования, предъявляемые к электрооборудованию ЛА, общие требования,
предъявляемые к авиационному электроприводу и специальные требования к электроприводу,
определяемые его конкретным назначением. Перечислим общие требования.
1. Высокая надежность в работе.
Надежность авиационного электропривода должна существенно превышать надежность наземных
электроприводов, так как последствия его отказа в работе очень опасны
Надежность задается определенной вероятностью безотказной работы в течение определенного
времени при температуре окружающей среды от –60С до +50С.
Эта вероятность определяется следующим образом: Р(t) = (N-n(t))/N,
где N – число испытуемых изделий; n(t) – число изделий, отказавших за время t.
Интенсивность отказов - количество отказов за один летный час. При доверительной односторонней
вероятности 0,95 в зависимости от типа механизма, в котором используется электропривод
интенсивность его отказов находится в пределах макс=(3,8542-5,1663)*10-6 отк/л.ч [21].
Для выполнения этого требования ЭП должен обладать высокой механической, электрической,
климатической и химической стойкостью и устойчивостью.
Стойкость – характеризует способность материала и электромеханизма выдерживать
эксплуатационные воздействия без изменения своих свойств. Устойчивость характеризует наряду со
стойкостью способность сохранять свои номинальные параметры в указанных условиях [5].
Общие виды механических нагрузок и климатических условий, при воздействии которых
электрооборудование должно сохранять свои параметры и нормально функционировать, установлены
ГОСТ 19962-71. Они в обобщенной форме отражают возможные условия эксплуатации [27].
Оборудование должно выдерживать механические нагрузки одного направления, возникающие при
пикировании, резком изменении скорости, разворотах, фигурах высшего пилотажа, нагрузки переменных
направлений, возникающие при вибрациях и перегрузки до 10g. В технических требованиях одним из
показателей устойчивости является допустимая частота колебаний [5].
В зависимости от действующих механических нагрузок и климатических условий к разрабатываемым
изделиям стандартом предусмотрены требования по степени жесткости (от I до IX?) [27].
Самолетное электрооборудование должно надежно работать при относительной влажности 95-98%,
замеренной при температуре +40 С, а для тропических условий работы – до 100% [5].
Изоляция должна быть механически прочной при низких температурах и иметь необходимый срок
службы при высоких температурах. Критерием электрической прочности изоляции проводов является
обеспечение напряжений 300 В, для электродвигателей – 500 В. Должно обеспечиваться сопротивление
изоляции не менее 1Мом [20].
Смазка не должна быть слишком жидкой при высоких температурах, чтобы не терять своих смазочных
свойств, не должна разлагаться и коксоваться. При низких температурах смазка не должна быть слишком
вязкой, чтобы не увеличивать потерь, например, на трение в подшипниках.
10
Серийный авиационный электропривод должен иметь не менее 50...100 тысяч часов наработки на отказ
[10].
2. Минимальная масса и габариты.
Экономия в массе оборудования позволяет уменьшить расход горючего, т.е. увеличить длительность
полета, максимальную высоту и скорость набора высоты, полезную нагрузку, броню самолета или
боекомплект, а также уменьшить посадочную скорость и разбег при взлете [20].
Требование по минимизации габаритов обусловлено ограничением места на самолете для размещения
тех или иных устройств.
Показателями электропривода, характеризующими его массу, является удельная мощность – отношение
мощности на валу к массе электропривода и удельный момент – отношение развиваемого длительно
момента к массе двигателя. Для лучших бортовых электроприводов удельная мощность достигает 0,5...1,0
кВт/кг [10].
3. Энергетическая эффективность.
Это требование задается минимальным допустимым КПД
электропривода.
Экономия в расходе электроэнергии позволяет уменьшить массу генераторов или других источников
электроэнергии [20].
4. Удобство в обращении, минимальные затраты на обслуживание в течение всего периода
эксплуатации, безопасность в отношении пожара и взрыва.
5. Агрегаты электрооборудования должны надежно работать независимо от положения в пространстве,
скорости полета, ускорений, наличия силы тяжести, от присутствия паров топлива, масла и прочих
примесей.
6. Совместимость работы электропривода с работой системы электроснабжения и другими
устройствами, находящимися на борту ЛА. Электропривод не должен снижать качество электрической
энергии в бортовой сети и не вызывать помех в работе радиоустановок, магнитных компасов, контрольноизмерительных приборов и другой бортовой электронной аппаратуры [10].
7. Быстродействие и хорошее качество переходных процессов. Это требование отражает динамические
качества электропривода. Требование по быстродействию задается обычно в виде времени регулирования,
либо определяется в частотной области шириной полосы пропускания. Качество переходного процесса
определяют его вид (апериодический, колебательный), максимальная величина перерегулирования,
коэффициент затухания колебаний и т.д. [10].
8. Взаимозаменяемость отдельных устройств.
9. Технологичность.
10. Точность выполнения заданного движения исполнительного механизма. Для количественной
оценки этого требования задается максимальное значение ошибки [10].
11. Минимальная стоимость при выполнении всех перечисленных требований.
Наряду с этими основными требованиями, к приводам отдельных исполнительных механизмов
предъявляются и более специфические требования.
1.7. Сравнение различных типов приводов
Для привода в движение различных механизмов и устройств на борту ЛА используются силовые
приводы трех основных типов: электрический (электропривод), гидравлический (гидропривод) и
пневматический (пневмопривод).
Отметим, что в ряде случаев электропривод может являться вспомогательным устройством, например, в
системе гидравлического привода для управления клапанами, регулирующими поступление жидкости в
систему. В этом случае говорят о электрофицированном гидроприводе и электрофицированном
пневмоприводе. В них, кстати, широко используются электромагниты.
Отметим, что на ЛА может быть применен и механический привод (например, насосов)
непосредственно от авиадвигателя. Преимуществом механического привода является уменьшение потерь,
связанных с преобразованием энергий в ЭП. Недостатки: МП не работает при остановке или малых
оборотах авиадвигателя, требует большой длины трубопровода для питания удаленных потребителей [5].
Электропривод.
Достоинства:
1) Удобство в передаче электроэнергии к месту потребления.
11
Не требует сложной и громоздкой системы трубопроводов, связанной с трудностью их герметизации.
При использовании электропривода нет необходимости прокладывать длинные провода большого сечения.
Обычно питательные провода для электродвигателей прокладываются от ближайших шин. Для управления
электродвигателями с помощью контакторов применяются вспомогательные цепи из тонких проводов.
Прокладка на самолете электрических проводов значительно проще, чем трубопроводов. Необходимо
еще учесть, что на современных самолетах остается мало свободного места для размещения
вспомогательного оборудования.
2) Простота управления и автоматизации процесса управления.
3) Простота эксплуатации.
В электросистемах по сравнению с другими системами значительно упрощаются монтажно-ремонтные
работы.
4) Высокая надежность (проще резервируется [20]).
ЭП менее подвержен влияниям температуры и давления окружающей среды; обладает меньшей
уязвимостью [5].
5) Использует один вид энергии (электрическую) как для силового преобразователя, так и в системах
управления [20].
6) Для работы ЭП не требуется специальный источник энергии. Следует лишь увеличить мощность
генераторов, имеющихся на каждом самолете и необходимых для питания других потребителей [5].
Недостаток:
1) Более низкие по сравнению с гидроприводом и пневмоприводом массо-энергетические показатели
(удельная мощность) [10].
2) Более низкое быстродействие по сравнению с гидроприводом [20].
Пневматический привод
Пневмосистема на МиГ-25 состоит из тpех подсистем: основной, аваpийной, системы охлаждения
электpообоpyдования, топлива и блоков РЛС или спецобоpyдования. Основная система пневмопривода
использyется для yпpавления тоpможением колес шасси, включения системы пpотивообледенения фонаpя
кабины пилота, геpметизации кабины пилота, yпpавления каналами аваpийного сбpоса топлива,
yпpавления заслонками охлаждения генеpатоpов, пpивода выпyска тоpмозного паpашюта, откpытия
ствоpок тypбостаpтеpа, опyскания и поднятия платфоpмы со спецобоpyдованием. Аваpийная система
обеспечивает автоматический выпyск шасси и yстановкy нижних щитков воздyхозабоpников на взлете и
посадке [16].
Источником энеpгии для пневмосистемы являются баллоны со сжатым воздyхом: на Миг-25 - главный
емкостью 13 л, аваpийный емкостью 10 л. и в системе охлаждения емкостью 2 л [16].
Достоинства:
1) Проще и легче других типов, в частности гидравлического, так как не требует запаса жидкости и
обратного трубопровода. Однако, для создания больших усилий требуются компрессоры больших
размеров, что снижает КПД установки и увеличивает ее относительную массу [5].
2) Малая зависимость вязкости воздуха от температуры [29] (у гидросистем влияние низких температур
на работу существенно [3]).
3) Пожарная безопасность [29].
Недостаток:
1) Инерционность ПП – запаздывание отработки поступившей команды, связанное со сжимаемостью
газов [3].
2) Отличаются ударным характером воздействия, малой эксплуатационной надежностью [29].
Находят в авиации более ограниченное применение, чем гидросистемы [29].
Гидравлический привод
Состав
Простейшая система гидропривода прямолинейного движения включает в себя следующие элементы
[29]:
1) резервуар (бак) с жидкостью;
2) насос (источник давления), например, плунжерный, расположенный на авиадвигателе (по два на
каждый – в МиГ-25) [16];
12
3) распределительное устройство (гидрокран), меняющее направление потока жидкости;
4) силовой цилиндр с поршнем;
5) трубопровод, соединяющий бак, насос и силовой цилиндр.
Принцип действия:
Жидкость из бака забирается насосом и через распределительное устройство подается в ту или иную
полость силового цилиндра, сообщая движение поршню. Жидкость из противоположной полости цилиндра
через распределитель удаляется в резервуар [29].
Рабочая жидкость
Рабочей жидкостью гидpосистемы на МиГ-25 является смесь 7-50с-3 на кpемний-оpганической основе.
Область применения:
Гидравлическая энергия широко используется для привода высокодинамичных [20] исполнительных
механизмов, развивающих большой момент сопротивления: для выпуска и уборки шасси (Ту-134А, Ту154Б, Як-40, Ил-86 [20]), рулей, тормозов, щитков, крыльев изменяемой геометрии [5].
На МиГ-25, гидpосистема состоит из двyх автономных систем: общей и вспомогательной.
Вспомогательная система обеспечивает pаботy pyлевых пpиводов: стабилизатоpа, элеpонов, pyлей
напpавления, а также аваpийное тоpможение колес основных стоек шасси [16].
Общая гидpосистема обеспечивает выпyск и yбоpкy шасси, закpылков, тоpмозных щитков, тоpможение
колес шасси, yпpавление клинами и нижними ствоpками воздyхозабоpников, yпpавление pазвоpотом колес
пеpедней стойки шасси, yпpавление ствоpками тypбостаpтеpов пpи запyске двигателей, а также
дyблиpование pаботы pyлевых пpиводов [16].
На Ил-86, Ил-96 гидропривод приводит в движение рули высоты, направления, крена, различные
стабилизаторы [20].
Бустер (от англ. "повышать давление, напряжение") - вспомогательное устройство для увеличения
силы и скорости действия основного механизма (агрегата). В авиации — как правило гидравлическое
вспомогательное устройство в цепи управления рулями скоростных самолётов [БСЭ].
Масса
Масса гидравлического оборудования (ГО) составляет 1—1,5% взлётной массы для тяжёлых, 2—3% для
лёгких манёвренных самолётов и 1—2% для вертолётов [30].
Мощность:
Установочная мощность ГО различных летательных аппаратов составляет от 0,75 кВт до 2 МВт [30].
Мощности силовых гидроприводов управления рулями, элевонами достигают 30 кВт и более, пусковые
усилия до 7000...25000 Н при полосе пропускания 3...6 Гц. У быстродействующих следящих гидроприводов
мощностью до 2 кВт полоса пропускания составляет 70 Гц [20].
Давление:
Давление от 7 до 28 МПа [30].
Рабочее давление в системах на МиГ-25 - 180-210 кг/кв.см. Оно создается плyнжеpными насосами,
pасположенными на авиадвигателях (по два насоса на каждый) [16].
Объём рабочей жидкости:
От 6 до 850 л [30].
Общее количество гидpосмеси в системе на МиГ-25 составляет 83 л, из них 30 л находится во
вспомогательной ГС [16].
Длина трубопроводов:
От 40 до 5000 м [30].
Достоинства:
1) Хорошо воспринимает перегрузки [5].
2) Требует относительно малую мощность энергии при большом создаваемом моменте [5].
Коэффициент усиления гидравлических устройств (бустеров) может достигать нескольких тысяч [29].
3) Высокие значения удельных сил и мощностей [30], агрегаты гидропривода легче и меньше по
габаритам, чем электрические [5]..
4) Широкие пределы плавного изменения скоростей перемещения механизмов [30].
5) Гидропривод имеет малую инерционность (высокое быстродействие) [5,20], благодаря малой массе и
малым габаритным размерам [29]. Кроме того, машины (механизмы) с поступательным движением имеют
меньшую постоянную времени Тм, чем машины с вращательным движением. Так, для традиционных
электродвигателей (КДПТ, АД) Тм=0,1-0,2 с, для новых вентильных двигателей - менее 0,05 с, для
гидропоршней – 0,01-0,03с [20].
Недостатки:
13
1) Возможны затруднения в работе при низких температурах (замерзание жидкости в гидросистеме,
значительное увеличение вязкости). ??? Рабочий диапазон температур от - 60 до 180 [30].
2) Необходимость специальных источников энергии (гидравлической) [5].
3) Относительно малая скорость передачи энергии [5].
Общие недостатки ПП и ГП:
1) Для получения энергии при гидро- и пневмоприводах необходимо на авиационном двигателе
устанавливать насосы, а на самолете специальные бачки с гидросмесью или баллоны для воздуха. Это
приводит к увеличению веса вспомогательных установок на самолетах.
2) Трубопроводы гидро- и пневмосистем необходимо прокладывать на большие расстояния, так как
необходимо соединить в одну систему насос, бачок и цилиндр привода.
3) Требуют хорошей герметизации трубопроводов и всей системы.
4) Большая уязвимость трубопроводов (меньшая надежность).
Для повышения надежности гидроприводов используют многоканальное разнородное резервирование,
встроенные системы контроля. Однако при этом многоканальность приводит к существенному
усложнению системы и, как следствие, к снижению эксплуатационной надежности [20].
Расширение задач регулирования приводит к увеличению суммарной потребляемой мощности, которая
уже достигла 1 МВт. В гидроприводах применяют дроссельное и объемное регулирование давления. При
этом в гидроприводах с дроссельным регулированием, предусматривающим изменение давления на
поршень, резко возрастают потери мощности. При объемном регулировании давления требуется установка
регулируемых гидронасосов на каждый гидропривод. Задача решается за счет повышения точности
изготовления деталей и использованием «прямого управления» золотником выходного каскада с помощью
мощных электромеханических преобразователей [20].
В настоящее время практически все гидроприводы и пневмоприводы являются электрофицированными
приводами, так как управление гидроприводом и пневмоприводом осуществляется с помощью
электрических или электронных систем автоматического или автоматизированного управления [10].
Для повышения помехоустойчивости электрогидравлическим приводом используют оптоволоконные
линии связи в системах управления [20].
Примеры электрогидроприводов (данные ОАО Павловский машиностроительный завод «Восход» [20]:
- электрогидравлический рулевой привод РПБ-1Б для управления рулевыми поверхностями
маневренного самолета Су-27; рабочий ход штока 225 мм, максимальное усилие 21760 кгс;
- блок гидравлических приводов РС-7 для управления по каналам курса и крена маневренного самолета
МиГ-35; двукратное резервирование; рабочий ход штока 60 мм, максимальное усилие 700 кгс в каждом
канале;
- электрогидравлическая рулевая машина РМ-220М для электродистанционной системы управления
интерцепторами Ан-72; рабочий ход штока 60 мм, максимальное усилие 2250 кгс;
- привод многоканальный ПМ-15БА для электродистанционной системы управления рулевыми
поверхностями Су-27; рабочий ход штока 340 мм, максимальное усилие 340 кгс;
В настоящее время гидропривод сохраняет свои позиции в дальнемагистральных самолетах (типа Ил-96
и др.), где он используется для управления аэродинамическими рулевыми поверхностями, воздушными
тормозами и т.д [20].
Пневмоприводы нашли применение на сверхзвуковых (М>1) и гиперзвуковых (М>5-6) летательных
аппаратах. У самолета при скорости полета, соответствующей М=3, температура гидросмеси может
достигать 300ºС. Для работы при таких температурах непригодна ни одна из применяемых в гидросистемах
жидкостей минерального происхождения [29].
В высокоманевренных боевых самолетах электропривод начинает создавать серьезную конкуренцию
гидроприводу, а также в системе «вторичного управления полетом» (закрылки, аппараты триммирования и
т.д.), где уровень моментов относительно невысок [20].
Создание новых компактных и легких электрических приводов позволит расширить область их
применения.
В конце 80-х годов ХХ века была сформулирована концепция «полностью электрофицированного
самолета», основными положениями которой были замена гидравлических приводов электроприводами,
отказ от централизованных гидро- и пневмосистем, осуществление отбора мощности от авиадвигателя
только для работы системы электроснабжения, которая обеспечивает все энергетические потребности
самолета [20].
14
1.8. Пути выполнения требований, предъявляемых к электроприводу
1.8.1. Надежность
Надежность электропривода ЛА должна существенно превышать надежность
наземных
электроприводов.
По статистическим данным из-за большого количества аварий и низкого качества защиты срок
службы электродвигателей наземного применения составляет 3-5 лет при общей наработке до отказа
500 – 2000 часов [28].
Отметим, что в электрических машинах надежность и срок службы определяются в основном тремя
факторами: качеством электрической изоляции (20% отказов), качеством подшипниковых узлов (32%
отказов) и надежностью щеточно-контактных устройств (25% отказов) [5, 26].
Повышение надежности, в частности, может быть обеспечено с использованием следующих приемов:
1) Срок службы электрооборудования на ЛА задается меньше, чем у подобных систем общепромышленного назначения [4]. Срок службы (ресурс агрегата) – гарантируемое заводом-изготовителем
время, выраженное в часах работы агрегата. Авиационные электрические машины имеют срок службы
2500-3000 часов (срок службы пассажирского самолета – 25-30 тысяч часов) [5].
2) Высокое качество разработки, изготовления, проведения испытаний и уровня эксплуатации ЭП.
Качество разработки электропривода определяется качеством разработки конструкции и схемотехники,
использованием современной элементной базы, прогрессивными технологиями сборки, монтажа и
испытаний.
Качество
изготовления
обеспечивается
применением
высококачественных
материалов,
совершенствованием технологии производства, методов контроля качества продукции, испытаниями в
условиях, близким к действительным, автоматизацией производства и контроля [2].
Наряду с проведением испытаний в условиях раздельного действия внешних факторов, проводятся и
испытания при комбинированных воздействиях окружающих факторов, при которых возможно появление
отказов, которые не выявляются в других условиях [27].
Высокий уровень эксплуатации определяется строгим выполнением инструкций по эксплуатации,
проведением регламентных работ, использованием современных методов контроля [2].
Контроль
Каждый из перечисленных объектов отказа не имеет прямого текущего информационного параметра и
его техническое состояние приходится определять косвенным образом, т.е. по изменению других
контролируемых параметров [26].
Постепенное старение или механический износ изоляции контролируется периодической (со
сравнительно большим периодом) подачей на обмотку короткого калиброванного импульса повышенного
напряжения с одновременным измерением токов утечки. Явные повреждения электрической изоляции
можно контролировать по изменению температуры обмотки [26].
Износ щеточно-коллекторного узла рекомендуют контролировать либо оптическим способом (по
интенсивности искрения), либо по вторичному признаку – по интенсивности образования озона в области
искрения [26].
Износ подшипников, а также качество сборки чаще всего оценивают по изменению спектра вибраций.
При этом разделение электромагнитных (эксцентриситет ротора по отношению к статору – на двойной
частоте питания), механических (дисбаланс ротора – на частоте вращения) и подшипниковых вибраций
производят на основе статистического спектрально-корреляционного анализа [26].
3) Использование современных средств защиты от аварийных режимов работы.
Одним из способов защиты от аварийных режимов работы является резервирование. При этом наиболее
ответственный агрегат имеет такой же резервный, способный заменить его при отказе [5].
К резервированию можно также отнести использование сдвоенных электромеханизмов
(«двухмоторные» механизмы [21]). Повышенная живучесть таких систем обеспечивается двумя
независимыми силовыми каналами, в каждом из которых имеется двигатель, электромагнитная муфта
сцепления-торможения и редуктор. Движение обоих каналов суммируется в дифференциальном редукторе
и передается на общее выходное устройство через фрикционную муфту. При выходе из строя одного из
каналов второй обеспечивает работу выходного устройства, но со скоростью, в 2 раза меньшей, чем при
работе обоих каналов [5] (то же в разделе «Электромеханизмы»).
4) Отказ от использования двигателей с щеточно-коллекторными узлами и замена контактных
переключателей на бесконтактные полупроводниковые элементы.
15
Суммарная интенсивность отказов щеточно-коллекторного узла, якоря с вращающейся обмоткой,
фрикционной муфты торможения и контактной аппаратуры составляет 70-85% от общей интенсивности
отказов электропривода [21].
5) Рациональный выбор режимов работы ЭД, при которых снижаются предельные тепловые и
механические нагрузки. Тем самым обеспечивается повышение срока службы шарикоподшипниковых
узлов, изоляции, элементов механических передач.
6) Выбор структуры ЭП с минимальным количеством и простых по конструкции промежуточных
преобразователей и силовых регулирующих устройств без ущерба для характеристик системы и
конструкции.
7) Разработка систем и конструкций с ограниченными последствиями отказов. Применение защитных
автоматов, предотвращающие опасные последствия при возникновении повреждений. Использование
сигнализации отказов и состояния систем [2].
8) Замена механического редуцирования частоты вращения на электромагнитное [20].
Требование по надежности связано и с другими приведенными нами требованиями, такими как высокая
механическая, электрическая, термическая прочность, безопасность в отношении пожара и взрыва,
независимость работы от положения в пространстве, скорости полета, ускорений и наличия силы тяжести.
1.8.2. Температурная усточивость.
При изменении температуры меняются линейные размеры деталей, возникают механические
напряжения, что может привести к поломке конструкции. Для повышения температурной устойчивости в
сопряжениях применяют детали из материалов, у которых минимальна разница температурных
коэффициентов расширения. В частности, это особенно важно при посадке на накатку пакета на вал [27].
От внешних источников тепла агрегаты изолируют теплоустойчивыми материалами, помещают в
герметичные кабины или отсеки. Для защиты от низких температур – подогревают. Агрегаты,
нагревающиеся собственными потерями – охлаждают. Простейшим является естественное охлаждение –
конвекция. Для этого корпус агрегата делают из материала хорошо проводящего тепло (дюр-алюминий),
окрашивают в черный цвет, искусственно увеличивают поверхность охлаждения при помощи гофров или
ребер на корпусе или делаю отверстия в корпусе для вентиляции [5].
Снижение степени зависимости температуры агрегата от температуры окружающей среды может быть
достигнуто при использовании более интенсивных способов охлаждения. Например, при жидкостном
распылительном охлаждении изменение температуры окружающей среды на 200С влечет за собой
изменение температуры машины лишь на несколько градусов [27]
Для уменьшения влияния негативных воздействий, связанных с уменьшением плотности воздуха
применяют принудительный отвод тепла. Коммутационную и защитную аппаратуру помещают в
герметичный корпус, в котором сохраняется нормальное давление и плотность [5]. Для работы в условиях
сильно ухудшающейся коммутации ДПТ применяются специальные сорта щеток [14].
Решение проблем повышенных вибраций и ударов.
Наиболее опасное сечение находится в местах крепления, где создаются максимальные концентрации
напряжений. Агрегаты располагают так, чтобы направление их максимальной динамической устойчивости
совпадало с направлением максимальной силы, возникающей при вибрации или ударах.
Для всех винтовых соединений предусматривают средства против самоотвинчивания. Обеспечивается
надежная контровка всех крепежных элементов путем установки отгибных шайб с усом. Для болтов и
винтов с цилиндрической головкой используется мягкая контровочная проволока, для винтов - керновка и
постановка на клей [27].
Действующие механические нагрузки учитываются при выборе прессовых посадок деталей [27].
Посадки
пакетов на валы, особенно у машин средней и малой мощности, производятся с
использованием шпонок, исключающих проворот при механических перегрузках. Осевое крепление
пакетов осуществляется гайками, стопорными пружинными кольцами или массивными стопорными
кольцами, насаженными на вал с большим натягом [27].
При пайке всех проводников применяется дополнительное механическое крепление [27].
Лобовые части неподвижных обмоток наряду с пропиткой лаком и компаундом, стягиваются
бандажировочными шнурами [27].
Для снижения динамических усилий, действующих на агрегат, применяют резиновые или пружинные
амортизаторы. Они имеют упругий элемент, благодаря которому энергия вибраций в течение полупериода
действия не успевает полностью передаться на агрегат, так как за импульсом одного знака следует импульс
другого. Кроме того, часть энергии вибрации расходуется на преодоление упругости материала [5].
16
В резиновых амортизаторах затухание колебаний происходит в результате внутреннего трения в
материале резины. Резиновые амортизаторы дешевы, просты по конструкции. Недостатком их является
ограниченный интервал допустимых рабочих температур, слабое поглощение ударных перегрузок и то, что
резина электрически изолирует агрегат от корпуса самолета, в связи с чем для металлизации необходимо
ставить гибкие перемычки [5].
В пружинных амортизаторах затухание колебаний происходит в результате упругости пружины. В
амортизаторах такого типа возможно нарастание амплитуды колебаний, которая достигает максимальной
величины при равенстве частот собственных и вынужденных колебаний. Такие амортизаторы должны быть
рассчитаны на условия работы, при которых не может наступить резонанс колебаний [5].
1.8.3. Химическая (климатическая) стойкость.
Для уменьшения коррозии металлических частей применяют материалы, устойчивые против
имеющихся вредных воздействий, например, кадмированное железо, покрытие алюминиевых деталей
специальными антикоррозионными красками, лаками и т.п [20].
1.8.4. Взрывобезопасность.
Агрегаты, соприкасающиеся с горючими материалами и их парами, например, двигатели топливных
насосов, должны иметь герметичное исполнение, исключающее возможность появления открытой дуги или
искры [5].
1.8.5. Огнестойкость.
Агрегаты, работа которых необходима в аварийных условиях, должны быть огнестойкими. Они должны
сохранять свою работоспособность в течение 5 минут при воздействии на их поверхность пламени с
температурой 1100 С [5]. Скорость горения материалов в горизонтальном направлении не должна
превышать 100 мм/мин [20].
1.8.6. Отсутствие помех радиоприему.
Источниками радиопомех являются искры в контактах аппаратов, щеточных узлах ЭМ и в системе
зажигания, переменные магнитные и электрические поля машин и аппаратов. Защита от помех
осуществляется при помощи фильтра и экранов [5]. Провода с большими токами, которые могут
образовывать местные магнитные поля и влиять на показания приборов и магнитных компасов, следует
удалять от таких приборов на возможно большее расстояние [20]. См.также Раздел 2, п. 2.4.2.
1.8.7. Минимизация массы и габаритов
Уменьшение массы и габаритов может быть достигнуто следующим образом.
1) Использование, где это возможно, легких материалов (например, алюминия, магния и сплавов на их
основе); замена металлов легкими пластмассами; увеличение жесткости без утолщения детали; применение
высококачественных конструкционных материалов; замена медных проводников алюминиевыми [5];
2) Переход на питание током повышенного напряжения [5];
3) Разумный выбор запаса прочности и надежности [5].
4) Совмещение нескольких функций в одном агрегате, рациональность кинематической схемы. Пример
совмещения функций: деталь, изготовленная из диэлектрика, имеющего как конструкционное, так и
изоляционное назначение; пружина, служащая упругим и токоведущим элементом [5].
5) Увеличение электромагнитных нагрузок на активные материалы.
Связь между размерами (массой) электродвигателя и электрическими и магнитными нагрузками
устанавливается с помощью соотношения:
Согласно выражению:
Da2la 
k  Рэ
В   п  А  n
(1)
где Da-диаметр якоря, la-длина якоря, Pэм – электромагнитная мощность, B – магнитная индукция в
воздушном зазоре, п – расчетный коэффициент полюсного перекрытия; A – линейная нагрузка, n –
номинальная частота вращения ротора, k – коэффициент, учитывающий другие параметры уравнения.
При фиксированной мощности уменьшение массы и габаритных размеров может быть достигнуто при
увеличении электромагнитных нагрузок: магнитной индукции в воздушном зазоре B и линейной нагрузки
А=2mwф*I/(πD).
Повышение B приводит к увеличению потерь в стали, пропорциональных квадратам амплитуды
переменной составляющей магнитных индукций в ферромагнитных участках магнитопровода, связанных
при прочих равных условиях с B.
Повышенные линейные нагрузки достигаются повышением плотности тока в обмотке якоря (и как
следствие увеличением электрических потерь). У авиационных ЭМ плотность тока составляет 6-15 А/мм2;
у электроприводов общего назначения - 3-8 А/мм2 [13].
17
Увеличение потерь, вызванное повышением электромагнитных нагрузок, приводит к повышению
температуры элементов электродвигателя и снижению КПД. Таким образом, габаритные размеры
электродвигателя заданной мощности в значительной степени определяются допустимой температурой
[29].
Повышение индукции в воздушном зазоре B возможно при применении магнитных материалов с
высокими магнитными свойствами. Повышение электромагнитных нагрузок в целом возможно при
применении теплостойких изоляционных материалов и эффективных систем охлаждения [5] или при
сокращенном сроке службы электродвигателя.
У авиационных электрических машин допустимые температуры нагрева для одних и тех же классов
изоляции в 1,5 – 2 раза выше, чем у машин общего назначения. Это приводит к более напряженным
тепловым режимам работы, ускоряет процесс старения изоляции, сокращая ее срок службы [13].
Для АД общего назначения п=0,67  0,72, А = 200  450 A/см и Вδ = 0,65...0,8Т при Рн = 0,4  1000 кВт
(для двухполюсных машин А надо уменьшить на 15  20%, а Bδ — на 10  15%) [19].
6) Использование электроприводов, спроектированных на высокие частоты вращения.
Связь между размерами электродвигателя и частотой вращения устанавливается также с помощью
соотношения (1).
Как видно из уравнения, при заданной мощности масса и габаритные размеры электродвигателя
снижается с увеличением номинальной частоты вращения.
Для авиационных электрических машин номинальные частоты вращения в среднем составляют 4000 –
10 000 об/мин, у двигателей гироагрегатов – до 30000 об/мин. Для сравнения, у электродвигателей общего
назначения частоты вращения 800-3000 об/мин [13].
Негативные стороны повышения номинальной частоты вращения двигателя.
1) Во-первых, нельзя забывать, что как бы мы не проектировали двигатель, скорость движения
исполнительного механизма определяется его функциями на борту ЛА. При высокой номинальной
скорости двигателя скорость движения исполнительного механизма оказывается намного меньше, чем у
электропривода. Для согласования частот вращения используются редукторы с большим передаточным
отношением. Как известно, с повышением передаточного отношения возрастают масса и габариты
редуктора, а с увеличением размеров растут потери на трение [3].
Как показывает практика, электромеханизм, состоящий из быстроходного электродвигателя и
редуктора, получается, как правило, по массе и размерам меньше, чем тихоходный электродвигатель той
же мощности, непосредственно сочлененный с приводимым агрегатом [2].
2) Увеличение частоты вращения (и связанной с ней частоты перемагничивания и частоты тока в
обмотках) приводит:
- к увеличению потерь в стали;
- к росту проявления эффекта вытеснения тока, вызывающего увеличение активного сопротивления
обмотки;
- к увеличению механических потерь;
- к увеличению длительности переходных процессов ЭД;
- к ухудшению коммутации;
- к росту механических напряжений и снижению срока службы подшипников.
Перечисленные негативные факторы обуславливают необходимость применения высококачественных
конструкционных материалов и подшипников, тщательной проработки конструкции, точной балансировки
ротора. Все это усложняет технологию и увеличивает стоимость двигателя.
Как достичь большой частоты вращения?
В двигателях постоянного тока частота вращения определяется значением момента сопротивления и
параметрами, определяющими положение механической характеристики двигателя (напряжением питания,
потоком возбуждения и т.д.).
В двигателях переменного тока частота вращения связана с частотой напряжения в рабочих обмотках:
n=60*f1/p
При фиксированной частоте питающего напряжения предел повышения частоты вращения определяется
минимальным числом пар полюсов (р=1). Для бытовой сети (f1=50 Гц) максимальная синхронная частота
вращения равна 3000 об/мин. Для авиационных электрических машин этого оказывается недостаточно.
Необходимо повышать стандартный уровень частоты.
Отметим, что с ростом частоты тока при прочих равных условиях снижаются размеры (и масса)
дросселей насыщения, трансформаторов, магнитных усилителей, конденсаторов. Однако рост реактивных
сопротивлений в длинных линиях, который наблюдается при повышении частоты напряжения, приводит к
18
повышению потерь. Кроме того, в трехфазных системах при повышении частоты напряжения повышается
негативное влияние несимметричности нагрузки по фазам, ухудшающая эффективность работы ЭП.
Исследования показали, что минимум удельного веса лежит в пределах 300 – 600 Гц. При этих частотах
получается минимальная масса большей части агрегатов электрооборудования, чувствительных к частоте,
обеспечивается достаточная быстроходность двигателей и мало сказывается поверхностный эффект в
проводах [5].
В итоге для самолетных электрических установок была выбрана система переменного тока с частотой
400 Гц. Для ряда космических аппаратов выбрана частота 1000 Гц.