ВКР: Бесколлекторный двигатель постоянного тока привода создания горизонтальной тяги для беспилотного летательного аппарата

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 6

1 Самолеты вертикального взлета и посадки....................................................... 7

2 БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой .................................................... 12

2.1 Конвертопланы............................................................................................. 13

2.2 Автожиры...................................................................................................... 14

2.3 Тэйлситтеры.................................................................................................. 15

2.4 Квадрокоптеры............................................................................................. 16

2.5 Разрабатываемый прототип ........................................................................ 17

3 Типы двигателей привода создания тяги......................................................... 20

3.1 Двигатели внутреннего сгорания ............................................................... 20

3.1.1 Поршневые двигатели ........................................................................... 20

3.1.2 Газотурбинные двигатели..................................................................... 22

3.2 Коллекторные двигатели............................................................................. 23

3.3 Бесколлекторные двигатели........................................................................ 25

3.4 Обоснование выбора двигателя.................................................................. 28

4 Расчет бесколлекторного двигателя постоянного тока с внешним ротором с постоянными магнитами ...................................................................................... 30

4.1 Исходные данные для расчета электродвигателя..................................... 30

4.2 Расчет электродвигателя ............................................................................. 32

4.2.1 Определение основных размеров и коэффициентов

электродвигателя............................................................................................. 32

4.2.2 Расчет магнитной цепи.......................................................................... 34

4.2.3 Определение параметров якоря и индуктора...................................... 35

4.2.4 Уточнение коэффициентов магнитной цепи ...................................... 38

4.2.5 Потери, полезная мощность и КПД..................................................... 40

4.2.6 Механические и рабочие характеристики бесколлекторного двигателя постоянного тока........................................................................... 43 4.2.7 Прочностной расчет............................................................................... 44 4.2.8 Векторная диаграмма бесколлекторного двигателя .......................... 45

5 Численное моделирование распределения магнитных и температурных полей электродвигателя в QuickField.................................................................. 47

4

5.1 Моделирование распределения магнитных полей электродвигателя .... 47

5.1.1 Моделирование распределения магнитных полей в режиме холостого хода................................................................................................. 50

5.1.2 Моделирование распределения магнитных полей электродвигателя в номинальном режиме работы........................................................................ 55

5.1.3 Моделирование распределения магнитных полей электродвигателя с включенной обмоткой якоря и размагниченными магнитами................... 58

5.2 Моделирование распределения теплового поля электродвигателя........ 59 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 65

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 66 ПРИЛОЖЕНИЕ А ................................................................................................. 69

5

ВВЕДЕНИЕ

На данный момент в мире создано много видов летательных аппаратов: самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты, планеры и др. Но также существуют самолеты с вертикальным взлетом и посадкой (СВВП).

СВВП (VTOL)– это летательный аппарат, способный взлетать и садиться при нулевой горизонтальной скорости, используя тягу двигателя, направленную вертикально. В основном их применяют в военных целях.

Главным преимуществом таких самолётов является их высокая маневренность. Они имеют возможность зависания, разворота в этом положении и полета в боковом направлении в зависимости от используемых двигательной установки и системы управления. Второй плюс – это способность выполнять полёты с неподготовленных для этого площадок ограниченных размеров.

Недостатков у СВВП достаточно много. Они требуют высочайшего уровня управления и большого расхода топлива, что сокращает время полёта. Также они крайне чувствительны к порывам ветра, что приводит к затруднениям во время взлета и посадки летательного аппарата [1].

В настоящее время актуальна тема беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Они дают возможность применять систему вертикального взлета и посадки в различных целях.

В данной работе будут рассмотрены СВВП, БПЛА с ВВП, типы двигателей, используемых в БПЛА с ВВП, проведен расчет, численное моделирование распределения магнитных и температурных полей и составлен чертеж поперечного и продольного разрезов бесколлекторного электродвигателя постоянного тока привода создания горизонтальной тяги для БПЛА. Конструкция электродвигателя выполнена с внешним ротором. На роторе двигателя находятся редкоземельные магниты, что позволяет обойтись без использования контактных колец.