eng
Выпуск #3/2024
Е. Дудоров, Д. Кувшинов
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ И БЕСПИЛОТНЫХ АППАРАТОВ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ РОБОТОТЕХНИКИ И БЕСПИЛОТНЫХ АППАРАТОВ
Просмотры: 762
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.234.3.122.126
Рассмотрены электродвигатели различных типов для беспилотных авиационных систем и робототехники, разрабатываемые в АО «НПО «Андроидная техника».
Рассмотрены электродвигатели различных типов для беспилотных авиационных систем и робототехники, разрабатываемые в АО «НПО «Андроидная техника».
Теги: electric motors robotics unmanned aerial systems беспилотные авиационные системы робототехника электродвигатели
Электродвигатели для отечественной робототехники и беспилотных аппаратов
Е. Дудоров, к.т.н., Д. Кувшинов
До 90% разрабатываемых сегодня робототехнических комплексов (РТК) и беспилотных авиационных систем (БАС) содержат электродвигатель как тяговое устройство. Тому есть несколько причин – это быстрое прототипирование, относительно низкая стоимость, удобство в управлении. Выбор подходящего решения для использования в качестве тягового электродвигателя или генератора во многом определяется условиями эксплуатации и требуемой механической характеристикой. В статье рассматриваются электродвигатели различных типов для БАС и робототехники, разрабатываемые
в АО «НПО «Андроидная техника».
Из множества существующих электродвигателей наиболее изучены и чаще всего используются четыре: двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели, синхронные электродвигатели на постоянных магнитах, синхронные реактивные двигатели. Основные параметры электрических машин, которые необходимо учитывать: мощность электродвигателя, номинальная частота вращения, момент электродвигателя, момент инерции ротора, номинальное напряжение, электрическая постоянная времени, механическая характеристика, коэффициент полезного действия (КПД).
С возросшим интересом к электрическому транспорту целесообразно выбрать наиболее передовые решения в области электропривода. По прогнозам аналитиков,
в ближайшие 5–10 лет каждый автомобиль в продаже будет гибридный или полностью на электроприводе. По версии Bloomberg New Energy Finance стоимость электромобилей с учетом государственных субсидий станет ниже, чем у обычных автомобилей уже в 2025–2030 годах, а доля продаж к 2050 году может достичь 65–70%. Несмотря на ясность требований автомобильной промышленности, выбор наиболее подходящего электродвигателя для этой цели все еще остается проблемой. Большинство современных коммерческих электромобилей оснащены либо асинхронным двигателем, либо двигателем на постоянных магнитах.
Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами находят применение не только в автомобилестроении, но и в других отраслях промышленности, требующих приводных решений, в том числе: в бытовой технике, в масштабных радиоуправляемых моделях, в станках числового программного управления,
в опорно-поворотных устройствах, в беспилотных авиационных системах и др.
Особенно часто такие двигатели используются в отраслях, где важны компактные размеры и низкая потребляемая мощность. Благодаря отсутствию технологических ограничений, электродвигатели этого типа могут быть изготовлены практически любого размера.
Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами являются наиболее перспективными в диапазоне малых и средних мощностей, благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам. Такие электродвигатели отличаются простотой конструкции, отсутствием потерь на возбуждение и наличием высокой стабильной скорости вращения ротора, что выделяет их из прочих электрических машин и обеспечивает им применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также в системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.
АО «НПО «Андроидная техника» с 2018 года разрабатывает собственные решения в области создания синхронных бесколлекторных электродвигателей серии AT Drive (рис. 1а) и аксиальных бесколлекторных электродвигателей AX Drive (рис. 1б).
Эти электродвигатели хорошо себя зарекомендовали при применении в современных РТК «Маркер», в коллаборативных манипуляторах, опорно-поворотных устройствах, системах точного позиционирования. Синхронные бесколлекторные электродвигатели являются
основой линейки сервоприводов «ХАРЗА» производства ООО «ИнноДрайв». Сервоприводы применяются в широком круге систем и изделий для решения задач высокоточного позиционирования, в том числе в экстремальных условиях, таких как высокие и низкие температуры, агрессивные среды, высокая влажность.
В развитие технологий производства электродвигателей с радиальным и аксиальным магнитными потоками и поиск оптимальных конструктивных решений для них включается всё больше производственных компаний в мире, также принимают активное участие и многие мировые университеты. Наблюдается рост публикационной активности и выполняемых исследований в области новых материалов, оптимизации дизайна конструкции электродвигателей.
В условиях санкционных ограничений, со стороны стран, обладающих передовыми технологическими разработками, возникает необходимость наращивания
научно-технического и технологического заделов по наиболее перспективным направлениям развития электродвигателестроения. Одним из таких перспективных направлений является разработка и производство электродвигателей для БАС.
Применение электродвигателей на БАС обусловлено такими причинами, как:
По оценкам Drone Industry Insights, опубликованным в апреле 2022 года, мировой рынок БАС вырастет до 41,3 млрд долл. к 2026 году. В то же время объем российского рынка БАС к 2026 году, согласно распоряжению Правительства РФ от 21 июня 2023 года №1630-р,
составит 50 млрд руб. При этом примерный объем рынка двигателей для БАС достигнет 16 млрд руб. Разработка и массовое производство собственных российских электродвигателей для БАС становится актуальным. Однако, в отличие от бесколлекторных электродвигателей радиального и аксиального типа, которые преимущественно производятся ручным и полуавтоматическим способом, производство электродвигателей БАС требует серьезного технологического оснащения. В противном случае производство электродвигателей БАС экономически нецелесообразно.
В «НПО «Андроидная техника» с 2023 года ведется собственная разработка электродвигателей БАС под маркой АТБ. В настоящее время разработано и испытано три типа электродвигателей БАС: АТБ-3115, АТБ-8009 и АТБ-13715 (рис. 2). Основные характеристики разработанных АТБ-электродвигателей приведены в табл. 1, разрабатываемых моделей – в табл. 2.
Разрабатываемые электродвигатели спроектированы таким образом, чтобы присоединительные размеры позволяли выполнить замену зарубежного электродвигателя без применения дополнительных переходников или адаптеров. Механическая характеристика электродвигателя близка к аналогам, однако за счет оптимизации конструкции удается снизить массу и повысить КПД. Также механическая характеристика электродвигателя может быть скорректирована таким образом, чтобы добиться наибольшего КПД при использовании совместно с винтом.
Как правило, электродвигатели для БАС способны работать в пиковом режиме ограниченное время, так как под нагрузкой температура обмоток достигает уровня 95–115°С и более в зависимости от применяемых материалов. Ниже представлен анализ электродвигателей производства T-motor и BrotherHobby.
Электродвигатели T-motor демонстрируют по показателю соотношения тяги и затраченной энергии эффективность на порядок выше, чем BrotherHobby.
На рис. 3–4 представлена средняя область диапазона характеристик рассмотренной линейки электродвигателей с диаметром статора 28–42 мм.
На рис. 4 видно смещение мощности BrotherHobby в зону низкого КПД. Это означает, что производитель указывает завышенные значения тока (пиковой мощности). Серая закрашенная область для T-motor демонстрирует более высокий показатель тяги во всём диапазоне доступной мощности и лучшие характеристики в диапазоне 2,75–5,00 г/Вт.
Значительная часть мощности BrotherHobby теряется на нагрев обмоток статора и не участвует в полезной работе.
По результатам стендовых испытаний было установлено, что электродвигатели BrotherHobby могут работать в пиковом режиме в течение 10–30 с, вместо заявленных производителем в паспорте 60 с. Кроме того, фактическая температура обмоток составляла 115–120 °С.
Четыре года назад АО «НПО «Андроидная техника» выбрало курс на локализацию производства высокотехнологичных решений и создания отечественных компонентов робототехники. С февраля 2022 года предприятие в сроки от 3 до 5 мес. стало разрабатывать уникальные электродвигатели, которые заменили импортные аналоги. За период 2022–2023 годов было разработано 18 новых типоразмеров двигателей.
Е. Дудоров, к.т.н., Д. Кувшинов
До 90% разрабатываемых сегодня робототехнических комплексов (РТК) и беспилотных авиационных систем (БАС) содержат электродвигатель как тяговое устройство. Тому есть несколько причин – это быстрое прототипирование, относительно низкая стоимость, удобство в управлении. Выбор подходящего решения для использования в качестве тягового электродвигателя или генератора во многом определяется условиями эксплуатации и требуемой механической характеристикой. В статье рассматриваются электродвигатели различных типов для БАС и робототехники, разрабатываемые
в АО «НПО «Андроидная техника».
Из множества существующих электродвигателей наиболее изучены и чаще всего используются четыре: двигатели постоянного тока, асинхронные двигатели, синхронные электродвигатели на постоянных магнитах, синхронные реактивные двигатели. Основные параметры электрических машин, которые необходимо учитывать: мощность электродвигателя, номинальная частота вращения, момент электродвигателя, момент инерции ротора, номинальное напряжение, электрическая постоянная времени, механическая характеристика, коэффициент полезного действия (КПД).
С возросшим интересом к электрическому транспорту целесообразно выбрать наиболее передовые решения в области электропривода. По прогнозам аналитиков,
в ближайшие 5–10 лет каждый автомобиль в продаже будет гибридный или полностью на электроприводе. По версии Bloomberg New Energy Finance стоимость электромобилей с учетом государственных субсидий станет ниже, чем у обычных автомобилей уже в 2025–2030 годах, а доля продаж к 2050 году может достичь 65–70%. Несмотря на ясность требований автомобильной промышленности, выбор наиболее подходящего электродвигателя для этой цели все еще остается проблемой. Большинство современных коммерческих электромобилей оснащены либо асинхронным двигателем, либо двигателем на постоянных магнитах.
Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами находят применение не только в автомобилестроении, но и в других отраслях промышленности, требующих приводных решений, в том числе: в бытовой технике, в масштабных радиоуправляемых моделях, в станках числового программного управления,
в опорно-поворотных устройствах, в беспилотных авиационных системах и др.
Особенно часто такие двигатели используются в отраслях, где важны компактные размеры и низкая потребляемая мощность. Благодаря отсутствию технологических ограничений, электродвигатели этого типа могут быть изготовлены практически любого размера.
Синхронные бесколлекторные электродвигатели с постоянными магнитами являются наиболее перспективными в диапазоне малых и средних мощностей, благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам. Такие электродвигатели отличаются простотой конструкции, отсутствием потерь на возбуждение и наличием высокой стабильной скорости вращения ротора, что выделяет их из прочих электрических машин и обеспечивает им применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также в системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.
АО «НПО «Андроидная техника» с 2018 года разрабатывает собственные решения в области создания синхронных бесколлекторных электродвигателей серии AT Drive (рис. 1а) и аксиальных бесколлекторных электродвигателей AX Drive (рис. 1б).
Эти электродвигатели хорошо себя зарекомендовали при применении в современных РТК «Маркер», в коллаборативных манипуляторах, опорно-поворотных устройствах, системах точного позиционирования. Синхронные бесколлекторные электродвигатели являются
основой линейки сервоприводов «ХАРЗА» производства ООО «ИнноДрайв». Сервоприводы применяются в широком круге систем и изделий для решения задач высокоточного позиционирования, в том числе в экстремальных условиях, таких как высокие и низкие температуры, агрессивные среды, высокая влажность.
В развитие технологий производства электродвигателей с радиальным и аксиальным магнитными потоками и поиск оптимальных конструктивных решений для них включается всё больше производственных компаний в мире, также принимают активное участие и многие мировые университеты. Наблюдается рост публикационной активности и выполняемых исследований в области новых материалов, оптимизации дизайна конструкции электродвигателей.
В условиях санкционных ограничений, со стороны стран, обладающих передовыми технологическими разработками, возникает необходимость наращивания
научно-технического и технологического заделов по наиболее перспективным направлениям развития электродвигателестроения. Одним из таких перспективных направлений является разработка и производство электродвигателей для БАС.
Применение электродвигателей на БАС обусловлено такими причинами, как:
- высокий коэффициент полезного действия (в случае применения бесколлекторного двигателя фактически может достигать 95%);
- синхронные электродвигатели с постоянными магнитами имеют значительно меньшие массу и габариты, чем аналогичные по характеристикам двигатели внутреннего сгорания;
- не требуют применения топлива для обеспечения функционирования, что расширяет возможности конструирования БАС, так как не нужно предусматривать размещение в корпусе БАС топливопроводов;
- система питания синхронных электродвигателей с постоянными магнитами (аккумуляторная батарея менее взрывоопасна, чем аналогичная система с двигателем внутреннего сгорания);
- низкий уровень теплового излучения, что критически важно для полетных целей БАС и исключения (снижения) возможности обнаружения тепловым радаром и расширяет возможности применения БАС.
По оценкам Drone Industry Insights, опубликованным в апреле 2022 года, мировой рынок БАС вырастет до 41,3 млрд долл. к 2026 году. В то же время объем российского рынка БАС к 2026 году, согласно распоряжению Правительства РФ от 21 июня 2023 года №1630-р,
составит 50 млрд руб. При этом примерный объем рынка двигателей для БАС достигнет 16 млрд руб. Разработка и массовое производство собственных российских электродвигателей для БАС становится актуальным. Однако, в отличие от бесколлекторных электродвигателей радиального и аксиального типа, которые преимущественно производятся ручным и полуавтоматическим способом, производство электродвигателей БАС требует серьезного технологического оснащения. В противном случае производство электродвигателей БАС экономически нецелесообразно.
В «НПО «Андроидная техника» с 2023 года ведется собственная разработка электродвигателей БАС под маркой АТБ. В настоящее время разработано и испытано три типа электродвигателей БАС: АТБ-3115, АТБ-8009 и АТБ-13715 (рис. 2). Основные характеристики разработанных АТБ-электродвигателей приведены в табл. 1, разрабатываемых моделей – в табл. 2.
Разрабатываемые электродвигатели спроектированы таким образом, чтобы присоединительные размеры позволяли выполнить замену зарубежного электродвигателя без применения дополнительных переходников или адаптеров. Механическая характеристика электродвигателя близка к аналогам, однако за счет оптимизации конструкции удается снизить массу и повысить КПД. Также механическая характеристика электродвигателя может быть скорректирована таким образом, чтобы добиться наибольшего КПД при использовании совместно с винтом.
Как правило, электродвигатели для БАС способны работать в пиковом режиме ограниченное время, так как под нагрузкой температура обмоток достигает уровня 95–115°С и более в зависимости от применяемых материалов. Ниже представлен анализ электродвигателей производства T-motor и BrotherHobby.
Электродвигатели T-motor демонстрируют по показателю соотношения тяги и затраченной энергии эффективность на порядок выше, чем BrotherHobby.
На рис. 3–4 представлена средняя область диапазона характеристик рассмотренной линейки электродвигателей с диаметром статора 28–42 мм.
На рис. 4 видно смещение мощности BrotherHobby в зону низкого КПД. Это означает, что производитель указывает завышенные значения тока (пиковой мощности). Серая закрашенная область для T-motor демонстрирует более высокий показатель тяги во всём диапазоне доступной мощности и лучшие характеристики в диапазоне 2,75–5,00 г/Вт.
Значительная часть мощности BrotherHobby теряется на нагрев обмоток статора и не участвует в полезной работе.
По результатам стендовых испытаний было установлено, что электродвигатели BrotherHobby могут работать в пиковом режиме в течение 10–30 с, вместо заявленных производителем в паспорте 60 с. Кроме того, фактическая температура обмоток составляла 115–120 °С.
Четыре года назад АО «НПО «Андроидная техника» выбрало курс на локализацию производства высокотехнологичных решений и создания отечественных компонентов робототехники. С февраля 2022 года предприятие в сроки от 3 до 5 мес. стало разрабатывать уникальные электродвигатели, которые заменили импортные аналоги. За период 2022–2023 годов было разработано 18 новых типоразмеров двигателей.
Отзывы читателей
