Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 81 УДК 629.78 ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ В ВАКУУМЕ Белый А.В., Карпович А.Н., Биленко Э.Г. Физико-технический институт НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь Исследовано влияние вакуума и низких температур на рабочие характеристики высоко- моментного электрического двигателя. Установлено, что величина вакуума, в отличие от температуры, не влияет на его пусковые характеристики. Снижение температуры двигателя до 143 К повышает пусковой ток в 3,5 раза от номинального, при этом ча- стота вращения не превышает 100 мин-1, после чего двигатель останавливается. (E-mail: vmo@tut.by) Ключевые слова: высокомоментный электродвигатель, имитация космоса. Введение Одной из актуальных проблем современ- ной космонавтики является увеличение срока службы космической техники и упрощение ее обслуживания [1–3]. Как внутри космической станции, так и снаружи имеются механизмы, состоящие из подвижных систем [4–6]. Эти механизмы управляются дистанционно, и коэф- фициент их безотказности должен быть макси- мально высоким. В результате сотрудничества белорусских и российских специалистов за по- следние 5 лет разработан экспериментальный образец высокомоментного электродвигателя (в дальнейшем – двигатель), который может рабо- тать как электродвигатель и как трибометр для определения триботехнических свойств мате- риалов в условиях космического простран- ства [7]. Целью работы являлось определение рабо- тоспособности двигателя в вакууме при ком- натной и низкой температурах в диапазоне ско- ростей вращения 0–1000 мин-1. Методика проведения исследований Испытания двигателя проводились в ваку- умной установке УВН-71П, рабочая камера которой оснащена откачным постом, обеспечи- вающим давление остаточных газов не выше 1,3∙10-4 Па, и криоплатформой, в которой цир- кулирует жидкий азот, обеспечивая на поверх- ности криоплатформы температуру до 120 К. Двигатель жестко закреплен на криоплатформе для обеспечения теплового контакта. Для измерения температурных параметров использовалось 3 термопреобразователя сопро- тивления медь-константан класса B (ГОСТ 6651-94), которые позволяют регистрировать температуру в диапазоне 73–473 К с погрешно- стью измерения ±0,6 К. Термопары перед ис- пытаниями тарировались на специальной уста- новке при использовании сертифицированного ртутного термометра ТМ-8М. Температура фиксировалась с помощью многоканального измерителя-регулятора «Сосна-004» с погреш- ностью не более ±0,25 %. На рисунке 1 показаны места расположе- ния термопар: 1 – между поверхностью крио- платформы и корпусом двигателя; 2 – на кор- пусе двигателя в непосредственной близости от подшипника; 3 – во фторпластовой гильзе, ка- сающейся обмотки статора двигателя. Рисунок 1 – Криоплатформа с двигателем Методы измерений, контроля, диагностики 82 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Подшипники двигателя смазаны конси- стентной смазкой типа ВНИИНП-281 (ТУ 38.10123-81) с вязкостью при 220 К не более 1500 Па∙с. Энергопотребление двигателя (пусковой и номинальный токи) контролировались при по- мощи амперметра, встроенного в корпус блока питания, который обеспечивает работу двига- теля и электронного блока управления, показы- вающего общее потребление тока. Результаты исследований и их обсуждение С целью определения влияния вакуума, нагрузки и температуры окружающей среды на пусковые характеристики высокомоментного электрического двигателя проведено 4 испыта- ния, которые описаны в таблице. Результаты триботехнического испытания № 1 представлены на рисунках 2, 3. В процессе работы двигателя его темпера- тура монотонно возрастала. Наибольший гра- диент температуры отмечается вблизи под- шипника и статора (рисунок 2). Это связано с наличием трибоконтакта в системе статор- подшипник-ротор и протеканием электриче- ского тока по катушкам статора. Пусковой ток с 1,8 А снижается до 1 А (рисунок 3) при вы- ходе на рабочий (номинальный) режим (частота вращения 1000 мин-1). На рисунках 4, 5 приведены результаты испытания № 2. Таблица – Режимы испытаний в зависимости от давления (P) в вакуумной камере, нагрузки (N) и температуры (T) корпуса двигателя № испытания Pзапуска, Па Pрабочее, Па N, Н Tзапуска, К Tрабочая, К 1 1∙10-3 1∙10-3 0 280 300 2 1∙10-3 1∙10-3 5 280 320 3 1∙10-3 2,6∙10-4 0 300 200 4 6,6∙10-5 6,6∙10-5 0 140 140 Рисунок 2 – Зависимость температуры корпуса двигателя (T1), подшипника (T2) и обмотки статора (T3) от времени испытания № 1 Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 83 Рисунок 3 – Зависимость потребления тока от времени испытания № 1 Рисунок 4 – Зависимость температуры корпуса двигателя (T1), подшипника (T2) и обмотки статора (T3) от времени испытания № 2 Анализируя рисунки 3 и 5 необходимо от- метить, что даже малая нагрузка на ротор (N = = 5 Н) способствует увеличению температуры обмоток статора и подшипника в среднем на 20 К по сравнению с холостым ходом (таблица). Это связано с тем, что в вакууме тепло передается только в виде излучения, поэтому нет эффективного метода охлаждения нагруженного двигателя. Данные, представленные на рисунке 5, де- монстрируют увеличение пускового тока в 2 раза при запуске нагруженного двигателя. Однако в рабочем режиме установившегося вращения ток питания находится в пределах 1,2–1,3 А. Методы измерений, контроля, диагностики 84 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Рисунок 5 – Зависимость потребления тока от времени испытания № 2 Результаты тритобехнического испытания № 3 представлены на рисунках 6, 7. Запуск двигателя и подача жидкого азота в криоплатформу происходила одновременно. Следует отметить, что охлаждение способствовало улучшению вакуума в камере до значения 2,6∙10-4 Па (см. таблицу) за счет адсорбции остаточных газов на криоплатформу. За 10 мин двигатель вышел на рабочий режим холостого хода. За это же время температура его корпуса снизилась до 180 К (рисунок 6) после чего стабилизировалась на значении порядка 200 К. Это связано с уравновешиванием процессов охлаждения нижней части корпуса двигателя и нагревом верхней и внутренней частей, в которых находятся подшипник и обмотки статора. С 30-й минуты испытания процесс охлаждения двигателя начинает преобладать, что приводит к монотонному снижению температуры в области подшипника и обмоток статора (рисунок 6). Рисунок 7 демонстрирует повышение тока питания двигателя с увеличением времени ис- пытания и снижением температуры подшипника (рисунок 6), что указывает на схватывание в подшипнике за счет повышения вязкости консистентной смазки. Рисунок 6 – Зависимость температуры корпуса двигателя (T1), подшипника (T2) и обмотки статора (T3) от времени испытания № 3 Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 85 Рисунок 7 – Зависимость потребления тока от времени испытания № 3 На рисунках 8, 9 представлены результаты испытания № 4. Испытание на- чалось с охлаждения двигателя до макси- мально возможных температур, а со 150-й минуты были предприняты попытки запуска двигателя. Установлено, что запуск двигателя с тем- пературой на его корпусе 140 К невозможен. Температура подшипника и обмотки статора составляла на момент запуска 235 К (рисунок 8), а величина пускового тока доходила до 7 А, однако это не позволяло увеличить частоту вращения двигателя свыше 100 мин-1. Было предпринято 4 запуска двигателя подряд с тем же результатом. На рисунке 8 видно, что частый пуск двигателя с высоким пусковым током приводит к существенному увеличению его температуры. Рисунок 8 – Зависимость температуры корпуса двигателя (T1), подшипника (T2) и обмотки статора (T3) от времени испытания № 4 Методы измерений, контроля, диагностики 86 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Рисунок 9 – Зависимость потребляемого тока от времени испытания № 4 Заключение Установлено, что при эксплуатации элек- тродвигателя в условиях низких температур в вакууме происходит нарушение штатных ре- жимов работы, выражающееся в увеличении тока потребления и остановках. Выявлено, что нарушение режима работы высокомоментного электодвигателя при низких температурах в вакууме вызвано эффектом подклинивания шариков подшипника, обуслов- ленного увеличением вязкости смазки. Работа выполнена в рамках программы Союзного государства «Космос-НТ», меропри- ятие 3.3 «Создание и экспериментальная отра- ботка новых приборов, материалов и базовых технологий, унифицированных схемотехниче- ских решений, разработка и создание оборудо- вания обеспечения движения и функциониро- вания перспективного микроспутника». Список использованных источников 1. Шарп, М.Р. Человек в космосе / М.Р. Шарп // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа : http:// www.astronaut.ru/bookcase/books/sharp01/text/12.h tm?reload_coolmenus. – Дата доступа : 16.06.2011. 2. Reed, R.D. Wingless Flight. The Lifting Body Story / R.D. Reed // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа : http://spacebook.narod.ru/ books/sp4220.exe. – Дата доступа : 16.06.2011. 3. Каманин, Н.П. Скрытый космос. Книга 4. / Н.П. Каманин // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа : http://www.astronaut.ru/bookcase/books/kamanin4 / kamanin.htm. – Дата доступа : 16.06.2011. 4. Бубнов, И. Я. Орбитальные космические станции / И. Я. Бубнов, Л.Н Каманин // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа: http://www.astronaut.ru/bookcase/ books/kamanin5/kamanin5.htm. – Дата доступа : 16.06.2011. 5. Афанасьев, И.Б. «Большой космический клуб» / И.Б. Афанасьев, А.Н. Лавренов // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа: http://www.astronaut.ru/bookcase/ books/afanasiev3/afanasiev3.htm. – Дата доступа : 16.06.2011. 6. Баевский, А.В. Космические автоматические аппараты США для изучения Луны и окололунного пространства (1958–1968) / А.В. Баевский // Космическая энциклопедия [Электронный ресурс]. – 2007. – Режим доступа : http://www.astronaut.ru/bookcase/books/bav/bav.ht m. – Дата доступа : 16.06.2011. 7. Мышкин, Н.К. Результаты разработок по триботехнике в белорусской части космической программы союзного государства / Н.К. Мышкин [и др.] // Сб. трудов 6-й МНТК, Минск, 14–16 сентября 2011 г. – Т. 3. – С. 248–259. Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 87 Byeli A.V., Karpovich A.N., Bilenko E.G. Diagnostics of the high-torque electrical motor under operating conditions at low temperatures in vacuum Parameters of high-moment electrical motor working at low-temperatures and high vacuum were inves- tigated. It has been demonstrated that pressure in conspiracy with temperature does not influence starting cur- rent of the motor. Temperature reduction from 293 up to 143 K increases starting current at a factor of 3.5. (E-mail: vmo@tut.by) Key Words: high-moment electrical motor, imitation of space. Поступила в редакцию 17.10.2011.