Оптимизация системы магнитной ориентации наноспутника за счёт выбора материала сердечника катушек исполнительного устройства

Теперь проведём уточнённое вычисление магнитного момента, тока потребления, массы, габаритов магнитных катушек.

Для этого воспользуемся формулами: (1), (2), (15), (26), (27) - (45).

Находим массу сердечника и катушки по формулам:

m_с = ?_с ? L_с / S_с, (28)

где: m_с - масса сердечника, г;

?_с - плотность материала сердечника для супермаллоя, ?_с = 8,6 г/см³;

L_с - длина сердечника, см;

S_с - площадь поперечного сечения сердечника, см².

m_к = ?_к ? N ? L_в / S_ж , (29)

где: m_к - масса катушки, г;

?_к - плотность материала обмотки для меди, ?_к = 8,96 г/см³;

L_в - длина вика, см;

N - число витков, шт;

S_ж - площадь поперечного сечения металлической жилы провода, см².

Полная масса катушки рассчитывается по формуле:

m = m_s + m_k . (31)

Число слоёв намотки провода:

N_сл = D_п ?N / L_c, (32)

где: D_п - диаметр провода найденный по формуле (26), см;

L_с - длина сердечника, см.

Зная число слоёв вычислим максимальную площадь поперечного сечения катушки:

, (33)

где: N_сл - число слоёв, шт.

Средняя площадь поперечного сечения катушки

S_ср = (S_max +S_c)/2 , (34)

где: S_max - максимальная площадь поперечного сечения катушки.

По средней площади посчитаем средний диаметр:

, (35)

где: S_ср - средняя площадь поперечного сечения катушки.

Средняя длина витка:

L_в = р?D_ср, (36)

где: D_ср - средний диаметр катушки.

Для вычисления размагничивающего фактора сердечника по формуле (15) необходимо рассчитать отношение длины к диаметру (LD).

LD = L_c/D_с. (37)

Как отмечалось выше про отношение длины к диаметру в дальнейших расчётах примем его равным 9.

Сопротивление катушки:

, (38)

где: R - сопротивление катушки, Ом;

с_э - удельное сопротивление материала катушки, Ом?см.

Вычислим величину постоянного тока:

, (39)

где: I - ток, А;

U - напряжение питания, В.

Магнитный момент катушки:

, (40)

где: S_ср - средняя площадь поперечного сечения катушки, см².

Напряжённость магнитного поля создаваемого катушкой, А/м:

, (41)

где: L_с - длина сердечника (катушки), см.

Расчёт величины истинной напряжённости магнитного поля:

, (42)

где: Н_b - напряжённость магнитного поля создаваемого катушкой, А/м;

N_f - размагничивающий фактор.

Намагниченность сердечника в поле H_i, А/м:

, (43)

где: H_i - истинная величина магнитного поля, А/м.

Магнитный момент сердечника:

, (44)

где: J - намагниченность сердечника, А/м.

Общий магнитный момент магнитной катушки:

M_М = М_МК + М_МС. (45)

Проведенный расчёт в программе MathCad с применением формул (1), (2), (15), (26), (27), (28) - (45), дал следующий результат для двух магнитных катушек;

для катушки 1:

- магнитный момент = 2,2 А?м.²

- число слоёв обмотки провода = 3

- масса медного провода = 4,02 г.

- потребляемый ток = 35 мА.

- объём катушки с сердечником = 2,89?10^-6 м.

для катушки 2:

- магнитный момент = 1,09 А?м.²

- число слоёв обмотки провода = 7

- масса = 40 г.

- потребляемый ток = 14 мА.

- объём катушки с сердечником = 3,53?10^-6 м.

2.1.5 Анализ результатов расчета

Применение сердечника в данном расчете позволило уменьшить массу для катушки 1 в 9 раза, объём занимаемый катушкой в 10 раз у двух катушек, и увеличить магнитный момент в 4 и 9 раз для магнитных катушек 2 и 1 соответственно. В качестве сердечника магнитной катушки 1 применён магнитомягкий материал с малой коэрцитивной силой (пермаллой 79 НМ), для катушки 2 - супермаллой, обладающий меньшей коэрцетивной силой и большей проницаемостью по сравнению с пермаллоем.

Но даже небольшое значение остаточной намагниченности сердечника через длительное время может негативно сказаться на правильность ориентации спутника, поэтому необходимо её снизить до нуля. Проведём обзор методов компенсации остаточной намагниченности.

2.2 Обзор вариантов компенсации остаточной намагниченности

В нашем случае коэрцитивная сила является весьма вредным фактором, от которого необходимо избавиться, так как при отключении питания с катушки она не должна обладать магнитным моментом, который и является элементом управления ориентацией. Избавиться от коэрцитивной силы можно несколькими способами

- используя магнитомягкие материалы сердечника.

- за счёт размагничивающего фактора, у катушек с малым значением

- замыканием ЭДС самоиндукции в контуре катушки.

- дополнительная электронная схема размагничивания с независимой обмоткой

Применение магнитомягких материалов. Магнитомягкие материалы обладают высокими значениями магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силой, но поскольку сердечник работает в сильных магнитных полях и намагничивается до насыщения, то после пропадания поля катушки он всё же немного остаётся намагничен и полного исчезновения поля не происходит, что недопустимо. Данный метод необходимо использовать в совокупности с другими методами.

За счёт размагничивающего фактора, который зависит от геометрии сердечника катушки от соотношения длины к диаметру (L/D). Физика данного процесса состоит в том, что на торцах сердечника образуются закруглённые магнитные силовые линии которые замыкают края сердечника катушки. Они сильно ослабляют вырабатываемое катушкой магнитное поле. Чем сердечник короче и чем больше его диаметр, тем больше действие размагничивающего поля. После пропадания внешнего поля, размагничивающее поле начинает размагничивать сердечник, что и требуется, но оно также действует и во внешнем поле, тем самым ослабляя поле катушки. Поэтому использование сердечника с большим размагничивающим полем не целесообразно, так как они не будут давать ощутимого усиления магнитного момента. А сам метод слабо эффективен при использовании длиных и тонких сердечников.

Замыканием ЭДС самоиндукции. Наиболее эффективный способ борьбы с остаточной намагниченностью, не обладает зависимостью от геометрии или типа сердечника. Не требует потребления дополнительной энергии, саморегулируемый, не требует контроля проведения процесса.

Рассмотрим принцип работы. При появлении тока в цепи катушки возникает напряжённость магнитного поля, вызывая рост индукции магнитного поля, точки 1-2 рисунок 14. При пропадании тока в цепи поле падает, а индукция не падает до конца, а переходит в точку Bc, это и есть остаточная намагниченность, точки 2-3. Как известно при пропадании тока, индуктивность стремится вернуть его обратно, возникает ЭДС самоиндукции с обратной полярностью. При замыкании выводов катушки между собой в момент возникновения ЭДС самоиндукции, импульс ЭДС начнёт перемагничивать катушку в противоположенную сторону. После перемагничивания сердечника в противоположную сторону пропадание первого импульса ЭДС самоиндукции вызовер появление второго противоположенной полярности первому и так будет продолжаться до тех пор пока потери полностью не уничтожат это ЭДС самоиндукции. При этом частота перемагничивания будет соответствовать собственной резонансной частоте катушки. В катушке без сердечника будут действовать только потери в сопротивлении обмотки, а в катушке с сердечником ещё и потери на перемагничивание сердечника, у магнитомягких сердечников потери будут меньше чем у магнитотвёрдых.

Дополнительная электронная схема размагничивания с независимой обмоткой. Является самым эффективным вариантом, но требует дополнительного усложнения схемы и мамой катушки, что не благоприятно сказывается на надёжности космического аппарата, так как увеличение числа элементов и паяных соединений, уменьшает надёжность.

В результате учитывая все достоинства и недостатки перечисленных методов за основной возьмём метод замыкания ЭДС самоиндукции.

3. Экспериментальная часть

3.1 Методика исследования

В данном разделе работы проводится исследование компенсации остаточной намагниченности катушки с сердечником.

3.1.1 Объекты исследования

Для исследования были выбраны сердечники из пермаллоя 79 НМ и электротехнической стали Э31 диаметром 12 мм, длиной 15 и 20 см соответственно, катушка, содержащая 11000 витков провода ПЭВ-1 сечением 0,063мм с сопротивлением обмотки 3800 Ом, длиной 14мм и внутренним диаметром 12мм.

3.1.2 Аппаратура для проведения исследования

Генератор импульсный Г5-54. Генератор импульсный, среднечастотный, с регулировкой амплитуды, частоты и скважности. Источник питания (постоянного тока) Б5-7. Источник питания постоянного тока имеет один выход, ручку регулировки напряжения до 30В, автомат защиты от перегрузки на 3А. Макетная плата. Выполнена на протравленном текстолите с установленными на ней органами управления (кнопками, переключателями) разъёмами для подключения питания, генератора, исследуемой катушки. Она представляет собой усилитель тока для катушки, собрана на микросхеме логической инверсии и транзисторном ключе. Плату можно установить в несколько режимов (конденсатор, диод, КМОП-выход). Режим "конденсатор" тогда параллельно катушке будет включен конденсатор. В этом режиме после подачи импульса тока в катушке не будет появления ЭДС самоиндукции (рисунок 15). Данный режим необходим для намагничивания сердечника и определения его остаточной намагниченности.



Режим "диод" включает параллельно катушке диод обратной полярностью, тем самым диод замыкает через себя обратный импульс ЭДС самоиндукции катушки.

Режим "КМОП выход", предназначен для подключения катушки непосредственно к выходу микросхемы логики имеющий КМОП выход. В этом режиме сразу же после окончания импульса тока выход микросхемы переключается в состояние логического нуля замыкая тем самым оба вывода катушки между собой. Данный режим имеет ограничение по току в 25 мА, а если учесть, что ЭДС самоиндукции может превосходить подаваемое напряжение, то получим значение не более 10 мА.

Осциллограф С1-96 двулучевой, высокоомный вход, обладает высокой чувствительностью и широкой полосой пропускания частот.

Магнитометр HMR2300 высокочувствительный измеритель магнитной индукции, со шкалой от -2000 мГс до +2000 мГс. Имеет три датчика ориентированных друг относительно друга перпендикулярно. Не имеет собственных органов отображения информации, отображение обеспечивается через ПК. Питается напряжением 12 В, потребляет 26 мА, подключается к ПК через СОМ-порт. Прибор обладает не высокой скоростью оцифровки (1Гц).

3.1.3 Последовательность выполнения, результаты экспериментов

Настройка магнитометра. Поскольку магнитометр обладает высокой чувствительностью, а большинство приборов в лаборатории во время работы излучают свои магнитные поля, то существует необходимость откалибровать. Для этого находим место на рабочем столе, где магнитометр показывает наименьшее значение магнитного поля, при этом на магнитометре должен быть установлен образец исследования (сердечник из материала с наибольшей магнитной проницаемостью) для усиления внешних полей. После фиксирования первого значения, переворачиваем сердечник другой стороной и записываем второе значение. Среднее значение показаний магнитометра будем считать за "ноль". Зафиксируем положение магнитометра. Поскольку магнитометр двухполярный (векторный), условимся считать положительным направление магнитного поля в сторону магнитометра, а от него - отрицательным.

Выполнение опыта №1. Подключаем приборы по рисунку 16. Целью данного опыта является, изучение влияния ЭДС самоиндукции на намагниченность сердечника. Выбираем сердечник с наибольшей магнитной проницаемостью (пермаллой 79НМ). Измерительную катушку, состоящую из 30 витков, подключаем к осциллографу. Она фиксирует изменение магнитного поля и намагниченности сердечника, отображая сигнал на осциллографе (рисунок 17). Импульсный сигнал с генератора через макетную плату усиливается и подается на катушку. А параллельно катушке подключаем диод в обратном направлении.



Рисунок 17 - Сигнал измерительной катушки.

По форме сигнала измерительной катушки видно, что сердечник перемагничивается за счёт ЭДС самоиндукции, следовательно необходимо провести опыт по измерению остаточной намагниченности после перемагничивания.

Выполнение опыта №2. Подключаем приборы по рисунку 18 . Целью данного опыта является получение численных данных о величине остаточной намагниченности косвенным методом. Для этого выбираем сердечник для исследования с наибольшей коэрцитивной силой (сердечник из электротехнической стали Э31).



Ставим на макетной плате режим - "конденсатор", нажав кнопку макетной платы намагничиваем сердечник. После отпускания кнопки напряжение падает не мгновенно, а плавно по кривой разряда конденсатора. В этом случае в катушке не будет проходить переходной процесс с появлением ЭДС самоиндукции а сам сердечник останется намагниченным. Сделаем три замера, составим таблицу куда и запишем средне значение остаточной намагниченности, изменив полярность подключения катушки повторим эксперимент (таблица 6).

Переключаем макетную плату в режим "диод" повторяем проделанный эксперимент, данные заносим в таблицу 6. В данном режиме в катушке возникает ЭДС самоиндукции отрицательный импульс которой замыкается через диод и перемагничивает сердечник.

Переключаем макетную плату в режим "КМОП-выход" повторяем проделанный эксперимент, данные заносим в таблицу 6. В данном режиме в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая замыкается через выход микросхемы.

Таблица 6 - Данные с косвенными измерениями остаточной намагниченности

Номер опыта	Режим	Полярность включения катушки	Величина магнитного поля на расстоянии 5мм от торца сердечника до сенсора измерителя.
			мГс	А/м
1	Конденсатор	+	+30	0,375
2	Конденсатор	-	-30	-0,375
3	Диод	+	-2	-0,015
4	Диод	-	+2	0,015
5	КМОП выход	+	0	0
6	КМОП выход	-	0	0

Повторное проведение эксперимента с применением сердечника из пермаллоя 79 НМ не дало положительных результатов.

3.2 Анализ результатов эксперимента

Из проделанных опытов со стальным сердечником видно, что при включении конденсатора магнитометр показывает максимальную остаточную намагниченность сердечника. При включении диода происходит однократное перемагничивание с противоположенным знаком магнитного момента. А при включении КМОП выхода происходит целая серия перемагничивании, в результате действия которых остаточная намагниченность полностью пропадает.

Следовательно, наиболее эффективный метод компенсации остаточной намагниченности сердечника, - это использование КМОП-выхода для управления магнитной катушкой.

А эксперимент с применением сердечника из пермаллоя 79 НМ не дал положительных результатов по причине его малой коэрцитивной силы и высокого размагничивающего поля.

4. Безопасность жизнедеятельности

Целью данного раздела является проведение анализа операций, производимых при выполнении дипломной работы, для выявления опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ), действующих на организм исследователя.

При выполнении работы крайне важно правильное соблюдение всех правил безопасности при работе в лаборатории, необходимо выявить опасные и вредные факторы, которые могут влиять на организм и трудоспособность человека. Также важно правильно подобрать условия труда, так как их анализ имеет основное значение для разработки всех мероприятий, обеспечивающих защиту работающих от опасных и вредных производственных факторов. Условия труда представляют собой комплекс производительных факторов, оказывающих влияние на здоровье и работоспособность человека в процессе труда.

Таким образом, этот раздел направлен на создание безопасных, безвредных и благоприятных для человека условий труда, разработку мер защиты от выявленных опасных и вредных производственных факторов.

4.1 Идентификация опасных и вредных производственных факторов

В разделе дается перечень всех опасных и вредных производственных факторов, которые могут сопутствовать каждой из выполняемых в работе операций или проявляться при практическом использовании результатов работы. Номенклатура и классификация опасных и вредных факторов соответствуют ГОСТ 12.0.003-74[7]. При выполнении данной НИР были выявлены опасные и вредные производственные факторы согласно ГОСТ 12.0.003-74[7]. Которые приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Анализ опасных и вредных факторов

операция	Оборудование и материалы	Вредный фактор	Нормативный параметр
		классификация	перечень
Работа с ПК	ПК	Физический Физический	Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание, которое может произойти через тело человека U = 220 B, I = 1 А Повышенный уровень электромагнитных излучений Е = 12 В/м	U = 2,0 В I ? 0,3 мА при f = 50 Гц E = 2,5 В/м H = 25 нТл при f = 5 - 2000 Гц. E = 25 B/м, H = 250 нТл при f = 2 - 400 кГц
		Психофи- зиологический	Напряжение зрения	Через каждый час работы нужен 15 минутный перерыв
Работа с макетом	Макет	Физический	Повышенный уровень электромагнитных излучений Е = 12 В/м	E = 25 B/м, H = 250 нТл при f = 2 - 400 кГц
		Физический	Повышенное значение напряжения в электрической цепи,	U = 2,0 В I ? 0,3 мА при
			замыкание, которое может произойти через тело человека U = 220 B, I = 0,1 А	f = 50 Гц
		Психофи- зиологический	Напряжение зрения	Через каждый час работы нужен 15 минутный перерыв
	Измерительная аппаратура	Физический	Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание, которое может произойти через тело человека U = 220 B, I = 1 А	U = 2,0 В I ? 0,3 мА при f = 50 Гц

4.2 Характеристика используемых веществ и материалов

Характеристика используемых в работе веществ и материалов (исходных и образующихся в результате их взаимодействия) должна содержать сведения, необходимые для составления "Паспорта безопасности вещества (материала)", в соответствии с ГОСТ Р 50587-93[8]. Кроме того, могут быть рассмотрены характеристики побочных и промежуточных продуктов, которые могут выделяться или накапливаться в технологических процессах и производственных отходов.

В "Паспорт безопасности вещества" вносятся физические и химические свойства вещества и сведения о его стабильности и химической активности, которые могут быть взяты из справочников по физико-химическим свойствам, характеристики токсичности; характеристики взрывопожароопасности.

4.2.1 Физические и химические характеристики

Основные физические и химические характеристики приведены в таблице 8. Так как эти свойства должны характеризовать степень опасности утечки вещества из оборудования и емкостей, а также возможность и пути их попадания в организм, сведения об агрегатном состоянии и давлении паров приводятся как при комнатной температуре, так и при температуре проведения эксперимента.

Таблица 8 - Основные физические и химические характеристики.

Фактор \ Материал	Железо	Медь	Пермаллой
Физическое состояние при Н.У., цвет	Твёрдый металл серебристого цвета.	Твёрдый металл жёлто-рыжего цвета	Твёрдый металл серебристого цвета
рH водного раствора	Не образует	Не образует	Не образует
Температура кипения (плавления)	2750о C (1539о) C	2600о C (1084о C)	1820о C (1500о C)
Окислит. св-ва	Нет.	Нет.	Нет.
Давление паров при н. у. (при +50С)	___	___	___
Плотность	7,87 г/см3	8,96 г/см3	7,6 г/см3
Растворимость	Не растворим	Не растворим	Не растворим
Проводимость	10 000 000 (Омм)-1	58 800 000 (Омм)-1	10 750 000 (Омм)-1
Проницаемость	До 8000 (безразмер)	? 1 (безразмер)	От 10 до 1000

4.2.2 Характеристики токсичности

Характеристики токсичности, содержащиеся в ГОСТ12.1.005-88[9]: величина предельно допустимой концентрации (ПДК), класс опасности, особенности действия на организм указаны в таблице 9 .

Таблица 9 - Классификация веществ по направленности воздействия и токсичности

Вещество	Группа	Направление воздействия	Краткое описание воздействия	Токсичность	Класс опас- ности	ПДК мг/м3
Железо	Нет	-	Не воздействует	Не токсичен	4	4
Медь	Нет	-	Не воздействует	Не токсичен	4	0,5
Пермаллой (Fe-Ni)	Аллерген	Вызывает изменение реактивной способности организма.	При длительном контакте с веществом возможна аллергическая реакция (покраснение кожи, появление сыпи, зуд).	Не токсичен	3	0,05

4.2.3 Характеристика пожаровзрывоопасности

Показатели пожаровзрывоопасности включаются в "Паспорт безопасности вещества". В число таких показателей входят температуры вспышки и воспламенения, состояние при воспламенении (твердое вещество, жидкость, газ), окислительные свойства. Более детально номенклатуру показателей пожаровзрывоопасности определяет ГОСТ 12.1.044-89[10].

В данной научно-исследовательской работе (НИР) горючие и взрывоопасные газы, жидкости и твёрдые вещества не применяются, однако, в лабораторном помещении имеются горючие материалы (мебель, бумага, покрытие пола и т.п.), поэтому оно относится к категории В.

4.3 Санитарно-технические требования

В этом параграфе кратко излагаются требования к устройству и санитарно-техническому оборудованию лаборатории, в которой выполняются основные операции экспериментальной части работы.

Основная задача этого параграфа - указать санитарные требования для обеспечения благоприятных условий труда.

4.3.1 Требования к планировке помещения

Лаборатория для проведения экспериментальной части исследования располагается на территории кафедры ТМЭ Московского Государственного Института Стали и Сплавов (МИСиС) и является специально оборудованным помещением для проведения научных исследований, экспериментальных опытов.

Тип лаборатории - физическая, площадь помещения 25 м², объём - 75 м³.

Число одновременно работающих сотрудников - 2 (сотрудник и дипломник). В результате на каждого работающего сотрудника приходится 12,5 м².

Таблица 10 - Перечень оборудования

Наименование	Тип
Источник питания	Б5-7
Источник питания	Б5-8
Осциллограф	С1-96
Микроскоп	МБС-9
Генератор импульсный	Г5-54
Вольтметр	В7-22
ЭВМ	P4-1.6/256
Прибор измерительный	Ц4353
Частотомер	Ч3-66

Таблица 11 - Параметры помещения и его нормы

Параметр	Величина	Норма
Площадь на 1 сотрудника (м2/чел)	12	?12
Высота помещения	3	?2,7
Ширина проходов	2,5	?1,5
Расстояние между столами с ЭВМ	2	?2

4.3.2 Требования к микроклимату помещения

Нормирование параметров микроклимата производится в соответствии с ГОСТ12.1.005-88[9]. В таблице 12 указаны оптимальные значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне в зависимости от периода года и категории выполняемых работ по тяжести, а также допустимая интенсивность теплового излучения. В помещениях с ПЭВМ должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата для категории 1а и 1б. Данная лаборатория относится к категории 1б.

Таблица 12 - Оптимальные и допустимые метеоусловия помещения лаборатории

Наименование параметра	Холодный период	Теплый период
	Оптимальные условия	Допустимые условия	Оптимальные условия	Допустимые условия
Температура воздуха, °С	20 - 23	19 - 25	22 - 25	менее 28
Относительная влажность, %	40 - 60	менее 75	40 - 60	менее 65
Скорость движения воздуха, м•c-1	менее 0,2	менее 0,2	менее 0,2	менее 0,2

Основные санитарно-технические устройства, используемые для поддержания оптимальных параметров микроклимата: общеобменная вентиляция, устройства отопления.

Отопление отвечает требованиям ГОСТ 12.1.005-88 [9], тип теплоносителя - вода, тип нагревательного устройства - радиатор МС140-500-0.9-7, 7-ми секционный ГОСТ 8690-94 [11].

Общеобменная вентиляция отвечает требованиям тех же нормативных документов: кратность воздухообмена по вытяжке более 5 раз в час.

4.3.3 Требования к освещению лаборатории

Для создания благоприятных условий труда большое значение имеет освещение. В лаборатории кроме естественного предусмотрено и искусственное освещение. Искусственное освещение является комбинированным, состоит из общего и местного. Общее искусственное освещение создается люминесцентными лампами, которые устанавливаются в верхней части помещения параллельно стене с оконными проемами, что позволяет отключать их последовательно в зависимости от изменения естественного освещения. Местное искусственное освещение создается настольными лампами накаливания, концентрирующими световой поток непосредственно на рабочем месте. Оно применяется в комбинации с общим освещением, что исключает затемнение, повышает контрастность предметов в поле зрения, снижает утомляемость зрения.

Естественное освещение помещений проектируется в соответствии с действующими строительными нормами и правилами (СНиП 23-05-95 [6]). Естественное освещение должно осуществляться через светопроемы, ориентированные преимущественно на север и северо-восток, и обеспечивать коэффициент естественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2 % в зонах с устойчивым снежным покровом и не ниже 1,5 % на остальной территории.

В зависимости от характера и точности выполняемых работ выбирается освещение лаборатории, и нормируются его параметры в соответствии со строительными нормами и правилами. Освещённость лаборатории зависит от характеристик зрительных работ, наименьшего размера объекта, контраста объекта с фоном, характеристик фона. В СНиП 23-05-95 [6] указана освещённость для заданных параметров зрительных работ.

Освещенность помещения нормируется согласно сведениям в таблицах 13 и 14.

Таблица 13 - Нормирование освещенности в условиях естественного источника света

Выполняемая операция	Разряд работ	Наименьший размер объекта, мм	КЕО
Проведение эксперимента	А1	0,15 - 0,3	1,5
Запись и обработка результатов	Б1	0,3 - 0,5	1,0

Таблица 14 - Нормирование освещенности в условиях искусственного источника света

Выполняемая операция	Разряд работ	Кп	Освещенность, лк
Проведение эксперимента	А1	10%	500
Запись и обработка результатов	Б1	15%	300

Расчет необходимой естественной освещенности производится по формуле:

S₀ = (S_n · e_n · Ю₀ · K_зд)/(r₁ · t₀ · 100), (46)

где: S₀ - необходимый размер светового проема, м²;

S_n - площадь комнаты, S_n =25 м²;

Ю₀ - коэффициент, учитывающий расположение фронтальной стены, Ю₀ = 6,5;

К_зд - коэффициент, учитывающий затемнение окон противоположным зданием, К_зд = 1;

r₁ - коэффициент, учитывающий освещенность за счет отражения светового потока от внутренних поверхностей помещения, r₁ = 5;

t₀ - общий коэффициент, учитывающий светопропускающую способность светового проема, t₀ = 0,8;

e_n - коэффициент естественной освещенности, е_n = 100%.

Необходимый размер светового проема естественной освещенности равен:

S₀ = (25 · 100 · 6,5 · 1)/(5 · 0,8 · 100);

S₀ = 40,6 м²

Из расчета видно, что естественного освещения недостаточно для создания необходимой освещенности, т.к. реальная площадь оконных проемов составляет 9 м².

Следовательно, необходимо искусственное освещение. Для расчёта лабораторного освещения был выбран метод расчёта по коэффициенту использования светового потока.

Общее освещение обеспечивают 6 двухламповых люминесцентных светильников, установленных на потолке. В светильнике используются лампы белого света ЛБ - 80 со световым потоком 5220 лм. Необходимое количество светильников рассчитывается по формуле:

N = ESK_запZ/(Ф_лnз), (47)

где: Е - нормированное значение освещённости, Е = 500 лк;

S - площадь освещаемого помещения, S = 25 м²;

- коэффициент запаса, = 1,5;

Z - коэффициент минимальной освещённости, Z = 1,2;

- световой поток одной лампы, = 5220 лк;

n - количество ламп в одном светильнике, n = 2 шт.;

?- коэффициент использования светового потока от источника.

Определяем индекс помещения по формуле:

I = S/((A+B)H), (48)

где: S - площадь комнаты, S = 25 м²;

А - ширина комнаты, А = 4 м;

В - длина комнаты, В = 6,25 м;

Н_т - высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, Н_т =3 м.

I = 25/((4+6,25)3);

I = 0,81.

По индексу помещения определяем коэффициент использования светового потока от источника: = 0,41.

N = 500·25·1,5·1,2/(5220·2·0,41);

N = 5,25 шт.;

N ? 6 шт.

Необходимо 6 светильников.

Рассчитаем суммарную мощность осветительных установок по формуле:

Р = Р_л • N_cв • n

где: Р_л - мощность лампы, Р_л = 80Вт;

- необходимое число светильников в помещении, = 6 шт.;

n - количество ламп в светильнике.

Р = 8062;

Р = 960 Вт.

Реально установлено 8 светильников. Следовательно, они обеспечивают необходимую освещенность, нормированную СНиП 23-05-95.

4.3.4 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

Целью этого параграфа является оценка эффективности средств защиты, предусмотренных в конструкции оборудования, выбор и разработка дополнительных мероприятий и технических средств защиты. Проведен обоснованный выбор мер защиты от всех опасных и вредных факторов, и показано, что эти меры гарантируют снижение их уровня до допустимых пределов как при обычных условиях, так и при авариях.

Организационные меры: персонал должен быть ознакомлен с инструкциями по технике безопасности в полном объеме. Необходим постоянный контроль за состоянием оборудования: не допускать загрязнения рабочих поверхностей и попадания влаги на установку; проверка соединения корпуса установок и приборов с заземляющим проводом; не допускать сильных перегибов электрических проводов, а также повреждений изоляции.

Таблица 15 - Разработка мер защиты от опасных и вредных произв. Факторов

4.4 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

Мероприятия по обеспечению безопасности в чрезвычайных ситуациях описываются в той мере, в которой они связаны с характером выполняемых работ и свойствами используемых материалов.

Как правило, широкомасштабные загрязнения при тех количествах токсичных и радиоактивных веществ, которые используются в лаборатории, маловероятны, поэтому достаточно описать меры безопасности и экозащитные мероприятия при авариях оборудования и утечке химических и радиоактивных веществ, предусмотрев систему сигнализации и оповещения об авариях.

4.4.1 Категория помещения по взрывопожарной и пожарной опасности

Исходя из характеристик веществ, находящихся в помещении, все помещения по СП 12.13130.2009 [12] классифицируются по категориям: А, Б, В(1-4), Г.

В разделе 2,3 был определён класс пожаровзрывоопасности "В". Этот класс содержит в себе 4 категории (1-4), в зависимости от количества горючего материала в помещении.

Определение пожароопасной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 16.

Таблица 16 - Определение категории пожароопасных помещений

Наименование категории	Удельная пожарная нагрузка, МДж/м
В1 В2 ВЗ В4	>2200 1401-2200 181-1401 1-181

Пожарная нагрузка помещений может включать в себя различные сочетания горючих и трудногорючих жидкостей и твердых материалов в пределах пожароопасного участка и определяется по формуле:

Q = У G_j•Q_H^P , (50)

где: G - количество j -того материала пожарной нагрузки, кг;

Q_H^p - низшая теплота сгорания j -того материала, кДж/кг.

Удельная пожарная нагрузка q определяется по формуле:

q = Q/S, (51)

где: Q - пожарная нагрузка помещений, кДж;

S - площадь размещения пожарной нагрузки, м².

Если по указанной методике помещение отнесено к категориям В2 или ВЗ, то проверяется выполнение условия: Q > 0,64qH.

В том случае, когда это условие не выполняется, помещение относят соответственно к категориям В1 или В2. В таблице 17 приведены значения теплоты сгорания и массы горючих материалов, находящихся в лаборатории.

Таблица 17 - Перечень пожароопасных материалов их теплоты сгорания и количества

Материал	Теплота сгорания, кДж/кг	Общая масса, кг
Алюминий	31087	15
Бумага	20000	100
Дерево	19000	200

Подставив значения из таблицы 17 в формулу 50, получим:

Q = 31087*15 + 20000*100 + 19000*200;

Q = 6266305 кДж;

Q = 6266,305 МДж;

q = 6266,305 / 25;

q = 250,7 Мдж/м²,

что соответствует категории "В3".

Это означает, что помещение относится к категории "В3" (пожароопасные), согласно техническому регламенту о требованиях пожарной безопасности СП12.13130.2009 [12].

В комплекс противопожарных мероприятий входит предупреждение пожара: создание условий нормальной эксплуатации, обеспечение быстрой локализации и тушение пожара.

Основной причиной возгорания в лаборатории может явиться неисправность электрического оборудования. Для предупреждения пожара установки оборудованы защитными блоками, в лаборатории установлена система пожарной связи и сигнализации, ручные углекислотные огнетушители ОУ - 5.

4.5 Специальная разработка по обеспечению безопасности: "расчет защитного заземления"

Исходные данные:

- грунт, чернозём 30 Ом·м;

- напряжение, 220 В;

- расположение, в ряд;

- длина элемента, 2,9 м;

- диаметр стержня, 15 мм;

- заглубление, 0,6 м;

- ширина полосы, 60 мм;

- естественный заземлитель, фундамент;

- площадь сечения, 80 мм².

Проведение расчета:

а) Максимально допустимое сопротивление заземления, R_н = 4 Ом;

б) Расчет удельного сопротивления грунта (с) для зоны 1:

, (52)

где: с_таб - табличное значение удельного сопротивления соответствующего грунта, Ом·м;

Ш - коэффициент зоны.

;

Ом·м.

в) Определим возможность использования для устройства заземлителя существующих естественных заземлителей:

, (53)

где: S - площадь сечения, м².

;

Ом.

г) Определим требуемое сопротивление искусственного заземления:

, (54)

где: R_Е - сопротивление естественного заземлителя, Ом;

R_H - максимально допустимое сопротивление заземления, Ом.

;

Ом.

д) Выберем расположение заземлителей - в ряд.

е) Выбираем тип и размеры одиночного заземлителя:

длинна элемента, L=2,9 м;

диаметр стержня, d =15 мм;

средняя глубина заземлителя, t₀=0,6 м.

ж) Определим сопротивление растеканию тока:

, (55)

где: L - длинна элемента, м;

d - диаметр стержня, м;

t - средняя глубина заземлителя, м.

, (56)

где: t₀ - заглубление, м.

;

м;

;

;

;

Ом;

;

;

Ом.

з) Определим предварительное количество электродов:

; (57)

;

м.

, (58)

где: - расстояние между соседними электродами, м;

- предварительное количество электродов, шт.

;

шт.

и) Общее электрическое сопротивление вертикальных электродов:

, (59)

где: R_э - сопротивление электрода, Ом;

з₀ - коэффициент использования вертикального электрода, з₀ = 0,83;

n - количество электродов, n = 3 шт.

;

Ом.

к) Определим сопротивление горизонтальной соединительной полосы (R_г):

; (60

; (61)

;

м.

, (62)

где: b - ширина полосы, м.

;

м;

;

Ом;

Определим сопротивление горизонтальной соединительной полосы:

, (62)

где: R_г - сопротивление горизонтальной соединительной полосы.

;

Ом.

л) Общее сопротивление искусственного заземления:

;

;

;

Ом.

; (63)

;

;

Вывод: полученное заземление сопротивлением 2,318 Ом удовлетворяет требованиям безопасности, таким образом для реализации заземления необходимо установить в ряд 6 электродов длинной 2,9м и диаметром 15мм при заглублении 0,6м.

4.6 Выводы по безопасности жизнедеятельности

В данном разделе проведен анализ операций, производимых при выполнении дипломной работы.

Выявлены опасные и вредные производственные факторы, которые были классифицированы по классам и даны предельно допустимые дозы и нормируемые значения параметров. Также предложены меры защиты от этих факторов.

Приведены оптимальные и допустимые метеоусловия помещения лаборатории с учетом категории работ по тяжести.

Проведена классификация лаборатории по опасности поражения электрическим током.

Произведен расчет необходимой естественной и искусственной освещенности лаборатории и приведены нормируемые параметры.

Произведен расчет защитного заземления.

Проведена оценка пожаровзрывоопасности лаборатории.

5. Охрана окружающей среды

5.1 Охрана окружающей среды

Охрана окружающей среды - предотвращение загрязнения окружающей среды токсичными и радиоактивными веществами, а также ограничение энергетических воздействий (электромагнитных полей, ионизирующих излучений, тепловых выделений, шума, тепловых выделений и т.п.) до допустимых пределов - должна быть обеспечена как при нормальном проведении работ, так и в случае возникновения аварий и чрезвычайных ситуаций.

Задачей этого параграфа является предотвращение утечки в окружающую среду токсичных веществ в концентрациях и количествах, превышающих предельно допустимые значения и поступления в нее радиоактивных веществ.

Поскольку в данной НИР работы с токсичными и радиоактивными веществами не проводятся, то дальнейшая оценка возможного уровня загрязнения проводиться не будет.

5.2 Выводы по охране окружающей среды

В данном разделе учтены опасные и вредные производственные факторы, проявившиеся при выполнении дипломной работы и представляющие опасность для окружающей среды.

Определено, что данная работа не наносит ущерба окружающей среде.

6. Экономическая часть

6.1 Технико-экономическое обоснование НИР

Данная работа проводится впервые и находится на стадии лабораторных исследований, а так же является теоретической НИР. Поскольку в последние годы микроэлектроника шагнула далеко вперёд, стало возможным изготовление нового класса спутников - наноспутников. Наноспутники это аппараты весом 1-10 кг, с коротким сроком активного существования на орбите. Поскольку аппаратам требуется магнитная система ориентации, а работы в данной области не проводились, целью данной работы является выбор материалов и конструкции магнитной катушки управления наноспутником. Необходимость подобной работы связана с тем, что требуется решить три основные задачи:

- Уменьшение веса и габаритов связано с тем, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезного груза остаётся очень высока, (Союз-ТМА 10 тыс. долл. США; Протон 5тыс. долл. США) поэтому целесообразно максимально уменьшить вес спутника. Уменьшение веса, так же упрощает управление спутником.

- Энергопотребление. Поскольку наноспутник обладает малой массой, размер АКБ и его ёмкость тоже не велика. В таком случае дефицит электропитания может привести к полной потере спутника, следовательно, нужно максимально эффективно использовать электропитание.

- Компенсация остаточной намагниченности сердечника, является одной из основных задач. Применение сердечника сильно увеличивает магнитный момент катушки, уменьшает её габариты и массу, но появляется один не благоприятный фактор, это его остаточная намагниченность, который может сбить спутник с заданной орбиты. Следовательно, надо разработать несколько вариантов его компенсации.

Задачи решаются путём выбора материалов сердечника и обмотки, геометрии, конструктивного исполнения катушки и её способа включения и установки.

6.2 Сметная стоимость проведения исследования

6.2.1 Расчет затрат на материалы

Затраты на материалы, сырье, покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты определяются исходя из количества израсходованных на исследование ресурсов в натуральном выражении, цен ресурсов, количества возвратных материалов, их цен и транспортно-заготовительных расходов (порядка 10% от стоимости материалов).

Таблица 18 - Материальные затраты на выполнение НИР

6.2.2 Расчет затрат на заработную плату исполнителей дипломной НИР и единого социального налога

Заработная плата руководителя работы и консультантов по разделам рассчитывается исходя из стоимости одного учебного часа и количества часов, затраченных преподавателями на руководство и консультации:

ЗП = f_часt, (64)

где: f_час - часовая ставка руководителя работы или консультанта, руб./ч;

Затраты других исполнителей темы определяется из фактически затраченного времени. ЕСН - 26% от основной заработной платы.

Таблица 19 - Затраты на оплату труда исполнителей НИР

6.2.3 Расчет энергетических затрат

Составим таблицу с перечнем оборудования и его мощностью, всё применённое оборудование маломощное. Для удобства работы а также для уменьшения энергетических затрат вместо стационарного ПК в НИР применён ноутбук. Подсчитаем время использования оборудования: 8-ми часовой рабочий день делится на 2 части, 4 часа на теоретические расчеты и 4 часа на эксперименты, помножим на число дней получим 400.

Таблица 20 - Затраты на электроэнергию

Расход электроэнергии определяется по паспортам электроприборов. Затраты на электроэнергию рассчитываются по формуле:

З_э = УP_it_iЦ , (65)

где: P_i - мощность электроприбора по паспорту, кВт;

t_i - время использования электрооборудования при выполнении дипломной работы, ч;

Ц - цена за 1 кВт*ч, руб.

Так как в работе нет надобности исследовать температурные характеристики материалов, в перечне оборудования нет высокомощных нагревателей, результате, получаются достаточно низкие расходы на электроэнергию.

6.2.4 Расчет затрат, связанных с использованием оборудования и приборов

Составим сводную таблицу с применённым оборудованием и его стоимостью.

Таблица 21 - Амортизационные отчисления

Эти затраты определяются в виде амортизации по формуле:

З_ам = Коб ? Hам ? Тоб / (365 ? 100) , (66)

где: Kоб - стоимость единицы оборудования или прибора, руб.;

Нам - норма амортизации оборудования или прибора, %;

Тоб - время использования оборудования, дни.

6.2.5 Расчет накладных расходов

Накладные расходы (на управление, малоценный и быстроизнашивающийся инструмент, содержание лабораторий, библиотек, отопление, освещение, воду, обучение студентов и т.д.) определяются исходя из установленного для каждого конкретного предприятия процента от стоимости НИР или от суммы заработной платы исполнителей (без ЕСН). Для МИСиС процент накладных расходов составляет 20% от стоимости НИР.

Стоимость накладных расходов = (1342+60792+434,36+1315,03) ?0,2 =12736,68.

6.2.6 Расчет суммарных затрат на выполнение работы

Таблица 22 - Стоимость проведения НИР

Наименование затрат	Сумма, руб.	Доля в общих затратах, %
Затраты на сырье, материалы и транспортно-заготовительные расходы	1342	1,76
Заработная плата	60792	79,6
Энергетические затраты	434,36	0,6
Амортизационные отчисления	1315,03	1,47
Накладные расходы	12736,68	16,66
Итого	76361,07	100

6.3 Оценка эффективности результатов выполнения теоретической исследовательской дипломной работы

В настоящее время не представляется возможным дать количественную оценку экономической эффективности результатов научно-исследовательской работы (НИР) в связи с отсутствием необходимой информации. Поскольку данная работа проводится впервые и находится на стадии лабораторных исследований, а так же является теоретической НИР.

А в данном случае отсутствия необходимой информации по количественной оценке экономической эффективности результатов теоретической работы производится качественная оценка научно-технической эффективности этих результатов. Она носит экспертно-вероятностной характер и может быть произведена методами экспертных оценок, к примеру, посредством априорного ранжирования оценок экспертов методом ранговых корреляций.

Принципы метода ранговых корреляций, примеры его практического использования в отрасли для разработки экономико-математических моделей трудоемкости проведения НИР, а также фондоемкости изготовления продукции хорошо известны.

Для проведения экспертной оценки можно использовать представленные в таблице 23 девять основных факторов, характеризующих научно-техническую и экономическую эффективность теоретических работ. Факторы имеют разные знаки включения в результирующий показатель эффективности, а также соответствующие корректировочные коэффициенты. Различие знаков отражает влияние того или иного фактора на результирующий показатель эффективности: знак "плюс" характеризует положительное влияние, знак "минус" - отрицательное. Корректировочные коэффициенты характеризуют значимость рассматриваемых факторов с точки зрения комплексной оценки научно-технической и экономической эффективности работ. Корректировочные коэффициенты являются своеобразными "рангами", их значения приняты от 1,0 до 1,4.

Таблица 23 - Основные факторы, характеризующие научно-техническую и экономическую эффективность теоретических работ



В таблице 24 представлена расшифровка факторов с соответствующими внутрифакторными рангами. Структура рангов каждого фактора построена по прямой (в отличие от обратной) пятибалльной системе: чем выше, по мнению эксперта характеристика уровня рассматриваемого фактора применительно к данной работе, тем больше значение внутрифакторного ранга этой работа (от 1 до 5).

Использование при проведении коллективной экспертной оценки "двойных рангов" (т.е. внутрифакторных и межфакторных), а также различных знаков влияния и сравнительно большого количества основных факторов позволяет, по нашему мнению, добиться большей степени вероятности достоверной оценки результирующей научно-технической и экономической эффективности работ. Естественно, сами величины названных элементов системы коллективной экспертной оценки по мере приобретения опыта и дополнительной информации могут уточняться и совершенствоваться.

Таблица 24 - Применённые факторы, и их ранги

Выбранные подходящие факторы подставим в формулу.

Величина результирующей комплексной балльной оценки научно-технической и экономической эффективности теоретических работ определяется по формуле:

(67)

где: Э_i-дифференцированная оценка научно-технической и экономической эффективности теоретической работы по характеризующему ее i-му основному фактору, баллы (Э = 1…5; знаки влияния факторов на Э_т: + или -);

К_i - корректировочной коэффициент эффективности i-го фактора, учитывающий степень влияния этого фактора на результирующий показатель эффективности Э_т (К_i = 1,0…1,4);

n - число учитываемых основных i-х факторов, характеризующих рассматриваемую эффективность Э_т (n = 9).

С учетом знаков влияния факторов на Э_т значений коэффициентов К_i и количества основных факторов формулу (4.57) можно представить в развернутом виде:

(68)

где: значения рангов (количество баллов) Э₁, ..., Э₉ определяются по данным таблицы 24:

_;

_.

На основе полученных значений Э_т определяются соответствующие уровни научно-технической и экономической эффективности теоретических работ. Рекомендуется четыре уровня эффективности: низкая, средняя, высокая, очень высокая. Уровни представлены в таблице 25

Таблица 25 - Уровни балльной оценки научно-технической и экономической эффективности теоретических работ

Работа считается соответствующей предъявленным требованиям в том случае, когда величина ее результирующей эффективности Э_т является положительной (Э_т > 0). Если значение Э_т ? 0, то такая работа будет иметь низкую эффективность и, следовательно, ее проведение нецелесообразно. Большинство теоретических работ, проводимых в отраслях НИИ и КБ, имеют среднюю эффективность (значения Э_т от 0,001 до 1,99).

Данная работа относится к высоко эффективной со значением оценки научно-технической и экономической эффективности +2,11

6.4 Выводы по экономической части

Проведённые исследования показали, что эта дипломная работа является экономически целесообразной и актуальной. Результаты работы показали, что путём оптимального выбора материалов и конструкции возможно изготовить магнитную катушку удовлетворяющую всем заданным параметрам технического задания.

Затраты на проведения дипломной работы составили: 76361,07 руб. Рассчитанная смета затрат таблица 22 показывает, что основной статьёй затрат является заработанная плата - 60792 рублей, что составляет 79,6 % от общей суммы затрат на проведение дипломной работы, это говорит о значительных расходах на оплату труда. Подобное распределение затрат можно объяснить тем, что данная исследовательская работа является очень трудоёмкой, это и объясняет большие затраты на заработную плату.

Была проведена качественная научно-техническая оценка эффективности данной НИР. Для оценки экономической эффективности был выбран метод бальной оценки теоретической работы. В результате экономическая эффективность рассчитанная данным методом составила +2,11.

Таким образом, можно сказать, что данная научно-исследовательская работа в целом эффективна, так как в ходе исследования были достигнуты все ожидаемые результаты как с исследовательской так и с экономической точки зрения.

Заключение и выводы

В данной работе был проведён обзор литературы по интересующим материалам, результате анализа которых был проведён выбор материалов сердечника и обмотки катушки. В расчётной части работы проведён расчёт параметров магнитных катушек, который дал требуемый результат в сочетании с выбранными материалами. Проведённый обзор методов компенсации остаточной намагниченности и их эффективности, был экспериментально проверен в экспериментальной чести работы. В разделе безопасности жизнедеятельности в качестве специальной разработки была проведена разработка защитного заземления. А в экономической части составлена смета затрат на проведение данной работы.

Список использованных источников

магнитный наноспутник сердечник сопротивление

1 Пассивная магнитная система ориентации первого российского наноспутника ТНС-0/ Н.В.Куприянова, М.Ю.Овчинников, В.И. Пеньков, А.С. Селиванов; Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша. - 2005. - №46.

2 Анализ вращательного движения первого российского наноспутника ТНС-0 по результатам лётных испытаний/ А.А.Ильин, Н.В.Куприянова, М.Ю.Овчинников, В.И. Пеньков, А.С. Селиванов; Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша. - 2006. - №18.

3 Расчёт токовых катушек для управления макетом спутника в лабораторных условиях И.Е.Зараменских, М.Ю.Овчинников; Препринт ИПМ им.М.В.Келдыша. - 2005. - №93.

4 В.И. Чечерников, Магнитные измерения. - Москва, 1969.

5 Е.С.Боровик, В.В.Еременко, А.С.Мильнер, Лекции по магнетизму, 3-е издание. - Москва, 2005.

6 Метрологическое обеспечение безопасности труда/ Под ред. И. Х. Сологяна. - М.: Изд-во стандартов, 1989.

7 Безопасность жизнедеятельности в металлургии: Учебник для вузов / Л. С. Стрижко, Е. П. Потоцкий, И. В. Бабайцев и др.; Под ред. Л. С. Стрижко. - М.: Металлургия, 1996.

8 Безопасность труда на производстве. Защитные устройства: Справочное пособие / Колл. авт.; Под ред. Б.М. Злобинского. - М.: Металлургия, 1971.