舵機(jī)用高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與分析

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的多元化發(fā)展使得傳統(tǒng)武器的弊端愈加凸顯,傳統(tǒng)武器迫切需要進(jìn)行技術(shù)革新^[1]。舵機(jī)伺服系統(tǒng)是飛行器、導(dǎo)彈等裝備的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu),其工作原理是驅(qū)動(dòng)器通過控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)舵面作動(dòng),使飛行器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、俯仰和滾轉(zhuǎn)等多姿態(tài)機(jī)動(dòng)動(dòng)作,按照預(yù)定軌跡精確打擊目標(biāo)_[2—3]。彈用舵機(jī)主要有液壓、氣 壓和電動(dòng)三種驅(qū)動(dòng)方式,相對(duì)于傳統(tǒng)液壓和氣壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、成本高的缺點(diǎn),電動(dòng)舵機(jī)具有 輕質(zhì)、小體積、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)勢(shì), 目前正 逐步替代傳統(tǒng)的液壓和氣壓舵機(jī)^[4—5]。特別是航空航天領(lǐng)域,由于工作環(huán)境的特殊性,電動(dòng)舵機(jī)已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)用永磁磁極代替了勵(lì)磁繞組和磁極鐵芯,使得電機(jī)性能得到提高,結(jié)構(gòu)得以簡化,具備舵機(jī)需求的小體積、高可靠、高效率等優(yōu)點(diǎn)^[6]。選擇永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)電動(dòng)舵機(jī) 系統(tǒng),可使舵機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊,降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。

本文以某型舵機(jī)電機(jī)的研制作為工程應(yīng)用背景,結(jié)合電機(jī)技術(shù)指標(biāo)、舵機(jī)工作環(huán)境和控制方式,運(yùn)用Maxwell軟件進(jìn)行電磁仿真分析,從電機(jī)結(jié)構(gòu)組成、材料選擇、工藝加工三方面進(jìn)行設(shè)計(jì),分析電機(jī)輸出性能是否滿足技術(shù)指標(biāo),并加工試驗(yàn)樣機(jī),進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

1.1電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

該永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸確定

電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸是電機(jī)鐵芯直徑和長度,主要尺寸確定以后,其他尺寸就可以大致確定^[7]。電機(jī)主要尺寸計(jì)算公式:

式中:D為電機(jī)鐵芯直徑;l_ef為電樞軸向計(jì)算長度;n為轉(zhuǎn)速;p'為計(jì)算功率;α'_p為計(jì)算極弧系數(shù);K_Nm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù);K_dp為繞組系數(shù);A為電負(fù)荷;B_δ為磁負(fù)荷。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,主要尺寸的確定受到計(jì)算系數(shù)α'p、K_Nm和K_dp的影響較小,計(jì)算功率p'一般選取電機(jī)額定功率進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)計(jì)算功率p'與轉(zhuǎn)速n一定時(shí),電機(jī)本體尺寸與電負(fù)荷A、磁負(fù)荷B_δ、鐵芯直徑D和鐵芯長度l_ef有關(guān)。而電磁負(fù)荷A、B_δ的選取通常是電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中長期積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),一般根據(jù)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求、材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等確認(rèn)。初步選定A和B_δ后,可以確定電機(jī)的D²l_ef,此時(shí)電機(jī)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成細(xì)長型,也可設(shè)計(jì)成粗短型。通常采用電機(jī)鐵芯的長徑比λ來反映電機(jī)的幾何形狀,λ的大小會(huì)影響電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、輸出性能、加工性能,其選擇一般受到電機(jī)溫升、電樞用銅量、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響^[8]。

考慮到所設(shè)計(jì)電機(jī)的體積、質(zhì)量、工作環(huán)境溫度限制,λ的選擇需適當(dāng)取較大值,參考已有電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和電磁設(shè)計(jì)選定λ=1.15,即電機(jī)方案選定電樞直徑D=39 mm,電樞軸向計(jì)算長度l_ef=45 mm。

1.3電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料確定

不同勵(lì)磁材料的選擇會(huì)對(duì)電機(jī)輸出性能產(chǎn)生影響,電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料為永磁體材料和定子沖片材料,常見的電機(jī)用永磁體材料如表2所示。

高性能永磁無刷直流電機(jī)常用的永磁材料為稀土鈷和釹鐵硼。對(duì)比兩種材料性能,稀土鈷磁性能弱于釹鐵硼,但是磁性能受到溫度影響小,極限工作溫度可達(dá)300℃ ^[9]。設(shè)計(jì)電機(jī)工作環(huán)境溫度高于150℃ ,并且電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的溫升較高,為了避免永磁體退磁,選擇稀土鈷作為轉(zhuǎn)子永磁體。為了滿足電機(jī)工藝性,將稀土鈷材料制成表貼式瓦片型磁鋼,磁鋼采用高強(qiáng)度厭氧膠粘接于軸上,同時(shí)在磁鋼外圓增加轉(zhuǎn)子護(hù)套,增強(qiáng)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度。

隨著舵機(jī)向小體積、大功率方向發(fā)展,對(duì)電機(jī)功率密度提出了更高的要求,電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的增加,限制了定子沖片材料的選擇。電機(jī)中常用的定子沖片材料有金屬、硅鋼、軟磁材料和非晶材料,如圖1 (a)所示不同材料磁密曲線,根據(jù)電機(jī)的工況由材料的飽和磁密、剩磁、矯頑力、加工性能等方面綜合考慮,硅鋼材料的性價(jià)比最高,但電機(jī)在負(fù)載工況下硅鋼片磁密飽和,輸出電流超差,所以本文選擇軟磁合金作為定子沖片材料。沖片的厚度對(duì)電機(jī)性能影響較大,如圖1(b)所示電機(jī)對(duì)沖片材料需求,在高頻下,電機(jī)損耗以鐵損為主。從降低電機(jī)損耗考慮,沖片的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量薄。

1.4電機(jī)結(jié)構(gòu)模型建立

考慮電機(jī)工作環(huán)境和技術(shù)指標(biāo),確定電機(jī)的電磁方案參數(shù),如表3所示。

根據(jù)表中電磁參數(shù),使用ANSYS軟件RMxprt模塊建立電機(jī)電磁模型,再將其轉(zhuǎn)換為Maxwell 2D模型。利用“磁路法+有限元法”的方法聯(lián)合仿真,對(duì)電機(jī)進(jìn)行二維瞬態(tài)場(chǎng)分析,圖2為電機(jī)的截面仿真模型。

2電機(jī)性能分析

2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩

電機(jī)不通電時(shí),開槽定子鐵芯與永磁體之間相互“吸引”,產(chǎn)生這種“吸引”的力就是齒槽轉(zhuǎn)矩。電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生對(duì)電機(jī)性能存在不利影響,會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、引起振蕩、噪聲等問題,從而影響電機(jī)的控制精度,降低電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能^[10]。

采用有限元方法對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示,在不采取相關(guān)抑制措施時(shí),電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最大值46.9 mN.m。為了提高電機(jī)的控制精度、運(yùn)行平穩(wěn)性,選擇定子開輔助槽的方法來削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。定子沖片齒冠開槽數(shù)量為2倍定子槽數(shù),增加輔助槽增大了齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)并減小其幅值,模型如圖4所示。沖片開輔助槽后電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩降至9.8 mN.m,齒槽轉(zhuǎn)矩降低了79.1%。

2.2電機(jī)輸出性能

利用Maxwell有限元軟件對(duì)電機(jī)輸出性能進(jìn)行仿真計(jì)算,設(shè)置工作電壓110 V,電機(jī)置于開環(huán)控制狀態(tài)。如圖5、圖6所示為電機(jī)不同工況下的輸出參數(shù)曲線,仿真輸出結(jié)果如表4所示,所有工況點(diǎn)輸出結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。其中,負(fù)載0.2 N·m時(shí)效率達(dá)94.21%,電機(jī)在此工作點(diǎn)工作時(shí)最為經(jīng)濟(jì)。

永磁無刷直流電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí),電樞反應(yīng)的影響很大,會(huì)使電機(jī)鐵芯局部出現(xiàn)飽和,不僅改變了電機(jī)的磁路,而且會(huì)影響永磁體的工作點(diǎn)。因此在考察負(fù)載下電機(jī)磁路的飽和情況時(shí),必須利用電磁場(chǎng)有限元計(jì)算來進(jìn)行分析校核。對(duì)電機(jī)負(fù)載工作1N·m時(shí)的磁密進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7~9所示,定子軛部最大磁密2.02 T,齒部最大磁密1.94 T,氣隙磁密1.54 T。

定子沖片的材料為軟磁合金 ,該材料的飽和磁密約 為2. 18 T ,定子軛部磁密和齒部磁密未達(dá)到材料的飽 和磁密 ,軛部磁密趨于處理極限 ,充分對(duì)材料磁性能 進(jìn)行了利用。

3   樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證電磁仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度 ,根據(jù)上述電機(jī)選材和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)布局,樣機(jī)實(shí)物如圖10所示,整機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、后端蓋、印制板組件、鎖制器、電連接器等零組件構(gòu)成。電機(jī)的控制由印制板組件實(shí)現(xiàn),印制板組件安裝有霍爾元器件,電機(jī)施加電源時(shí),霍爾元器件感應(yīng)電樞繞組磁勢(shì),進(jìn)而控制繞組勵(lì)磁電流的切換,形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)電機(jī)要求雙向旋轉(zhuǎn)工作,所以為了輸出正反對(duì)稱的性能,一般會(huì)對(duì)印制板組件進(jìn)行“移刷”,調(diào)整正反輸出的霍爾波形一致。對(duì)制作的樣機(jī)施加額定電壓DC110 V,采用負(fù)載測(cè)試臺(tái)控制電機(jī)按表1條件進(jìn)行工作,得到電機(jī)5個(gè)工作點(diǎn)時(shí)的性能。采樣結(jié)果如表5所示,試驗(yàn)值與仿真值誤差小于5%,滿足電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4結(jié)論

本文對(duì)舵機(jī)用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)多工況點(diǎn)開展了仿真設(shè)計(jì),采用“磁路法+有限元法”設(shè)計(jì)出一款滿足技術(shù)指標(biāo)要求的高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高可靠性無刷直流電動(dòng)機(jī),通過樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文研究結(jié)果表明,電機(jī)損耗受到鐵芯長徑比選擇影響,較大的長徑比可以減小電機(jī)損耗,提升電機(jī)效率;分?jǐn)?shù)槽極槽配合產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩較大,嚴(yán)重影響電機(jī)控制精度,采用定子齒冠開輔助槽的方式,能有效減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩,削弱后齒槽轉(zhuǎn)矩僅為9.8 mN.m,效果明顯;最后對(duì)樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,可以應(yīng)用到工程實(shí)際中。

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2024年第11期第7篇