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

路文開(kāi)，張 衛(wèi)，唐 楊

( 1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng) 550003；3.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550003)

0 引言

舵機(jī)是導(dǎo)彈關(guān)鍵部件，直接影響了導(dǎo)彈的精確度與性能。為克服傳統(tǒng)液壓、氣壓舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、效率低等缺點(diǎn)[1]，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正逐步替代傳動(dòng)液壓氣動(dòng)系統(tǒng)，由于工作條件的特殊性，對(duì)舵機(jī)用電機(jī)提出較高的要求，因此舵機(jī)用電機(jī)成為國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)與研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[2]中電動(dòng)舵機(jī)采用有刷直流電機(jī)，舵機(jī)系統(tǒng)可靠性高，響應(yīng)速度快，但電刷易產(chǎn)生火花，壽命較短。文獻(xiàn)[3-4]采用有限元法設(shè)計(jì)舵機(jī)用永磁同步電機(jī)，該類電機(jī)功率密度較高，但由于電機(jī)是交流供電，在閉環(huán)控制多工作點(diǎn)時(shí)，控制成本及精度將受到影響。文獻(xiàn)[5-6]采用有限元分析方法研究了導(dǎo)彈舵機(jī)用無(wú)鐵心盤式永磁電機(jī)電磁性能，但未加工樣機(jī)，且該類電機(jī)控制技術(shù)尚未成熟。針對(duì)多工作點(diǎn)運(yùn)行電動(dòng)舵機(jī)，基于直流電機(jī)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展，保證電機(jī)輸出功率前提下，研發(fā)舵機(jī)用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)尤其重要。

綜合上述文獻(xiàn)，結(jié)合某導(dǎo)彈舵機(jī)用電機(jī)的工程實(shí)例，考慮到該電機(jī)控制形式及高速、高效、高轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)從定子、繞組、永磁體結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，采用Ansys/Maxwell有限元分析軟件建立了該電機(jī)的二維有限元分析模型，對(duì)其電磁特性進(jìn)行了分析。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作出樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：該電機(jī)的設(shè)計(jì)方案合理，電機(jī)各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)技術(shù)要求

該永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，閉環(huán)工作三個(gè)負(fù)載工作點(diǎn)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 電機(jī)工作電機(jī)性能指標(biāo)

1.2 主要尺寸的確定

針對(duì)該高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)，首先確定電機(jī)定子鐵心內(nèi)徑Da和軸向長(zhǎng)度La，電機(jī)主要尺寸之間的關(guān)系[7]：

式中，p′電機(jī)功率；A電機(jī)電負(fù)荷值；kw1定子繞組系數(shù),Bδ氣隙磁密幅值；nN額定轉(zhuǎn)速；ap極弧系數(shù)；Bδ氣隙磁密平均值。

電機(jī)定子鐵心長(zhǎng)徑比λ=La/Da影響電機(jī)性能及形狀，考慮到電機(jī)質(zhì)量限制以及小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特點(diǎn)，λ取值適當(dāng)大一些[8-9]，該電機(jī)選擇λ=0.9。

綜合現(xiàn)有永磁電機(jī)尺寸，本電機(jī)設(shè)計(jì)方案取Da=50mm,L=45mm。

1.3 主要材料

不同永磁材料在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生不同勵(lì)磁磁場(chǎng)，進(jìn)而影響電機(jī)輸出性能[10]。常見(jiàn)高速永磁電機(jī)永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低，但極限工作溫度較高，可達(dá)350°C，溫度系數(shù)很小。機(jī)械性能而言，釤鈷機(jī)械性能較差，抗拉強(qiáng)度最大為30MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)800MPa[11]。因此針對(duì)表貼式永磁電機(jī)外加護(hù)套保護(hù)永磁體，避免永磁體高速下受拉失效。

考慮到該高速永磁電機(jī)溫升較為嚴(yán)重，為了防止永磁體因高溫退磁，選擇釤鈷永磁材料，雖然釤鈷磁性能較差，但磁性能參數(shù)受溫度影響較小，在較高溫度工況下，釤鈷磁性能可能會(huì)高于釹鐵硼。

1.4 永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速永磁電機(jī)常采用表面式永磁體結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的表貼式磁極結(jié)構(gòu)有凸出式和嵌入式，如圖1所示。

(a)凸出式 (b)嵌入式 圖1 表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

兩種永磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造與裝配，嵌入式磁極結(jié)構(gòu)漏磁系數(shù)較大[12]，考慮到本次設(shè)計(jì)電機(jī)效率要求較高，為了減小漏磁產(chǎn)生損耗，采用表貼式凸出式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，這樣也便于電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提高電機(jī)輸出性能[13]。

1.5 永磁體厚度選擇

永磁體磁化方向長(zhǎng)度依據(jù)電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系預(yù)估初值，然后在Ansys/RMxprt中進(jìn)行具體電磁計(jì)算校驗(yàn)；使得電機(jī)空載工作點(diǎn)滿足Bδ=(0.6～0.85)Br，此外磁化長(zhǎng)度的大小影響電機(jī)抗去磁能力，因此還需考慮電機(jī)最大過(guò)電流時(shí)的去磁能力，確定永磁體最終磁化長(zhǎng)度[14]。

1.6 定子沖片設(shè)計(jì)

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，定子鐵心磁場(chǎng)頻率較高，為減少定子鐵心產(chǎn)生較大鐵耗及溫升，定子沖片采用厚度為0.2mm、20WTG1500硅鋼帶。電機(jī)槽數(shù)選擇為12槽，定子沖片槽形選定主要考慮因素：首先滿足定子繞組線圈電流密度在限制之內(nèi)，定子槽設(shè)計(jì)有充足的截面積，其次槽滿率不能太高，要協(xié)調(diào)考慮線下工藝要求，最后結(jié)合機(jī)械強(qiáng)度和工藝限制選擇合理軛高和齒寬[15]。

2 電機(jī)模型的建立

綜合考慮電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要求及工作特點(diǎn)確定電機(jī)電磁方案參數(shù)，見(jiàn)表2所示。

表2 高速永磁電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)表中的參數(shù)在Ansys軟件中RMxprt模塊、建模，然后將其轉(zhuǎn)化為Maxwell 2D模型。利用時(shí)步有限元的方法，進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場(chǎng)的分析。圖2是所設(shè)計(jì)電機(jī)的截面模型。

圖2 電機(jī)模型

3 電機(jī)有限元分析結(jié)果與分析

3.1 電機(jī)磁場(chǎng)分析

等效磁路法對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)建模時(shí)忽略了電機(jī)槽形、磁飽和等因素，與電機(jī)實(shí)際工作特性有差別。因此需要采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速11300r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為4.1N·m時(shí)電機(jī)磁力線及磁密云圖分布如圖3、圖4所示。

圖3 電機(jī)磁力線分布

圖4 電機(jī)磁密云圖分布

由電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)與磁密分布可知，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、氣隙之間形成了閉合的磁鏈，定子齒部磁力線分布分布較密，有少數(shù)的磁力線在極間、氣隙處產(chǎn)生漏磁；電機(jī)內(nèi)部最大飽和磁密為1.4T，定子采用硅鋼帶材料，其飽和磁密為1.6T，未達(dá)到飽和。

3.2 氣隙磁密分析

采用有限元法對(duì)電機(jī)沿圓周方向的徑向氣隙磁密進(jìn)行求解，如圖5所示。徑向氣隙磁密波形近似于矩形波，幅值為7.21T，圖中不規(guī)則的缺口畸變是由定子開(kāi)槽氣隙磁導(dǎo)不均勻?qū)е隆?/p>

圖5 電機(jī)徑向氣隙磁密分布

3.3 空載反電勢(shì)分析

空載反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。在額定轉(zhuǎn)速下求解出電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)如圖6所示。直觀看出該電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)具有較高的矩形分布，這表明電機(jī)設(shè)計(jì)斜槽、繞組、槽極參數(shù)的合理性。

圖6 電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形

3.4 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)振動(dòng)與噪聲影響較大，該電機(jī)定子設(shè)計(jì)為斜槽0.5個(gè)齒槽抑制電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩[16]。在Ansys軟件中借助瞬態(tài)求解器，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1deg/sec，同時(shí)加密電機(jī)各部分的網(wǎng)格，求得電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖7所示，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值僅為6.5mN·m。

圖7 電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

3.5 電機(jī)輸出性能分析

實(shí)際工作時(shí)，電機(jī)在控制器作用下閉環(huán)工作轉(zhuǎn)速為11300r/min，在Ansys軟件中將電機(jī)額定電壓設(shè)置為56V，閉環(huán)轉(zhuǎn)速，求得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示，可得該工作點(diǎn)的平均轉(zhuǎn)矩為4.1075N·m，此時(shí)效率為90.2%。

圖8 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

4 樣機(jī)與仿真對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果得出電機(jī)參數(shù)制作出物理樣機(jī)，如下圖9所示。該電機(jī)由控制器和電機(jī)本體組成，對(duì)制作的樣機(jī)施加56V直流電壓，由控制器控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速11300r/min，調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩為1N·m、2.2N·m、4.1N·m，測(cè)試電機(jī)三個(gè)工作點(diǎn)時(shí)電機(jī)性能如表3所示。

圖9 電機(jī)實(shí)物圖

轉(zhuǎn)矩 N·m 轉(zhuǎn)速 n/min 電流 A 效率 %11136125.882.32.21133653.587.34.111355101.785.6

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出電機(jī)在3個(gè)不同的工作點(diǎn)時(shí)，電機(jī)效率在82.3%～87.3%之間，電機(jī)功率密度較高，溫升較為嚴(yán)重，但是電機(jī)短時(shí)制和通過(guò)加散熱筋可以保證電機(jī)能夠正常工作。

表4 電機(jī)理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表4可得，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5.72%之間，該誤差由于模型近似簡(jiǎn)化導(dǎo)致，滿足工程要求誤差10%以內(nèi)。驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果可靠性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)導(dǎo)彈電動(dòng)舵機(jī)多負(fù)載工作點(diǎn)、高速、高效設(shè)計(jì)指標(biāo)，基于等效磁路法和電磁有限元法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為11300r/min、最大輸出轉(zhuǎn)矩為4.1N·m、效率為82.3%～85.6%的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)。結(jié)果表明：為提高電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小損耗提高效率，選取定子鐵心長(zhǎng)徑比較大；定子槽數(shù)較少，電機(jī)定子沖片較薄，轉(zhuǎn)子采用表貼式凸出式結(jié)構(gòu)，此時(shí)電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)接近矩形波，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)合理性。為了減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，采用定子斜0.5齒槽，此時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩僅為6.5mN·m，削弱效果較為明顯。最后對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)負(fù)載特性數(shù)據(jù)與有限元值進(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5.72%之間，滿足工程要求誤差10%以內(nèi)，驗(yàn)證有限元仿真方法可靠性。相關(guān)研究工作為同類型的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一定參考價(jià)值。