永磁直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路機(jī)理分析與研究

李玉濤，謝宗晟，曹 寬

(西安航天精密機(jī)電研究所，西安 710100)

0 引 言

由于航空航天領(lǐng)域的特殊性和器件工作環(huán)境的特殊性，高可靠性和輕型化是對(duì)航空航天器件最核心的要求。從體能比和質(zhì)能比等綜合指標(biāo)上來(lái)看，永磁直流力矩電機(jī)(簡(jiǎn)稱力矩電機(jī))在航空航天設(shè)備上作為驅(qū)動(dòng)單元具有突出的優(yōu)勢(shì)[1]。

永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)是一種特殊的伺服驅(qū)動(dòng)元件，它可以長(zhǎng)期工作在低速或堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以不經(jīng)過(guò)齒輪減速器而直接與負(fù)載耦合連接，消除了齒輪減速器帶來(lái)的齒隙誤差，提高了伺服系統(tǒng)的耦合精度。此外它還具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)速和力矩波動(dòng)小、能在很低的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在慣導(dǎo)平臺(tái)[2]、導(dǎo)引頭[3]、光電吊艙[4]等位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，對(duì)繞組短路已開(kāi)展了一些研究，但更多在短路后的檢測(cè)和診斷中[5-10]，對(duì)短路機(jī)理及建模研究較少。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和交付進(jìn)度，成為制約力矩電機(jī)生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。本文以力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路問(wèn)題為切入點(diǎn)，以提高力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子合格率為目的，力求對(duì)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路問(wèn)題進(jìn)行深入理論剖析，為進(jìn)一步電機(jī)工藝協(xié)同設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。

1 力矩電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁直流力矩電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)型式有分裝式和組裝式兩種。分裝式結(jié)構(gòu)主要包括定子﹑轉(zhuǎn)子和刷架組件三大組件，系統(tǒng)使用時(shí)將轉(zhuǎn)子直接安裝緊固在系統(tǒng)的軸上，由于沒(méi)有軸承，因此節(jié)省了裝配空間。而組裝式結(jié)構(gòu)除了分裝式的三大組件外還有前、后端蓋及軸承等零件，其結(jié)構(gòu)與普通直流伺服電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。

本文以一款8極33槽的永磁式直流力矩電機(jī)為例，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子組件如圖1所示。

圖1 直流力矩電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)

1.2 力矩電機(jī)工作原理

永磁直流力矩電機(jī)的理想化模型如圖2所示。磁鋼采用徑向充磁結(jié)構(gòu)，每對(duì)極磁路中有兩個(gè)永磁體串聯(lián)起來(lái)提供磁動(dòng)勢(shì)，由一個(gè)永磁體的截面積提供每極磁通。繞圈繞制在由高導(dǎo)磁材料疊壓形成的轉(zhuǎn)子鐵芯上，當(dāng)繞組通電后，繞組磁勢(shì)與永磁磁勢(shì)共同作用，使得定子鐵心一側(cè)出現(xiàn)增磁現(xiàn)象，另一側(cè)出現(xiàn)去磁現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子便會(huì)開(kāi)始偏轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到適當(dāng)位置，通過(guò)電刷實(shí)現(xiàn)繞組中電流方向切換，從而使轉(zhuǎn)子繼續(xù)向同一方向旋轉(zhuǎn)。

圖2 理想化永磁直流力矩電機(jī)模型

2 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組阻值異?，F(xiàn)象

圖3 某型永磁直流力矩電機(jī)18001#產(chǎn)品轉(zhuǎn)子

在某型永磁直流力矩電機(jī)研制過(guò)程中，其18001#產(chǎn)品的轉(zhuǎn)子在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)繞組電阻值異?，F(xiàn)象，如圖3所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，以某一標(biāo)記位置為起始，其33個(gè)線圈的片間電阻值如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子片間電阻測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子電阻測(cè)試

3 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路機(jī)理分析

3.1 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子波繞組簡(jiǎn)介

為消除因磁鋼性能差異引起的磁場(chǎng)不對(duì)稱性對(duì)電樞繞組電勢(shì)產(chǎn)生的影響，保證各支路電勢(shì)平衡，力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子多采用波繞組形式。如圖5所示，采用單波繞組可以使電樞繞組每條支路的元件數(shù)增多，電機(jī)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低。此外，單波繞組在電刷電流密度允許的情況下可減少電刷的使用對(duì)數(shù)，降低電刷摩擦對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，有利于減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)子波繞組接線圖

3.2 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正常情況

在正常情況下，每個(gè)線圈絕緣良好，阻值相同，均為R0即1.115Ω，則任一片間電阻的等效電路均相同，以換向片1和換向片2(簡(jiǎn)稱換向片1/2)為例，通過(guò)星形矢量圖可得其等效電路圖，如圖6所示。

圖6 片間電阻正常情況等效電路圖

在正常情況下，根據(jù)串并聯(lián)關(guān)系，可得片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(1)

通過(guò)式(1)計(jì)算，可得片間電阻的正常值應(yīng)為3.92Ω。

3.3 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路情況

3.3.1 相鄰線圈間短路情況

假設(shè)相鄰線圈24和25之間發(fā)生短路，導(dǎo)致所測(cè)片間電阻的等效電路發(fā)生差異。通過(guò)星形矢量圖可得線圈24和線圈25間串聯(lián)有線圈25、線圈33和線圈8，由于線圈24和線圈25間短路，測(cè)得的片間電阻可以分為以下多種情況：

(1)換向片8/9間的電阻

圖7 片間電阻8/9的等效電路圖

在相鄰線圈間短路情況下，換向片8/9之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(2)

同理，換向片7/8之間的片間電阻也為2.862R0。

(2)換向片16/17間的電阻

圖8 片間電阻16/17的等效電路圖

在相鄰線圈間短路情況下，換向片16/17之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(3)

(3)換向片24/25間的電阻

圖9 片間電阻24/25的等效電路圖

在相鄰線圈間短路情況下，換向片24/25之間的片間電阻可認(rèn)為是短路電阻。

(4)換向片32/33間的電阻

圖10 片間電阻32/33的等效電路圖

在相鄰線圈間短路情況下，換向片32/33之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(4)

(5)其他換向片X與換向片X+1間的電阻

圖11 片間電阻X/X+1的等效電路圖

在相鄰線圈間短路情況下，以換向片6和換向片7之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為例，可得：

(5)

3.3.2 單個(gè)線圈內(nèi)部短路情況

假設(shè)線圈24內(nèi)部發(fā)生短路，導(dǎo)致所測(cè)片間電阻的等效電路發(fā)生差異。通過(guò)星形矢量圖可得線圈24處于換向片7/8、換向片15/16、換向片23/24和換向片32/33之間。測(cè)得的片間電阻可以分為以下兩種情況：

(1)換向片7/8、換向片15/16、換向片23/24和換向片32/33的電阻

圖12 片間電阻7/8的等效電路圖

在內(nèi)部短路情況下，換向片7/8、換向片15/16、換向片23/24和換向片32/33之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(6)

(2)非換向片7/8、換向片15/16、換向片23/24和換向片32/33的電阻

圖13 片間電阻8/9的等效電路圖

在內(nèi)部短路情況下，以換向片8和換向片9之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為例，可得非換向片7/8、換向片15/16、換向片23/24和換向片32/33之間的片間電阻計(jì)算過(guò)程為

(7)

4 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路形成原因

4.1 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子工藝過(guò)程

力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子鐵心、漆包線繞組、換向片、環(huán)氧樹(shù)脂膠、聚四氟乙烯薄膜等組裝而成。轉(zhuǎn)子繞組和鐵心之間的絕緣層為聚四氟乙烯薄膜和環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板制成的絕緣端片(材料為酚醛玻璃布板)。

力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子的加工工藝流程較為復(fù)雜，工序多、流程長(zhǎng)，涉及到總裝、機(jī)加和熱表三個(gè)不同的車(chē)間。轉(zhuǎn)子鐵心等零組件齊套后，主要的工序可以概括為4個(gè)階段：下線、整形、灌膠、加工。具體流程為：槽絕緣-下線-插入換向片-絕緣處理-焊線-整形-灌膠-車(chē)-磨-銑-鉗-精車(chē)-鉗-車(chē)-涂漆。

4.2 力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路原因分析

由力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路機(jī)理分析，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出轉(zhuǎn)子短路主要是因?yàn)橄噜従€圈間短路而導(dǎo)致，如表2所示。轉(zhuǎn)子短路片間電阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)間差異較小。差值產(chǎn)生的主要原因是實(shí)際每個(gè)線圈繞制后阻值均有略微差異引起的。

表2 轉(zhuǎn)子線圈阻值測(cè)試結(jié)果

目前，轉(zhuǎn)子加工過(guò)程中已有焊線后電阻測(cè)量、整形后電阻以及絕緣電阻測(cè)量、機(jī)加后電阻測(cè)量等多個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)。根據(jù)車(chē)間測(cè)試數(shù)據(jù)可知，焊線后電阻測(cè)量、整形后電阻以及絕緣電阻測(cè)量均滿足要求的情況下，仍然有機(jī)加后電阻測(cè)量出現(xiàn)短路的情況。

進(jìn)一步分析可知，轉(zhuǎn)子整形后又經(jīng)過(guò)灌膠和車(chē)磨等機(jī)加工序。其中，灌膠工序中，線圈受熱，由于整形擠壓而引起的線圈漆包線絕緣膜破損可能導(dǎo)致短路；機(jī)加工序中，轉(zhuǎn)子端部車(chē)削加工時(shí)，線圈受到擠壓力，漆包線絕緣膜破損也可能導(dǎo)致短路。

5 工藝保障方案以及需要進(jìn)一步研究的工作

5.1 工藝保障方案

針對(duì)短路原因，現(xiàn)提出如下工藝保障方案：

(1)合理設(shè)計(jì)整形工裝，在保證整形效果的前提下盡量降低整形應(yīng)力。

(2)進(jìn)行焊線端焊線保護(hù)，防止焊線端焊點(diǎn)斷路或短路。

(3)整形后，加嚴(yán)電阻檢測(cè)，由局部測(cè)量改為整周電阻測(cè)量。

(4)灌膠前，增加電阻檢測(cè)，在灌膠前篩選出不合格產(chǎn)品。

5.2 需要進(jìn)一步研究的工作

(1)針對(duì)改進(jìn)措施開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

(2)目前僅針對(duì)單線圈短路進(jìn)行分析，仍需要對(duì)多線圈短路快速判別進(jìn)行理論研究。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)永磁直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路進(jìn)行機(jī)理分析，推導(dǎo)出線圈間短路和線圈內(nèi)短路不同情況下的阻值差異。針對(duì)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子加工過(guò)程，分析轉(zhuǎn)子短路形成原因，在此基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。

通過(guò)對(duì)永磁直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子短路問(wèn)題分析，加深了對(duì)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子的認(rèn)識(shí)，針對(duì)可能的缺陷因素并結(jié)合產(chǎn)品工藝過(guò)程，提出工藝保障措施以大幅度減少現(xiàn)階段力矩電機(jī)的短路問(wèn)題。本文的研究工作奠定了該電機(jī)的工藝協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)理論基礎(chǔ)，為下一步電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有力支持。