水下無人航行器用電機的集成設(shè)計

麻翠娟，張雪峰，楊晨煒，李國強，王智慧

(1.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

交流永磁同步伺服系統(tǒng)已成為現(xiàn)代機電伺服驅(qū)動的發(fā)展趨勢，永磁同步伺服電機是其重要執(zhí)行部件，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、功率因數(shù)高等多項優(yōu)點[1]。

為滿足水下無人航行器對電機浸水式、體積小、集成化、噪聲低、低成本、長時穩(wěn)定工作的要求，本文研制了一種新型的永磁同步電機，應(yīng)用電磁場有限元分析技術(shù)對電機磁路進行合理設(shè)計，充分提升電磁利用空間，減小電機轉(zhuǎn)矩脈動，滿足電機長時穩(wěn)定運行的使用要求。同時，合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)，解決結(jié)構(gòu)緊湊、體積盡可能小的問題。采用耐腐蝕材料并嚴格設(shè)計密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電機的工作穩(wěn)定性和可靠性。該電機與驅(qū)動控制器實現(xiàn)了集成一體化設(shè)計、裝調(diào)、試驗，提高了產(chǎn)品的集成性。

1 電機設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

該電機作為水下某作動器的動力輸出元件，要求體積小、成本低、水下可靠工作、電機通過線纜直接與驅(qū)動器實現(xiàn)電氣連接。主要技術(shù)指標如下：

(1)直流母線電壓：300±60 V；

(2)相電流有效值：≤5 A；

(3)極對數(shù)：P≤7；

(4)工況點轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求：電機轉(zhuǎn)矩3 Nm時，轉(zhuǎn)速≥2000 r/min；

(5)單次工作時間：10 min；

(6)壽命：≥8年；

(7)總成尺寸：不大于200X180 mm(長X寬)

(8)單臺電機總質(zhì)量：2.8±0.1 kg

1.2 主要參數(shù)設(shè)計

根據(jù)如下經(jīng)驗公式計算定子內(nèi)徑和鐵心長度：

(1)

式中，Dil為定子內(nèi)徑(m)；Lef為鐵心長度(m)；Temmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)；Bσ為氣隙磁密(T)；A為電負荷(A/m)[2]。

由式(1)可見，定子內(nèi)徑和鐵心長度主要取決于氣隙磁密和電負荷。鑒于電機長時工作在海水環(huán)境中，散熱條件有很大改善，電機運行時電流密度可以較常規(guī)電機適當提高，這樣便可以減小電機體積，提高功率密度。

本方案充分提升電磁利用空間，實現(xiàn)額定輸出要求，同時進行有效的電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證電機在海水環(huán)境下的運行可靠性。額定轉(zhuǎn)矩電流密度達11.25 A/mm2?？紤]到技術(shù)指標要求極對數(shù)不大于7，為減小電機體積，提高其單位體積內(nèi)的功率密度，在鐵耗允許的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子選擇多極結(jié)構(gòu)，使得每極磁通量減小，有效地減小定子軛部的體積。電機要求動態(tài)反應(yīng)快，同一功率等級的電機多極比少極每相電感更小，使得電機動態(tài)響應(yīng)更快。分數(shù)槽結(jié)構(gòu)可以有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩，分數(shù)槽電機工藝性好[3]，因此，極槽配合方案選取繞組系數(shù)高、齒槽轉(zhuǎn)矩小的14極15槽分數(shù)槽結(jié)構(gòu)。

根據(jù)初步計算，電機主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

其次，改進進度管理模式能夠保證建筑工程現(xiàn)場施工的安全。安全是現(xiàn)代建筑工程建設(shè)中常被提到的一個概念，因為安全問題和工程質(zhì)量、經(jīng)濟性以及進度之間都存在著緊密的聯(lián)系。若是在工程施工中出現(xiàn)安全事故，不僅會帶來較大的經(jīng)濟損失，同時還會阻礙施工活動的正常推進，延誤工期?；诖耍诮ㄖこ淌┕さ倪^程中，工程管理人員必須要從安全角度出發(fā)對工程進度計劃進行科學的制定，保障各方面工序以及工作量的合理安排，留出一定的緩沖余地，同時改進但進度管理，將其與安全管理進行有機聯(lián)動，如此才能保障建筑工程施工順利有序的完成。

表1 電機主要結(jié)構(gòu)尺寸

應(yīng)總體體積小、集成化要求，將電機驅(qū)動控制器集成在電機殼體內(nèi)，經(jīng)初步設(shè)計，電機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電機由驅(qū)動控制器供電驅(qū)動，供電電壓為300±60 V，輸出轉(zhuǎn)矩3 Nm時，轉(zhuǎn)速≥2000 r/min，采用正弦波永磁同步電機，由定子、轉(zhuǎn)子、殼體、端蓋、驅(qū)動控制器等部分組成。轉(zhuǎn)子通過霍爾組件來檢測位置和速度信息，三個插裝式霍爾傳感器均布焊接在一個環(huán)形電路板上，與直接粘貼在繞組端部或安裝在繞組之間的間隙中這兩種方式[4-5]相比，方便更換或維修。驅(qū)動控制器包括兩塊驅(qū)動板、連接螺柱等，主要給電機和霍爾組件供電，并向上位機反饋轉(zhuǎn)子信息，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 電機結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 電磁設(shè)計

按電機使用時實際負載和供電電壓，采用基于“磁路”的電磁計算和基于電磁場有限元瞬態(tài)分析，進行電磁計算及優(yōu)化分析。主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 電磁仿真結(jié)果

基于上述參數(shù)，電機額定轉(zhuǎn)速下，利用Maxwell電磁場仿真分析軟件進行瞬態(tài)有限元分析，計算結(jié)果如圖2和圖3所示，電磁場分布如圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩曲線

按圖2列出表3，電機“電流-力矩”對應(yīng)關(guān)系數(shù)值?？煽闯觯姍C在3.5 Nm以下，基本處于線性狀態(tài)，且有一定的余量。

表3 電機性能計算結(jié)果

圖3 反電勢波形

圖4 電磁場分布

從電磁場瞬態(tài)有限元分析結(jié)果可以看到，電機轉(zhuǎn)速為2000 r/min時，空載反電勢峰值為214 V，滿足(300±60)V的使用要求。圖4為電機輸出3 Nm時磁密分布圖，充分利用了硅鋼片的性能。

仿真結(jié)果表明，設(shè)計結(jié)果正確、合理，能夠滿足系統(tǒng)要求。

1.4 海水環(huán)境下密封結(jié)構(gòu)、絕緣可靠性設(shè)計

考慮電機的海水工作環(huán)境，可靠的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。為保證水深較深情況下對外密封可靠性，采用非金屬雙道密封的形式。選用特瑞堡O型密封件ORAR00154，可在-20℃ ～+200℃溫度范圍內(nèi)使用。密封結(jié)構(gòu)嚴格按照我所加嚴密封標準設(shè)計，保證密封可靠，計算結(jié)果如表4所示。

表4 密封計算結(jié)果

水下電機絕緣受機、電、熱、油、水和壓力的作用，絕緣材料的絕緣性能及其相容性是電機絕緣設(shè)計的重要工作。匝間絕緣是這類電機絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。聚酰亞胺漆包線耐油水性能最好，繞組選用220℃等級的聚酰亞胺漆包線(QZY(XY)BP-2/200)，具有良好的導(dǎo)電性能，漆膜連續(xù)性及耐水性能夠最大程度滿足電機絕緣可靠性要求。采用H級聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料6650作為電機定子槽、層間絕緣，聚酰亞胺薄膜用于電機相間絕緣，它們具有優(yōu)異的耐熱、電氣絕緣、柔韌性和浸漬性能。電機絕緣耐油水性能好，耐高溫能力強。選用H級660 A不飽和聚酯浸漬絕緣漆進行灌封澆注，且其與聚酰亞胺漆包線和聚酰亞胺薄膜相溶性好，提高了電機的絕緣性能。

1.5 轉(zhuǎn)子位置、速度檢測

為降低系統(tǒng)成本且保證控制性能，本文提出一種基于線性霍爾組件的電機總成系統(tǒng)，通過對線性霍爾組件的輸出信號進行檢測，實現(xiàn)電機啟停、換向、轉(zhuǎn)子位置和速度信息反饋。與輸出軸安裝旋轉(zhuǎn)變壓器外加電路方案[6]比較，電機總成硬件成本降低；與采用光電式轉(zhuǎn)子傳感器方案比較，亦具有成本低、性能可靠、維修方便、軟件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

為保證測量精度，將轉(zhuǎn)子位置和速度檢測磁鋼與電機轉(zhuǎn)子主磁鋼獨立開來，但兩者同軸安裝，如圖5所示。兩者充磁的極性和波形一致，且位置檢測磁鋼與電機轉(zhuǎn)子磁鋼的中心線對齊，通過檢測位置磁鋼的磁通密度便可得知轉(zhuǎn)子的位置信息?；魻杺鞲衅鞑逖b在獨立的霍爾安裝印制板上形成霍爾組件，這樣不僅避免了人員裝配誤差導(dǎo)致霍爾檢測精度降低的問題，而且當傳感器發(fā)生故障時，整體更換印制板即可，便于維修。

為保證磁鋼粘貼均勻，轉(zhuǎn)子軸上均布有凸鍵，便于磁鋼定位，可保證每個磁鋼間的間隙一致，提高檢測精度。

圖5 電機轉(zhuǎn)子磁鋼和轉(zhuǎn)子位置檢測磁鋼

2 試驗情況

對實物產(chǎn)品進行空載和帶載性能試驗，帶載試驗裝置由電源、上位機、信號發(fā)生器、電機、集成在電機中的霍爾組件和驅(qū)動控制器、電機軸工裝、砝碼、固定卡具組成，如圖6所示。

圖6 電機帶載試驗裝置

試驗時，將電機總成固定在固定卡具上，電機軸工裝與電機輸出軸連接，在電機軸工裝上懸掛一定重量的砝碼模擬電機負載轉(zhuǎn)矩3 Nm，電機的位置和轉(zhuǎn)速由霍爾組件測定，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 電機性能試驗結(jié)果

整機關(guān)注額定電壓下電機的負載性能，利用負載臺，給出兩個典型工況點，對給定負載下相電流有效值進行測量，結(jié)果如表6所示。

表6 額定電壓負載性能試驗結(jié)果

從表5和表6可以看出，試驗結(jié)果與設(shè)計值相符，能夠滿足設(shè)計和使用要求。另外，電機隨整機作動器進行了水下測試，性能參數(shù)滿足要求。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的水下無人航行器用集成化永磁同步電機，基于總體設(shè)計要求，針對主要參數(shù)、電磁計算、密封和絕緣、轉(zhuǎn)子位置和速度檢測方法等四個方面進行了詳細設(shè)計，綜合應(yīng)用電磁場分析等有限元分析技術(shù)，完成了優(yōu)化設(shè)計。通過樣機試驗表明，電機具有功率密度大、體積小、重量輕、集成化、成本低的特點。后續(xù)此樣機還隨整機作動器完成了無人航行器水下試驗，該集成電機具有較好的控制效果，各項性能參數(shù)均滿足總體指標要求。另外，方案采用了可整體更換的獨立霍爾組件作為反饋元件，降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，具有較高的性價比，可推廣用于其他水下應(yīng)用場合。