多旋翼無人機(jī)電機(jī)減振加固結(jié)構(gòu)設(shè)計

臧 淵，齊亨通，周 潔*

（1.江蘇大學(xué)無錫機(jī)電學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無刷電機(jī)以其穩(wěn)定性高、調(diào)速性能好等優(yōu)勢，迅速在多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1]。無人機(jī)領(lǐng)域的崛起使得遙控航模市場的定制化需求、多種類的配套產(chǎn)品層出不窮。

外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)常用于航模驅(qū)動，外轉(zhuǎn)子的設(shè)計可以縮減電機(jī)尺寸，滿足無人機(jī)的輕量化需求，較大的磁通量使得電機(jī)帶負(fù)載能力強(qiáng)[2]，適用于無人機(jī)高速飛行場合。然而隨著功率密度的提高，電機(jī)振動的問題日益顯現(xiàn)。電機(jī)振動可由機(jī)械、電磁等因素引起，轉(zhuǎn)子和軸承的不平衡會產(chǎn)生機(jī)械振動[3]，電磁振動則主要由徑向電磁力波導(dǎo)致[4]。外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)多采用精密軸承，優(yōu)良的動態(tài)平衡性能使得機(jī)械振動量較小。因此，如何削減低階徑向激振力波，進(jìn)而改善電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的振動，成為了工程學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[5]使用線性模型仿真永磁同步電機(jī)的工作環(huán)境，定量分析得出機(jī)械振動和噪聲振動，以減緩電機(jī)振動和減少噪聲為目標(biāo)設(shè)計一種的電機(jī)結(jié)構(gòu)改善方案；為改善無刷電機(jī)的運(yùn)行性能，文獻(xiàn)[6]提出一種雙圈磁鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外雙圈的結(jié)構(gòu)形成新的磁路，增加徑向氣隙磁密，從而提升力矩輸出性能的設(shè)計方案；文獻(xiàn)[7]作者通過切削電機(jī)底座材料、調(diào)整重心分布的方法，優(yōu)化定子的電磁方案，以滿足工程實(shí)踐中改善電機(jī)振動的需求。

通過上述研究結(jié)論，本文設(shè)計一種基于多旋翼無人機(jī)的無刷電機(jī)固定結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的電機(jī)底座結(jié)構(gòu)改進(jìn)為一體化設(shè)計，大幅削減無人機(jī)飛行時機(jī)身的振動幅度，有效提高無人機(jī)的隱身性能，在多旋翼、穿越機(jī)和特種飛行設(shè)備的性能提高具有廣闊應(yīng)用前景。

1 電機(jī)振動分析

1.1 機(jī)械振動導(dǎo)致固定弱化

傳統(tǒng)的多旋翼固定底座在電機(jī)運(yùn)行時容易產(chǎn)生大量噪聲，且螺栓緊固程度的差異會導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生偏心力，加劇無刷電機(jī)與固定底座之間的磨損。需對固定底座做大量減振處理，即使能夠通過無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也無法滿足高強(qiáng)度的飛行作業(yè)要求。無刷電機(jī)高速運(yùn)動時定子會產(chǎn)生機(jī)械振動，振動波傳導(dǎo)至電機(jī)底座釋放大量的機(jī)械能。

現(xiàn)有的電機(jī)固定底座方案多為四枚螺栓環(huán)繞底板圓周、對稱分布的緊固結(jié)構(gòu)，如圖1所示，原有結(jié)構(gòu)裝配繁瑣，且多次拆裝會弱化緊固效果。固定底座承載電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的諸多外力，其結(jié)構(gòu)對多旋翼的飛行性能具有巨大影響，若電機(jī)固定底座安裝不當(dāng)，超負(fù)荷運(yùn)行，振動頻繁，使得定子銷釘松動后發(fā)生傾斜，定轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生軸心偏移，帶動電機(jī)底板和機(jī)翼出現(xiàn)摩擦，鋼材在反復(fù)交變荷載作用下，應(yīng)力遠(yuǎn)低于極限強(qiáng)度[8]，產(chǎn)生金屬疲勞。

圖1 四螺栓固定底座方案

航模電機(jī)常需工作在25 000 r/min以上的工作環(huán)境。螺栓松動會影響電機(jī)的平衡性，長此以往，電機(jī)與機(jī)身產(chǎn)生高頻振動，如果機(jī)翼出現(xiàn)瑕疵或者凹痕，無人機(jī)的機(jī)身強(qiáng)度和運(yùn)行穩(wěn)定性都會大幅降低，導(dǎo)致飛行事故和無人機(jī)損毀。

對于目前普遍采用的電機(jī)固定底座方案，其四枚螺栓的固定承載大量力矩，松開螺栓接頭需要力矩M，其是一種與螺母、螺桿、螺紋扭矩均有密切聯(lián)系的組合量[8]，其公式為

當(dāng)螺紋扭矩MTP大于保持力矩MK+MG時，力矩M為負(fù)值，螺栓就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)自松。實(shí)際上，螺栓同樣會受到振動波的影響，導(dǎo)致受力漂移和預(yù)載的自發(fā)降低。

1.2 電磁振動

隨著功率密度的增大和弱剛性材料在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用，電磁振動也成為了微型電機(jī)需要考慮的問題。若線圈繞組提供三相正弦波交流電信號，磁場諧波產(chǎn)生的電磁力相互作用，在定子和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁振動[3]，振動頻率近似與2倍電源工頻（100 Hz）[4]重合產(chǎn)生大量噪聲，振動傳導(dǎo)至機(jī)座和機(jī)翼，對無人機(jī)的飛行造成干擾。

無刷電機(jī)在理想狀態(tài)下的氣隙磁密為

式中：λ（θ，t）為氣隙磁導(dǎo)；f（θ，t）為磁動勢。

選取定子開槽、外轉(zhuǎn)子光滑的無刷電機(jī)進(jìn)行分析，此時氣隙磁導(dǎo)公式[9]可列寫為

式中：∧0為恒定系數(shù)；λk1為轉(zhuǎn)子光滑、定子開槽時的諧波磁導(dǎo)。

由麥克斯韋公式可知，磁場氣隙中產(chǎn)生的徑向電磁力[9]為

式中：pn（θ，t）為徑向力波；b（θ，t）為氣隙磁密；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

可知低階徑向激振力波與電機(jī)低階固有頻率產(chǎn)生大幅度電磁共振，由氣隙磁場諧波產(chǎn)生的電磁力波相互作用，這是電磁振動的理論來源[3]。

2 多旋翼新型固定底座設(shè)計

為解決機(jī)械振動等問題，提供以一體化工藝成型的新型電機(jī)固定結(jié)構(gòu)，螺栓貫穿定子的軸心，在電機(jī)和底座之間填充彈性材料，可有效減少電機(jī)與底座之間的振動加速度、減小噪聲輻射，提高飛行控制下系統(tǒng)的工作效率，適用于多種型號電機(jī)的快速安裝、拆卸和調(diào)試需求，并解決傳統(tǒng)底座安裝偏差產(chǎn)生的振動等問題。

2.1 定子及線圈繞組設(shè)計

定子鐵心采用矽鋼沖壓設(shè)計，矽鋼組成的定子鐵心是電機(jī)磁路的重要組成部分，可提供效率更高的主磁場，減少渦流和磁滯損耗，可適用于目前無人機(jī)領(lǐng)域的多種外轉(zhuǎn)子電機(jī)型號。軛部安裝在定子支撐上以減少電磁振動帶來的干擾。與外轉(zhuǎn)子電機(jī)配套，系統(tǒng)形成包括定子鐵心在內(nèi)，以絕緣槽和軸承組成的裝配體，絕緣槽從定子的軛部向外拓展，環(huán)繞四周支撐起鐵心的齒部，定子鐵心的齒部均勻固定于軛部外圈，線圈繞制于絕緣槽表面，制成后將外轉(zhuǎn)子套裝在定子外部，如圖2所示。

圖2 外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)新型固定結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計使輪轂電機(jī)繞組端部的高度變小，電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低無刷電子定子鐵心的重心分布。采用本設(shè)計的外轉(zhuǎn)子型輪轂電機(jī)具有重量更輕、體積更小和生產(chǎn)效率提升等優(yōu)勢，為高速電機(jī)的工藝參數(shù)提升和批量化生產(chǎn)提供便利，適用于對電機(jī)體積和重量有嚴(yán)格要求的無人機(jī)、吹風(fēng)機(jī)和工業(yè)AGV小車等領(lǐng)域。

2.2 加強(qiáng)機(jī)座與固定結(jié)構(gòu)

考慮外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用同軸結(jié)構(gòu)一體化加工成形構(gòu)成軸承和機(jī)架的支撐結(jié)構(gòu)，與自緊螺母配合。如圖3所示，機(jī)座設(shè)計有主體和固定銷2部分，機(jī)座主體貫穿碳纖維或其他材料的底板的兩側(cè)，下部安裝有固定銷，3支固定銷呈120°分布貫入底板；自緊螺母將電機(jī)底座與多旋翼機(jī)身相互嚙合，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 機(jī)座與固定底座設(shè)計

通過調(diào)整電機(jī)尺寸參數(shù)，調(diào)整低階固有振動頻率，規(guī)避主要激振力波，有效抑制諧振。微型電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊加工，提升頻率需增加剛性材料，不同種類金屬焊接會降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，干擾定子繞組的絕緣，方案實(shí)施難度較大，不利于多旋翼無人機(jī)的減重需求和精準(zhǔn)控制需求。目前已有利用切削工藝減低固有頻率，去除機(jī)座頂部金屬材料、調(diào)整機(jī)座結(jié)構(gòu)以改變電機(jī)重心達(dá)到減振效果[7]。CNC鏜銑床控制精度高，且對定子繞組的絕緣特性不會造成損害，加工簡單適合大批量生產(chǎn)。

多旋翼微型電機(jī)的尺寸較小，采用單純增加或去除材料的方法都會對電機(jī)的運(yùn)行特性造成較大影響。不妨設(shè)計一種單組螺栓的固定裝置，相較于四螺栓固定底座，單組螺栓的設(shè)計便于固定結(jié)構(gòu)的整體拆裝，也可有效避免由裝配不齊整造成的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)偏心和共振的產(chǎn)生，提升無刷電機(jī)的高速運(yùn)行穩(wěn)定度。

固定裝置中，機(jī)座采用7000系鋁合金一體加工成型，在兼顧減重和安全的同時支撐起定子鐵心；機(jī)座與轉(zhuǎn)子間采用雙軸承設(shè)計，使用高阻尼低噪聲的滑動軸承，提升電機(jī)的動平衡性能和主磁場穩(wěn)定；固定銷與底板的裝配采用軟性材料填充，吸收冗雜機(jī)械能，有效抑制機(jī)械振動和噪聲。

當(dāng)外轉(zhuǎn)子螺桿嵌入定子底部時，與機(jī)座同軸的自緊螺母與螺桿嚙合，無刷電機(jī)的底板裝配完成，單組螺栓收斂機(jī)械能的橫向傳導(dǎo)路徑，傳動機(jī)構(gòu)的減少更有利于固定裝置機(jī)械性能的改善，減少振動對機(jī)身的磨損，增強(qiáng)無人機(jī)飛行時的水平穩(wěn)定性，對提升多旋翼無人機(jī)的巡航條件起到重要的作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)樣機(jī)選用T-Motor公司生產(chǎn)的2207 V2.0無刷電機(jī)，扁平Φ28.1 mm，帶霍爾傳感器；查閱相關(guān)使用手冊，選用T5143型螺旋槳與無刷電機(jī)裝配，原裝結(jié)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 原裝電機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將該型號的電機(jī)定子換裝新型減振固定底座，外轉(zhuǎn)子殼體保持原裝，將改裝新型減振結(jié)構(gòu)的電機(jī)裝配在同種型號的無人機(jī)機(jī)身，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境變量恒定，通過PID控制器驅(qū)動電機(jī)做模擬放飛實(shí)驗(yàn)，如圖4所示調(diào)試信號形成閉環(huán)控制；通過傳感器將改裝前后的運(yùn)行參數(shù)做實(shí)時采集，傳輸至上位機(jī)進(jìn)行分析。

圖4 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析可知，換裝減振結(jié)構(gòu)的電機(jī)在拉力、提速時間、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等指標(biāo)無明顯變化。通過控制器調(diào)節(jié)PID參數(shù)，對原裝和改裝電機(jī)分別從油門點(diǎn)50%到100%進(jìn)行測試，2款電機(jī)的功率數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖5所示，同級轉(zhuǎn)速輸出時，換裝減振加固結(jié)構(gòu)的電機(jī)功耗降低，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速26 700 r/min時，原裝電機(jī)功率為496.24 W，改裝電機(jī)功率為482.87 W，功耗優(yōu)化可達(dá)2.69%。模擬放飛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)，電機(jī)的電磁方案得到有效改善，電機(jī)高速運(yùn)行時氣隙磁場產(chǎn)生的徑向電磁力波減少，電機(jī)具有低功耗起動特性，有利于無人機(jī)續(xù)航時間的提升。

圖5 功耗優(yōu)化對比圖

電機(jī)運(yùn)行功耗的降低可有效緩解電磁振動現(xiàn)象。無人機(jī)空載時，通過飛控系統(tǒng)給電機(jī)發(fā)送100%供電指令，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至恒定，通過位移傳感器實(shí)時采集數(shù)據(jù)。隨著轉(zhuǎn)速升高，機(jī)械振動量大幅增加，原裝固定機(jī)構(gòu)在100%供電時，定子和軸承產(chǎn)生的機(jī)械振動通過機(jī)座傳導(dǎo)至機(jī)身，多旋翼無人機(jī)的橫向最大振幅約為1.26 mm；換裝減振結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)一步減少機(jī)械振動，數(shù)據(jù)顯示無人機(jī)最大振幅為0.93 mm，換裝該種減振固定底座的多旋翼無人機(jī)橫向振動量削弱26.19%，達(dá)到削弱機(jī)械振動的目標(biāo)，可以預(yù)見電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定度將有效提高。

4 結(jié)論

電機(jī)振動受多重因素影響，當(dāng)無人機(jī)所處運(yùn)行大氣條件穩(wěn)定時，工程實(shí)踐往往還需要考慮電磁振動和機(jī)械振動帶來的影響[10]。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，通過調(diào)整無刷電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化齒軛參數(shù)比，可以減少氣隙磁場產(chǎn)生的電磁振動，并降低無人機(jī)的飛行功耗；另一方面，通過優(yōu)化機(jī)座加工工藝和材料選型，也能降低機(jī)械振動的傳導(dǎo)，有效緩解無人機(jī)的電機(jī)振動情況，有利于高性能、特種裝備領(lǐng)域無人機(jī)的開發(fā)，提升微型無人機(jī)的動態(tài)性能。在電機(jī)領(lǐng)域的研究中，電磁振動的成因較為復(fù)雜，隨著電機(jī)功率密度提升、柔性材料廣泛運(yùn)用，定子和機(jī)座等結(jié)構(gòu)的工藝改善可以調(diào)整電機(jī)固有頻率，削弱電磁振動；減少傳動機(jī)構(gòu)數(shù)量以緩沖機(jī)械振動，采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升無人機(jī)飛行的穩(wěn)定與可操控性能。本文通過介紹一種電機(jī)減振固定結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)對多旋翼無人機(jī)的電機(jī)振動分析與處理。