點火器用有限轉角電動機設計與仿真

楊小青，王永嘉，王 佳

(陜西航天時代導航設備有限公司，寶雞 721000)

0 引 言

點火器以往的保險與解除保險裝置為機械式，靠人工操作完成，飛行時點火器處于解除保險狀態(tài)，易出現(xiàn)誤點火故障。為了解決該問題，在點火器內部使用有限轉角電動機，點火器在需要點火時，通過電動機完成自動解除保險動作，可提高飛行人員及設備的安全，國內在該方向的工程應用較少。傳統(tǒng)的有限轉角電動機多為永磁式力矩電動機，一般由定子、轉子和電刷三部分組成[1]，結構復雜，生產成本較高，且電動機自身不包含位置指示部分，即不能反映出此時電動機旋轉的角度，需要外接專用的位置指示裝置。在大量級的力學環(huán)境條件下，電刷與換向器接觸不可靠，導致電動機輸出信號異常，達不到點火器使用要求。

為了克服上述缺點，本文采用一種新型的有限轉角電動機結構，省去了電刷、換向器和永磁體，外形尺寸變小，勵磁方式為螺線管，通電后繞組產生軸向磁場，定子、轉子的工作面為曲面結構，在磁場的作用下，轉子將沿著氣隙減小的方向旋轉運動，定子部分包含限位裝置，確保電動機的運動角度。位置指示裝置被集成在電動機內部，整體結構簡單，外形尺寸小，工作壽命長。

本文對有限轉角電動機的結構進行了研究，建立了電動機的數(shù)學模型，計算電動機的主要性能指標，并對其進行了仿真分析，將仿真結果與實測值進行比較，驗證了模型的準確性。

1 工作原理

電動機主要由電動機部件和位置指示裝置兩個功能部件組成，電動機部件的作用是為點火器電點火管、旋轉隔板安裝提供支撐和約束，并在規(guī)定的條件下，能夠為負載的旋轉運動提供必要的扭矩，在規(guī)定的時間內完成解鎖功能；位置指示裝置可以通過輸出相應的開關信號，指示轉軸對應的轉角位置。

常態(tài)時電動機保持在安全位置(零位)，通電后電動機轉子帶動結構負載從安全位置旋轉到戰(zhàn)斗位置(90°)，此時電動機處于解除保險狀態(tài)，解除保險時間要求為不大于50 ms；斷電后復位彈簧將轉子拉回至安全位置，此時電動機恢復保險狀態(tài)，恢復保險時間要求為不大于100 ms。

電動機部件主要由定子、轉子、彈簧組成。定子包含端蓋組件、線圈組件和殼體，轉子由軸和磁極組成，位置指示裝置由電刷組件和滑環(huán)組件構成，電刷組件與殼體通過螺釘固聯(lián)，電動機結構簡圖如圖1所示。將電動機的初始位置定義為電動機的安全位置，此時電動機輸出低電平表示其所處的位置，通電后繞組產生磁場，轉子處于線圈組件內部，受到磁場的作用和磁力線總是沿著磁阻最小的路徑通過[2]，磁極與端蓋組件之間相吸產生力矩，電動機軸向存在限位，不能運動，徑向則克服彈簧的初始力矩，沿著氣隙減小的方向旋轉，電動機旋轉至90°時，電刷組件和滑環(huán)組件之間導通，輸出高電平，電動機處于解除保險狀態(tài)；電動機斷電后，彈簧帶動轉子和負載返回至零位位置，電動機處于恢復保險狀態(tài)[3]。

圖1 電動機結構簡圖

2 方案設計

2.1 工作點力矩計算

2.1.1 安全位置時力矩計算[4]

(1)

式中：Gδ為氣隙磁阻；μ0為真空磁導率；S為工作面積；δ為氣隙。

IN=BSR總

(2)

式中：I為工作電流；N為匝數(shù)；B為氣隙磁密；R總為電動機總的磁阻。

(3)

式中：F為電動機工作時產生的力。

2.1.2 戰(zhàn)斗位置時力矩計算

Gδ=4×10-7H

B′=5.04 T

磁路飽和，按鐵心最大磁通密度計算。

2.2 飽和點計算

電動機從安全位置旋轉至戰(zhàn)斗位置的過程中，磁路可能出現(xiàn)飽和，飽和后隨著氣隙的減小，磁感應強度不再增大，此時電動機的輸出力矩穩(wěn)定在一個狀態(tài)下，直至旋轉至戰(zhàn)斗位置，通電電壓不同，則磁密的飽和點不同。

氣隙與工作角度α之間的關系：

δ=δ0-0.032α

(4)

式中：δ0為起始氣隙。

氣隙磁密：

(5)

DC24 V時，電動機飽和時的工作角度為47°，DC33 V時電動機飽和工作點為36°。

2.3 解鎖時間計算

電動機在開通過程中的力矩平衡方程式[5]：

(6)

式中：Te為電動機的電磁轉矩；TL為彈簧扭矩；J為轉動慣量；ω為角速度。

電磁轉矩計算公式：

Te=12.2B2S

(7)

TL=k0+k1α

(8)

式中：k0為彈簧初始力矩；k1為彈簧的彈力系數(shù)；α為彈簧運轉角度。其中B的取值在飽和前按計算值使用，飽和后按飽和磁密計算。

2.4 恢復保險時間計算

彈簧帶動電機轉子返回至起始位置的時間為恢復保險時間。電動機斷電后，電磁轉矩消失，彈簧扭矩TL帶動電機返回至起始位置，電動機的力矩平衡方程式：

(9)

不考慮電動機裝配過程中的軸系摩擦力矩等其它因素。

3 數(shù)學模型的建立

根據電動機的工作狀態(tài)，建立Simulink仿真模型，如圖2、圖3所示。通過仿真，可以求出電動機通電過程中轉矩、電流、轉子位置等隨時間的變化關系，最終得到電動機的解除保險時間和恢復保險時間。

圖2 電動機解除保險時間計算模型

圖3 電動機恢復保險時間計算模型

4 仿真結果與實測數(shù)據對比

根據模型計算結果，得出電動機在DC24 V/DC33 V電壓下的解除保險時間分別為36.43 ms，21.05 ms，恢復保險時間為31.68 ms。

統(tǒng)計21臺電動機實測數(shù)據，DC24 V/DC33 V電壓下的解除保險時間分別為29～34 ms，23～27 ms，恢復保險時間為34～40 ms，滿足用戶指標要求。

電動機的實物如圖4所示，已成功配套于某型號點火器，進入批量生產階段。

圖4 樣機實物圖

如圖5所示，DC24 V/DC33 V下電動機的解除保險時間差異較大，主要是因為電動機的輸出力矩差異較大，具體表現(xiàn)為電流大小和飽和點的差異。電壓越大，輸出電流越大，飽和點的角度越小，則電動機在很短的時間內輸出力矩達到最大；相對的，電動機的轉動速率越高，則解除保險時間越短?；謴捅ｋU時間計算如圖6所示。

(a) DC24 V

(b) DC33 V

圖5解除保險時間

圖6 恢復保險時間計算

對比仿真結果和實物測試數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，仿真結果與實測數(shù)據接近，差異較小，造成差異的原因在于：一是電動機的軸系摩擦力不同，在調整電動機軸向間隙過程中，造成每個電動機的靜摩擦力矩不同；二是彈簧的起始力矩在一個區(qū)間范圍內，實際裝配過程中，每個電動機的彈簧起始力矩不同，最終電動機的解除保險時間和恢復保險時間與仿真結果不同。

5 結 語

本文針對點火器用有限轉角電動機進行了設計分析，研究了一種新型的有限轉角電動機結構。采用螺線管產生軸向磁場，利用定子和轉子的工作曲面結構，將電動機的輸出力矩從軸向方向轉變到徑向，使得電動機沿著氣隙減小的方向旋轉運動；將位置指示裝置集成在電動機內部，通過其輸出不同的電信號來反映電動機不同的工作狀態(tài)。最后建立了Simulink仿真模型并進行了仿真，將仿真結果與實測數(shù)據進行了對比，仿真結果與實測數(shù)據接近，驗證了方案設計及模型的正確性。