多旋翼油動力無人機(jī)用起/發(fā)電機(jī)的研究設(shè)計(jì)

龍宇航，夏加寬，李澤星，王婧妍，何顯平，梁宗偉

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870)

0 引 言

多旋翼油動力無人機(jī)具有動力強(qiáng)、靈活機(jī)動、結(jié)構(gòu)多樣、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域[1]。其動力系統(tǒng)是影響無人機(jī)使用性能的重要因素，目前傳統(tǒng)多旋翼油動力無人機(jī)采用多點(diǎn)分布式為無人機(jī)提供動力，起動電機(jī)拖動油機(jī)旋轉(zhuǎn)，油機(jī)點(diǎn)火后為無人機(jī)提供動力；機(jī)載電池一方面用于為控制系統(tǒng)提供電源，另一方面還要為附加電動設(shè)備提供電力供應(yīng)。由于體積和重量的嚴(yán)格要求，其容量有限，無法長時間維持電力供應(yīng)，限制了無人機(jī)的續(xù)航時間。因此，本文提出以起/發(fā)電系統(tǒng)取代起動電機(jī)動力系統(tǒng)的起發(fā)電一體化方案，即無人機(jī)在空中正常運(yùn)行時，可以補(bǔ)給機(jī)載電池，進(jìn)而延長了無人機(jī)續(xù)航時間。起/發(fā)電機(jī)是起/發(fā)電系統(tǒng)的核心，本文重點(diǎn)研究起/發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)性能參數(shù)

汽油發(fā)動機(jī)的工作過程主要分為起動過程和自行工作過程兩個階段。起動過程中起/發(fā)電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)冷起動，起/發(fā)電機(jī)必須將曲軸加速到一定的轉(zhuǎn)速，同時能提供足夠大的起動力矩。油機(jī)在自行工作過程中主要為無人機(jī)提供飛行動力，其次用于拖動起/發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖1為1.1kW汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的起/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

圖1 起/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性

圖1中，電機(jī)在500r/min實(shí)現(xiàn)油機(jī)的點(diǎn)火；點(diǎn)火前，油機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值15Nm；500～4000r/min期間，油機(jī)自行加速，無需電機(jī)做功；4000r/min及以上，油機(jī)拖動電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，由于受到油機(jī)容量及飛行動力所需功率的限制，油機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩不超過0.191N·m。

考慮到油機(jī)的起動條件、輸出功率、轉(zhuǎn)速以及發(fā)電用途等多方面的因素，本文以1.1kW汽油發(fā)動機(jī)為例，折算到電機(jī)所需的性能參數(shù)如表1所示。

控制器瞬間電流過載能力以及電機(jī)永磁體材料的抗去磁能力等因素，分別對電機(jī)各個部分進(jìn)行分析確定。同時，作為空中飛行單位，無人機(jī)對起/發(fā)電機(jī)的重量及輸出能力要求更加嚴(yán)格，因此，起/發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時更加注重電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)和功率密度的提升。

表1 電機(jī)的性能參數(shù)

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸

對多旋翼無人機(jī)而言，基于有效載重的要求，電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)更注重輕質(zhì)和高功率密度。本文選用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，相對于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)而言，具有電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)子更易冷卻以及永磁體更容易加固等特點(diǎn)。除此之外，還具有更高的轉(zhuǎn)矩輸出等優(yōu)勢[2]。因此，本文選用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式；同時，內(nèi)置高效散熱陣列，有利于定子散熱，提高功率密度，進(jìn)而減輕電機(jī)重量。

電機(jī)主要尺寸的選擇要從功率密度方面考慮。在電機(jī)磁路充分利用的情況下，電機(jī)外徑增加時，轉(zhuǎn)矩隨外徑平方成正比增加，重量增加相對緩慢；而電機(jī)長度增加時，轉(zhuǎn)矩和重量均成正比增加。因此，在確定電機(jī)主要尺寸時，應(yīng)先根據(jù)電機(jī)外徑限制確定最大外徑，再根據(jù)重量要求，確定最大軸向長度。根據(jù)電機(jī)尺寸安裝要求及無人機(jī)承載能力限制，電機(jī)外徑應(yīng)不超過110mm，重量小于0.9kg。

2.1 極槽配合

針對于無人機(jī)對自重的嚴(yán)格限制，電機(jī)極槽數(shù)的選擇主要從電機(jī)重量方面考慮同時兼顧電機(jī)電磁性能。

提高電機(jī)功率密度是減輕電機(jī)重量的有效途徑；分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)具有繞組端部短、銅線用量少、體積小的特點(diǎn)，可以使電機(jī)的效率和功率密度大幅度提高，并且集中繞組結(jié)構(gòu)相對簡單，降低電機(jī)的材料成本，同時提高了繞組的可靠性，適合于自動化生產(chǎn)[3]。因此，該電機(jī)極槽配合采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組形式。

目前，對分?jǐn)?shù)槽集中繞組的研究主要集中在提高繞組系數(shù)和降低齒槽轉(zhuǎn)矩等方面。表2中給出的幾種常見極槽配合中[4]，9槽8極、12槽10極、36槽42極繞組系數(shù)相對較高，但9槽8極組合受單邊磁拉力影響較大，36槽42極相當(dāng)于三個12槽14極單元電機(jī)，12槽14極電機(jī)與12槽10極電機(jī)相比，極數(shù)相對較多，電機(jī)軛部體積小，電機(jī)重量可有效減小。同時，從齒槽轉(zhuǎn)矩角度來看，36槽42極的齒槽轉(zhuǎn)矩小于12槽10極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩會引起電機(jī)的振動與噪聲，對精密設(shè)備產(chǎn)生巨大的影響。因此，應(yīng)該最小化齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)性能。綜上，最終選定電機(jī)的極槽數(shù)為36槽42極。

表2 不同極槽配合電機(jī)的性能

2.2 每槽導(dǎo)體數(shù)的選擇

每槽導(dǎo)體數(shù)影響起動電流大小，隨著匝數(shù)增加，起動電流減小。考慮到電機(jī)在電動階段需要過載運(yùn)行，電流較大會增加控制器設(shè)計(jì)難度，因此應(yīng)盡量減小起動電流。但是，隨著匝數(shù)的增加，電機(jī)繞組電阻和電抗相應(yīng)增加，電源可提供的電流減小。因此在減小起動電流的同時需要考慮起動電流與電源可提供電流的大小關(guān)系。本文利用有限元仿真的方法，以每槽導(dǎo)體數(shù)為變量，仿真分析了不同導(dǎo)體數(shù)下電機(jī)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩所需的電流(即起動電流)大小和電源所能提供的最大電流(即極限電流)的變化規(guī)律。圖2中，隨著匝數(shù)的增加，極限電流和起動電流均呈減小趨勢；在6～10匝時，極限電流大于起動電流；在12～18匝時，極限電流小于起動電流。因此每槽導(dǎo)體數(shù)應(yīng)在6～10匝之間選擇。

圖2 電流隨每槽導(dǎo)體數(shù)變化曲線

此外，電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)的選擇還要從電機(jī)效率角度考慮。電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)主要影響電機(jī)的銅耗。圖3中，隨著匝數(shù)的增加，電機(jī)銅耗逐漸下降；因?yàn)殡S著每槽導(dǎo)體數(shù)增加，電機(jī)的感應(yīng)反電勢逐漸增大，電樞繞組的相電流減小，使得電機(jī)的銅損下降，發(fā)熱下降，電機(jī)效率提升。

考慮到每槽導(dǎo)體數(shù)增加時極限電流與需要電流的關(guān)系以及銅耗的變化，每槽導(dǎo)體數(shù)最終選擇10匝。

圖3 銅耗隨每槽導(dǎo)體數(shù)變化曲線

2.3 永磁體尺寸對電機(jī)的影響

電機(jī)磁鋼的主要參數(shù)包括永磁體的磁化方向長度hM、極弧系數(shù)及永磁體沿電機(jī)放置的軸向長度LM三方面。永磁體軸向長度LM一般取等于或者略小于電機(jī)的軸向長度即可。永磁體的磁化方向長度hM與永磁體的最佳工作點(diǎn)以及永磁體的抗去磁能力密切相關(guān)[5]，同時也影響了永磁體的強(qiáng)度；永磁體的磁化方向長度hM不宜取得過薄，過薄將導(dǎo)致永磁體的廢品率上升，提高成本，且機(jī)械承受能力差，不易加工和裝配；除此之外，永磁體磁化方向長度還影響了永磁體的退磁能力。在起動過程中，電機(jī)過載運(yùn)行，電流較大，可能會造成永磁體發(fā)生不可逆退磁。直軸電流是造成永磁體退磁的主要原因[6]。直軸電流的大小可通過式1計(jì)算，其最大值可通過式(2)算出。

(1)

(2)

本文利用有限元靜態(tài)場，仿真得出了在最大直軸電流作用下，隨著永磁體磁化方向長度的改變，永磁體的最小磁密值曲線。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨永磁體磁化方向長度變化曲線

圖4中，隨著永磁體磁化方向長度增加，永磁體的最小磁密值逐漸增大。本文采用釹鐵硼N35永磁體，在最高工作溫度80℃以下，當(dāng)磁密值低于1.016T時，該永磁體發(fā)生不可逆退磁。因此，通過圖4可知，永磁體磁化方向長度不能小于3mm。同時永磁體磁化方向長度增加，永磁體的用量大幅提升，電機(jī)的生產(chǎn)制造成本隨之提高，電機(jī)重量也會相應(yīng)增加，因此永磁體磁化方向長度不宜過大。綜合來看，永磁體磁化方向長度應(yīng)取3mm。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩最大值隨極弧系數(shù)變化曲線

永磁體的極弧系數(shù)是影響永磁體利用率的另一物理量。由文獻(xiàn)[7]可知，永磁體極弧系數(shù)會影響電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大??；電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩較大，會增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，影響電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。通過仿真得到，圖5中，隨著極弧系數(shù)的增加，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩先減小后增大。

通過仿真極弧系數(shù)與電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)系，如圖5可知，極弧系數(shù)取0.85時，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩最小。

3 局部飽和點(diǎn)優(yōu)化

在起動過程中，電機(jī)過載運(yùn)行，電流較大，同時為了減輕電機(jī)重量，電機(jī)鐵心用量較少，鐵心容易過度飽和，進(jìn)而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性。

通過有限元仿真，在Iq取不同值時，電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時，由于鐵心飽和的影響，平均輸出轉(zhuǎn)矩和電流并非嚴(yán)格的線性關(guān)系；隨著電流的增大，曲線斜率逐漸減小，轉(zhuǎn)矩變化趨于平緩；73A時，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到15N·m。

圖6 轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線圖

仿真得到Iq取73A時，電機(jī)磁密云圖，如圖7所示。圖中，在每兩極之間的轉(zhuǎn)子軛部、定子齒部均出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象，其中定子齒部飽和較為嚴(yán)重；因此，適當(dāng)降低電機(jī)定子齒部的飽和程度可減小此時電機(jī)的繞組電流，從而緩解發(fā)動機(jī)啟動時電機(jī)繞組因過載而導(dǎo)致的發(fā)熱問題。

圖7 電機(jī)負(fù)載磁密云圖

針對電機(jī)的局部飽和問題提出3種優(yōu)化方案，第一種方案為：適當(dāng)增加定子齒部寬度。由圖8中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，定子齒寬適當(dāng)增加后，轉(zhuǎn)矩電流曲線更趨近于線性，即電機(jī)飽和程度降低了，但定子齒部加寬會相應(yīng)增加電機(jī)重量；由于無人機(jī)的載荷條件復(fù)雜，電機(jī)的載荷水平較常規(guī)電機(jī)高，因此需要對電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡最大限度減輕電機(jī)重量。本文為了既能降低電機(jī)局部飽和程度，又能使電機(jī)輕量化，又提出兩種優(yōu)化方案，兩種方案為分別在定、轉(zhuǎn)子軛部不飽和區(qū)域開槽處理的結(jié)構(gòu)形式，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化；由圖10可以發(fā)現(xiàn)，采用后兩種方案即定、轉(zhuǎn)子軛部分別開槽與方案一對比，在任意負(fù)載電流下，優(yōu)化前后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩并無太大差別。轉(zhuǎn)矩電流曲線基本一致，即本文采用的定、轉(zhuǎn)子軛部開槽方案不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性，同時又能減輕電機(jī)重量。綜合上述多種方案的優(yōu)化結(jié)果，本文提出了圖9的結(jié)構(gòu)形式，即在齒部適當(dāng)加寬的基礎(chǔ)上，定、轉(zhuǎn)子軛部不飽和區(qū)同時進(jìn)行開槽處理。圖7和圖9對比發(fā)現(xiàn)，該方案中齒部飽和程度明顯下降；對比圖8中改進(jìn)前的曲線和定轉(zhuǎn)子軛部同時開槽的曲線可知。該方案轉(zhuǎn)矩電流曲線明顯改善；同時，該方案也減輕了電機(jī)重量。因此，本文最終確定選用齒部適當(dāng)加寬且定、轉(zhuǎn)子同時開槽的電機(jī)優(yōu)化方案。

圖8 齒加寬與改進(jìn)前轉(zhuǎn)矩隨電流變化對比圖

圖9 齒加寬且定轉(zhuǎn)子同時開槽磁密云圖

圖10 多種優(yōu)化方案與改進(jìn)前對比

4 電機(jī)仿真分析

利用Ansoft電磁場對優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行了整體的電磁場分析如下：

圖11 電機(jī)的空載磁密分布

圖11給出了優(yōu)化后的電機(jī)在空載時的磁密分布。

齒槽轉(zhuǎn)矩會使電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，產(chǎn)生振動和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，影響電機(jī)的性能[8]，因此，對磁鋼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過調(diào)節(jié)極弧系數(shù)使得電機(jī)氣隙磁密較為正弦，同時考慮到齒槽效應(yīng)也會對磁場產(chǎn)生影響，圖12為優(yōu)化后電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩隨時間的變化。電機(jī)的最大齒槽轉(zhuǎn)矩為5.8mN·m，約占額定轉(zhuǎn)矩的0.39%。

圖12 電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

空載反電勢波形影響到電機(jī)的震動、噪聲、紋波轉(zhuǎn)矩的抑制以及附加損耗。圖13為電機(jī)的空載反電勢波形。

圖13 電機(jī)的空載反電勢波形

圖14為計(jì)算電機(jī)在額定電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為15.1Nm。

圖14 電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩圖

為了驗(yàn)證樣機(jī)的性能，在樣機(jī)加工制作完成后，對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)測試平臺由T型槽、直流電源、電機(jī)、控制器以及示波器等觀測設(shè)備構(gòu)成。圖15為樣機(jī)測試平臺。從運(yùn)行情況看，電機(jī)滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，運(yùn)行平穩(wěn)。

圖15 實(shí)驗(yàn)測試平臺

電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對比如表3所示，可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

表3 電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文針對多旋翼油動力無人機(jī)用起/發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)；研究電機(jī)主要參數(shù)對設(shè)計(jì)的影響及設(shè)計(jì)方法；針對油機(jī)起動時電機(jī)的局部飽和問題提出多種優(yōu)化方案，進(jìn)行了綜合對比分析；并通過有限元分析對改進(jìn)后的電機(jī)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，最后通過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為多旋翼油動力無人機(jī)用起/發(fā)電機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)方案選擇提供了參考依據(jù)。