載人離心機(jī)用高轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機(jī)性能分析

王 軼，王海霞，金 朝，王 聰，李寶輝，蔣 科，李毅峰，張立輝，楊景慧，衛(wèi)曉陽，徐 艷，王 紅，楊明浩，耿喜臣

（中國人民解放軍空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京 100142）

0 引言

高性能戰(zhàn)斗機(jī)在飛行過程中，某個(gè)方向加速度可以達(dá)到重力加速度的9倍，即最大過載可達(dá)9 G，其中過載增長率達(dá)3～6 G/s。飛行過載特性對飛行員的抗載荷能力提出了很高要求。載人離心機(jī)可以在地面模擬飛機(jī)機(jī)動飛行產(chǎn)生的高過載環(huán)境。通過載人離心機(jī)訓(xùn)練，可以安全、有效地提高飛行員抗荷耐力。為了使飛行員更好地適應(yīng)高過載環(huán)境，通過離心機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，讓在座艙里的飛行員適應(yīng)離心機(jī)高轉(zhuǎn)速過程模擬產(chǎn)生的重力加速度，已經(jīng)成為飛行員基本訓(xùn)練項(xiàng)目[1-3]。訓(xùn)練時(shí)，飛行員坐在旋轉(zhuǎn)臂遠(yuǎn)端的艙內(nèi)。旋轉(zhuǎn)臂繞軸心旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行過載模擬。驅(qū)動系統(tǒng)是離心機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動力核心，典型驅(qū)動方式包括氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電驅(qū)動等方式[4]。氣動驅(qū)動方式采用壓縮空氣作為動力，使空氣渦輪帶動轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)頭在轉(zhuǎn)動過程中，在壓縮空氣作用下，在離心室中高速懸浮旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生訓(xùn)練過程中所需要離心力場。液壓驅(qū)動方式中將轉(zhuǎn)頭安裝在轉(zhuǎn)動軸上，以高壓油泵噴射作為驅(qū)動力，將液壓油噴射在旋轉(zhuǎn)軸端葉片，使其高速運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生所需離心力場。電驅(qū)動方式以電機(jī)作為動力，定子輸入的電功率通過電磁場作用，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直接帶動旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，提供訓(xùn)練過程中的超荷載模擬[5]。目前大多數(shù)載人離心機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)采用電驅(qū)動方式。

可以作為載人離心機(jī)驅(qū)動電機(jī)的種類有多種，如直流電機(jī)、異步電機(jī)、同步電機(jī)等。永磁同步電機(jī)采用永磁體制作轉(zhuǎn)子，具有較高的功率密度比，且溫升速率較低。伴隨著交流調(diào)速技術(shù)進(jìn)步，采用空間矢量脈寬調(diào)制和dq坐標(biāo)系解耦控制技術(shù)，使得永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在控制性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[6-7]。采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動離心機(jī)，具有噪聲小、運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速精確、壽命長、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是離心機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選驅(qū)動方式。

永磁同步電機(jī)優(yōu)異性能，使得其在各行各業(yè)得到在應(yīng)用。國外的科爾摩根電機(jī)、派克電機(jī)，是整個(gè)永磁同步電機(jī)領(lǐng)域的典范。國內(nèi)的永磁同步電機(jī)產(chǎn)品，主要集中在中小轉(zhuǎn)矩方面。本研究參考有關(guān)國標(biāo)文件，結(jié)合新一代載人離心機(jī)的負(fù)載和速度等特性，對擬應(yīng)用于我國新一代載人離心機(jī)驅(qū)動的大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)，建立了基于磁粉制動器的測試方法，并對該電機(jī)的性能進(jìn)行了測試分析。

1 電機(jī)設(shè)計(jì)基本特性

驅(qū)動電機(jī)的基本參數(shù)，與離心機(jī)使用過程中的負(fù)載特性和加速度特性相關(guān)。瞄準(zhǔn)新型載人離心機(jī)研制需求，在充分分析離心機(jī)性能參數(shù)及對比國外同等量級大轉(zhuǎn)矩輸出的永磁同步電機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上，確定的電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中額定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際應(yīng)用負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在一定的裕量。

表1 電機(jī)主要性能參數(shù)

依據(jù)表1設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)，軸向?qū)嵨镎掌蛡?cè)面照片如圖1和圖2所示。

圖1 軸向?qū)嵨飯D

圖2 側(cè)向?qū)嵨飯D

2 性能測試分析

為了更好驅(qū)動離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練工況更好的模擬，需要對電機(jī)性能進(jìn)行測試。測試方法建立過程中依據(jù)如下三個(gè)國標(biāo)文件[8-10]：GB/T 1032-2012《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》，GB/T 7345-2008《控制電機(jī)基本技術(shù)要求》，GB/T 755-2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》。

在這三個(gè)國標(biāo)文件基礎(chǔ)上，圍繞控制過程需求，進(jìn)行的測試內(nèi)容如下：

2.1 反電勢特性測量

永磁同步電機(jī)在工作過程中，定子繞組通過三相交流電，用于產(chǎn)生正弦波磁場，使處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子切割磁感線，在定子繞組中會產(chǎn)生三相正弦波電動勢。這個(gè)電動勢具有阻礙定子繞組中電流的變化特性，稱為反電勢。反電勢的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。反電勢系數(shù)是一個(gè)由電機(jī)本體決定的參數(shù)。反電勢系數(shù)影響著同步電機(jī)的功角特性，決定功率輸出特性。一般來說，永磁同步電機(jī)的反電勢是一個(gè)正弦波。這個(gè)正弦波受電機(jī)設(shè)計(jì)的影響，經(jīng)常存在畸變。反電動勢基波用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而反電勢高次分量則相當(dāng)于作為擾動加在負(fù)載轉(zhuǎn)矩上。反電勢畸變會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波，降低電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性[11]。反電勢系數(shù)和反電勢諧波畸變率兩個(gè)參數(shù)，對電機(jī)的性能有較大影響，需要進(jìn)行測量。

反電勢系統(tǒng)測量通過電機(jī)空載恒速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行測量。電機(jī)繞組采用三角形接法無法直接測量得到相電壓，只能通過線電壓與相電壓的關(guān)系間接得到相電壓。反電勢系數(shù)為相電壓有效值與轉(zhuǎn)速的比值，即：

這個(gè)永磁同步電機(jī)繞組采用三角形接法，沒有引出中線，無法直接測量得到電機(jī)的相電壓。測試分析過程中以線電壓為基礎(chǔ)，分析相應(yīng)諧波畸變特性。在實(shí)施反電勢測量過程中，電機(jī)在控制器作用下，工作在恒定轉(zhuǎn)速空載模式，測量得到的反電勢波形如圖3所示。測量線電壓諧波畸變情況如圖4所示。

圖3 反電勢波形

圖4 反電勢諧波畸變率

針對上述測量方法，得到反電勢數(shù)值特性見表2。

表2 反電勢特性參數(shù)

觀測圖4和表1可知，雖然永磁同步電機(jī)反電勢波形存在諧波，但是反電勢諧波畸變率為1%。這說明電機(jī)在設(shè)計(jì)過程中，繞組跨距和極弧系數(shù)設(shè)計(jì)較為合理，氣隙磁場的正弦度較好。這個(gè)畸變率不足以影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制性能。在采用矢量控制進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制過程中，該電機(jī)能夠產(chǎn)生較好的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，為取得較好轉(zhuǎn)速控制精度提供基礎(chǔ)。

2.2 持續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出特性

電機(jī)應(yīng)用目標(biāo)離心機(jī)使用特性要求持續(xù)30 min帶負(fù)載能力不低于3000 N·m。因此，需要測試電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下持續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出特性。

測試過程中電機(jī)在控制器作用下，以額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)磁粉制動器供電電壓，改變磁粉的激勵(lì)電流，使電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在3200 N·m左右后，開始記錄數(shù)據(jù)。利用力矩傳感器測量得到的電機(jī)輸出負(fù)載力矩在30 min內(nèi)的變化特性如圖5所示。

圖5 力矩持續(xù)輸出特性

通過圖5可以看出，這個(gè)電機(jī)能連續(xù)30 min持續(xù)輸出3000 N·m以上的大力矩。這說明這個(gè)電機(jī)能夠滿足離心機(jī)的長時(shí)間、大轉(zhuǎn)矩需求應(yīng)用。

2.3 最大轉(zhuǎn)矩特性

針對電機(jī)應(yīng)用特性，對電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了測量。測量過程中，通過控制器設(shè)置使電機(jī)以20 r/min恒速運(yùn)行，快速調(diào)節(jié)磁粉制動器供電電壓，改變負(fù)載力矩。測試過程中得到的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化特性如圖6所示。

圖6 最大輸出力矩特性

由圖6可知，該電機(jī)具備輸出14000 N·m輸出能力，且能夠以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行恒速運(yùn)行。該結(jié)果說明電機(jī)具備較好的過載運(yùn)行能力。

2.4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性

在實(shí)際離心機(jī)應(yīng)用狀態(tài)下，電機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速閉環(huán)狀態(tài)，依據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速需要實(shí)時(shí)調(diào)整。

轉(zhuǎn)速特性測量中，電機(jī)拖動負(fù)載為磁粉制動器。通過調(diào)節(jié)磁粉制動器的供電電壓，使輸出轉(zhuǎn)矩為3500 N·m。在0～50 r/min范圍內(nèi)，按照5 r/min為基本間距，通過改變電機(jī)控制器的閉環(huán)給定轉(zhuǎn)速，測量到的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線

由圖7可知，電機(jī)具備在不同轉(zhuǎn)速下以額定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能力。在變頻控制方式下，針對某一具體轉(zhuǎn)速，電機(jī)只要能夠在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，就能夠在小于額定轉(zhuǎn)矩的任何負(fù)載下運(yùn)行。圖7的測試結(jié)果說明，這個(gè)電機(jī)能夠在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩以下的全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行?？紤]到不同離心力通過改變驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，測試結(jié)果表明在旋轉(zhuǎn)艙體在額定負(fù)載以下運(yùn)行時(shí)，能夠得到期望離心力。

3 結(jié)語

針對定位于新一代載人離心機(jī)應(yīng)用的國產(chǎn)化大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)，以實(shí)際應(yīng)用過程中對電機(jī)的性能要求作為測試目標(biāo)導(dǎo)向，對電機(jī)性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明這個(gè)電機(jī)滿足離心機(jī)應(yīng)用需求。相關(guān)測試數(shù)據(jù)為進(jìn)一步的電機(jī)控制器設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。本文所研究對象為輸出轉(zhuǎn)矩為3500 N·m的高轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)，是國內(nèi)首次研制出3500 N·m量級永磁同步電機(jī)。所測試數(shù)據(jù)，與科爾摩根相同功率等級閉環(huán)控制數(shù)據(jù)對比，具備類似的控制性能。這說明我國具備閉環(huán)調(diào)速工作狀態(tài)下高轉(zhuǎn)矩（3500 N·m）永磁同步電機(jī)研制能力。