有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)輸出力矩不對稱分析

楊榮江，戴志立，安明燦

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550008；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽 550008)

0 引 言

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)位置伺服系統(tǒng)是在有限角度范圍內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)和準(zhǔn)確定位，且具有較大輸出力矩的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。這種系統(tǒng)可在航空伺服閥、舵機(jī)作動(dòng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、雷達(dá)天線、機(jī)載炮塔等高精度電氣伺服系統(tǒng)中應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，伺服閥分為噴嘴擋板伺服閥、射流管伺服閥、射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥、直接驅(qū)動(dòng)伺服閥和旋轉(zhuǎn)直驅(qū)電液伺服閥(以下簡稱RDDV)，其中RDDV是新一代電液伺服閥，主要由有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)、閥體、閥心位移傳感器和控制電路等組成。

RDDV通過有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥的滑閥，利用閥心位置的高精度檢測，從而控制系統(tǒng)的方向、流量及壓力[2]。本文論述的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)為三余度有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，作為某型RDDV的核心部件，上電測試時(shí)，出現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針方向輸出力矩不對稱的故障。

1 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)工作原理及構(gòu)成

1.1 工作原理

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和傳感器組成，工作原理框圖如圖1所示。轉(zhuǎn)子上的永磁體在氣隙中產(chǎn)生氣隙磁場，霍爾組件通過檢測磁場形成反饋信號(hào)，從而確定轉(zhuǎn)子所處位置。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)霍爾組件反饋的信號(hào)，給電樞通入不同極性的電壓，該電壓將在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生電流，進(jìn)而形成定子磁場。定子磁場在氣隙內(nèi)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場發(fā)生電樞反應(yīng)，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后，與限位機(jī)構(gòu)貼合，將電機(jī)的角位移限制在一定范圍內(nèi)。

圖1 電機(jī)工作原理框圖

1.2 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)組成

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)由兩大部分組織，結(jié)構(gòu)如圖2所示。一部分是電機(jī)本體，主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、磁鋼、密封圈、殼體等組成，功能是轉(zhuǎn)子內(nèi)腔密封，在控制電流的作用下輸出對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，以及限定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍。另一部分是信號(hào)反饋裝置，主要由跟蹤磁鋼、霍爾調(diào)整機(jī)構(gòu)、霍爾傳感器等組成，功能是檢測轉(zhuǎn)子與零位之間的相對位置關(guān)系。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.3 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 三余度電機(jī)，每個(gè)余度能夠獨(dú)立工作；

2) 轉(zhuǎn)角范圍：電機(jī)機(jī)械限位于-20°～+22°范圍內(nèi)；

3) 單余度力矩≥60 mN·m(三余度電機(jī)，28 V室溫下測定，以峰值轉(zhuǎn)矩為零點(diǎn)的-20°～+20°范圍內(nèi))；

4) 額定電流≤1.3 A。

線性霍爾傳感器技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 供電電壓Vs：4.5 ～10.5 V(DC)；

3) 供電電壓5 V時(shí)，零位電壓2.8～3.2 V(DC)。

2 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)故障現(xiàn)象

為某型號(hào)配套的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)在系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測時(shí),發(fā)現(xiàn)輸出力矩不對稱,測試結(jié)果如表1所示。

表1 有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)性能測試

表1中，測試點(diǎn)1對應(yīng)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)機(jī)械角度為-20°時(shí)輸出，測試點(diǎn)2對應(yīng)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)零位時(shí)輸出，測試點(diǎn)3對應(yīng)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)機(jī)械角度為+20°時(shí)輸出。在測試點(diǎn)3的電源電流是測試點(diǎn)1電源電流的3倍左右，說明測試點(diǎn)3的輸出力矩與測試點(diǎn)1的輸出力矩不對稱。

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)返廠后針對霍爾信號(hào)輸出檢測，信號(hào)反饋正常；通過對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)進(jìn)行靜力矩測試，沿軸伸端看逆時(shí)針靜力矩為43.2 mN·m，沿軸伸端看順時(shí)針靜力矩為102.9 mN·m；對有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)進(jìn)行通電測試，沿軸伸端看逆時(shí)針輸出力矩為121.5 mN·m，沿軸伸端看順時(shí)針輸出力矩為23.8 mN·m，故障現(xiàn)象與系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)反饋的情況一致。

3 故障原因分析

3.1 仿真分析

故障電機(jī)電磁方案為6極6槽，針對故障電機(jī)的工作狀態(tài)，對其進(jìn)行電磁場有限元仿真。建立電機(jī)的二維有限元分析模型，如圖3所示。

圖3 電機(jī)二維模型

3.1.1 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真計(jì)算

為降低齒槽轉(zhuǎn)矩作用，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對槽口進(jìn)行了封閉設(shè)計(jì)，仿真的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示，磁密云圖如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，電機(jī)最大齒槽轉(zhuǎn)矩為1.18 mN·m，最大磁密出現(xiàn)在槽口處，最大值為1.8 T，滿足使用要求。通過對故障電機(jī)測試，逆時(shí)針靜力矩為43.2 mN·m，順時(shí)針靜力矩為102.9 mN·m。為此，針對6極6槽電機(jī)進(jìn)行了有槽口的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真，模型如圖6所示。有槽口時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真曲線如圖7所示，從圖7中可以看到，齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到37 mN·m左右，不排除采取的槽口封閉措施失效故障。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖5 不通電時(shí)的電機(jī)磁密云圖

圖7 有槽口時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線

3.1.2 單余度工作狀態(tài)仿真計(jì)算

常溫下故障電機(jī)在28 V下單余度線圈電流為0.84 A,施加電流源，仿真出電機(jī)的磁密云圖如圖8所示，電機(jī)磁密除極靴根部處于過飽和外，其余磁密小于1.8 T，且電樞材料飽和磁密為2.4 T，符合材料應(yīng)用要求。各個(gè)繞組分別通電流源，輸出轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖9、圖10所示。由仿真結(jié)果可知，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最小值為84 mN·m，在轉(zhuǎn)角范圍為±20°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩大于60 mN·m，電機(jī)在常溫狀態(tài)下滿足指標(biāo)要求。

圖8 單余度通電時(shí)電機(jī)磁密云圖

圖9 單余度通電順時(shí)針轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖10 單余度通電時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線

3.2 分解檢查

針對故障電機(jī)，拆除蝸卷彈簧后進(jìn)行性能檢測和分解檢查，情況如下：

1) 對故障電機(jī)進(jìn)行通電測試,測試結(jié)果如表2所示。

2) 對故障電機(jī)拆除蝸卷彈簧后進(jìn)行了靜力矩測試，沿軸伸端看順時(shí)針靜力矩為54.4 mN·m，沿軸伸端看逆時(shí)針靜力矩為51.7 mN·m,兩端力矩平衡。

3) 故障電機(jī)拆解檢查未見異物、卡滯、零件損壞等現(xiàn)象。

通過故障樣機(jī)測試,單余度工作產(chǎn)生的輸出力矩在22.5 mN·m～37.2 mN·m范圍內(nèi)，產(chǎn)生的靜力矩在51.7 mN·m～54.4 mN·m范圍內(nèi)。在28 V電壓下，繞組電流為0.83 A時(shí)輸出的電磁力矩在74.2 mN·m～91.6 mN·m范圍內(nèi)，與電磁仿真輸出力矩基本吻合。

3.3 受力分析

由于樣機(jī)的靜力矩異常，通過電磁結(jié)構(gòu)分析，實(shí)物樣機(jī)產(chǎn)生的靜力矩主要由摩擦轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩引起。摩擦轉(zhuǎn)矩基本可以忽略，槽口封閉時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩1.18 mN·m基本可以忽略，靜力矩較大的原因主要是6極6槽槽口封閉措施失效，在有槽口作用下齒槽轉(zhuǎn)矩為37.1 mN·m作用而產(chǎn)生的。

蝸卷彈簧的作用是通過變形產(chǎn)生力矩將轉(zhuǎn)子維持在需要的零位位置，因蝸卷彈簧受力的方向不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，蝸卷彈簧的變形量在順時(shí)針和逆時(shí)針方向存在增大或減小的情況。

針對故障電機(jī)，未安裝蝸卷彈簧時(shí)，電機(jī)順時(shí)針方向與逆時(shí)針方向產(chǎn)生的齒槽力矩是相同的，為F1，如圖11所示。當(dāng)電機(jī)安裝蝸卷彈簧后，為了保證轉(zhuǎn)子在規(guī)定的零位位置，蝸卷彈簧變形產(chǎn)生的力矩F2必須與齒槽力矩F1相等，才能保持轉(zhuǎn)子零位位置，如圖12所示。當(dāng)電機(jī)通電逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，產(chǎn)生的電磁力為F3，輸出力矩F0=F3+F2-F1，如圖13所示。當(dāng)電機(jī)通電順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，產(chǎn)生的輸出力矩F0=F3-F2-F1，如圖14所示。

圖11 未裝蝸卷彈簧圖12 蝸卷彈簧保證轉(zhuǎn)子零位狀態(tài)

圖13 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)受力圖14 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)受力

從受力分析可以看到，在定位力矩和蝸卷彈簧變形產(chǎn)生的力矩作用下，電機(jī)順時(shí)針輸出力矩要比逆時(shí)針輸出力矩小，與故障現(xiàn)象相符。

3.4 分析結(jié)論

通過上述分析可知，齒槽轉(zhuǎn)矩和蝸卷彈簧變形產(chǎn)生的力矩，導(dǎo)致了電機(jī)順時(shí)針產(chǎn)生的輸出力矩與逆時(shí)針產(chǎn)生的輸出力矩不對稱。當(dāng)消除或降低齒槽力矩F1后，蝸卷彈簧只需要克服齒槽轉(zhuǎn)矩就能將轉(zhuǎn)子維持在所需的零位位置。電機(jī)通電時(shí)，即使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到極限位置，蝸卷彈簧變形量產(chǎn)生的力矩都很小，與電磁力矩相比可以忽略不計(jì)，從而保證了電機(jī)在順時(shí)針和逆時(shí)針方向的輸出力矩基本一致。

4 改進(jìn)措施

4.1 采用6極9槽方案

故障確定后，通過采用6極9槽的改進(jìn)措施來消除定位力矩的影響。根據(jù)仿真及對比分析，6極9槽齒槽轉(zhuǎn)矩較小，擬采用6極9槽的電磁方案。6極9槽線圈存在三種結(jié)構(gòu)形式，單線圈三槽結(jié)構(gòu)如圖15所示，單線圈兩槽結(jié)構(gòu)如圖16所示，單線圈兩槽、三槽混合結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖15 單線圈三槽結(jié)構(gòu)

圖16 單線圈兩槽結(jié)構(gòu)

圖17 單線圈兩槽、三槽結(jié)構(gòu)

采用單線圈三槽結(jié)構(gòu)時(shí)，單線圈通電有3個(gè)齒有效工作，雙線圈通電時(shí)有4個(gè)齒有效工作，三線圈通電時(shí)有3個(gè)齒有效工作。

采用單線圈兩槽結(jié)構(gòu)時(shí)，單線圈通電有2個(gè)齒有效工作，雙線圈通電時(shí)有4個(gè)齒有效工作，三線圈通電時(shí)有6個(gè)齒有效工作。

采用單線圈兩槽、三槽結(jié)構(gòu)時(shí)，單線圈通電存在3個(gè)齒或2個(gè)齒有效工作情況，雙線圈通電時(shí)有4個(gè)齒或5個(gè)齒有效工作，三線圈通電時(shí)有6個(gè)齒有效工作。

考慮到系統(tǒng)使用時(shí)為熱備份，每次通電三套繞組，優(yōu)先選用三套繞組方案。

4.2 電磁仿真

有限元建立仿真模型如圖18所示。單套繞組斜槽輸出轉(zhuǎn)矩掃描曲線如圖19所示。斜半個(gè)齒距后的輸出力矩如圖20所示。從圖18、圖20中可以看到，電機(jī)對稱點(diǎn)在80°位置，在61.22°、99.52°位置輸出力矩為198 mN·m，滿足指標(biāo)大于60 mN·m的要求。同時(shí)，針對6極9槽的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真，如圖21所示。斜槽半個(gè)齒后，電機(jī)的齒槽力矩如圖22所示。對稱點(diǎn)在80.85°時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩為1.2 mN·m，在60.06°時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩為1.14 mN·m，在100.87°時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩為1.09 mN·m。

圖18 仿真模型

圖19 輸出力矩斜槽掃描

圖20 斜半個(gè)齒后輸出力矩

圖21 齒槽轉(zhuǎn)矩斜槽掃描

圖22 斜半個(gè)齒后齒槽轉(zhuǎn)矩

5 樣機(jī)測試

按照6極9槽的方案生產(chǎn)樣機(jī)并進(jìn)行測試，樣機(jī)及樣機(jī)測試如圖23所示。輸出力矩測試結(jié)果如表3所示，可以看到，輸出力矩、輸出電流滿足指標(biāo)要求?；魻栃盘?hào)檢測結(jié)果如表4所示，可以看到，零位電壓、-20°位置電壓、+20°位置電壓滿足指標(biāo)要求。

圖23 樣機(jī)及樣機(jī)測試

表3 輸出力矩檢測

表4 霍爾信號(hào)檢測

6 結(jié) 語

本文對故障電機(jī)進(jìn)行測試、仿真分析及拆解檢查，確定輸出力矩不對稱的故障原因：6極6槽槽口封閉措施失效，從而導(dǎo)致故障樣機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩異常，在蝸卷彈簧的作用下，故障電機(jī)在順時(shí)針和逆時(shí)針方向的輸出力矩不對稱。通過采用6極9槽的電磁方案進(jìn)行樣機(jī)改制，樣機(jī)測試結(jié)果滿足指標(biāo)要求，輸出力矩不對稱問題得到解決。