舵機(jī)用高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與分析

秦飛 劉鑫博 孫平 姚鵬飛 劉勇

摘要：隨著舵機(jī)伺服系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求的提高，舵機(jī)電機(jī)向高速、高功率密度及低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)展。根據(jù)舵機(jī)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成、材料選擇、工藝加工對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的影響，并制作試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足舵機(jī)系統(tǒng)使用需求。

關(guān)鍵詞：舵機(jī);無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī);性能分析;試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TM381? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0026-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.007

0? ? 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的多元化發(fā)展使得傳統(tǒng)武器的弊端愈加凸顯，傳統(tǒng)武器迫切需要進(jìn)行技術(shù)革新[1]。舵機(jī)伺服系統(tǒng)是飛行器、導(dǎo)彈等裝備的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作原理是驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)舵面作動(dòng)，使飛行器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、俯仰和滾轉(zhuǎn)等多姿態(tài)機(jī)動(dòng)動(dòng)作，按照預(yù)定軌跡精確打擊目標(biāo)[2-3]。彈用舵機(jī)主要有液壓、氣壓和電動(dòng)三種驅(qū)動(dòng)方式，相對(duì)于傳統(tǒng)液壓和氣壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、成本高的缺點(diǎn)，電動(dòng)舵機(jī)具有輕質(zhì)、小體積、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，目前正逐步替代傳統(tǒng)的液壓和氣壓舵機(jī)[4-5]。特別是航空航天領(lǐng)域，由于工作環(huán)境的特殊性，電動(dòng)舵機(jī)已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用永磁磁極代替了勵(lì)磁繞組和磁極鐵芯，使得電機(jī)性能得到提高，結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，具備舵機(jī)需求的小體積、高可靠、高效率等優(yōu)點(diǎn)[6]。選擇永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)，可使舵機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。

本文以某型舵機(jī)電機(jī)的研制作為工程應(yīng)用背景，結(jié)合電機(jī)技術(shù)指標(biāo)、舵機(jī)工作環(huán)境和控制方式，運(yùn)用Maxwell軟件進(jìn)行電磁仿真分析，從電機(jī)結(jié)構(gòu)組成、材料選擇、工藝加工三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析電機(jī)輸出性能是否滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，并加工試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1? ? 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

1.1? ? 電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

該永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2? ? 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸確定

電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸是電機(jī)鐵芯直徑和長(zhǎng)度，主要尺寸確定以后，其他尺寸就可以大致確定[7]。電機(jī)主要尺寸計(jì)算公式：

=（1）

式中：D為電機(jī)鐵芯直徑;lef為電樞軸向計(jì)算長(zhǎng)度;n為轉(zhuǎn)速;P′為計(jì)算功率;α′ p為計(jì)算極弧系數(shù);KNm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù);Kdp為繞組系數(shù);A為電負(fù)荷;Bδ為磁負(fù)荷。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，主要尺寸的確定受到計(jì)算系數(shù)α′ p、KNm和Kdp的影響較小，計(jì)算功率P′一般選取電機(jī)額定功率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算功率P′與轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，電機(jī)本體尺寸與電負(fù)荷A、磁負(fù)荷Bδ、鐵芯直徑D和鐵芯長(zhǎng)度lef有關(guān)。而電磁負(fù)荷A、Bδ的選取通常是電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般根據(jù)電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求、材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等確認(rèn)。初步選定A和Bδ后，可以確定電機(jī)的D2lef，此時(shí)電機(jī)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)型，也可設(shè)計(jì)成粗短型。通常采用電機(jī)鐵芯的長(zhǎng)徑比λ來(lái)反映電機(jī)的幾何形狀，λ的大小會(huì)影響電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、輸出性能、加工性能，其選擇一般受到電機(jī)溫升、電樞用銅量、轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響[8]。

考慮到所設(shè)計(jì)電機(jī)的體積、質(zhì)量、工作環(huán)境溫度限制，λ的選擇需適當(dāng)取較大值，參考已有電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和電磁設(shè)計(jì)選定λ=1.15，即電機(jī)方案選定電樞直徑D=39 mm，電樞軸向計(jì)算長(zhǎng)度lef=45 mm。

1.3? ? 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料確定

不同勵(lì)磁材料的選擇會(huì)對(duì)電機(jī)輸出性能產(chǎn)生影響，電機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料為永磁體材料和定子沖片材料，常見(jiàn)的電機(jī)用永磁體材料如表2所示。

高性能永磁無(wú)刷直流電機(jī)常用的永磁材料為稀土鈷和釹鐵硼。對(duì)比兩種材料性能，稀土鈷磁性能弱于釹鐵硼，但是磁性能受到溫度影響小，極限工作溫度可達(dá)300 ℃[9]。設(shè)計(jì)電機(jī)工作環(huán)境溫度高于150 ℃，并且電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的溫升較高，為了避免永磁體退磁，選擇稀土鈷作為轉(zhuǎn)子永磁體。為了滿(mǎn)足電機(jī)工藝性，將稀土鈷材料制成表貼式瓦片型磁鋼，磁鋼采用高強(qiáng)度厭氧膠粘接于軸上，同時(shí)在磁鋼外圓增加轉(zhuǎn)子護(hù)套，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度。

隨著舵機(jī)向小體積、大功率方向發(fā)展，對(duì)電機(jī)功率密度提出了更高的要求，電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的增加，限制了定子沖片材料的選擇。電機(jī)中常用的定子沖片材料有金屬、硅鋼、軟磁材料和非晶材料，如圖1（a）所示不同材料磁密曲線(xiàn)，根據(jù)電機(jī)的工況由材料的飽和磁密、剩磁、矯頑力、加工性能等方面綜合考慮，硅鋼材料的性?xún)r(jià)比最高，但電機(jī)在負(fù)載工況下硅鋼片磁密飽和，輸出電流超差，所以本文選擇軟磁合金作為定子沖片材料。沖片的厚度對(duì)電機(jī)性能影響較大，如圖1（b）所示電機(jī)對(duì)沖片材料需求，在高頻下，電機(jī)損耗以鐵損為主。從降低電機(jī)損耗考慮，沖片的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量薄。

1.4? ? 電機(jī)結(jié)構(gòu)模型建立

考慮電機(jī)工作環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)，確定電機(jī)的電磁方案參數(shù)，如表3所示。

根據(jù)表中電磁參數(shù)，使用ANSYS軟件RMxprt模塊建立電機(jī)電磁模型，再將其轉(zhuǎn)換為Maxwell 2D模型。利用“磁路法+有限元法”的方法聯(lián)合仿真，對(duì)電機(jī)進(jìn)行二維瞬態(tài)場(chǎng)分析，圖2為電機(jī)的截面仿真模型。

2? ? 電機(jī)性能分析

2.1? ? 齒槽轉(zhuǎn)矩

電機(jī)不通電時(shí)，開(kāi)槽定子鐵芯與永磁體之間相互“吸引”，產(chǎn)生這種“吸引”的力就是齒槽轉(zhuǎn)矩。電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生對(duì)電機(jī)性能存在不利影響，會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、引起振蕩、噪聲等問(wèn)題，從而影響電機(jī)的控制精度，降低電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能[10]。

采用有限元方法對(duì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，在不采取相關(guān)抑制措施時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩最大值46.9 mN·m。為了提高電機(jī)的控制精度、運(yùn)行平穩(wěn)性，選擇定子開(kāi)輔助槽的方法來(lái)削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。定子沖片齒冠開(kāi)槽數(shù)量為2倍定子槽數(shù)，增加輔助槽增大了齒槽轉(zhuǎn)矩基波周期數(shù)并減小其幅值，模型如圖4所示。沖片開(kāi)輔助槽后電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩降至9.8 mN·m，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了79.1%。

2.2? ? 電機(jī)輸出性能

利用Maxwell有限元軟件對(duì)電機(jī)輸出性能進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)置工作電壓110 V，電機(jī)置于開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)。如圖5、圖6所示為電機(jī)不同工況下的輸出參數(shù)曲線(xiàn)，仿真輸出結(jié)果如表4所示，所有工況點(diǎn)輸出結(jié)果均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。其中，負(fù)載0.2 N·m時(shí)效率達(dá)94.21%，電機(jī)在此工作點(diǎn)工作時(shí)最為經(jīng)濟(jì)。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)的影響很大，會(huì)使電機(jī)鐵芯局部出現(xiàn)飽和，不僅改變了電機(jī)的磁路，而且會(huì)影響永磁體的工作點(diǎn)。因此在考察負(fù)載下電機(jī)磁路的飽和情況時(shí)，必須利用電磁場(chǎng)有限元計(jì)算來(lái)進(jìn)行分析校核。對(duì)電機(jī)負(fù)載工作1 N·m時(shí)的磁密進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～9所示，定子軛部最大磁密2.02 T，齒部最大磁密1.94 T，氣隙磁密1.54 T。定子沖片的材料為軟磁合金，該材料的飽和磁密約為2.18 T，定子軛部磁密和齒部磁密未達(dá)到材料的飽和磁密，軛部磁密趨于處理極限，充分對(duì)材料磁性能進(jìn)行了利用。

3? ? 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證電磁仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，根據(jù)上述電機(jī)選材和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)布局，樣機(jī)實(shí)物如圖10所示，整機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、后端蓋、印制板組件、鎖制器、電連接器等零組件構(gòu)成。電機(jī)的控制由印制板組件實(shí)現(xiàn)，印制板組件安裝有霍爾元器件，電機(jī)施加電源時(shí)，霍爾元器件感應(yīng)電樞繞組磁勢(shì)，進(jìn)而控制繞組勵(lì)磁電流的切換，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。舵機(jī)電機(jī)要求雙向旋轉(zhuǎn)工作，所以為了輸出正反對(duì)稱(chēng)的性能，一般會(huì)對(duì)印制板組件進(jìn)行“移刷”，調(diào)整正反輸出的霍爾波形一致。對(duì)制作的樣機(jī)施加額定電壓DC110 V，采用負(fù)載測(cè)試臺(tái)控制電機(jī)按表1條件進(jìn)行工作，得到電機(jī)5個(gè)工作點(diǎn)時(shí)的性能。采樣結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)值與仿真值誤差小于5%，滿(mǎn)足電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4? ? 結(jié)論

本文對(duì)舵機(jī)用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)多工況點(diǎn)開(kāi)展了仿真設(shè)計(jì)，采用“磁路法+有限元法”設(shè)計(jì)出一款滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求的高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高可靠性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本文研究結(jié)果表明，電機(jī)損耗受到鐵芯長(zhǎng)徑比選擇影響，較大的長(zhǎng)徑比可以減小電機(jī)損耗，提升電機(jī)效率;分?jǐn)?shù)槽極槽配合產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩較大，嚴(yán)重影響電機(jī)控制精度，采用定子齒冠開(kāi)輔助槽的方式，能有效減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，削弱后齒槽轉(zhuǎn)矩僅為9.8 mN·m，效果明顯;最后對(duì)樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可以應(yīng)用到工程實(shí)際中。

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收稿日期：2024-03-14

作者簡(jiǎn)介：秦飛（1996—），男，貴州人，碩士，助理工程師，研究方向：精密微特電機(jī)設(shè)計(jì)與控制。