無槽鐵心鋰基潤滑脂高速微型電動機

鄭卜祥，陳志華，賀 偉，唐蘇學

(1．西安機電信息技術研究所，陜西西安710065;2．西安交通大學，陜西西安710049;3．西安三才微電機有限公司，陜西西安710065;4．西安郵電學院，陜西西安710121)

0 引 言

激光成像引信具有高的目標方位及其部位識別能力，能獲取豐富的目標圖像信息(包括三維距離像、強度像、距離－角度像等)，對目標的區分能力突出，易于判別目標類型特別是目標的易損部位，且具有強的抗干擾能力(包括電磁、地物背景、環境、陽光等)和抗隱身能力［1－5］，在武器系統改裝以及新武器系統配備上，具有巨大的潛力。高速激光掃描系統的設計是成像引信能否實現性能指標要求的一項關鍵技術，該技術多采用光機掃描方式［4－8］。它是通過高速微型電動機驅動機械裝置帶動反射系統旋轉實現激光高速掃描，這就需要研制用于激光掃描成像引信的高速微型電動機。

近年來，永磁材料、電機設計、電力電子技術、機械加工工藝和控制理論的發展，促進了高速微型電動機特別是永磁無刷直流電機的發展和完善。目前該領域是國際研究的熱點，高速無刷直流電動機具有功率密度高、體積小、效率高、可直接驅動高速負載等優點，在航空航天航海測試平臺及導航系統、核材料離心分離裝置、分布式發電裝置、旋轉儲能裝置、高速陀螺儀、高速電動工具、高速攝影機、高速掃描相機、高速掃描儀、機械加工的高速磨削與銑床設備和醫療器械等領域廣泛應用［9－14］。但這些領域的應用大多轉速低于60 000 r/min 且尺寸較大也不耐－40℃的低溫，而高于60 000 r/min 的電機卻存在尺寸大、功率大、驅動電壓大、高低溫環境適應性不好等問題。國外已有法國泰勒斯公司采用的光機高速掃描成像型激光引信微型電動機［6］，但對目標的掃描頻率還不夠高;而國內采用高速微型電動機的激光掃描系統在成像型激光近炸引信探測系統上的工程應用還未見報道。為此，本文研制了一種用于高速掃描成像型激光近炸引信的無槽鐵心鋰基潤滑脂高速永磁無刷直流微型電動機。

1 無刷直流電動機的工作原理及結構

目前，高速微型電動機多采用無刷直流電動機結構，包括電機本體、轉子位置傳感器和電子換相線路三大部分，具有旋轉的磁場和固定的電樞，是將直流電能轉換為機械能的電磁機械裝置，其工作原理框圖如圖1 所示［15］。通過轉子位置傳感器輸出的信號使電子換相線路驅動相應的功率開關器件，與其相連的電樞繞組依次饋電，在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，驅動轉子旋轉，從而使位置傳感器不斷發出信號，以改變電樞繞組的通電狀態，這樣，導體中的電流方向在某一磁極下始終保持不變。電機內的轉子位置傳感器檢測轉子運行位置時，無機械換向裝置的接觸點，不僅保持了直流電動機的調速特性，而且具有壽命長、效率高、過載能力強、無火花、安全性好、可靠性高等特點。

根據定子結構不同，無刷直流電動機分為有槽鐵心、無槽鐵心、無鐵心無齒槽空心杯結構三類，如圖2所示［15－16］。傳統的無刷直流電動機多采用有槽鐵心結構，盡管有槽永磁無刷直流電動機經過優化設計并選用良好的導磁材料也能運行效率較高，但高速運行時齒槽轉矩脈動很大，在有無負載下都會有不平衡的磁拉力和較大的空載鐵耗。而無鐵心無齒槽空心杯結構的電動機需采用HALBACH 磁體結構(將永磁體采用徑向與切向陣列相結合的新型磁體結構)來提高氣隙磁通密度，近正弦磁通密度分布會增加高速電動機的磁體厚度和脈動轉矩，且電樞電感極小，一般只有十幾到幾十微亨，由PWM 調制時引起的電樞電流脈動較大。此外，高速無刷直流電動機采用傳統軸承時損耗、振動和噪聲較大，也不耐高低溫環境，直接影響工作壽命。

2 無槽鐵心鋰基潤滑脂高速永磁無刷直流微型電動機

2.1 高速微型電動機的結構

本文研制的高速微型電動機采用無槽鐵心永磁無刷直流電動機結構，如圖3 所示，由永磁轉子和三相定子組成，在電機內部裝有三個霍爾位置傳感器來檢測轉子位置，通過輸入到微處理器的邏輯電路中檢測這些傳感器的不同時序來換相，并采用橋式電路形成三相電子換相驅動。

2.2 高速微型電動機的設計及其耐高低溫措施

本文研制的高速微型電動機負載下長時間工作轉速可高達60 000 r/min，所帶負載可達225 g，空載極限轉速可達63 000 r/min，外形尺寸僅為Φ23 mm× 50 mm，額定電壓為36 V，額定功率為25 W，額定效率約70%，額定輸出轉矩可達4．5 × 10－3N·m。由于沒有電刷和換向器，電機內部只有軸承部分活動，只要選擇合適的軸承，在高轉速下就不存在其他造成摩擦發熱的部件，也不可能產生任何火花。因此，采用無槽鐵心結構和一種特殊鋰基潤滑脂耐低溫高速軸承，實現了高速微型電動機小體積、高轉速、小功率、小溫升、低噪聲且耐高低溫的設計，運行平穩可靠。

(1)定子采用無槽鐵心結構。由于取消了傳統無刷直流電動機定子鐵心的齒槽部分，繞組電感量及電氣時間常數非常小，不存在定子齒槽的飽和現象，其有效氣隙較大，且鐵耗中只有軛部損耗，效率高，尺寸大大減小，降低了銅損和鐵耗，消除了齒槽轉矩脈動，降低了單邊磁拉力，具有優良的動態性能，可以更好地提高微型電動機轉速。

(2)轉子選用磁性能優良的釹鐵硼永磁材料。該材料具有最大的磁能積和很大的飽和磁感應強度，適中的剩余磁感應強度，能在200℃左右的高溫下不降低磁性能［17］。可大大簡化微型電動機結構，縮小尺寸，減輕重量，提高效率。

(3)軸承采用耐低溫的特殊鋰基潤滑脂高速軸承。由于該高速微型電動機應用于高速掃描成像型激光引信上，必須至少能在－40℃～+ 55℃的環境溫度條件下正常工作，滿足環境適應性要求，就必須選擇合適的高速軸承，特別是耐低溫－40℃以下，采用一種能耐低溫的特殊鋰基潤滑脂作為潤滑劑。該特殊鋰基潤滑脂采用稠度等級為2 號的二硫化鉬極壓鋰基潤滑脂作為基礎脂，添加少許無灰抗磨劑、抗氧劑和防銹劑，其滴點不低于175℃，工作錐入度為265～295(1 /10 mm)，能耐高低溫，可在極端溫度條件下高可靠運行，且具有良好的抗水性、機械安定性、防腐蝕性和氧化安定性，適合于引信中有沖擊的高載荷軸承潤滑。

(4)采用永磁無刷直流電動機結構和三相全波驅動電路提高效率，安全性好，可靠性高。

3 高速微型電動機高低溫性能測試

電機噪聲是高速微型電動機面臨的主要問題之一。根據結構分析，電機噪聲源主要包括電磁噪聲和機械噪聲，電磁噪聲主要有氣隙磁通密度產生的電磁力噪聲和轉子產生的磁場高次諧波噪聲兩種，機械噪聲主要有軸承噪聲、裝配誤差噪聲和不平衡噪聲等。因此，噪聲測試是高速微型電動機性能測試的一大重要指標。在小尺寸、小功率、較小驅動電壓的條件下獲得60 000 r/min 的高轉速，是該高速微型電動機的一大特點，在性能測試時有必要測試驅動電壓。

3.1 試驗條件及要求

在高低溫試驗時，背景噪聲為55～60 dB，試驗對象為高速微型電動機及其驅動控制器，使用的儀器設備有萬用表、HS5660A 型精密脈沖聲級計、Heraeus HC7057 型高低溫試驗箱。分別在常溫20℃～25℃、15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃、+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+80℃、+ 85℃的溫度下，將高速微型電動機放在高低溫試驗箱中保溫持續半小時以上，取出電機在空載下測試噪聲和驅動電壓。

3.2 常溫性能

在常溫20℃～25℃下，該高速微型電動機能在60 000 r/min 的高轉速下連續工作2 小時左右，溫升不超過55℃，噪聲不超過72 dB。其常溫環境性能如圖4 所示，在60 000 r/min 的高轉速下，噪聲不超過70．8 dB，相對背景噪聲增加約12 dB，驅動電壓減小約1. 7 V。

圖4 高速微型電動機常溫環境性能曲線圖

3.3 低溫性能

該高速微型電動機的低溫環境性能如圖5 所示，其低溫工作噪聲和驅動電壓分別與轉速成近似線性變化關系。由圖5 可知，該高速微型電動機能在低溫－55℃的環境下正常工作，且最低工作溫度在－55℃以下，已滿足引信至少－40℃以下的低溫環境要求。同時，在－40℃和－55℃時，在60 000 r/min 的高轉速下最大噪聲分別不超過86 dB 和91 dB。

圖5 高速微型電動機低溫環境性能曲線圖

(1)微型電動機在低溫下低速時抖動大、噪聲小，高速時抖動小、噪聲大，且溫度越低，抖動越嚴重，噪聲也越大。同時，微型電動機在低溫下高速工作半小時后，噪聲會增加約2 dB，此后噪聲平穩。

(2)微型電動機在低溫－30℃～－55℃下，轉速從初始起動的900 r/min 調至1 000 r/min 時存在滯后現象，大約延時1～3 s，且溫度越低，延遲時間越長。由于微型電動機工作時有溫升，一段時間后能正常工作。

(3)微型電動機從0～60 000 r/min 時，在室溫15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃下，噪聲相對背景噪聲分別增加約9 dB、13 dB、16 dB、19 dB、21 dB、23．5 dB、25 dB、26 dB、28 dB、29 dB、31 dB。這說明溫度低時，微型電動機隨著轉速的增加，噪聲增加明顯增大，當溫度低到一定程度后，如在－30℃以下，噪聲增加將不是很明顯。

(4)在低溫環境的同一轉速下，微型電動機隨著溫度的降低，噪聲會增加，－55℃相對室溫15℃下的同一轉速而言，約增加16～25 dB，相對常溫20℃～25℃下的同一轉速而言，約增加15．5～20 dB。

(5)微型電動機在室溫15℃～－55℃下不同轉速時的驅動電壓在33．28～36 V 內變化。在同一溫度下，隨著轉速的增加，驅動電壓會減小，從0～60 000 r/min 時，電壓約減小1．73～2．72 V。在同一轉速下，隨著溫度的降低，驅動電壓也會減小，從室溫15℃～－55℃時，電壓約減小1～1．55 V。

3.4 高溫性能

該高速微型電動機的高溫環境性能如圖6 所示，其高溫工作噪聲和驅動電壓分別與轉速成近似線性變化關系。由圖6 可知，該高速微型電動機能在高溫+85℃的環境下正常工作，且最高工作溫度在+ 85℃以上，已滿足引信至少+ 55℃以上的高溫環境要求。同時，在+ 55℃和+ 85℃時，在60 000 r/min 的高轉速下最大噪聲分別不超過87 dB 和92．2 dB。

圖6 高速微型電動機高溫環境性能曲線圖

(1)微型電動機在高溫下不存在低速起動滯后現象;但高溫下低速時抖動小、噪聲小，高速時抖動大、噪聲大，且溫度越高，抖動越嚴重，噪聲也越大。同時，微型電動機在高溫下高速工作半小時后，噪聲會增加約2 dB，此后噪聲平穩。

(2)微型電動機從0～60 000 r/min 時，在+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+ 80℃、+85℃下，噪聲相對背景噪聲分別增加約26 dB、27 dB、28 dB、29 dB、30 dB、31 dB、31．5 dB、32 dB。這說明溫度高時，微型電動機隨著轉速的增加，噪聲會增大，溫度越高，噪聲增加越不明顯。當溫度每升高5℃時，噪聲增加約1 dB，當溫度高到一定程度后，在+ 75℃以上時，噪聲增加約0．5 dB。

(3)在高溫環境的同一轉速下，微型電動機隨著溫度的升高，噪聲會增加，+85℃相對室溫15℃下的同一轉速而言，約增加22～26．5 dB，相對常溫20℃～25℃下的同一轉速而言，約增加21．5～22．5 dB。

(4)微型電動機在+ 50℃～+ 85℃下不同轉速時的驅動電壓在33．72～36 V 內變化。在同一溫度下，隨著轉速的增加，驅動電壓會減小，從0～60 000 r/min 時，電壓約減小1．78～2．28 V。在同一轉速下，隨著溫度的降低，驅動電壓也會減小，從+ 50℃～+ 85℃時，電壓約減小0．33～0．6 V;+ 85 ℃相對室溫15℃電壓約減小0．28～0．55 V，相對常溫20℃～25℃電壓約減小0．3～0．6 V。

4 結 語

本文采用無槽鐵心結構和一種特殊鋰基潤滑脂的耐低溫高速軸承，研制了一種用于高速掃描成像型激光近炸引信的無槽鐵心鋰基潤滑脂高速永磁無刷直流微型電動機，實現了高速微型電動機小體積、高轉速、小功率、小溫升、低噪聲且耐高低溫的設計。該微型電動機運行平穩可靠，在60 000 r/min 的高速下連續工作2 小時后，常溫下溫升不超過55℃，噪聲不超過72 dB，能在－55℃～+ 85℃的溫度環境下正常工作，滿足引信至少－40℃～+ 55℃的高低溫環境要求。其負載下長時間工作轉速可高達60 000 r/min，空載極限轉速可達63 000 r/min，外形尺寸僅Φ23 mm ×50 mm，額定電壓為36 V，額定功率為25 W，額定效率約70%，額定輸出轉矩可達4．5 ×10－3N·m。通過進一步改進完善，有望達到額定電壓為24 V，額定功率為18 W，額定效率明顯提高，可在成像型激光近炸引信的高速光機掃描系統中加以應用。

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