微型永磁直流電動機設(shè)計與研究

高超，吳濤，田鵬

(1哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，黑龍江哈爾濱 150040;2駐一二○廠軍室代表室，黑龍江哈爾濱 150066)

0 引言

我國某型飛機座椅要求調(diào)節(jié)高度的電動機在一定時間內(nèi)正、反向旋轉(zhuǎn)，帶動座椅(同方向負載)上、下運動;斷電后電動機需立即制動;座椅救生彈射時，克服瞬間推力(電動機輸出軸端受徑向力矩0.43N·m)，電機軸不允許旋轉(zhuǎn)。為達到技術(shù)要求，對電機結(jié)構(gòu)、電磁參數(shù)、制動控制進行了研究與論證。

1 電機功能分析

該電動機為重復(fù)短時工作制，輸入電壓27V DC，正向旋轉(zhuǎn)時(座椅向上運動)，負載為向下200kg重力;反向旋轉(zhuǎn)時(座椅向下運動)，負載向下205kg重力。從功能及參數(shù)影響方面，將該電動機分為四種工作狀態(tài):

(1)起動瞬間狀態(tài)

起動瞬間，電機為堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此電機工作電流將急劇上升，直至電磁轉(zhuǎn)矩克服阻力而旋轉(zhuǎn)。要求起動電流不超過6A，起動時間不超過100ms。

(2)拉動負載工作

拉動負載工作時，電機帶支座椅向上運動，克服方向向下的重力G、摩擦阻力F1，在電樞中產(chǎn)生與之平衡的向上的電磁力T1，達到驅(qū)動負載的目的，保證轉(zhuǎn)速不低于6 500r/min。

(3)拖動負載工作

拖動負載工作時，電機帶動座椅向下運動，克服方向向下的重力G、向上的摩擦阻力F2，在電樞中產(chǎn)生與之平衡的向上電磁力T2，達到驅(qū)動負載的目的，保證轉(zhuǎn)速不低于5 000r/min。

(4)斷電(停車)瞬間狀態(tài)

在電機斷電瞬間，轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速變?yōu)?的過程中，應(yīng)有制動結(jié)構(gòu)，保證電機立即停車。

2 設(shè)計方案研究

2.1 總體方案

因電機外形尺寸限制，經(jīng)電磁計算，確定電機為永磁體勵磁結(jié)構(gòu)。為保證制動功能要求，在電樞回路串聯(lián)直流電磁制動器。

電機屬于四象限運行，永磁體電機在斷電停車瞬間狀態(tài)，在電樞中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如有閉合回路，則該電動勢將在回路中產(chǎn)生一個急劇下降的瞬間電流，當(dāng)該電流大于制動器釋放電流時，電機不能及時、有效停車。電機串聯(lián)制動器線圈工作時，電流變化曲線如圖1所示。進行詳細參數(shù)設(shè)計時，必須控制好電機電流與制動器釋放電流的關(guān)系，保證電機在各個工作狀態(tài)能夠正常工作。

圖1 電機電流變化曲線

2.2 控制方案論證

電機帶動負載向上、向下運動時，工作狀態(tài)不同，因此工作電流差異很大。理論計算值分別為2.1A、0.4A。制動器性能計算中，制動器斷電釋放電流為0.2～0.5A。即當(dāng)電動機向下運動過程中，出現(xiàn)制動器釋放→對電機進行剎車→電機堵轉(zhuǎn)→電流升高→制動器吸合→電機旋轉(zhuǎn)→制動器釋放的循環(huán)剎車現(xiàn)象。為此需對電機制動控制進行改進，提高負載向下運動時的工作電流。

在回路中增加并聯(lián)制動線圈，依據(jù)線徑、匝數(shù)調(diào)整電流并串聯(lián)二極管，以控制上升時電流不再增加。線路連接及原理如圖2所示。

圖2 電機工作原理示意圖

(1)起動瞬間狀態(tài):電機電流上升，因串聯(lián)電感，削平電流尖鋒，將起動電流控制在要求范圍之內(nèi)，電流達到吸合電流瞬間，制動器吸合，使軸與制動盤分離而開始旋轉(zhuǎn)。

(2)拉動負載狀態(tài):電機通入如圖2所示的正向電流，因二極管控制，只有串聯(lián)制動器線圈工作，達到制動器吸合電流后，電機帶動負載旋轉(zhuǎn)，推動座椅及飛行員上升。高度合適斷電停車瞬間，制動器中彈簧推動止動盤，使電機立即停車，在電樞兩端形成的反向電動勢，因二極管而不存在回路，永磁電機不能產(chǎn)生電流使制動器失效，因此制動正常。

(3)拖動負載狀態(tài):電源通反向電流，Q1通過二極管導(dǎo)通而與Q2同時工作，產(chǎn)生同方向的電磁力使制動器吸合，電機旋轉(zhuǎn)，座椅及飛行員拖動電機下降。此狀態(tài)下的斷電停車瞬間，因電路構(gòu)成回路，電機作發(fā)電機運行，轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速6 500r/min變?yōu)?過程中，永磁電機產(chǎn)生與原電流反向的二次電流，當(dāng)兩個電流之和小于制動器釋放電流時，制動器正常工作;當(dāng)電流之和大于制動器釋放電流時，電機不能及時、有效停車。為控制兩電流之和足夠小，將串聯(lián)制動器線圈及并聯(lián)制動器線圈匝數(shù)進行了計算，結(jié)合電阻控制了電機工作電流，使之大于制動器釋放電流，達到制動正常的目的。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)外形尺寸、功能要求，進行了總體結(jié)構(gòu)論證，包括其結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，具體如下:

(1)采用永磁體勵磁結(jié)構(gòu)。永磁電機近幾年才應(yīng)用于航空領(lǐng)域，對永磁體性能提出了較高要求的同時，永磁體漏磁對其它產(chǎn)品的影響需重點研究、防護。

(2)為實現(xiàn)斷電后立即制動的功能要求，采用直流電磁制動器。因電機為直流電機，工作時對串聯(lián)在另一端、與電樞沒有交集區(qū)的制動器線圈彼此之間沒有影響。制動器線圈作為電樞的電阻，損耗功率，在電動機電磁計算過程中需重點考慮;作為電感元件，削弱了電動機的起動電流，保證了電源特性要求。

(3)為保證正、反向旋轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)，直流電磁制動器正常工作，制動器線圈分為兩部分:一部分串聯(lián)入電樞繞組，正、反向旋轉(zhuǎn)時都工作;另一部分與電樞繞組并聯(lián)，只在反向旋轉(zhuǎn)時工作。

(4)在彈射瞬間3 200N推力下，為保證制動力要求，保證外形尺寸不變，增加摩擦面積，制動器采用雙面摩擦結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。

圖3 制動器結(jié)構(gòu)組成圖

3 樣機制造、試驗結(jié)果與分析

2010年10月制造該永磁直流電動機一臺，并進行了性能測試，其正、反向起動電流、輸出力矩、工作電流、轉(zhuǎn)速都達到了預(yù)期指標(biāo)，制動器工作正常，通過了最大靜摩擦力矩試驗。對磁密度高部位增加了磁路面積，解決了永磁體漏磁大的問題。負載試驗中起動-工作-制動過程電流實測曲線如圖4所示。

圖4 電流實測曲線圖

4 結(jié)語

(1)該型電動機采用永磁鐵勵磁方式，達到了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕的目的，滿足總體對于重量、體積的要求。

(2)該型的制動器參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足電機四象限運行的需要，保證了電機的正常工作，滿足了最大靜摩擦力矩要求。

(3)該微型永磁直流電動機是自主研制產(chǎn)品，為微型驅(qū)動電機在航空領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展，提供了參考。

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