一種高功率密度電動舵機的設計

段小帥

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

一種高功率密度電動舵機的設計

段小帥

(北京自動化控制設備研究所，北京100074)

針對飛行器的速度和機動性不斷增加，對舵機的高功率和小型化等要求越來越高的問題，設計了一種高功率密度電動舵機。從一體化本體結構設計、高功率伺服電機設計和輕質化材料選用等方面對電動舵機進行了研究分析。最后對該電動舵機進行了性能測試。試驗結果表明，該電動舵機能夠承載8000N·m彎矩，并且輸出功率密度比常規電動舵機提高了50%以上。

電動舵機；高功率密度

0 引言

舵機是飛航導彈等飛行器制導控制系統的執行機構，是一種高精度的位置伺服系統，其性能直接影響飛行過程的動態品質。隨著航天技術的快速發展，飛行器的速度、射程、精度和機動性不斷增加，因此對舵機的高功率、大承載、小型化和輕質化等要求越來越高[1-2]。本文研究設計了一種電動舵機，相比于常規電動舵機，具有功率密度高和承載能力強等特點。

1 舵機功能組成

電動舵機通常由本體結構、伺服電機、傳動機構、輸出機構和反饋裝置等幾部分組成，如圖1

圖1 電動舵機組成示意圖Fig.1 Theschemeofelectromechanicalactuator

所示。伺服電機將電能轉化為機械能；傳動機構將伺服電機產生的高速低轉矩通過適當的減速比轉化為系統要求的低速高轉矩，并通過輸出機構傳遞給舵面；反饋裝置測量到舵偏角信號，實現系統的閉環控制；伺服電機、傳動機構、輸出機構和反饋裝置等組件最終通過舵機本體結構，集成為一臺完整的電動舵機。

2 舵機設計實現

通常情況下，一臺電動舵機的伺服電機、傳動機構和輸出機構分別采取獨立設計制造，最后再組裝到一個舵機殼體中，實現整個舵機的裝配和固定[3]。按照8000N·m彎矩、額定輸出700N·m轉矩、200(°)/s角速度、15Hz頻帶的性能指標要求，最初設計的常規電動舵機如圖2所示，伺服電機為直流電機，傳動機構為齒輪+滾珠絲杠副，輸出機構為搖臂+輸出軸，反饋裝置為齒輪+電位器，該電動舵機的重量為11.5kg，輸出功率密度為210W/kg。

圖2 常規電動舵機Fig.2 Ordinary electromechanical actuator

為了進一步提高該電動舵機的功率密度，本文通過以下幾個方面進行設計研究。

2.1 一體化本體結構設計

電動舵機各組件的殼體是電動舵機工作過程中的關鍵承力部件，同時也為各組件之間提供定位及安裝位置，在電動舵機裝配體中起到“基石”的關鍵作用。一般情況下，一臺電動舵機的各組件分別具有各自的殼體結構，從而導致了電動舵機的體積和重量比較大。

本文為電動舵機設計了一體化本體結構，如圖3所示。該結構具有以下幾方面特點：

1)伺服電機、傳動機構和輸出機構共用一個本體結構，大大減小了電動舵機的體積和重量。

2)伺服電機殼體、傳動機構殼體和輸出機構殼體三者之間相互連接，形成一個完整的結構件，提高了三個組件之間的連接強度和承載能力。

3)該結構體現為一個零件形式，機械加工時采用統一基準，提高了三個組件之間的定位精度。

4)該結構要求各組件殼體為同一種材料，尤其在高低溫環境下材料特性能夠保持高度一致，提高了各組件之間的裝配精度。

圖3 一體化本體結構示意圖Fig.3 The scheme of incorporate configuration

2.2 高功率伺服電機設計

伺服電機是電動舵機輸出轉矩和角速度的源泉，相比其他伺服電機，無刷直流電機具有功率密度高、轉矩輸出能力強、環境適應性高等特點，本文中的電動舵機選用無刷直流電機作為執行元件，并從電機材料選取、結構和尺寸計算、電磁場分析等方面對該電機進行設計。

為了減小電機的尺寸和重量，在保證內稟矯頑力滿足要求的前提下，剩余磁感應強度和磁感應矯頑力應盡量提高，同時考慮到電機的高溫使用環境等綜合因素，通過計算選取SmCo28燒結釤鈷作為電機的永磁材料。電機定子鐵心和轉子鐵心選用35W300電工鋼帶疊壓而成，并采用特殊的粘接工藝進行連接。電機轉軸材料采用TC9鈦合金，該材料具有強度高、密度低、耐腐蝕及耐高溫等特點。

通過磁路計算和電路計算，確定該伺服電機的主要設計參數如表1所示。

表1 伺服電機設計參數Tab.1 The design parameter of servo motor

該電機為6極9槽的槽極配合，該結構節距為1，繞組端部短，有利于減小轉子軸向長度，適合高速運行；該結構繞組因數低，電樞反應弱，有利于電機的過載；并且在相同外徑下分布的槽數少，保證了電機的齒部機械強度。伺服電機的結構外形如圖4所示。

圖4 伺服電機外形圖Fig.4 The figure of servo motor

在Ansoft軟件中建立伺服電機設計模型，進行電磁和性能仿真。給定伺服電機10000r/min轉速時，伺服電機額定輸出力矩約3.6N·m，曲線如圖5所示；伺服電機峰值輸出力矩約7.6N·m，曲線如圖6所示。經測試，該伺服電機的輸出功率達到3.8kW，功率密度超過2kW/kg。該伺服電機完成加工和測試后，最終安裝到一體化本體結構中，實現電動舵機的集成化裝配。

圖5 電機額定輸出力矩曲線Fig.5 The graph of rated torque

圖6 電機峰值輸出力矩曲線Fig.6 The graph of peak torque

2.3 輕質化材料選用

電動舵機的一體化本體結構、傳動機構和輸出機構等關鍵承力部件采用輕質高強度材料設計加工。其中，一體化本體等殼體類零件選用ZK61M鎂合金代替鋁合金，抗拉強度達到315MPa，密度僅1.8g/cm3(常用的3A21鋁合金的抗拉強度為165MPa，密度為2.7g/cm3)；傳動機構和輸出機構等運動部件選用TC9鈦合金代替合金鋼，抗拉強度達到1060MPa，密度僅4.5g/cm3(常用的40Cr合金鋼的抗拉強度為980MPa，密度為7.8g/cm3)。通過輕質化設計，該電動舵機的重量為7.5kg，輸出功率密度超過330W/kg，比常規電動舵機提高了50%以上，如圖7所示。

圖7 高功率密度電動舵機Fig.7 High power-density electromechanical actuator

在Ansys軟件中對一體化本體結構強度進行仿真分析，在舵機輸出軸上加載8000N·m彎矩，一體化本體結構上的應力分布如圖8所示。結構上最大應力點359MPa，為局部應力集中點，絕大部分區域處于材料的抗拉強度以下，結構強度能夠滿足指標要求。

圖8 強度仿真結果Fig.8 Intensity emulation

對電動舵機實物進行了彎矩加載試驗，將舵機安裝固定在彈體上，在該舵機上安裝舵面后，在舵面上加載8000N·m彎矩，電動舵機的結構完好、工作正常，表明了該輕質化材料選用的可靠性。

3 舵機試驗分析

采用專用電動舵機加載測試設備對該電動舵機進行典型信號響應測試。由于大尺寸舵面帶來的慣量負載對電動舵機性能有一定的影響[4]，且本文中的電動舵機所驅動的舵面轉動慣量為0.36kg·m2，因此以下性能測試均在附加相同的慣量負載下進行。

對該電動舵機在輸出700N·m轉矩負載下進行角速度測試，輸入30°方波信號，響應曲線如圖9所示，測得輸出角速度超過200(°)/s。

圖9 角速度測試曲線Fig.9 Test curve of angular velocity

對該電動舵機在輸出700N·m轉矩負載下進行頻率響應測試，輸入15Hz、2.5°正弦信號，響應曲線如圖10所示，測得幅值衰減了約10%，滿足了系統響應快速性的要求。

圖10 頻帶測試曲線Fig.10 Test curve of frequency

4 結論

本文介紹的電動舵機，通過一體化本體結構設計、高功率伺服電機設計和輕質化材料選用等措施，電動舵機的功率密度和承載能力得到大幅提高。通過測試，該電動舵機能夠承載8000N·m彎矩，并且在大慣量負載和轉矩負載條件下，能夠滿足系統快速響應的要求。

[1] 汪軍林，解付強，劉玉浩.導彈電動舵機的研究現狀及發展趨勢[J].飛航導彈，2008(3)：42-46.

[2] 郭宏，邢偉.機電作動系統發展[J].航空學報，2007，28(3)：620-627.

[3] 高榮華，徐軍，章枧，鄭富磊.通用飛機電動舵機的設計[J].科技資訊，2014(3)：127-129.

[4] 徐方潔，李四保，謝勁松.淺析大慣量負載對機電舵系統的影響[J].導航定位與授時，2014，1(1)：52-57.

Design of a High Power-density Electromechanical Actuator

DUAN Xiao-shuai

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

A high power-density electromechanical actuator is designed regarding the problems of high flight speed and flexibility for aircraft，which requires high power and miniaturization of electromechanical actuator more and more.The electromechanical actuator is studied based on incorporate configuration，high power servo motor and light materials.The performance is tested at last.The results show that it can bear bending moment of 8000N·m and its output power-density increases 50% more than ordinary electromechanical actuator.

Electromechanical actuator；High power-density

2015-05-05；

2015-06-05。

段小帥(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事伺服系統方面的研究。

TJ765.2

A

2095-8110(2016)01-0036-04