大功率氣體發動機專用執行器永磁體的選型

2020-04-16 02:48:28武絳寧禹林業朱旺旺白國軍常云澤

機械管理開發 2020年2期

武絳寧，禹林業，朱旺旺，白國軍，常云澤

（1.昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司，江蘇昆山 215321； 2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108； 3.晉煤集團技術中心，山西晉城 048000）

引言

隨著傳統能源加速消耗、排放標準日益嚴格的市場現狀，發動機控制技術得到了快速發展。一方面對傳統柴油機控制提出更高要求，另一方面隨著氣體燃料市場化開發的逐步深入，氣體發動機正在各個應用領域內逐步取代傳統柴油機，如汽車動力、陸用電站等方面[1]。為滿足高性能、低排放的要求，多種技術在天然氣發動機上的組合應用越來越受到關注[2]。國內外氣體機生產制造商正逐步研究一天然氣、煤礦瓦斯氣體為燃料的大功率高性能氣體機，其配套產品已經進入市場并得到廣泛應用[3]。完善的大功率氣體機控制系統以安全穩定和優秀的發動機匹配性而著稱。其中，執行器作為發動機控制系統核心部件，對發動機工作性能、安全性及可靠性方面都起到關鍵作用。因此研制開發一款大功率氣體機專用執行器至關重要。自從第一臺電動執行機構由美國LIMITORQUE 公司研制以來[4]，高速發展的現代化工業社會使越來越多的公司參與了電動執行機構的研發和生產。由簡單地代替人工進行開關閥門，發展到適用于不同現場的智能型電動執行機構，電動執行機構的發展也可謂是工業發展的縮影。在長達20 多年的研發設計過程中，積累了大量的設計及實際應用經驗。

在此背景下，采用軸向磁路與封裝定子的結構形式，開發出一款大功率氣體發動機專用電動執行器。其結構示意圖如圖1 所示，主要包括外殼、定子、轉子以及輸出軸等。在執行器轉子組件中，對整個設備輸出扭矩影響較大的是其磁片。研究發現，在其他條件相同的情況下，選用不同的永磁體，對執行器性能有著較大的影響。因此選用一種磁性能較好的磁片，對整個執行器有著重要的作用。

本文分別選用A 和B 兩種不同牌號的永磁體作為執行器轉子磁片。用實驗、模擬仿真兩種不同的形式，分析不同牌號永磁體，對電動執行器輸出扭矩的影響。

圖1 電動執行器結構示意圖

1 電動執行器工作原理

該款電動執行器結構比較簡單，采用軸向磁路與封裝定子的結構形式，主要包括外殼、定子、轉子以及輸出軸等。其工作原理為：在執行器通電條件下，其定子線圈產生軸向磁力，與轉子磁片相互作用，帶動轉子在一定范圍內轉動。通過輸出軸向外輸出扭矩。

2 三維模擬仿真

利用相關專業軟件對該電動執行器進行仿真建模，在三維電磁場仿真中，各部件材料物理特性定義對仿真結果的準確性起到至關重要的作用，因此在三維電磁場仿真模型建立后，需要對材料物理特性進行準確定義。本仿真為穩態電磁場仿真，首先對選用的永磁體進行性能測試，得到如下頁圖2 所示的磁滯回線。從中可以看出，在相同強度磁場下，B 牌號永磁體矯頑力、最大磁能積等性能明顯優于A 牌號磁性能。

把測得的A、B 牌號的永磁體磁滯回線及相應磁性參數輸入仿真模型，完成電動執行器電磁場三維仿真模型設置，整個仿真模型仿真云圖如下頁圖3所示。從磁路結構上看，電動執行器磁路與平板電磁鐵結構上最大區別在于某一極沿軸向流出的磁力線會從相鄰極流入，即可以看做相互串聯的平板電磁鐵，因此定、轉子基板起到了磁軛作用，避免漏磁。從磁力線的分布可以看出，當選用性能較好的永磁體B 作為執行器轉子磁片時，其磁力線分布較為密集。

通過以上分析，完成電動執行器磁路結構設計方案確認，接著對三維模型進行試驗標定性仿真分析，分別計算兩種不同的磁片材料的輸出扭矩特性。分析發現，在設定電流為Imax時，不同磁片的執行器得到的扭矩特性有著較大的差距。圖4 所示為特定電流條件下，用A、B 兩種牌號永磁體得到的電動執行器輸出扭矩特性。從中可以看出，扭矩大小輸出特性呈現周期性變化，不同永磁體得到的扭矩特性有著較大的差距。當磁片為牌號B 的永磁體時，該電動執行器具有較好的輸出扭矩特性，輸出扭矩明顯優于A 牌號永磁體組成的執行器。其輸出扭矩比前者高約20%。這與仿真云圖中觀察到的磁力線分布情況相一致。