舵機用高速永磁無刷直流電動機設(shè)計與分析

秦飛 劉鑫博 孫平 姚鵬飛 劉勇

摘要：隨著舵機伺服系統(tǒng)對動態(tài)響應(yīng)特性要求的提高，舵機電機向高速、高功率密度及低轉(zhuǎn)動慣量發(fā)展。根據(jù)舵機電機的設(shè)計特點，研究了永磁無刷直流電動機結(jié)構(gòu)組成、材料選擇、工藝加工對電機設(shè)計的影響，并制作試驗樣機驗證了設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足舵機系統(tǒng)使用需求。

關(guān)鍵詞：舵機;無刷直流電動機;性能分析;試驗驗證

中圖分類號：TM381? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：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)武器迫切需要進行技術(shù)革新[1]。舵機伺服系統(tǒng)是飛行器、導(dǎo)彈等裝備的重要執(zhí)行機構(gòu)，其工作原理是驅(qū)動器通過控制舵機實現(xiàn)舵面作動，使飛行器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、俯仰和滾轉(zhuǎn)等多姿態(tài)機動動作，按照預(yù)定軌跡精確打擊目標(biāo)[2-3]。彈用舵機主要有液壓、氣壓和電動三種驅(qū)動方式，相對于傳統(tǒng)液壓和氣壓舵機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、成本高的缺點，電動舵機具有輕質(zhì)、小體積、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)勢，目前正逐步替代傳統(tǒng)的液壓和氣壓舵機[4-5]。特別是航空航天領(lǐng)域，由于工作環(huán)境的特殊性，電動舵機已成為國內(nèi)外研究熱點。永磁無刷直流電動機用永磁磁極代替了勵磁繞組和磁極鐵芯，使得電機性能得到提高，結(jié)構(gòu)得以簡化，具備舵機需求的小體積、高可靠、高效率等優(yōu)點[6]。選擇永磁無刷直流電動機設(shè)計電動舵機系統(tǒng)，可使舵機結(jié)構(gòu)更為緊湊，降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。

本文以某型舵機電機的研制作為工程應(yīng)用背景，結(jié)合電機技術(shù)指標(biāo)、舵機工作環(huán)境和控制方式，運用Maxwell軟件進行電磁仿真分析，從電機結(jié)構(gòu)組成、材料選擇、工藝加工三方面進行設(shè)計，分析電機輸出性能是否滿足技術(shù)指標(biāo)，并加工試驗樣機，進行相關(guān)試驗驗證。

1? ? 永磁無刷直流電動機設(shè)計

1.1? ? 電機技術(shù)指標(biāo)

該永磁無刷直流電動機的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2? ? 電機主要結(jié)構(gòu)尺寸確定

電機設(shè)計的主要尺寸是電機鐵芯直徑和長度，主要尺寸確定以后，其他尺寸就可以大致確定[7]。電機主要尺寸計算公式：

=（1）

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

在實際工程應(yīng)用中，主要尺寸的確定受到計算系數(shù)α′ p、KNm和Kdp的影響較小，計算功率P′一般選取電機額定功率進行計算，當(dāng)計算功率P′與轉(zhuǎn)速n一定時，電機本體尺寸與電負(fù)荷A、磁負(fù)荷Bδ、鐵芯直徑D和鐵芯長度lef有關(guān)。而電磁負(fù)荷A、Bδ的選取通常是電機在工業(yè)生產(chǎn)過程中長期積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般根據(jù)電機技術(shù)指標(biāo)要求、材料特性和結(jié)構(gòu)特點等確認(rèn)。初步選定A和Bδ后，可以確定電機的D2lef，此時電機結(jié)構(gòu)可設(shè)計成細長型，也可設(shè)計成粗短型。通常采用電機鐵芯的長徑比λ來反映電機的幾何形狀，λ的大小會影響電機的經(jīng)濟性、輸出性能、加工性能，其選擇一般受到電機溫升、電樞用銅量、轉(zhuǎn)子機械強度和電機轉(zhuǎn)動慣量等影響[8]。

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

1.3? ? 電機主要結(jié)構(gòu)材料確定

不同勵磁材料的選擇會對電機輸出性能產(chǎn)生影響，電機主要結(jié)構(gòu)材料為永磁體材料和定子沖片材料，常見的電機用永磁體材料如表2所示。

高性能永磁無刷直流電機常用的永磁材料為稀土鈷和釹鐵硼。對比兩種材料性能，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300 ℃[9]。設(shè)計電機工作環(huán)境溫度高于150 ℃，并且電機高速運轉(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。為了滿足電機工藝性，將稀土鈷材料制成表貼式瓦片型磁鋼，磁鋼采用高強度厭氧膠粘接于軸上，同時在磁鋼外圓增加轉(zhuǎn)子護套，增強轉(zhuǎn)子機械強度。

隨著舵機向小體積、大功率方向發(fā)展，對電機功率密度提出了更高的要求，電機轉(zhuǎn)速頻率的增加，限制了定子沖片材料的選擇。電機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，根據(jù)電機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，硅鋼材料的性價比最高，但電機在負(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。沖片的厚度對電機性能影響較大，如圖1（b）所示電機對沖片材料需求，在高頻下，電機損耗以鐵損為主。從降低電機損耗考慮，沖片的設(shè)計應(yīng)該盡量薄。

1.4? ? 電機結(jié)構(gòu)模型建立

考慮電機工作環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)，確定電機的電磁方案參數(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，對電機進行二維瞬態(tài)場分析，圖2為電機的截面仿真模型。

2? ? 電機性能分析

2.1? ? 齒槽轉(zhuǎn)矩

電機不通電時，開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。電機齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生對電機性能存在不利影響，會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩波動、引起振蕩、噪聲等問題，從而影響電機的控制精度，降低電機的動態(tài)性能[10]。

采用有限元方法對電機的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真進行分析，結(jié)果如圖3所示，在不采取相關(guān)抑制措施時，電機齒槽轉(zhuǎn)矩最大值46.9 mN·m。為了提高電機的控制精度、運行平穩(wěn)性，選擇定子開輔助槽的方法來削弱電機齒槽轉(zhuǎn)矩。定子沖片齒冠開槽數(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。沖片開輔助槽后電機齒槽轉(zhuǎn)矩降至9.8 mN·m，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了79.1%。

2.2? ? 電機輸出性能

利用Maxwell有限元軟件對電機輸出性能進行仿真計算，設(shè)置工作電壓110 V，電機置于開環(huán)控制狀態(tài)。如圖5、圖6所示為電機不同工況下的輸出參數(shù)曲線，仿真輸出結(jié)果如表4所示，所有工況點輸出結(jié)果均能滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。其中，負(fù)載0.2 N·m時效率達94.21%，電機在此工作點工作時最為經(jīng)濟。

永磁無刷直流電機在負(fù)載運行時，電樞反應(yīng)的影響很大，會使電機鐵芯局部出現(xiàn)飽和，不僅改變了電機的磁路，而且會影響永磁體的工作點。因此在考察負(fù)載下電機磁路的飽和情況時，必須利用電磁場有限元計算來進行分析校核。對電機負(fù)載工作1 N·m時的磁密進行分析，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到材料的飽和磁密，軛部磁密趨于處理極限，充分對材料磁性能進行了利用。

3? ? 樣機試驗

為驗證電磁仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，根據(jù)上述電機選材和結(jié)構(gòu)尺寸進行電機結(jié)構(gòu)布局，樣機實物如圖10所示，整機由定子、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。電機的控制由印制板組件實現(xiàn)，印制板組件安裝有霍爾元器件，電機施加電源時，霍爾元器件感應(yīng)電樞繞組磁勢，進而控制繞組勵磁電流的切換，形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。舵機電機要求雙向旋轉(zhuǎn)工作，所以為了輸出正反對稱的性能，一般會對印制板組件進行“移刷”，調(diào)整正反輸出的霍爾波形一致。對制作的樣機施加額定電壓DC110 V，采用負(fù)載測試臺控制電機按表1條件進行工作，得到電機5個工作點時的性能。采樣結(jié)果如表5所示，試驗值與仿真值誤差小于5%，滿足電機設(shè)計指標(biāo)要求。

4? ? 結(jié)論

本文對舵機用永磁無刷直流電動機多工況點開展了仿真設(shè)計，采用“磁路法+有限元法”設(shè)計出一款滿足技術(shù)指標(biāo)要求的高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高可靠性無刷直流電動機，通過樣機試驗對仿真結(jié)果進行驗證。本文研究結(jié)果表明，電機損耗受到鐵芯長徑比選擇影響，較大的長徑比可以減小電機損耗，提升電機效率;分?jǐn)?shù)槽極槽配合產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩較大，嚴(yán)重影響電機控制精度，采用定子齒冠開輔助槽的方式，能有效減小電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，削弱后齒槽轉(zhuǎn)矩僅為9.8 mN·m，效果明顯;最后對樣機測試數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)進行對比，有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，可以應(yīng)用到工程實際中。

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收稿日期：2024-03-14

作者簡介：秦飛（1996—），男，貴州人，碩士，助理工程師，研究方向：精密微特電機設(shè)計與控制。