舵机用高速永磁无刷直流电动机设计与分析

0引言

现代战争的多元化发展使得传统武器的弊端愈加凸显,传统武器迫切需要进行技术革新^[1]。舵机伺服系统是飞行器、导弹等装备的重要执行机构,其工作原理是驱动器通过控制舵机实现舵面作动,使飞行器产生偏转、俯仰和滚转等多姿态机动动作,按照预定轨迹精确打击目标_[2—3]。弹用舵机主要有液压、气 压和电动三种驱动方式,相对于传统液压和气压舵机结构复杂、效率低、成本高的缺点,电动舵机具有 轻质、小体积、响应速度快、可靠性高等优势, 目前正 逐步替代传统的液压和气压舵机^[4—5]。特别是航空航天领域,由于工作环境的特殊性,电动舵机已成为国内外研究热点。永磁无刷直流电动机用永磁磁极代替了励磁绕组和磁极铁芯,使得电机性能得到提高,结构得以简化,具备舵机需求的小体积、高可靠、高效率等优点^[6]。选择永磁无刷直流电动机设计电动舵机 系统,可使舵机结构更为紧凑,降低系统生产成本。

本文以某型舵机电机的研制作为工程应用背景,结合电机技术指标、舵机工作环境和控制方式,运用Maxwell软件进行电磁仿真分析,从电机结构组成、材料选择、工艺加工三方面进行设计,分析电机输出性能是否满足技术指标,并加工试验样机,进行相关试验验证。

1 永磁无刷直流电动机设计

1.1电机技术指标

该永磁无刷直流电动机的技术指标如表1所示。

1.2电机主要结构尺寸确定

电机设计的主要尺寸是电机铁芯直径和长度,主要尺寸确定以后,其他尺寸就可以大致确定^[7]。电机主要尺寸计算公式:

式中:D为电机铁芯直径;l_ef为电枢轴向计算长度;n为转速;p'为计算功率;α'_p为计算极弧系数;K_Nm为气隙磁场波形系数;K_dp为绕组系数;A为电负荷;B_δ为磁负荷。

在实际工程应用中,主要尺寸的确定受到计算系数α'p、K_Nm和K_dp的影响较小,计算功率p'一般选取电机额定功率进行计算,当计算功率p'与转速n一定时,电机本体尺寸与电负荷A、磁负荷B_δ、铁芯直径D和铁芯长度l_ef有关。而电磁负荷A、B_δ的选取通常是电机在工业生产过程中长期积累的经验数据,一般根据电机技术指标要求、材料特性和结构特点等确认。初步选定A和B_δ后,可以确定电机的D²l_ef,此时电机结构可设计成细长型,也可设计成粗短型。通常采用电机铁芯的长径比λ来反映电机的几何形状,λ的大小会影响电机的经济性、输出性能、加工性能,其选择一般受到电机温升、电枢用铜量、转子机械强度和电机转动惯量等影响^[8]。

考虑到所设计电机的体积、质量、工作环境温度限制,λ的选择需适当取较大值,参考已有电机结构尺寸和电磁设计选定λ=1.15,即电机方案选定电枢直径D=39 mm,电枢轴向计算长度l_ef=45 mm。

1.3电机主要结构材料确定

不同励磁材料的选择会对电机输出性能产生影响,电机主要结构材料为永磁体材料和定子冲片材料,常见的电机用永磁体材料如表2所示。

高性能永磁无刷直流电机常用的永磁材料为稀土钴和钕铁硼。对比两种材料性能,稀土钴磁性能弱于钕铁硼,但是磁性能受到温度影响小,极限工作温度可达300℃ ^[9]。设计电机工作环境温度高于150℃ ,并且电机高速运转下的温升较高,为了避免永磁体退磁,选择稀土钴作为转子永磁体。为了满足电机工艺性,将稀土钴材料制成表贴式瓦片型磁钢,磁钢采用高强度厌氧胶粘接于轴上,同时在磁钢外圆增加转子护套,增强转子机械强度。

随着舵机向小体积、大功率方向发展,对电机功率密度提出了更高的要求,电机转速频率的增加,限制了定子冲片材料的选择。电机中常用的定子冲片材料有金属、硅钢、软磁材料和非晶材料,如图1 (a)所示不同材料磁密曲线,根据电机的工况由材料的饱和磁密、剩磁、矫顽力、加工性能等方面综合考虑,硅钢材料的性价比最高,但电机在负载工况下硅钢片磁密饱和,输出电流超差,所以本文选择软磁合金作为定子冲片材料。冲片的厚度对电机性能影响较大,如图1(b)所示电机对冲片材料需求,在高频下,电机损耗以铁损为主。从降低电机损耗考虑,冲片的设计应该尽量薄。

1.4电机结构模型建立

考虑电机工作环境和技术指标,确定电机的电磁方案参数,如表3所示。

根据表中电磁参数,使用ANSYS软件RMxprt模块建立电机电磁模型,再将其转换为Maxwell 2D模型。利用“磁路法+有限元法”的方法联合仿真,对电机进行二维瞬态场分析,图2为电机的截面仿真模型。

2电机性能分析

2.1 齿槽转矩

电机不通电时,开槽定子铁芯与永磁体之间相互“吸引”,产生这种“吸引”的力就是齿槽转矩。电机齿槽转矩的产生对电机性能存在不利影响,会导致输出转矩波动、引起振荡、噪声等问题,从而影响电机的控制精度,降低电机的动态性能^[10]。

采用有限元方法对电机的齿槽转矩仿真进行分析,结果如图3所示,在不采取相关抑制措施时,电机齿槽转矩最大值46.9 mN.m。为了提高电机的控制精度、运行平稳性,选择定子开辅助槽的方法来削弱电机齿槽转矩。定子冲片齿冠开槽数量为2倍定子槽数,增加辅助槽增大了齿槽转矩基波周期数并减小其幅值,模型如图4所示。冲片开辅助槽后电机齿槽转矩降至9.8 mN.m,齿槽转矩降低了79.1%。

2.2电机输出性能

利用Maxwell有限元软件对电机输出性能进行仿真计算,设置工作电压110 V,电机置于开环控制状态。如图5、图6所示为电机不同工况下的输出参数曲线,仿真输出结果如表4所示,所有工况点输出结果均能满足设计指标的要求。其中,负载0.2 N·m时效率达94.21%,电机在此工作点工作时最为经济。

永磁无刷直流电机在负载运行时,电枢反应的影响很大,会使电机铁芯局部出现饱和,不仅改变了电机的磁路,而且会影响永磁体的工作点。因此在考察负载下电机磁路的饱和情况时,必须利用电磁场有限元计算来进行分析校核。对电机负载工作1N·m时的磁密进行分析,结果如图7~9所示,定子轭部最大磁密2.02 T,齿部最大磁密1.94 T,气隙磁密1.54 T。

定子冲片的材料为软磁合金 ,该材料的饱和磁密约 为2. 18 T ,定子轭部磁密和齿部磁密未达到材料的饱 和磁密 ,轭部磁密趋于处理极限 ,充分对材料磁性能 进行了利用。

3   样机试验

为验证电磁仿真结果的准确度 ,根据上述电机选材和结构尺寸进行电机结构布局,样机实物如图10所示,整机由定子、转子、后端盖、印制板组件、锁制器、电连接器等零组件构成。电机的控制由印制板组件实现,印制板组件安装有霍尔元器件,电机施加电源时,霍尔元器件感应电枢绕组磁势,进而控制绕组励磁电流的切换,形成旋转磁场,驱动转子旋转。舵机电机要求双向旋转工作,所以为了输出正反对称的性能,一般会对印制板组件进行“移刷”,调整正反输出的霍尔波形一致。对制作的样机施加额定电压DC110 V,采用负载测试台控制电机按表1条件进行工作,得到电机5个工作点时的性能。采样结果如表5所示,试验值与仿真值误差小于5%,满足电机设计指标要求。

4结论

本文对舵机用永磁无刷直流电动机多工况点开展了仿真设计,采用“磁路法+有限元法”设计出一款满足技术指标要求的高转速、高功率密度、高可靠性无刷直流电动机,通过样机试验对仿真结果进行验证。本文研究结果表明,电机损耗受到铁芯长径比选择影响,较大的长径比可以减小电机损耗,提升电机效率;分数槽极槽配合产生的齿槽转矩较大,严重影响电机控制精度,采用定子齿冠开辅助槽的方式,能有效减小电机的齿槽转矩,削弱后齿槽转矩仅为9.8 mN.m,效果明显;最后对样机测试数据与有限元仿真数据进行对比,有限元仿真数据与试验数据误差在5%以内,满足设计指标要求,可以应用到工程实际中。

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2024年第11期第7篇