寻老兵第１期２０１９年１月组合机床与自动化加工技术
ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０１９
都市乡下人文章编号:１００１－２２６５(２０１９)０１－００３３－０４㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１３４６２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｍｍｔａｍｔ.２０１９.０１.０１０
收稿日期:２０１８－０３－２０ꎻ修回日期:２０１８－０４－２８
㊀∗基金项目：贵州电机工程技术研究及应用人才基地(黔人领发[２０１６]２２号) 作者简介：路文开(１９９２ )ꎬ男ꎬ河南新乡人ꎬ贵州大学硕士研究生ꎬ研究方向为微特电机设计与制造ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)９３０３５２２９８＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ 路文开１ꎬ２ꎬ３ꎬ张㊀卫１ꎬ２ꎬ３ꎬ唐㊀杨２ꎬ３
(１.贵州大学机械工程学院ꎬ贵阳㊀５５００２５ꎻ２.贵州航天林泉电机有限公司ꎬ贵阳㊀５５０００３ꎻ３.国家精密微特电机工程技术研究中心ꎬ贵阳㊀５５０００３)
摘要：文章针对导弹电动舵机用高转速㊁高效率㊁高功率密度电机的设计要求ꎬ基于永磁电机设计指标ꎬ从永磁电机定子㊁绕组㊁永磁体结构等方面进行分析ꎬ采用Ａｎｓｙｓ/Ｍａｘｗｅｌｌ有限元分析软件建立了该电机的二维有限元分析模型ꎬ对其电磁特性进行了分析ꎮ根据设计参数制作出样机ꎬ并进行试验ꎬ结果表明：该电机的设计方案合理ꎬ电机各项性能满足设计要求ꎬ相关工作为高速永磁电机设计与优化提供一定参考价值ꎮ 关键词：永磁电机ꎻ无刷直流ꎻ电动舵机ꎻ有限元分析ꎻ电磁场分析中图分类号:ＴＨ１６５ꎻＴＧ６５９㊀㊀㊀文献标识码:Ａ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒｆｏｒＡｃｔｕａｔｏｒ
ＬＵＷｅｎ￣ｋａｉ１ꎬ２ꎬ３ꎬＺＨＡＮＧＷｅｉ１ꎬ２ꎬ３ꎬＴＡＮＧＹａｎｇ２ꎬ３
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＧｕｉｙａｎｇ５５００２５ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＧｕｉｚｈｏｕＡｅｒｏｓｐａｃｅＬｉｎｑｕａｎＭｏｔｏｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＧｕｉｙａｎｇ５５０００３ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒꎬｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｄｅｘꎬｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇ￣ｎｅｔｍｏｔｏｒｓｔａｔｏｒꎬｗｉｎｄｉｎｇꎬｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄꎬａｎｄａｎｓｙｓ/Ｍａｘ￣ｗｅｌｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅＡｔｗｏ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｆｏｒｉｔｓｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅ￣ｔｅｒｓꎬｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｍａｄｅａｎｄｔｅｓｔｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｓｒｅａｓｏｎａ￣ｂｌｅａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｍｅｅｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｗｏｒｋｐｒｏｖｉｄｅｓａｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍｏｔｏｒꎻｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔꎻｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｕａｔｏｒꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎻｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ
０㊀引言
舵机是导弹关键部件ꎬ直接影响了导弹的精确度与性能ꎮ为克服传统液压㊁气压舵机系统结构复杂㊁体积大㊁效率低等缺点[１]ꎬ电动舵机系统正逐步替代传动液压气动系统ꎬ由于工作条件的特殊性ꎬ对舵机用电机提出较高的要求ꎬ因此舵机用电机成为国内外设计与研究热点ꎮ
文献[２]中电动舵机采用有刷直流电机ꎬ舵机系统可靠性高ꎬ响应速度快ꎬ但电刷易产生火花ꎬ寿命较短ꎮ文献[３￣４]采用有限元法设计舵机用永磁同步电机ꎬ该类电机功率密度较高ꎬ但由于电机是交流供电ꎬ在闭环控制多工作点时ꎬ控制成本及精度将受到影响ꎮ文献[５￣６]采用有限元分析方法研究了导弹舵机用无铁心盘式永磁电机电磁性能ꎬ但未加工样机ꎬ且该类电机控制技术尚未成熟ꎮ针对多工作点运行电动舵机ꎬ
基于直流电机数字信号处理技术发展ꎬ保证电机输出功率前提下ꎬ研发舵机用高速永磁无刷直流电机尤其重要ꎮ
综合上述文献ꎬ结合某导弹舵机用电机的工程实例ꎬ考虑到该电机控制形式及高速㊁高效㊁高转矩的设计指标ꎬ设计的高速永磁无刷直流电机从定子㊁绕组㊁永磁体结构等方面进行分析ꎬ采用Ａｎｓｙｓ/Ｍａｘｗｅｌｌ有限元分析软件建立了该电机的二维有限元分析模型ꎬ对其电磁特性进行了分析ꎮ根据设计参数制作出样机ꎬ并进行试验ꎬ结果表明：该电机的设计方案合理ꎬ电机各项性能满足设计要求ꎮ
１㊀电动机电磁设计
１.１㊀电机技术要求
该永磁无刷直流电动机采用闭环转速控制ꎬ闭环工作三个负载工作点性能指标如表１所示ꎮ
表１㊀电机工作电机性能指标
转矩Ｎ ｍ
转速ｎ/ｍｉｎ电压Ｖ效率％１１１３００５６ȡ０.８１２.２１１３００５６ȡ０.８３４.１
１１３００
５６
ȡ０.８１
１.２㊀主要尺寸的确定
针对该高速永磁无刷直流电机ꎬ首先确定电机定子铁心内径Ｄａ和轴向长度Ｌａꎬ电机主要尺寸之间的关系[７]:
Ｄ２ａＬａ＝
６.１ˑ１０４ａｐｋｗ１ＡＢδ
ｐᶄ
ｎＮ
式中ꎬｐᶄ电机功率ꎻＡ电机电负荷值ꎻｋｗ１定子绕组系数ꎬＢδ气隙磁密幅值ꎻｎＮ额定转速ꎻａｐ极弧系数ꎻＢδ气隙磁密平均值ꎮ
电机定子铁心长径比λ＝Ｌａ/Ｄａ影响电机性能及形状ꎬ考虑到电机质量限制以及小转动惯量的特点ꎬλ取值适当大一些[８￣９]ꎬ该电机选择λ＝０.９ꎮ
综合现有永磁电机尺寸ꎬ本电机设计方案取Ｄａ＝５０ｍｍꎬＬ＝４５ｍｍꎮ
１.３㊀主要材料
不同永磁材料在电机内部产生不同励磁磁场ꎬ进而影响电机输出性能[１０]ꎮ常见高速永磁电机永磁材料选择为钕铁硼和钐钴ꎬ钐钴磁性能较钕铁硼低ꎬ但极限工作温度较高ꎬ可达３５０ʎＣꎬ温度系数很小ꎮ机械性能而言ꎬ钐钴机械性能较差ꎬ抗拉强度最大为３０ＭＰａꎬ抗压强度可达８００ＭＰａ[１１]ꎮ因此针对表贴式永磁电机外加护套保护永磁体ꎬ避免永磁体高速下受拉失效ꎮ
考虑到该高速永磁电机温升较为严重ꎬ为了防止永磁体因高温退磁ꎬ选择钐钴永磁材料ꎬ虽然钐钴磁性能较差ꎬ但磁性能参数受温度影响较小ꎬ在较高温度工况下ꎬ钐钴磁性能可能会高于钕铁硼ꎮ
１.４㊀永磁体结构设计
高速永磁电机常采用表面式永磁体结构ꎬ常见的表贴式磁极结构有凸出式和嵌入式ꎬ如图１所示
ꎮ
(ａ)凸出式㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(ｂ)嵌入式
图１㊀表贴式转子结构
两种永磁体结构简单ꎬ容易制造与装配ꎬ嵌入式磁极结构漏磁系数较大[１２]ꎬ考虑到本次设计电机效兴宁市技工学校
沁水阳光农廉网率要求较高ꎬ为了减小漏磁产生损耗ꎬ采用表贴式凸出式永磁电机结构ꎬ这样也便于电机结构参数优化ꎬ提高电机输出性能[１３]ꎮ
１.５㊀永磁体厚度选择
永磁体磁化方向长度依据电机磁动势平衡关系预估初值ꎬ然后在Ａｎｓｙｓ/ＲＭｘｐｒｔ中进行具体电磁计算校验ꎻ使得电机空载工作点满足Ｂδ＝０.６~０.８５()Ｂｒꎬ
此外磁化长度的大小影响电机抗去磁能力ꎬ因此还需考虑电机最大过电流时的去磁能力ꎬ确定永磁体最终磁化长度[１４]ꎮ
１.６㊀定子冲片设计
由于电机转速较高ꎬ定子铁心磁场频率较高ꎬ为减少定子铁心产生较大铁耗及温升ꎬ定子冲片采用厚度为０.２ｍｍ㊁２０ＷＴＧ１５００硅钢带ꎮ电机槽数选择为１２槽ꎬ定子冲片槽形选定主要考虑因素：首先满足定子绕组线圈电流密度在限制之内ꎬ定子槽设计有充足的截面积ꎬ其次槽满率不能太高ꎬ要协调考虑线下工艺要求ꎬ最后结合机械强度和工艺限制选择合理轭高和齿宽[１５]ꎮ２㊀电机模型的建立
综合考虑电机设计技术要求及工作特点确定电机电磁方案参数ꎬ见表２所示ꎮ
表２㊀高速永磁电机主要参数
电机参数数值电机参数数值定子外径８６ｍｍ永磁体材料Ｓｍｃｏ２８定子内径５０ｍｍ永磁体长度４５.５ｍｍ转轴直径２０ｍｍ额定电压５６Ｖ气隙长度
１.３ｍｍ
定子齿宽
６ｍｍ
根据表中的参数在Ａｎｓｙｓ软件中ＲＭｘｐｒｔ模块㊁建模ꎬ然后将其转化为Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ模型ꎮ利用时步有限元的方法ꎬ进行二维瞬态磁场的分析ꎮ图２是所设计电机的截面模型
ꎮ
图２㊀电机模型
３㊀电机有限元分析结果与分析
３.１㊀电机磁场分析
等效磁路法对电机磁场建模时忽略了电机槽形㊁磁饱和等因素ꎬ与电机实际工作特性有差别ꎮ因此需要采用电磁场数值计算方法对磁场进行分析ꎬ电机在额定转速１１３００ｒ/ｍｉｎꎬ输出转矩为４.１Ｎ ｍ时电机磁力线及磁密云图分布如图３㊁图４所示
ꎮ
图３㊀电机磁力线分布
４３ 组合机床与自动化加工技术
㊀第１期
图４㊀电机磁密云图分布
由电机内部磁场与磁密分布可知ꎬ电机定子㊁转子㊁气隙之间形成了闭合的磁链ꎬ定子齿部磁力线分布分布较密ꎬ有少数的磁力线在极间㊁气隙处产生漏磁ꎻ电机内部最大饱和磁密为１.４Ｔꎬ定子采用硅钢带材料ꎬ其饱和磁密为１.６Ｔꎬ未达到饱和ꎮ
３.２㊀气隙磁密分析
采用有限元法对电机沿圆周方向的径向气隙磁密进行求解ꎬ如图５所示ꎮ径向气隙磁密波形近似于矩形波ꎬ幅值为７.２１Ｔꎬ图中不规则的缺口畸变是由定子开槽气隙磁导不均匀导致
ꎮ
图５㊀电机径向气隙磁密分布
３.３㊀空载反电势分析
空载反电动势波形对电机设计有重要参考价值ꎮ在额定转速下求解出电机空载反电动势如图６所示ꎮ直观看出该电机空载反电动势具有较高的矩形分布ꎬ这表明电机设计斜槽㊁绕组㊁槽极参数的合理性
ꎮ
图６㊀电机反电动势波形
３.４㊀齿槽转矩分析
齿槽转矩对电机振动与噪声影响较大ꎬ该电机定子设计为斜槽０.５个齿槽抑制电机齿槽转矩[１６]ꎮ在Ａｎｓｙｓ软件中借助瞬态求解器ꎬ将电机转速设置为１ｄｅｇ/ｓｅｃꎬ同时加密电机各部分的网格ꎬ求得电机齿槽转矩如图７所示ꎬ电机齿槽转矩的幅值仅为６.
５ｍＮ ｍꎮ
图７㊀电机齿槽转矩
３.５㊀电机输出性能分析
实际工作时ꎬ电机在控制器作用下闭环工作转速为１１３００ｒ/ｍｉｎꎬ在Ａｎｓｙｓ软件中将电机额定电压设置为５６Ｖꎬ闭环转速ꎬ求得电机输出转矩波形如图８所示ꎬ可得该工作点的平均转矩为４.１０７５Ｎ ｍꎬ此时效率为９０.２％
ꎮ
图８㊀电机电磁转矩
４㊀样机与仿真对比分析
根据理论计算结果得出电机参数制作出物理样机ꎬ如下图９所示ꎮ该电机由控制器和电机本体组成ꎬ对制作的样机施加５６Ｖ直流电压ꎬ由控制器控制的电机转速１１３００ｒ/ｍｉｎꎬ调节测功机的转矩为１Ｎ ｍ㊁２.２Ｎ ｍ㊁４.１Ｎ ｍꎬ测试电机三个工作点时电机性能如表３所示
ꎮ
图９㊀电机实物图表３㊀样机试验数据
转矩Ｎ ｍ
转速ｎ/ｍｉｎ电流Ａ效率％１
１１３６１２５.８８２.３２.２１１３３６５３.５
８７.３４.１１１３５５
１０１.７８５.６
由试验数据可以看出电机在３个不同的工作点
５３ ２０１９年１月㊀㊀路文开ꎬ等：舵机用高速永磁无刷直流电动机设计与分析
时ꎬ电机效率在８２.３％~８７.３％之间ꎬ电机功率密度较高ꎬ温升较为严重ꎬ但是电机短时制和通过加散热筋可以保证电机能够正常工作ꎮ
表４㊀电机理论计算与试验数据对比
项目有限元计算值试验数据误差％
电压/Ｖ５６５６０
电流/Ａ９６.２１０１.７５.７２
转矩/Ｎ ｍ４.１０８４.１２
转速/ｎ ｍｉｎ－１１１３００１１３５５０.４９
输出功率/Ｗ４８６１.３４８５２.６０.１８
效率/％９０.２８５.６５.１０
由表４可得ꎬ仿真数据与试验数据误差在５.７２％之间ꎬ该误差由于模型近似简化导致ꎬ满足工程要求误差１０％以内ꎮ验证有限元仿真结果可靠性ꎮ
５㊀结论
本文针对导弹电动舵机多负载工作点㊁高速㊁高效设计指标ꎬ基于等效磁路法和电磁有限元法设计转速为１１３００ｒ/ｍｉｎ㊁最大输出转矩为４.１Ｎ ｍ㊁效率为８２.３％~８５.６％的高速永磁无刷
直流电机ꎮ结果表明：为提高电机转动惯量ꎬ减小损耗提高效率ꎬ选取定子铁心长径比较大ꎻ定子槽数较少ꎬ电机定子冲片较薄ꎬ转子采用表贴式凸出式结构ꎬ此时电机空载反电动势接近矩形波ꎬ验证电机设计参数合理性ꎮ为了减小电机齿槽转矩ꎬ采用定子斜０.５齿槽ꎬ此时齿槽转矩仅为６.５ｍＮ ｍꎬ削弱效果较为明显ꎮ最后对样机试验负载特性数据与有限元值进行对比ꎬ有限元仿真数据与试验数据误差在５.７２％之间ꎬ满足工程要求误差１０％以内ꎬ验证有限元仿真方法可靠性ꎮ相关研究工作为同类型的高速永磁无刷直流电机设计与优化提供了一定参考价值ꎮ
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(上接第３２页)
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(编辑㊀李秀敏)
６３ 组合机床与自动化加工技术㊀第１期
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