王燕芳, 羅 玲

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 河南鄭州 450015;2.西北工業(yè)大學(xué), 陜西西安 710072)

0 引 言

本文研究的電磁阻尼器依據(jù)空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要用于飛船及空間站的交會對接機(jī)構(gòu)中,阻尼器與壓縮運動裝置組成電磁對接減振系統(tǒng), 在兩個航天器進(jìn)行空間對接的過程中, 吸收對接機(jī)構(gòu)之間接觸撞擊產(chǎn)生的巨大能量, 使交會對接過程平穩(wěn)[1 -2] 。

電磁阻尼器的阻尼力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為力矩特性。阻尼力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的比值為力矩特性斜率如下:

力矩特性是電磁阻尼器最重要的外特性, 其特性的好壞直接影響著阻尼器對能量的吸收和耗散。當(dāng)電磁阻尼器力矩特性為線性時,研究阻尼力矩與某參數(shù)的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為研究力矩特性斜率與該參數(shù)的關(guān)系。

1 結(jié)構(gòu)與特點

電磁阻尼器轉(zhuǎn)子為一特殊結(jié)構(gòu)的金屬體電樞杯,定子采用內(nèi)磁式分立結(jié)構(gòu), 由外定子和內(nèi)定子組成, 稀土永磁體位于內(nèi)定子上,轉(zhuǎn)子杯位于稀土永磁體和外定子之間。機(jī)殼、內(nèi)定子、永磁體和工作氣隙構(gòu)成了阻尼器的閉合磁路,在工作氣隙中建立一個工作磁場。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁阻尼器結(jié)構(gòu)

原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),金屬轉(zhuǎn)子杯切割定子磁場, 從而在轉(zhuǎn)子杯中感應(yīng)出渦電流,渦電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子杯轉(zhuǎn)動方向相反的力矩, 這個力矩具有阻礙電樞轉(zhuǎn)子運動的作用,稱其為阻尼轉(zhuǎn)矩[3]。該電磁阻尼器的工作原理相當(dāng)于一臺內(nèi)部短路的杯形電樞發(fā)電機(jī)。

該電磁阻尼器具備了空心杯電機(jī)體積小、重量輕、低慣量、驅(qū)動性好等優(yōu)點,又因其結(jié)構(gòu)的特殊性,還具有以下特點[4]:

(1)比起繞線式轉(zhuǎn)子杯結(jié)構(gòu), 金屬轉(zhuǎn)子杯工藝難度較小,電樞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好;

(2)內(nèi)磁式結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)子直徑較大,提高單位長度出力;

(3)轉(zhuǎn)子杯為金屬體,其結(jié)構(gòu)簡單,不需要外部電源和控制,使用比較安全。

2 三維瞬態(tài)運動仿真模型的簡化

由于電磁阻尼器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為一特殊的金屬杯,其端部除了兩端的外定子機(jī)殼, 還包含了轉(zhuǎn)子杯的杯底部分。軟件的二維仿真無法實現(xiàn)不同軸向變化的動態(tài)求解。在此, 特采用MagNet有限元電磁場分析軟件進(jìn)行電磁阻尼器的三維仿真。

為準(zhǔn)確仿真電磁阻尼器力矩特性,需建立與樣機(jī)完全一致的樣機(jī)整體模型,如圖1所示。

三維運動仿真要求硬件配置高、耗時長, 為降低仿真硬件的配置和加快三維運動求解的速度, 在此去掉樣機(jī)兩側(cè)端部的外定子機(jī)殼,建立樣機(jī)簡化三維仿真模型,如圖2所示。

圖2 樣機(jī)簡化模型

模型求解建立三維空間坐標(biāo), Z軸位于轉(zhuǎn)軸中心線上,轉(zhuǎn)子杯開口方向設(shè)為正方向,過磁鋼軸向中點垂直Z軸的橫截面設(shè)為XOY坐標(biāo)平面。

過XOY坐標(biāo)平面作切片,獲取電磁阻尼器的橫向剖面圖, 如圖3所示。

圖3 電磁阻尼器的橫向剖面圖

在轉(zhuǎn)子杯與內(nèi)定子之間的氣隙內(nèi),沿軸向采樣圓周半徑為11.675 mm上的氣隙磁通密度波形如圖4所示。

圖4 軸向氣隙磁通密度波形

軸向氣隙磁通密度波形顯示, 在轉(zhuǎn)子杯切割氣隙磁場范圍內(nèi), 電磁阻尼器端部機(jī)殼漏磁對氣隙磁通密度幾乎無影響。所以, 進(jìn)行電磁阻尼器三維瞬態(tài)運動仿真時, 可忽略電磁阻尼器端部的外定子機(jī)殼, 采用三維簡化模型求解。

3 模型參數(shù)及仿真

本文中電磁阻尼器三維仿真模型的磁鋼均為瓦形徑向充磁, 極弧系數(shù)為0.75, 磁鋼長度為48 mm,轉(zhuǎn)子杯長度為49.5 mm,轉(zhuǎn)子杯底厚度為2.5 mm,轉(zhuǎn)子平均直徑為24.5 mm, 轉(zhuǎn)子杯厚度為0.8 mm,轉(zhuǎn)子杯與內(nèi)、外定子間的氣隙厚度均為0.35 mm,轉(zhuǎn)子材料為硬鋁。

磁鋼材料分別選取釹鐵硼NNF33M和釤鈷材料Sm2Co17、SmCo5三種永磁材料, 磁鋼材料性能參數(shù)取值如表1所示。

表1 磁鋼材料選取值

磁極對數(shù)分別為1、2、3對極時,過XOY平面作三維運動仿真模型的橫向剖面圖, 分別如圖5a、圖5b、圖5c所示。

圖5 不同磁極對數(shù)下三維仿真模型橫向剖面圖

三維瞬態(tài)運動仿真求解, 得磁極對數(shù)1、2、3對極下三種磁鋼材料釹鐵硼 NNF33M、釤鈷材料Sm2Co17、SmCo5對應(yīng)的電磁阻尼器力矩特性曲線,如圖6所示。

圖6 不同仿真模型對應(yīng)求解力矩特性曲線

分析圖6中不同磁極對數(shù)、不同磁鋼材料下的力矩特性曲線可知, 在轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min仿真范圍內(nèi),電磁阻尼器力矩特性曲線近似為線性。

4 氣隙磁通密度對力矩特性的影響

4.1 氣隙平均磁密對阻尼力矩的影響

做過三維動態(tài)仿真模型XOY坐標(biāo)平面的切片,在切片磁密分布云圖狀態(tài)下, 獲取圓周半徑為11.675 mm一圓周上的氣隙磁通密度波形。以2對極、磁鋼材料為Sm2Co17為例, 求取氣隙磁通密度波形,如圖7所示。

圖7 Magnet軟件求取的氣隙磁密波形

圖中左側(cè)數(shù)值是由Magnet軟件自身將所選氣隙圓周等距離分成1 001個點獲取的對應(yīng)氣隙磁密值。將該組氣隙磁密數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到Excel軟件中,相加取平均得氣隙平均磁密:

根據(jù)式(2), 求取不同磁極對數(shù)在不同磁鋼材料下的氣隙平均磁密,如表2所示。

表2 氣隙平均磁密值

以相同極對數(shù)下兩種不同磁鋼材料的氣隙平均磁密比值的平方為參考, 根據(jù)式(3), 求取兩種磁鋼材料下阻尼力矩比值的相對誤差εr:

任選某對極下兩種磁鋼材料對應(yīng)氣隙平均磁密比值的平方為參考值, 求取兩種磁鋼材料對應(yīng)阻尼力矩比值的相對誤差, 從中選取最小相對誤差εrmin與最大相對誤差εrmax,如表3所示。

表3 氣隙平均磁密比值平方與對應(yīng)阻尼力矩的相對誤差

分析表3中的數(shù)據(jù)可知, 1對極時,阻尼力矩比值相對于氣隙平均磁密比值平方的最大相對誤差εrmax=0.488%, 最小相對誤差εrmin=0.080%;2 對極時,最大相對誤差εrmax=0.290%,最小相對誤差εrmin=0.007%;3 對極時, 最大相對誤差 εrmax=0.428%,最小相對誤差εrmin=0.080%。綜合分析可得阻尼力矩與氣隙平均磁密的平方近似成正比,磁極對數(shù)為2對極時,相對誤差較小, 磁極對數(shù)為1對極、3對極時, 相對誤差較大。

4.2 氣隙磁密基波幅值對阻尼力矩的影響

采用Magnet軟件的工具AirGapFlux-Calculator對氣隙磁密波形進(jìn)行傅里葉變換(DFT), 獲取不同磁極對數(shù)下不同磁鋼材料對應(yīng)產(chǎn)生的氣隙磁密基波幅值, 如表4所示。

表4 氣隙磁密基波幅值

以兩種磁鋼材料對應(yīng)氣隙磁密基波幅值比的平方為參考值, 求取不同磁極對數(shù)下兩種磁鋼材料對應(yīng)阻尼力矩比值的相對誤差, 給出其中相對誤差的最小值εrmin和最大值εrmax,如表5所示。

表5 氣隙磁密基波幅值比平方與對應(yīng)阻尼力矩的相對誤差

比較分析表3與表5中的數(shù)據(jù), 阻尼力矩比值相對于氣隙磁密基波幅值比值平方的相對誤差比起阻尼力矩比值相對于氣隙平均磁密比值平方的相對誤差減小了很多, 磁極對數(shù)為2對極、3對極時, 相對誤差也都相應(yīng)減小。所以, 在0～5 000 r/min仿真轉(zhuǎn)速范圍內(nèi), 當(dāng)電磁阻尼器磁鋼材料變化時,阻尼力矩值與氣隙磁密基波幅值的平方基本成正比關(guān)系。

5 結(jié) 論

通過對電磁阻尼器不同磁鋼材料、磁極對數(shù)下磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的建模仿真, 在0～5 000 r/min仿真速度范圍內(nèi),研究分析了氣隙平均磁密、氣隙磁密基波幅值對電磁阻尼器力矩特性的影響。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的分析研究, 得出結(jié)論如下:

(1)電磁阻尼器力矩特性近似為線性;(2)電磁阻尼器阻尼力矩與氣隙磁密基波幅值的平方成正比關(guān)系。

[1] 王有林, 劉景林.電磁阻尼器設(shè)計研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 24(3):358 -362.

[2] 楊芳, 曲廣吉.空間對接機(jī)構(gòu)差動式機(jī)電緩沖阻尼系統(tǒng)機(jī)構(gòu)傳動原理分析[J] .力學(xué)與實踐, 2000, 22(6):51 -54.

[3] 羅玲, 劉景林.空心杯電樞永磁直流電動機(jī)CAD系統(tǒng)[J] .微電機(jī), 2002, 35(1):17 -19.

[4] 楊菲菲.電磁阻尼加器力矩特性研究[D] .西北工業(yè)大學(xué),2007.