鄭卜祥，陳志華，賀 偉，唐蘇學(xué)

(1．西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西西安710065;2．西安交通大學(xué)，陜西西安710049;3．西安三才微電機(jī)有限公司，陜西西安710065;4．西安郵電學(xué)院，陜西西安710121)

0 引 言

激光成像引信具有高的目標(biāo)方位及其部位識(shí)別能力，能獲取豐富的目標(biāo)圖像信息(包括三維距離像、強(qiáng)度像、距離－角度像等)，對(duì)目標(biāo)的區(qū)分能力突出，易于判別目標(biāo)類(lèi)型特別是目標(biāo)的易損部位，且具有強(qiáng)的抗干擾能力(包括電磁、地物背景、環(huán)境、陽(yáng)光等)和抗隱身能力［1－5］，在武器系統(tǒng)改裝以及新武器系統(tǒng)配備上，具有巨大的潛力。高速激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成像引信能否實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)要求的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)多采用光機(jī)掃描方式［4－8］。它是通過(guò)高速微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置帶動(dòng)反射系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)激光高速掃描，這就需要研制用于激光掃描成像引信的高速微型電動(dòng)機(jī)。

近年來(lái)，永磁材料、電機(jī)設(shè)計(jì)、電力電子技術(shù)、機(jī)械加工工藝和控制理論的發(fā)展，促進(jìn)了高速微型電動(dòng)機(jī)特別是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展和完善。目前該領(lǐng)域是國(guó)際研究的熱點(diǎn)，高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有功率密度高、體積小、效率高、可直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天航海測(cè)試平臺(tái)及導(dǎo)航系統(tǒng)、核材料離心分離裝置、分布式發(fā)電裝置、旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能裝置、高速陀螺儀、高速電動(dòng)工具、高速攝影機(jī)、高速掃描相機(jī)、高速掃描儀、機(jī)械加工的高速磨削與銑床設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［9－14］。但這些領(lǐng)域的應(yīng)用大多轉(zhuǎn)速低于60 000 r/min 且尺寸較大也不耐－40℃的低溫，而高于60 000 r/min 的電機(jī)卻存在尺寸大、功率大、驅(qū)動(dòng)電壓大、高低溫環(huán)境適應(yīng)性不好等問(wèn)題。國(guó)外已有法國(guó)泰勒斯公司采用的光機(jī)高速掃描成像型激光引信微型電動(dòng)機(jī)［6］，但對(duì)目標(biāo)的掃描頻率還不夠高;而國(guó)內(nèi)采用高速微型電動(dòng)機(jī)的激光掃描系統(tǒng)在成像型激光近炸引信探測(cè)系統(tǒng)上的工程應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文研制了一種用于高速掃描成像型激光近炸引信的無(wú)槽鐵心鋰基潤(rùn)滑脂高速永磁無(wú)刷直流微型電動(dòng)機(jī)。

1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)

目前，高速微型電動(dòng)機(jī)多采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線(xiàn)路三大部分，具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞，是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁機(jī)械裝置，其工作原理框圖如圖1 所示［15］。通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)使電子換相線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件，與其相連的電樞繞組依次饋電，在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使位置傳感器不斷發(fā)出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，這樣，導(dǎo)體中的電流方向在某一磁極下始終保持不變。電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子運(yùn)行位置時(shí)，無(wú)機(jī)械換向裝置的接觸點(diǎn)，不僅保持了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，而且具有壽命長(zhǎng)、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)火花、安全性好、可靠性高等特點(diǎn)。

根據(jù)定子結(jié)構(gòu)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分為有槽鐵心、無(wú)槽鐵心、無(wú)鐵心無(wú)齒槽空心杯結(jié)構(gòu)三類(lèi)，如圖2所示［15－16］。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)多采用有槽鐵心結(jié)構(gòu)，盡管有槽永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)并選用良好的導(dǎo)磁材料也能運(yùn)行效率較高，但高速運(yùn)行時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大，在有無(wú)負(fù)載下都會(huì)有不平衡的磁拉力和較大的空載鐵耗。而無(wú)鐵心無(wú)齒槽空心杯結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)需采用HALBACH 磁體結(jié)構(gòu)(將永磁體采用徑向與切向陣列相結(jié)合的新型磁體結(jié)構(gòu))來(lái)提高氣隙磁通密度，近正弦磁通密度分布會(huì)增加高速電動(dòng)機(jī)的磁體厚度和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且電樞電感極小，一般只有十幾到幾十微亨，由PWM 調(diào)制時(shí)引起的電樞電流脈動(dòng)較大。此外，高速無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用傳統(tǒng)軸承時(shí)損耗、振動(dòng)和噪聲較大，也不耐高低溫環(huán)境，直接影響工作壽命。

2 無(wú)槽鐵心鋰基潤(rùn)滑脂高速永磁無(wú)刷直流微型電動(dòng)機(jī)

2.1 高速微型電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

本文研制的高速微型電動(dòng)機(jī)采用無(wú)槽鐵心永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，由永磁轉(zhuǎn)子和三相定子組成，在電機(jī)內(nèi)部裝有三個(gè)霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)輸入到微處理器的邏輯電路中檢測(cè)這些傳感器的不同時(shí)序來(lái)?yè)Q相，并采用橋式電路形成三相電子換相驅(qū)動(dòng)。

2.2 高速微型電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及其耐高低溫措施

本文研制的高速微型電動(dòng)機(jī)負(fù)載下長(zhǎng)時(shí)間工作轉(zhuǎn)速可高達(dá)60 000 r/min，所帶負(fù)載可達(dá)225 g，空載極限轉(zhuǎn)速可達(dá)63 000 r/min，外形尺寸僅為Φ23 mm× 50 mm，額定電壓為36 V，額定功率為25 W，額定效率約70%，額定輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)4．5 × 10－3N·m。由于沒(méi)有電刷和換向器，電機(jī)內(nèi)部只有軸承部分活動(dòng)，只要選擇合適的軸承，在高轉(zhuǎn)速下就不存在其他造成摩擦發(fā)熱的部件，也不可能產(chǎn)生任何火花。因此，采用無(wú)槽鐵心結(jié)構(gòu)和一種特殊鋰基潤(rùn)滑脂耐低溫高速軸承，實(shí)現(xiàn)了高速微型電動(dòng)機(jī)小體積、高轉(zhuǎn)速、小功率、小溫升、低噪聲且耐高低溫的設(shè)計(jì)，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

(1)定子采用無(wú)槽鐵心結(jié)構(gòu)。由于取消了傳統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子鐵心的齒槽部分，繞組電感量及電氣時(shí)間常數(shù)非常小，不存在定子齒槽的飽和現(xiàn)象，其有效氣隙較大，且鐵耗中只有軛部損耗，效率高，尺寸大大減小，降低了銅損和鐵耗，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低了單邊磁拉力，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，可以更好地提高微型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)轉(zhuǎn)子選用磁性能優(yōu)良的釹鐵硼永磁材料。該材料具有最大的磁能積和很大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，適中的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，能在200℃左右的高溫下不降低磁性能［17］?？纱蟠蠛?jiǎn)化微型電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，縮小尺寸，減輕重量，提高效率。

(3)軸承采用耐低溫的特殊鋰基潤(rùn)滑脂高速軸承。由于該高速微型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于高速掃描成像型激光引信上，必須至少能在－40℃～+ 55℃的環(huán)境溫度條件下正常工作，滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性要求，就必須選擇合適的高速軸承，特別是耐低溫－40℃以下，采用一種能耐低溫的特殊鋰基潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑。該特殊鋰基潤(rùn)滑脂采用稠度等級(jí)為2 號(hào)的二硫化鉬極壓鋰基潤(rùn)滑脂作為基礎(chǔ)脂，添加少許無(wú)灰抗磨劑、抗氧劑和防銹劑，其滴點(diǎn)不低于175℃，工作錐入度為265～295(1 /10 mm)，能耐高低溫，可在極端溫度條件下高可靠運(yùn)行，且具有良好的抗水性、機(jī)械安定性、防腐蝕性和氧化安定性，適合于引信中有沖擊的高載荷軸承潤(rùn)滑。

(4)采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和三相全波驅(qū)動(dòng)電路提高效率，安全性好，可靠性高。

3 高速微型電動(dòng)機(jī)高低溫性能測(cè)試

電機(jī)噪聲是高速微型電動(dòng)機(jī)面臨的主要問(wèn)題之一。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，電機(jī)噪聲源主要包括電磁噪聲和機(jī)械噪聲，電磁噪聲主要有氣隙磁通密度產(chǎn)生的電磁力噪聲和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)高次諧波噪聲兩種，機(jī)械噪聲主要有軸承噪聲、裝配誤差噪聲和不平衡噪聲等。因此，噪聲測(cè)試是高速微型電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試的一大重要指標(biāo)。在小尺寸、小功率、較小驅(qū)動(dòng)電壓的條件下獲得60 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速，是該高速微型電動(dòng)機(jī)的一大特點(diǎn)，在性能測(cè)試時(shí)有必要測(cè)試驅(qū)動(dòng)電壓。

3.1 試驗(yàn)條件及要求

在高低溫試驗(yàn)時(shí)，背景噪聲為55～60 dB，試驗(yàn)對(duì)象為高速微型電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器，使用的儀器設(shè)備有萬(wàn)用表、HS5660A 型精密脈沖聲級(jí)計(jì)、Heraeus HC7057 型高低溫試驗(yàn)箱。分別在常溫20℃～25℃、15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃、+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+80℃、+ 85℃的溫度下，將高速微型電動(dòng)機(jī)放在高低溫試驗(yàn)箱中保溫持續(xù)半小時(shí)以上，取出電機(jī)在空載下測(cè)試噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓。

3.2 常溫性能

在常溫20℃～25℃下，該高速微型電動(dòng)機(jī)能在60 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下連續(xù)工作2 小時(shí)左右，溫升不超過(guò)55℃，噪聲不超過(guò)72 dB。其常溫環(huán)境性能如圖4 所示，在60 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下，噪聲不超過(guò)70．8 dB，相對(duì)背景噪聲增加約12 dB，驅(qū)動(dòng)電壓減小約1. 7 V。

圖4 高速微型電動(dòng)機(jī)常溫環(huán)境性能曲線(xiàn)圖

3.3 低溫性能

該高速微型電動(dòng)機(jī)的低溫環(huán)境性能如圖5 所示，其低溫工作噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓分別與轉(zhuǎn)速成近似線(xiàn)性變化關(guān)系。由圖5 可知，該高速微型電動(dòng)機(jī)能在低溫－55℃的環(huán)境下正常工作，且最低工作溫度在－55℃以下，已滿(mǎn)足引信至少－40℃以下的低溫環(huán)境要求。同時(shí)，在－40℃和－55℃時(shí)，在60 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下最大噪聲分別不超過(guò)86 dB 和91 dB。

圖5 高速微型電動(dòng)機(jī)低溫環(huán)境性能曲線(xiàn)圖

(1)微型電動(dòng)機(jī)在低溫下低速時(shí)抖動(dòng)大、噪聲小，高速時(shí)抖動(dòng)小、噪聲大，且溫度越低，抖動(dòng)越嚴(yán)重，噪聲也越大。同時(shí)，微型電動(dòng)機(jī)在低溫下高速工作半小時(shí)后，噪聲會(huì)增加約2 dB，此后噪聲平穩(wěn)。

(2)微型電動(dòng)機(jī)在低溫－30℃～－55℃下，轉(zhuǎn)速?gòu)某跏计饎?dòng)的900 r/min 調(diào)至1 000 r/min 時(shí)存在滯后現(xiàn)象，大約延時(shí)1～3 s，且溫度越低，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。由于微型電動(dòng)機(jī)工作時(shí)有溫升，一段時(shí)間后能正常工作。

(3)微型電動(dòng)機(jī)從0～60 000 r/min 時(shí)，在室溫15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃下，噪聲相對(duì)背景噪聲分別增加約9 dB、13 dB、16 dB、19 dB、21 dB、23．5 dB、25 dB、26 dB、28 dB、29 dB、31 dB。這說(shuō)明溫度低時(shí)，微型電動(dòng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲增加明顯增大，當(dāng)溫度低到一定程度后，如在－30℃以下，噪聲增加將不是很明顯。

(4)在低溫環(huán)境的同一轉(zhuǎn)速下，微型電動(dòng)機(jī)隨著溫度的降低，噪聲會(huì)增加，－55℃相對(duì)室溫15℃下的同一轉(zhuǎn)速而言，約增加16～25 dB，相對(duì)常溫20℃～25℃下的同一轉(zhuǎn)速而言，約增加15．5～20 dB。

(5)微型電動(dòng)機(jī)在室溫15℃～－55℃下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓在33．28～36 V 內(nèi)變化。在同一溫度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)減小，從0～60 000 r/min 時(shí)，電壓約減小1．73～2．72 V。在同一轉(zhuǎn)速下，隨著溫度的降低，驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)減小，從室溫15℃～－55℃時(shí)，電壓約減小1～1．55 V。

3.4 高溫性能

該高速微型電動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境性能如圖6 所示，其高溫工作噪聲和驅(qū)動(dòng)電壓分別與轉(zhuǎn)速成近似線(xiàn)性變化關(guān)系。由圖6 可知，該高速微型電動(dòng)機(jī)能在高溫+85℃的環(huán)境下正常工作，且最高工作溫度在+ 85℃以上，已滿(mǎn)足引信至少+ 55℃以上的高溫環(huán)境要求。同時(shí)，在+ 55℃和+ 85℃時(shí)，在60 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速下最大噪聲分別不超過(guò)87 dB 和92．2 dB。

圖6 高速微型電動(dòng)機(jī)高溫環(huán)境性能曲線(xiàn)圖

(1)微型電動(dòng)機(jī)在高溫下不存在低速起動(dòng)滯后現(xiàn)象;但高溫下低速時(shí)抖動(dòng)小、噪聲小，高速時(shí)抖動(dòng)大、噪聲大，且溫度越高，抖動(dòng)越嚴(yán)重，噪聲也越大。同時(shí)，微型電動(dòng)機(jī)在高溫下高速工作半小時(shí)后，噪聲會(huì)增加約2 dB，此后噪聲平穩(wěn)。

(2)微型電動(dòng)機(jī)從0～60 000 r/min 時(shí)，在+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+ 80℃、+85℃下，噪聲相對(duì)背景噪聲分別增加約26 dB、27 dB、28 dB、29 dB、30 dB、31 dB、31．5 dB、32 dB。這說(shuō)明溫度高時(shí)，微型電動(dòng)機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲會(huì)增大，溫度越高，噪聲增加越不明顯。當(dāng)溫度每升高5℃時(shí)，噪聲增加約1 dB，當(dāng)溫度高到一定程度后，在+ 75℃以上時(shí)，噪聲增加約0．5 dB。

(3)在高溫環(huán)境的同一轉(zhuǎn)速下，微型電動(dòng)機(jī)隨著溫度的升高，噪聲會(huì)增加，+85℃相對(duì)室溫15℃下的同一轉(zhuǎn)速而言，約增加22～26．5 dB，相對(duì)常溫20℃～25℃下的同一轉(zhuǎn)速而言，約增加21．5～22．5 dB。

(4)微型電動(dòng)機(jī)在+ 50℃～+ 85℃下不同轉(zhuǎn)速時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓在33．72～36 V 內(nèi)變化。在同一溫度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)減小，從0～60 000 r/min 時(shí)，電壓約減小1．78～2．28 V。在同一轉(zhuǎn)速下，隨著溫度的降低，驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)減小，從+ 50℃～+ 85℃時(shí)，電壓約減小0．33～0．6 V;+ 85 ℃相對(duì)室溫15℃電壓約減小0．28～0．55 V，相對(duì)常溫20℃～25℃電壓約減小0．3～0．6 V。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用無(wú)槽鐵心結(jié)構(gòu)和一種特殊鋰基潤(rùn)滑脂的耐低溫高速軸承，研制了一種用于高速掃描成像型激光近炸引信的無(wú)槽鐵心鋰基潤(rùn)滑脂高速永磁無(wú)刷直流微型電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高速微型電動(dòng)機(jī)小體積、高轉(zhuǎn)速、小功率、小溫升、低噪聲且耐高低溫的設(shè)計(jì)。該微型電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，在60 000 r/min 的高速下連續(xù)工作2 小時(shí)后，常溫下溫升不超過(guò)55℃，噪聲不超過(guò)72 dB，能在－55℃～+ 85℃的溫度環(huán)境下正常工作，滿(mǎn)足引信至少－40℃～+ 55℃的高低溫環(huán)境要求。其負(fù)載下長(zhǎng)時(shí)間工作轉(zhuǎn)速可高達(dá)60 000 r/min，空載極限轉(zhuǎn)速可達(dá)63 000 r/min，外形尺寸僅Φ23 mm ×50 mm，額定電壓為36 V，額定功率為25 W，額定效率約70%，額定輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)4．5 ×10－3N·m。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)完善，有望達(dá)到額定電壓為24 V，額定功率為18 W，額定效率明顯提高，可在成像型激光近炸引信的高速光機(jī)掃描系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

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