王 真，陳湜蘭，陳業(yè)明，戴 亮，張東寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

在航空、航天對(duì)地光學(xué)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中紅外地平儀需要在軌定標(biāo)，具體過(guò)程如下:當(dāng)紅外地平儀正常工作時(shí)，快門(mén)電機(jī)線(xiàn)圈處于斷電狀態(tài)，無(wú)電磁力產(chǎn)生，由于快門(mén)電機(jī)中永久磁鐵的吸力作用，使得擺桿帶著黑體擋片穩(wěn)定在常開(kāi)狀態(tài)(圖1a)，此時(shí)位置傳感器無(wú)信號(hào)產(chǎn)生;當(dāng)紅外地平儀需要進(jìn)行在軌定標(biāo)時(shí)，快門(mén)電機(jī)正向通電，產(chǎn)生的電磁力克服永久磁鐵的吸力后，擺桿帶著黑體擋片運(yùn)動(dòng)到閉合狀態(tài)(圖1b)，位置傳感器輸出相應(yīng)信號(hào)，接著快門(mén)電機(jī)斷電，探測(cè)器開(kāi)始標(biāo)定;當(dāng)在軌標(biāo)定結(jié)束后，快門(mén)電機(jī)反向通電，黑體擋片重新恢復(fù)到常開(kāi)狀態(tài)。在此過(guò)程中需要快門(mén)電機(jī)在60°范圍內(nèi)運(yùn)行，并且具有一定定位功能。為了滿(mǎn)足這一要求，需要研制一種能在一定角度內(nèi)運(yùn)行的長(zhǎng)壽命旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。

圖1 快門(mén)位置示意圖

1 基本結(jié)構(gòu)和原理

能夠?qū)崿F(xiàn)有限轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)的電機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)(內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等，但為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)行，本文選擇了集中繞組有限轉(zhuǎn)角永磁同步電動(dòng)機(jī)。

1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)組件基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式如圖2(a)所示，控制系統(tǒng)原理圖如圖2(b)所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理圖

電機(jī)為組裝式結(jié)構(gòu)，采用徑向磁路結(jié)構(gòu)。電機(jī)定子主要由定子鐵心和線(xiàn)圈組成;電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由磁鋼和磁軛組成。電機(jī)定子與機(jī)殼固定為一體;電機(jī)轉(zhuǎn)子與黑體擋片固定為一體;軸承保證電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)定子中三相繞組的導(dǎo)通順序產(chǎn)生磁場(chǎng)變化，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和黑體擋片運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)快門(mén)的開(kāi)關(guān)。

1.2 主要工作原理

針對(duì)相機(jī)快門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足電機(jī)在60°角度范圍內(nèi)運(yùn)行，而且在不通電時(shí)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)具有一定自定位力矩的要求，可以采用永磁同步伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但是該系統(tǒng)需要安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置以確定定子繞組電流導(dǎo)通邏輯，控制電路比較復(fù)雜，成本較高，而且降低了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

本文采用一種4極6槽的集中繞組永磁同步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)不需要安裝位置傳感器，通過(guò)三相繞組間導(dǎo)通電流順序的切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在60°角度范圍內(nèi)運(yùn)行;電機(jī)定子齒頂設(shè)計(jì)或特殊凸起，使電機(jī)在特定位置具有一定自定位力矩。

選用這種結(jié)構(gòu)形式的有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn):

(1)可以減小電機(jī)的氣隙，大大提高電機(jī)的氣隙磁密，從而提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;

(2)同時(shí)電機(jī)采用集中繞組，繞組端部小，可以有效壓縮電機(jī)軸向尺寸;

(3)采用4極的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的60°運(yùn)行范圍對(duì)應(yīng)電機(jī)的120°電角度，只要三相繞組實(shí)現(xiàn)AB相導(dǎo)通后切換到BC相導(dǎo)通即可。

(4)在雙穩(wěn)態(tài)位置具有一定自定位力矩，保證系統(tǒng)具有自鎖功能。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

針對(duì)相機(jī)快門(mén)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求，本文主要研制內(nèi)容如下:

2.1 雙穩(wěn)態(tài)永磁同步電動(dòng)機(jī)極槽配合設(shè)計(jì)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙穩(wěn)態(tài)位置控制，該電動(dòng)機(jī)定子為集中繞組結(jié)構(gòu)形式。電動(dòng)機(jī)采用了4極6槽的極槽配合形式，在Ansoft中對(duì)其進(jìn)行有限元分析。因?yàn)殡姍C(jī)本體為2對(duì)極的結(jié)構(gòu)形式，其中的一對(duì)極及圓周的1/2是一個(gè)完整的電磁周期，圖3是有限元分析中所使用的剖分形式。

圖3 電機(jī)剖分圖

圖4是有限元分析得到的電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的相反電勢(shì)波形。由圖4可知，相反電勢(shì)趨近于正弦波。圖5是有限元分析得到的電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的磁密分布情況。由圖5可知，電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)，各部分的磁密均在合理范圍內(nèi)，定子軛磁密為1.7 T、齒磁密為1.6 T，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)飽和，電機(jī)的性能可以得到保證。

圖4 相反電勢(shì)圖

圖5 額定轉(zhuǎn)速時(shí)磁密分布圖

通過(guò)電磁仿真計(jì)算結(jié)果，可以看出設(shè)計(jì)指標(biāo)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具體對(duì)比如表1所示。

表1 仿真與設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

2.2 快門(mén)運(yùn)行轉(zhuǎn)角的實(shí)現(xiàn)

為了解決相機(jī)快門(mén)在有限角度內(nèi)工作的問(wèn)題，針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，該電機(jī)采用4極6槽的集中繞組形式，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電機(jī)運(yùn)行示意圖

如圖6所示，將轉(zhuǎn)子中的一塊磁鋼的中心點(diǎn)定為d，在未通電時(shí)d與定子中的a點(diǎn)對(duì)齊，AB繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行30°，與定子中的b點(diǎn)對(duì)齊，BC繞組通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子又運(yùn)行30°，與定子中的c點(diǎn)對(duì)齊。這樣，通過(guò)繞組電流方向的切換驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子及黑體擋片運(yùn)行了60°轉(zhuǎn)角。

采用這種控制方式電路控制較簡(jiǎn)單，可以有效降低成本和提高運(yùn)行可靠性。

2.3 雙穩(wěn)態(tài)位置定位力矩的設(shè)計(jì)

為了解決電機(jī)在穩(wěn)態(tài)位置時(shí)具有一定自定位功能的問(wèn)題，針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，采用了一種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)的工作要求。針對(duì)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了特殊的磁路定位形式，結(jié)構(gòu)如圖6所示。電機(jī)采用6槽的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)的60°運(yùn)行范圍正好對(duì)應(yīng)電機(jī)的一個(gè)槽的角度，從圖6中可以看出，電機(jī)定子鐵心的6個(gè)齒中有4個(gè)齒的內(nèi)圓處設(shè)計(jì)了一個(gè)凸起，當(dāng)電機(jī)不通電時(shí)，凸起處與磁鋼之間距離較近，可以產(chǎn)生吸引力使得電機(jī)具有一定的自定位能力。電機(jī)通電后產(chǎn)生的電磁力可以克服這種吸引力使得電機(jī)運(yùn)行60°角度，這時(shí)磁鋼正好對(duì)應(yīng)另外一組凸起，又重新具有一定的自定位能力。電機(jī)在雙穩(wěn)態(tài)位置時(shí)的定位轉(zhuǎn)矩的有限元仿真分析，如圖7所示。

圖7 電機(jī)定位轉(zhuǎn)矩仿真圖

從圖7中可以看出，電機(jī)在0°與60°位置時(shí)具有較大的定位轉(zhuǎn)矩，可以滿(mǎn)足相機(jī)快門(mén)在不通電時(shí)的自鎖功能。

3 測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)組件進(jìn)行了測(cè)試。電動(dòng)機(jī)額定功率3.5 W、額定轉(zhuǎn)矩為130 g·cm、輸入電壓為12 V(DC)，在穩(wěn)態(tài)位置時(shí)電機(jī)的自定位力矩為60 g·cm。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)平穩(wěn)，并在工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行;同時(shí)在雙穩(wěn)態(tài)位置具有一定自定位轉(zhuǎn)矩，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)不通電時(shí)的自我鎖定。目前該電動(dòng)機(jī)組件已成功應(yīng)用在某紅外相機(jī)的快門(mén)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

本文采用獨(dú)特的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使永磁同步電動(dòng)機(jī)組件體積進(jìn)一步減小，整體重量降低。集中繞組設(shè)計(jì)技術(shù)使電動(dòng)機(jī)的體積明顯減小;合理的極槽配合使電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行在工作轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，同時(shí)使驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠;特殊的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使電機(jī)具有較大自定位轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足系統(tǒng)的自鎖要求。

［1］許實(shí)章.電機(jī)學(xué)［M］北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992:163－174.

［2］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］北京:科學(xué)出版社，1997:162－168.