路文開，張 衛(wèi)，唐 楊

( 1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550003；3.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽 550003)

0 引言

舵機是導彈關鍵部件，直接影響了導彈的精確度與性能。為克服傳統(tǒng)液壓、氣壓舵機系統(tǒng)結構復雜、體積大、效率低等缺點[1]，電動舵機系統(tǒng)正逐步替代傳動液壓氣動系統(tǒng)，由于工作條件的特殊性，對舵機用電機提出較高的要求，因此舵機用電機成為國內(nèi)外設計與研究熱點。

文獻[2]中電動舵機采用有刷直流電機，舵機系統(tǒng)可靠性高，響應速度快，但電刷易產(chǎn)生火花，壽命較短。文獻[3-4]采用有限元法設計舵機用永磁同步電機，該類電機功率密度較高，但由于電機是交流供電，在閉環(huán)控制多工作點時，控制成本及精度將受到影響。文獻[5-6]采用有限元分析方法研究了導彈舵機用無鐵心盤式永磁電機電磁性能，但未加工樣機，且該類電機控制技術尚未成熟。針對多工作點運行電動舵機，基于直流電機數(shù)字信號處理技術發(fā)展，保證電機輸出功率前提下，研發(fā)舵機用高速永磁無刷直流電機尤其重要。

綜合上述文獻，結合某導彈舵機用電機的工程實例，考慮到該電機控制形式及高速、高效、高轉矩的設計指標，設計的高速永磁無刷直流電機從定子、繞組、永磁體結構等方面進行分析，采用Ansys/Maxwell有限元分析軟件建立了該電機的二維有限元分析模型，對其電磁特性進行了分析。根據(jù)設計參數(shù)制作出樣機，并進行試驗，結果表明：該電機的設計方案合理，電機各項性能滿足設計要求。

1 電動機電磁設計

1.1 電機技術要求

該永磁無刷直流電動機采用閉環(huán)轉速控制，閉環(huán)工作三個負載工作點性能指標如表1所示。

表1 電機工作電機性能指標

1.2 主要尺寸的確定

針對該高速永磁無刷直流電機，首先確定電機定子鐵心內(nèi)徑Da和軸向長度La，電機主要尺寸之間的關系[7]：

式中，p′電機功率；A電機電負荷值；kw1定子繞組系數(shù),Bδ氣隙磁密幅值；nN額定轉速；ap極弧系數(shù)；Bδ氣隙磁密平均值。

電機定子鐵心長徑比λ=La/Da影響電機性能及形狀，考慮到電機質量限制以及小轉動慣量的特點，λ取值適當大一些[8-9]，該電機選擇λ=0.9。

綜合現(xiàn)有永磁電機尺寸，本電機設計方案取Da=50mm,L=45mm。

1.3 主要材料

不同永磁材料在電機內(nèi)部產(chǎn)生不同勵磁磁場，進而影響電機輸出性能[10]。常見高速永磁電機永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低，但極限工作溫度較高，可達350°C，溫度系數(shù)很小。機械性能而言，釤鈷機械性能較差，抗拉強度最大為30MPa，抗壓強度可達800MPa[11]。因此針對表貼式永磁電機外加護套保護永磁體，避免永磁體高速下受拉失效。

考慮到該高速永磁電機溫升較為嚴重，為了防止永磁體因高溫退磁，選擇釤鈷永磁材料，雖然釤鈷磁性能較差，但磁性能參數(shù)受溫度影響較小，在較高溫度工況下，釤鈷磁性能可能會高于釹鐵硼。

1.4 永磁體結構設計

高速永磁電機常采用表面式永磁體結構，常見的表貼式磁極結構有凸出式和嵌入式，如圖1所示。

(a)凸出式 (b)嵌入式 圖1 表貼式轉子結構

兩種永磁體結構簡單，容易制造與裝配，嵌入式磁極結構漏磁系數(shù)較大[12]，考慮到本次設計電機效率要求較高，為了減小漏磁產(chǎn)生損耗，采用表貼式凸出式永磁電機結構，這樣也便于電機結構參數(shù)優(yōu)化，提高電機輸出性能[13]。

1.5 永磁體厚度選擇

永磁體磁化方向長度依據(jù)電機磁動勢平衡關系預估初值，然后在Ansys/RMxprt中進行具體電磁計算校驗；使得電機空載工作點滿足Bδ=(0.6～0.85)Br，此外磁化長度的大小影響電機抗去磁能力，因此還需考慮電機最大過電流時的去磁能力，確定永磁體最終磁化長度[14]。

1.6 定子沖片設計

由于電機轉速較高，定子鐵心磁場頻率較高，為減少定子鐵心產(chǎn)生較大鐵耗及溫升，定子沖片采用厚度為0.2mm、20WTG1500硅鋼帶。電機槽數(shù)選擇為12槽，定子沖片槽形選定主要考慮因素：首先滿足定子繞組線圈電流密度在限制之內(nèi)，定子槽設計有充足的截面積，其次槽滿率不能太高，要協(xié)調(diào)考慮線下工藝要求，最后結合機械強度和工藝限制選擇合理軛高和齒寬[15]。

2 電機模型的建立

綜合考慮電機設計技術要求及工作特點確定電機電磁方案參數(shù)，見表2所示。

表2 高速永磁電機主要參數(shù)

根據(jù)表中的參數(shù)在Ansys軟件中RMxprt模塊、建模，然后將其轉化為Maxwell 2D模型。利用時步有限元的方法，進行二維瞬態(tài)磁場的分析。圖2是所設計電機的截面模型。

圖2 電機模型

3 電機有限元分析結果與分析

3.1 電機磁場分析

等效磁路法對電機磁場建模時忽略了電機槽形、磁飽和等因素，與電機實際工作特性有差別。因此需要采用電磁場數(shù)值計算方法對磁場進行分析，電機在額定轉速11300r/min，輸出轉矩為4.1N·m時電機磁力線及磁密云圖分布如圖3、圖4所示。

圖3 電機磁力線分布

圖4 電機磁密云圖分布

由電機內(nèi)部磁場與磁密分布可知，電機定子、轉子、氣隙之間形成了閉合的磁鏈，定子齒部磁力線分布分布較密，有少數(shù)的磁力線在極間、氣隙處產(chǎn)生漏磁；電機內(nèi)部最大飽和磁密為1.4T，定子采用硅鋼帶材料，其飽和磁密為1.6T，未達到飽和。

3.2 氣隙磁密分析

采用有限元法對電機沿圓周方向的徑向氣隙磁密進行求解，如圖5所示。徑向氣隙磁密波形近似于矩形波，幅值為7.21T，圖中不規(guī)則的缺口畸變是由定子開槽氣隙磁導不均勻導致。

圖5 電機徑向氣隙磁密分布

3.3 空載反電勢分析

空載反電動勢波形對電機設計有重要參考價值。在額定轉速下求解出電機空載反電動勢如圖6所示。直觀看出該電機空載反電動勢具有較高的矩形分布，這表明電機設計斜槽、繞組、槽極參數(shù)的合理性。

圖6 電機反電動勢波形

3.4 齒槽轉矩分析

齒槽轉矩對電機振動與噪聲影響較大，該電機定子設計為斜槽0.5個齒槽抑制電機齒槽轉矩[16]。在Ansys軟件中借助瞬態(tài)求解器，將電機轉速設置為1deg/sec，同時加密電機各部分的網(wǎng)格，求得電機齒槽轉矩如圖7所示，電機齒槽轉矩的幅值僅為6.5mN·m。

圖7 電機齒槽轉矩

3.5 電機輸出性能分析

實際工作時，電機在控制器作用下閉環(huán)工作轉速為11300r/min，在Ansys軟件中將電機額定電壓設置為56V，閉環(huán)轉速，求得電機輸出轉矩波形如圖8所示，可得該工作點的平均轉矩為4.1075N·m，此時效率為90.2%。

圖8 電機電磁轉矩

4 樣機與仿真對比分析

根據(jù)理論計算結果得出電機參數(shù)制作出物理樣機，如下圖9所示。該電機由控制器和電機本體組成，對制作的樣機施加56V直流電壓，由控制器控制的電機轉速11300r/min，調(diào)節(jié)測功機的轉矩為1N·m、2.2N·m、4.1N·m，測試電機三個工作點時電機性能如表3所示。

圖9 電機實物圖

轉矩 N·m 轉速 n/min 電流 A 效率 %11136125.882.32.21133653.587.34.111355101.785.6

由試驗數(shù)據(jù)可以看出電機在3個不同的工作點時，電機效率在82.3%～87.3%之間，電機功率密度較高，溫升較為嚴重，但是電機短時制和通過加散熱筋可以保證電機能夠正常工作。

表4 電機理論計算與試驗數(shù)據(jù)對比

由表4可得，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)誤差在5.72%之間，該誤差由于模型近似簡化導致，滿足工程要求誤差10%以內(nèi)。驗證有限元仿真結果可靠性。

5 結論

本文針對導彈電動舵機多負載工作點、高速、高效設計指標，基于等效磁路法和電磁有限元法設計轉速為11300r/min、最大輸出轉矩為4.1N·m、效率為82.3%～85.6%的高速永磁無刷直流電機。結果表明：為提高電機轉動慣量，減小損耗提高效率，選取定子鐵心長徑比較大；定子槽數(shù)較少，電機定子沖片較薄，轉子采用表貼式凸出式結構，此時電機空載反電動勢接近矩形波，驗證電機設計參數(shù)合理性。為了減小電機齒槽轉矩，采用定子斜0.5齒槽，此時齒槽轉矩僅為6.5mN·m，削弱效果較為明顯。最后對樣機試驗負載特性數(shù)據(jù)與有限元值進行對比，有限元仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)誤差在5.72%之間，滿足工程要求誤差10%以內(nèi)，驗證有限元仿真方法可靠性。相關研究工作為同類型的高速永磁無刷直流電機設計與優(yōu)化提供了一定參考價值。