戴志立，楊榮江

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司,貴陽 550008；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心,貴陽 550008)

0 引 言

傳統(tǒng)航空燃油用電動機(jī)為有刷直流油泵電動機(jī)，因該類電動機(jī)固有的換向器和電刷，運(yùn)行時兩者的高速摩擦?xí)a(chǎn)生火花，電刷的磨損以及火花對換向器的燒灼導(dǎo)致電機(jī)維修頻率高、壽命短以及可靠性低。同時，有刷直流電動機(jī)運(yùn)行時效率低，無法滿足現(xiàn)代武器裝備對電機(jī)高功率密度的要求。電火花的產(chǎn)生也會干擾系統(tǒng)的無線信號，對電磁兼容產(chǎn)生有害影響[1-3]。

近年來，隨著永磁電機(jī)的高速發(fā)展[4-5]，無刷直流電動機(jī)應(yīng)用范圍越來越廣，成熟度也在不斷提高。國外研制的油泵用三相三狀態(tài)帶位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，存在轉(zhuǎn)矩波動大、繞組利用率低等缺點(diǎn)。國內(nèi)對無位置傳感器控制系統(tǒng)的油泵電動機(jī)也進(jìn)行了研究[6]，但無位置控制在油泵電動機(jī)中的應(yīng)用不成熟，有待進(jìn)一步發(fā)展。

隨著我國武器裝備的不斷更新，國內(nèi)正在逐步采用無刷直流電動機(jī)替代有刷直流電動機(jī)[7]，使得油泵系統(tǒng)的可靠性和壽命都得到了提升。本文以一臺無刷直流電動機(jī)為例，通過仿真與樣機(jī)測試結(jié)果分析，驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 方案的確定

1.1主要尺寸的確定

電機(jī)額定電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如表1所示，根據(jù)下式[8]初步確定電機(jī)主要尺寸。

(1)

表1 輸出性能指標(biāo)

1.2電機(jī)槽、極的確定

1.3其它參數(shù)的確定

通過合格設(shè)計(jì)梨形槽的尺寸，齒磁密控制在1.5～1.6 T之間。同時，為了增加電機(jī)抗去磁能力，確定磁鋼厚度為5 mm，極弧系數(shù)為0.8。運(yùn)用 Maxwell RMxprt對其它部分進(jìn)行優(yōu)化，確定電機(jī)基本參數(shù)，如表2所示。

表2 無刷直流電動機(jī)基本參數(shù)

2 Maxwell 2D有限元仿真

2.1有限元模型的建立

通過劃分網(wǎng)格，添加激勵以及設(shè)置外電路，建立的二維有限元模型，如圖1所示。

圖1 電機(jī)有限元模型

2.2仿真分析

生成二維有限元模型后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，添加激勵以及設(shè)置外電路。考慮到控制器對電機(jī)實(shí)施閉環(huán)控制會對額定電壓進(jìn)行斬波處理，同時為了提高電機(jī)的過載能力，按電壓25 V(DC)、扭矩0.81 N·m對電機(jī)進(jìn)行開環(huán)仿真，額定負(fù)載下電機(jī)的轉(zhuǎn)速及消耗電流結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 額定負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖3 額定負(fù)載下電機(jī)的消耗電流

從仿真結(jié)果可得，電機(jī)在電壓25 V(DC)、扭矩0.81 N·m時的轉(zhuǎn)速為11 768 r/min，通過控制器閉環(huán)控制可將轉(zhuǎn)速調(diào)整到11 200 r/min，滿足轉(zhuǎn)速要求；電機(jī)消耗電流為46 A，效率為86%，滿足電流不大于50 A的要求。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

電機(jī)本體和控制器為一體化設(shè)計(jì)，其實(shí)物照片如圖4所示(圖片上半部分為電機(jī)本體，下半部分為控制器)。負(fù)載實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示，電機(jī)正負(fù)極接28 V直流電源，輸出軸與測試臺相接。電機(jī)控制方式為閉環(huán)控制，給電機(jī)加上0.81 N·m的負(fù)載后，其轉(zhuǎn)速和消耗電流如表3所示。

圖4 電機(jī)實(shí)物圖

圖5負(fù)載實(shí)驗(yàn)框圖

表3 負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，兩臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為11 160 r/min左右，控制精度在50 r/min以內(nèi)，同時電機(jī)的消耗電流在40 A左右，故電機(jī)各項(xiàng)輸出指標(biāo)滿足要求。將仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)對比

電機(jī)設(shè)計(jì)時的思路為，用開環(huán)仿真出電機(jī)具備的輸出能力，用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸出性能指標(biāo)。在開環(huán)仿真時，用低于10%的額定電壓進(jìn)行負(fù)載仿真，其優(yōu)點(diǎn)在于仿真出來的損耗和轉(zhuǎn)速都接近輸出指標(biāo)。在額定電壓28 V和扭矩0.81 N·m下仿真，電機(jī)轉(zhuǎn)速為13 000 r/min。根據(jù)同極槽配合的無刷直流電動機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速一般低于仿真轉(zhuǎn)速的8%，故推算28V下電機(jī)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到12 000 r/min，而實(shí)際電機(jī)在通用控制器開環(huán)測試下的轉(zhuǎn)速為12 010 r/min，仿真結(jié)果與實(shí)際轉(zhuǎn)速十分接近。電機(jī)在閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)時，控制器通過調(diào)節(jié)電壓占空比，將轉(zhuǎn)速從12 000 r/min 降低至11 200 r/min，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為11 200 r/min的要求。從表4可得電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差為5%，其主要原因是仿真和實(shí)驗(yàn)所采用的控制方式的不同；電流誤差為13%，其原因是仿真和實(shí)驗(yàn)的輸入電壓及輸出功率不一致；效率誤差為1.9%，其原因主要是不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率的不同和加工誤差。總之，電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差較小，能較好地滿足客戶使用性能的要求。

4 結(jié) 語

本文先通過路算法確定電機(jī)的主要尺寸，其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速求解出電機(jī)的主要性能指標(biāo)以及體積、質(zhì)量。然后結(jié)合電磁場有限元方法對電機(jī)的輸出性能進(jìn)行仿真，其優(yōu)點(diǎn)是能夠觀察電機(jī)各部位的磁密，分析電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等曲線，從而對電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如此反復(fù)迭代獲取電機(jī)最佳性能。最后對樣機(jī)輸出性能進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)相差較小，電機(jī)各項(xiàng)輸出性能指標(biāo)滿足用戶的使用要求。

雖然電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足用戶需求，但由于該電機(jī)本體和控制器都是單獨(dú)進(jìn)行仿真，兩者之間沒有相互關(guān)聯(lián)及耦合，導(dǎo)致單一的仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)存在著一定的差距。電機(jī)本體在進(jìn)行有限元模型仿真時，僅考慮控制器管壓降以及簡單的開環(huán)控制，與電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況存在著一定的差距，降低了電機(jī)性能分析的準(zhǔn)確性?？刂破鞣抡娌粚⒙┐偶按艌鲲柡偷纫蛩乜紤]在內(nèi)，從而降低了控制器仿真的準(zhǔn)確性。因此，對電機(jī)本體與控制器進(jìn)行聯(lián)合仿真，能更加貼近實(shí)際運(yùn)行工況，是一體化電機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。