簡曉書，蒙 贇，崔浪浪，葛發(fā)華

(1．貴州航天林泉電機有限公司，貴陽550081;2．國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴陽550081)

0 引 言

對于常規(guī)電機而言，為了減小磁路的磁阻和鐵心損耗，通常采用高導磁率和合適厚度的硅鋼片疊制電機的定子和轉(zhuǎn)子鐵心，但還是不能避免其體積大、質(zhì)量大、功耗高、振動噪聲大(鐵心齒槽是產(chǎn)生電磁噪聲的根源)的根本問題，難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定性要求。同時飛輪電機工作在真空環(huán)境中，電機散熱困難，轉(zhuǎn)子的渦流損耗是不可忽略的問題，減小轉(zhuǎn)子渦流損耗對保證電機安全高效運行尤為重要［1］。永磁無刷直流電動機因其高轉(zhuǎn)矩密度、高運行效率以及高可靠性而成為姿態(tài)飛輪驅(qū)動裝置的首選［2］。

針對姿態(tài)控制的飛輪電機，其極對數(shù)對轉(zhuǎn)矩波動、電磁時間常數(shù)、控制精度、效率和質(zhì)量等有重要意義。合適的電機極對數(shù)可以減小電機質(zhì)量，降低電磁時間常數(shù)、減小電機的鐵心損耗、提高飛輪控制精度等。針對小衛(wèi)星飛行姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)用的電機，永磁、外轉(zhuǎn)子、無鐵心電樞的電機方案［3］能很好滿足其要求。無鐵心無槽電機具有定位力矩和磁滯力矩均為零的特點，且無主磁通交變引起的磁滯損耗及渦流損耗，在控制上采用半橋調(diào)制方式PWM調(diào)制和正弦波驅(qū)動，可以進一步減小飛輪電機的轉(zhuǎn)矩波動，提高效率和系統(tǒng)控制精確度。

1 電機參數(shù)選擇與分析

飛輪電機設(shè)計時需要滿足的技術(shù)指標包括幾個方面:額定電壓為27 V，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為0．1 N·m，額定電流為3 A，外形尺寸為108 mm，轉(zhuǎn)動慣量為0．755×10－3kg·m2。

本文主要針對電機的極對數(shù)、轉(zhuǎn)矩波動、黏性阻尼系數(shù)、電樞繞組進行分析和設(shè)計。

1．1 電機磁極對數(shù)的選擇

電機增加質(zhì)量將導致衛(wèi)星的發(fā)射成本提高，所以在電機設(shè)計時，需要在額定轉(zhuǎn)速、輸出力矩、轉(zhuǎn)動慣量等約束條件下，盡量提高電機效率和減小質(zhì)量。由于該電機為無鐵心結(jié)構(gòu)，故該飛輪電機在考慮提高電機性能和減小用銅量時，必須慎重選擇電機磁極對數(shù)。電機磁極數(shù)越多，輸出相同轉(zhuǎn)矩情況下輸入電流越小，電機效率就越高;但是電機磁極數(shù)多，會引起電機的運行性能下降，電機換相損耗顯著增加，穩(wěn)態(tài)損耗增大，所以需要綜合考慮選擇一個最優(yōu)方案。通過多個電磁仿真方案優(yōu)選，確定了本文飛輪電機的磁極對數(shù)為12 極36 槽。

1．2 電機轉(zhuǎn)矩波動分析

對于高精度、高穩(wěn)定性要求的衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪電機，轉(zhuǎn)矩波動是衡量其性能的一項重要指標。引起轉(zhuǎn)矩波動原因有:電磁因素、電流換相、齒槽、電樞反應以及其他加工制造因素。假設(shè)電機閉環(huán)在額定工況點，保持電流Ia不變，根據(jù)推導可以得出電機轉(zhuǎn)矩波動公式:

式中:ΔTem%為電磁轉(zhuǎn)矩波動百分比;Emax為反電動勢的最大值;Emin為反電動勢的最小值;ΔE%為反電勢波動百分比;l 為繞組長度;D 為電樞直徑;Ia為相電流在120°電角度內(nèi)的平均值;Bav為N 匝導體所在位置的平均氣隙磁場密度。

從式(1)可以看出，電機的轉(zhuǎn)矩波動與電機氣隙磁密和反電動勢有關(guān)，且電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動可以采用電機反電動勢的變化來進行分析。根據(jù)常規(guī)無刷電機的三相六狀態(tài)導通方式，每相繞組的通電時間為120°電角度。處理三相繞組的反電動勢波形，如圖1 所示，可以得到繞組反電動勢最大值為Emax，繞組導通相關(guān)斷瞬間為最小值Emin。電機設(shè)計時可以通過電磁仿真分析的反電動勢波形來進一步分析電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動。

圖1 電機三相反電勢

1．3 黏性阻尼系數(shù)的分析

永磁無刷直流電動機機械特性是表征電機工作的重要特性，是電機輸出力矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的特性，通常采用阻尼系數(shù)D 來表示電機機械特性的硬度，即轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)要求飛輪電機響應速度快，所以飛輪動態(tài)系統(tǒng)對阻尼非常重要，否則系統(tǒng)很不穩(wěn)定。

永磁直流電動機的總阻尼系數(shù)F

式中:F0為電機反電動勢阻滯力矩阻尼;F1為旋轉(zhuǎn)損耗力矩阻尼，即渦流損耗所損失的力矩。

由于電機轉(zhuǎn)速增加后鐵心的磁化頻率隨之增加，導致鐵心的渦流損耗和磁滯損耗也隨著增加，產(chǎn)生的阻滯力矩也增加，所以高轉(zhuǎn)速電機盡量采用較薄的無取向硅鋼片來減小鐵心損耗。阻滯力矩始終與驅(qū)動力矩方向相反，產(chǎn)生阻尼作用，也是黏性阻尼［4］。由于該電機為無槽無鐵心外轉(zhuǎn)子電機，沒有鐵心的磁化，電機的旋轉(zhuǎn)損耗力矩阻尼較小，F(xiàn)1只占F0的1%～2%，故實際測試和計算時只進行黏性阻尼系數(shù)計算。黏性阻尼系數(shù)計算公式如下:

式中:Δω 為電機轉(zhuǎn)速的變化;ΔT 為電機轉(zhuǎn)矩的變化;Ke為反電動勢系數(shù);mi為轉(zhuǎn)矩靈敏度;Ra為繞組電阻表示電機單位轉(zhuǎn)速下反電動勢產(chǎn)生的電流。

從式(3)可以看出，黏性阻尼系數(shù)的含義可以理解為單位轉(zhuǎn)速下反電動勢產(chǎn)生的阻尼力矩，也可以理解為電機轉(zhuǎn)速變化引起的轉(zhuǎn)矩變化量。根據(jù)式(3)右端得到的結(jié)果即是電機的黏滯阻尼系數(shù)，其值越大，電磁效率就越大，電機效率也越高，對飛輪系統(tǒng)的穩(wěn)定性越有利。

由于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)要求飛輪電機響應速度快，常采用電磁時間常數(shù)和機電時間常數(shù)概念，其中機電時間常數(shù)τm與系統(tǒng)機械慣量J 和黏性阻尼系數(shù)D 關(guān)系如下:

電機設(shè)計較大的黏性阻尼系數(shù)D，將有較小的機電時間常數(shù)，有利于加快系統(tǒng)的響應。

1．4 繞組設(shè)計

無槽無鐵心飛輪電機與常規(guī)有槽電機最明顯的差異:繞組不嵌入鐵心槽內(nèi)，而是粘接于非金屬圓表面上，使得電樞繞組的設(shè)計對電機設(shè)計非常關(guān)鍵，直接影響到電機尺寸、轉(zhuǎn)矩波動、加工工藝性以及批次穩(wěn)定性。根據(jù)電機工藝考慮以及設(shè)計和研究方便，把無槽電機等效看成是由若干虛槽組成的有齒電機［5］，每槽(虛槽，下同)的高度:

每槽寬度:

式中:m，n 為在徑向、切向上所排漆包線的根數(shù);d為漆包線線徑(含漆包線漆皮厚度);δ1，δ2為對地、槽間絕緣厚度;e1，e2為漆包線之間的間隙;Dil為定子鐵心內(nèi)徑(此處為非金屬骨架外徑);Z 為電機槽數(shù)。

通過式(5)和式(6)分析可知，電機主要的尺寸限制了繞組槽的大小和每槽的導體數(shù)。設(shè)計時需要綜合考慮電機的導體數(shù)、槽高度、寬度以及尺寸限制，根據(jù)相關(guān)文獻以及加工工藝性，電機設(shè)計時通常取槽的高度為(m+1)d。

2 電磁特性分析

采用Ansoft 分析軟件對電機進行磁路的輔助設(shè)計，通過合理的磁路設(shè)計，確定合理的磁負荷Bδ，以減小電機體積，提高電機的輸出力矩。電機仿真時忽略繞組的端部效應，采用二維仿真，仿真模型如圖2(a)所示。從圖2(a)可見，電機由轉(zhuǎn)子內(nèi)導磁軛、非金屬骨架、電樞繞組、磁鋼、外導磁軛組成。電機磁密分布如圖2(b)所示，從圖2(b)可以看出，永磁體和外導磁軛的磁密幅值較大，繞組處的磁密較小，遠沒有達到飽和程度。電機內(nèi)外導磁軛同步運轉(zhuǎn)，與磁密幅值在圓周出現(xiàn)的位置基本一致，同時電機采用無槽結(jié)構(gòu)，因此可以使得電機鐵損較低，可以基本忽略，通過優(yōu)化充分降低電機銅耗后，電機效率較高。電機氣隙磁場波形如圖3 所示，氣隙磁密幅值為0.308 T 左右，磁場正弦性較好，不存在常規(guī)有槽電機磁槽對氣隙磁密影響，諧波含量較少。

圖2 電機分析

圖3 電機氣隙磁場波形

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3．1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過電機的理論分析計算和電磁仿真以及優(yōu)化，得到主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該電機為外轉(zhuǎn)子、電樞無鐵心的無刷直流電動機，電機結(jié)構(gòu)形式為定子、轉(zhuǎn)子分體式，如圖4 所示。由圖4 的剖面圖可以看到，電機繞組繞在定子骨架槽內(nèi)，定子骨架由具有優(yōu)良的絕緣介電強度和結(jié)構(gòu)強度的聚砜棒制成，并在外圓上設(shè)計有作為線圈定型基準的槽，用以有效約束線圈。在電機線圈繞制過程中為防止灌封時產(chǎn)生浮線，導致后續(xù)加工漏線，采用繞制線圈同時E39－D 環(huán)氧樹脂進行定型。最后再采用同種環(huán)氧樹脂灌封定子骨架，形成滿足強度和外觀要求的定子組件。

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子護套、內(nèi)導磁軛、外導磁軛和磁鋼組成，磁鋼粘在外導磁軛的內(nèi)側(cè)，內(nèi)外磁軛選用導磁良好的電工純鐵，并熱處理其要求的導磁性。通過對無槽外轉(zhuǎn)子飛輪電機的研究發(fā)現(xiàn)，該類電機存在氣隙大的情況，需要選擇剩磁較高的磁鋼產(chǎn)生較強的氣隙磁場，為此該電機選擇了稀土鈷磁鋼XG28/20。但還是存在氣隙磁密小的缺點，不易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。

圖4 電機結(jié)構(gòu)示意圖和三維模型

3．2 傳感器設(shè)計

該電機受結(jié)構(gòu)限制，無法象常規(guī)電機一樣設(shè)計跟蹤磁鋼，并且傳感器的安裝也是一個難點。本文設(shè)計將霍爾傳感器安裝于定子座上，采用主極磁鋼端面漏磁觸發(fā)，而霍爾傳感器與磁鋼端面的距離是減小換相損耗的關(guān)鍵因素。在設(shè)計時通過電磁仿真，在不影響電機可靠運行前提下，確定了霍爾傳感器敏感點離磁鋼徑向和軸向的最佳距離，如圖5 所示。

圖5 霍爾位置

本文電機選用開關(guān)鎖定型霍爾傳感器CS3075，其工作點最小磁場強度為7 mT，通過圖6 可以計算得到傳感器所處位置的占空比為51%，同時控制霍爾傳感器之間的距離，可以降低電機的換相損耗和穩(wěn)態(tài)損耗。

圖6 霍爾位置處的磁場強度

4 結(jié)構(gòu)和溫度場有限元分析

4．1 溫度場仿真

飛輪電機工作在真空環(huán)境中，電機散熱困難，所以要進行電機溫度場仿真。電機為無槽無鐵心的飛輪電機，沒有常規(guī)電機的鐵心損耗，故該電機的損耗主要是機械摩擦損耗、繞組銅耗。在電機熱仿真時，將摩擦損耗和銅耗以生熱率的形式加到電機的軸承和繞組上，其中電樞電流設(shè)置為電機負載工作時的額定電流，并以衛(wèi)星最惡劣溫度60 ℃為實驗環(huán)境溫度和真空條件，電機與外界環(huán)境只能通過輻射進行散熱，選擇鋁合金殼體輻射率為0．55，電機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，得到的電機溫度場分布如圖7 所示。

圖7 電機溫度場

由圖7 可知，當溫度場達到平衡時，電機定子的最高溫升發(fā)生在繞組，溫升最大值為37．69 ℃，最高溫度為97．69 ℃。

4．2 結(jié)構(gòu)有限元分析

飛輪電機是衛(wèi)星系統(tǒng)中反作用飛輪的核心部件，其可靠性決定衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定性。由于本電機采用無槽的非金屬定子骨架，故定子的力學性能是該電機結(jié)構(gòu)可靠性的制約因素。對定子的各項力學實驗條件進行分析，隨機振動條件下應力和應變最大，分布如圖8 所示。電機定子軸向上應力最大，為1．63 MPa，應變?yōu)?．001 26 mm。電機所有的非金屬材料完全滿足衛(wèi)星環(huán)境實驗條件，說明電機結(jié)構(gòu)可靠。

圖8 定子應力和應變云圖

5 實驗結(jié)果及討論

5．1 電機性能分析

根據(jù)上述分析與設(shè)計，按照要求的技術(shù)指標設(shè)計了飛輪電機，實物如圖9 所示。

圖9 電機實物圖

為了模擬飛輪電機在衛(wèi)星真空環(huán)境的工作狀態(tài)，在真空實驗內(nèi)(氣壓小于1×10－3Pa)，采用與飛輪系統(tǒng)相同轉(zhuǎn)動慣量的慣量輪進行空載測試，并進行對拖實驗測試電機負載性能。同時，為分析電機在兩種環(huán)境下的差異，在常壓下采用慣量輪測試電機空載，用測功機測電機負載，兩種環(huán)境的測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 兩種環(huán)境測試值

通過比較真空環(huán)境和常壓環(huán)境的空載損耗，可以看出，該電機在常壓下的風摩損耗較大，為10.8 W，電機的機械損耗、銅耗以及其他雜散損耗為10.53 W。電機常壓環(huán)境下效率為85．4%，真空環(huán)境下效率為88%，常壓下飛輪電機風摩損耗占比較大。所以在類似外轉(zhuǎn)子電機設(shè)計計算時，不能忽視其風摩損耗。由于本設(shè)計采用無槽設(shè)計，所以無常規(guī)電機的鐵耗，如采用磁懸浮軸承或者其他損耗較低的軸承，電機效率可以高于90%。

5．2 電機特性分析

在常壓下，電機在轉(zhuǎn)矩0．01～0．16 N·m 下的轉(zhuǎn)速和電流如表3 所示。通過對實驗數(shù)據(jù)分析，電機的黏性阻尼系數(shù)值為0．002 8 N·m/(rad·s－1)，電機的力矩系數(shù)為0．039 N·m/A。電機效率隨著輸出轉(zhuǎn)矩增加而提高，當轉(zhuǎn)矩大于0.06 N·m 后效率大于80%，在工作點附近，效率較高，維持在85%左右，實測電機內(nèi)部溫升為29 ℃，說明電機參數(shù)設(shè)計較好。

表3 電機實驗數(shù)據(jù)

5．3 電機轉(zhuǎn)矩波動分析

根據(jù)國軍標GJB 1863A－2005 無刷直流電動機通用規(guī)范中的轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)的測試方法，將該電機的堵轉(zhuǎn)電流設(shè)置為1．5 A(額定電流的0．5 倍)，采用堵轉(zhuǎn)法測量轉(zhuǎn)子在圓周上均布16 個位置的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并按式(1)進行計算，結(jié)果如表4所示。從表4 可以看到，轉(zhuǎn)矩波動較小，滿足飛輪系統(tǒng)對飛輪電機的轉(zhuǎn)矩波動精度和穩(wěn)定性要求。

表4 電機轉(zhuǎn)矩波動測試結(jié)果

5．4 電機換相分析

電機霍爾的占空比和相位差如圖10 所示，從圖10 中可以看出，電機三相霍爾的占空比最大值為50.5%，相位差最差為121．6°，說明電機霍爾傳感器位置設(shè)計合適，有效降低電機的換相損耗和穩(wěn)態(tài)損耗，提高了電機效率。

圖10 霍爾占空比和相位差波形

6 結(jié) 語

通過對電機參數(shù)的選擇和性能的優(yōu)化，電機具有較高效率、機械特性較硬、轉(zhuǎn)矩波動小的優(yōu)點，滿足了衛(wèi)星控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性要求，同時對飛輪儲能電機、無槽無鐵心電機等具有一定的參考意義:

1)衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪電機選用無槽無鐵心結(jié)構(gòu)具有正弦性好的氣隙磁密波形，并且也得到了較理想的氣隙磁密幅值，提高了電機的力能指標。

2)飛輪電機采用無槽和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有超大氣隙，能徹底消除由于齒槽效應引起的轉(zhuǎn)矩波動，同時還能大幅度削弱由于電樞反應引起的轉(zhuǎn)矩波動。

3)通過傳感器的設(shè)計和仿真，可以解決主極磁鋼端面漏磁觸發(fā)不良的問題，有效降低電機的換相損耗和穩(wěn)態(tài)損耗，提高了電機效率。