武絳寧， 禹林業(yè)， 朱旺旺， 白國軍， 常云澤

（1.昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司， 江蘇 昆山 215321； 2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108； 3.晉煤集團技術(shù)中心， 山西 晉城 048000）

引言

隨著傳統(tǒng)能源加速消耗、排放標準日益嚴格的市場現(xiàn)狀，發(fā)動機控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。一方面對傳統(tǒng)柴油機控制提出更高要求，另一方面隨著氣體燃料市場化開發(fā)的逐步深入，氣體發(fā)動機正在各個應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)逐步取代傳統(tǒng)柴油機，如汽車動力、陸用電站等方面[1]。為滿足高性能、低排放的要求，多種技術(shù)在天然氣發(fā)動機上的組合應(yīng)用越來越受到關(guān)注[2]。國內(nèi)外氣體機生產(chǎn)制造商正逐步研究一天然氣、煤礦瓦斯氣體為燃料的大功率高性能氣體機，其配套產(chǎn)品已經(jīng)進入市場并得到廣泛應(yīng)用[3]。完善的大功率氣體機控制系統(tǒng)以安全穩(wěn)定和優(yōu)秀的發(fā)動機匹配性而著稱。其中，執(zhí)行器作為發(fā)動機控制系統(tǒng)核心部件，對發(fā)動機工作性能、安全性及可靠性方面都起到關(guān)鍵作用。因此研制開發(fā)一款大功率氣體機專用執(zhí)行器至關(guān)重要。自從第一臺電動執(zhí)行機構(gòu)由美國LIMITORQUE 公司研制以來[4]，高速發(fā)展的現(xiàn)代化工業(yè)社會使越來越多的公司參與了電動執(zhí)行機構(gòu)的研發(fā)和生產(chǎn)。由簡單地代替人工進行開關(guān)閥門，發(fā)展到適用于不同現(xiàn)場的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)，電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展也可謂是工業(yè)發(fā)展的縮影。在長達20 多年的研發(fā)設(shè)計過程中，積累了大量的設(shè)計及實際應(yīng)用經(jīng)驗。

在此背景下，采用軸向磁路與封裝定子的結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)出一款大功率氣體發(fā)動機專用電動執(zhí)行器。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括外殼、定子、轉(zhuǎn)子以及輸出軸等。在執(zhí)行器轉(zhuǎn)子組件中，對整個設(shè)備輸出扭矩影響較大的是其磁片。研究發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，選用不同的永磁體，對執(zhí)行器性能有著較大的影響。因此選用一種磁性能較好的磁片，對整個執(zhí)行器有著重要的作用。

本文分別選用A 和B 兩種不同牌號的永磁體作為執(zhí)行器轉(zhuǎn)子磁片。用實驗、模擬仿真兩種不同的形式，分析不同牌號永磁體，對電動執(zhí)行器輸出扭矩的影響。

圖1 電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

1 電動執(zhí)行器工作原理

該款電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)比較簡單，采用軸向磁路與封裝定子的結(jié)構(gòu)形式，主要包括外殼、定子、轉(zhuǎn)子以及輸出軸等。其工作原理為：在執(zhí)行器通電條件下，其定子線圈產(chǎn)生軸向磁力，與轉(zhuǎn)子磁片相互作用，帶動轉(zhuǎn)子在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。通過輸出軸向外輸出扭矩。

2 三維模擬仿真

利用相關(guān)專業(yè)軟件對該電動執(zhí)行器進行仿真建模，在三維電磁場仿真中，各部件材料物理特性定義對仿真結(jié)果的準確性起到至關(guān)重要的作用，因此在三維電磁場仿真模型建立后，需要對材料物理特性進行準確定義。本仿真為穩(wěn)態(tài)電磁場仿真，首先對選用的永磁體進行性能測試，得到如下頁圖2 所示的磁滯回線。從中可以看出，在相同強度磁場下，B 牌號永磁體矯頑力、最大磁能積等性能明顯優(yōu)于A 牌號磁性能。

把測得的A、B 牌號的永磁體磁滯回線及相應(yīng)磁性參數(shù)輸入仿真模型，完成電動執(zhí)行器電磁場三維仿真模型設(shè)置，整個仿真模型仿真云圖如下頁圖3所示。從磁路結(jié)構(gòu)上看，電動執(zhí)行器磁路與平板電磁鐵結(jié)構(gòu)上最大區(qū)別在于某一極沿軸向流出的磁力線會從相鄰極流入，即可以看做相互串聯(lián)的平板電磁鐵，因此定、轉(zhuǎn)子基板起到了磁軛作用，避免漏磁。從磁力線的分布可以看出，當選用性能較好的永磁體B 作為執(zhí)行器轉(zhuǎn)子磁片時，其磁力線分布較為密集。

通過以上分析，完成電動執(zhí)行器磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確認，接著對三維模型進行試驗標定性仿真分析，分別計算兩種不同的磁片材料的輸出扭矩特性。分析發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定電流為Imax時，不同磁片的執(zhí)行器得到的扭矩特性有著較大的差距。圖4 所示為特定電流條件下，用A、B 兩種牌號永磁體得到的電動執(zhí)行器輸出扭矩特性。從中可以看出，扭矩大小輸出特性呈現(xiàn)周期性變化，不同永磁體得到的扭矩特性有著較大的差距。當磁片為牌號B 的永磁體時，該電動執(zhí)行器具有較好的輸出扭矩特性，輸出扭矩明顯優(yōu)于A 牌號永磁體組成的執(zhí)行器。其輸出扭矩比前者高約20%。這與仿真云圖中觀察到的磁力線分布情況相一致。

圖2 不同牌號永磁體磁滯回線

圖3 三維仿真云圖

圖4 Imax 電流下輸出扭矩特性

3 實驗驗證

為進一步驗證仿真結(jié)果，對兩種不同牌號永磁體做成的轉(zhuǎn)子組件進行裝配。將裝配好的執(zhí)行器進行扭矩輸出特性測試。試驗過程其接線方式如圖5所示，按照平臺示意圖把電動執(zhí)行器固定在臺虎鉗上，給執(zhí)行器接通設(shè)定的電流，用扭矩扳手把執(zhí)行器輸出軸扭轉(zhuǎn)到特定位置。按照上述方法對兩組不同磁片的執(zhí)行器進行輸出扭矩試驗。

圖5 試驗測試圖

在保證其他條件相同情況下，得到執(zhí)行器輸出扭矩變化曲線如圖6 所示。從中可以看出，在兩組不同電動執(zhí)行器之間，加載相同強度的電流，當輸出軸轉(zhuǎn)動位置相同時，用B 牌號永磁體做轉(zhuǎn)子組件磁片的執(zhí)行器，其輸出扭矩明顯優(yōu)于A 牌號永磁體組成的執(zhí)行器。其輸出扭矩比前者高約20%，這與三維模擬仿真的結(jié)果一致。

圖6 Imax 電流下輸出扭矩特性

4 結(jié)論

在電動執(zhí)行器中，影響執(zhí)行器性能的因素有很多，本文從轉(zhuǎn)子組件中永磁體的選型角度出發(fā)，分別用模擬仿真和實驗測試的方法，分析了不同永磁體對執(zhí)行器性輸出扭矩的影響。

通過對三維模型進行試驗標定性仿真分析，分別計算兩種不同的磁片材料的輸出扭矩特性。當選用牌號為B 的永磁體時，相對于選用牌號為A 的執(zhí)行器，其輸出扭矩增加了約20%。這一結(jié)果與試驗結(jié)果相一致。

因此在執(zhí)行器設(shè)計過程中，可以通過選用不同牌號的永磁體來提升執(zhí)行器的性能。