龍宇航，夏加寬，李澤星，王婧妍，何顯平，梁宗偉

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

多旋翼油動(dòng)力無(wú)人機(jī)具有動(dòng)力強(qiáng)、靈活機(jī)動(dòng)、結(jié)構(gòu)多樣、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域[1]。其動(dòng)力系統(tǒng)是影響無(wú)人機(jī)使用性能的重要因素，目前傳統(tǒng)多旋翼油動(dòng)力無(wú)人機(jī)采用多點(diǎn)分布式為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力，起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)油機(jī)旋轉(zhuǎn)，油機(jī)點(diǎn)火后為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力；機(jī)載電池一方面用于為控制系統(tǒng)提供電源，另一方面還要為附加電動(dòng)設(shè)備提供電力供應(yīng)。由于體積和重量的嚴(yán)格要求，其容量有限，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持電力供應(yīng)，限制了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。因此，本文提出以起/發(fā)電系統(tǒng)取代起動(dòng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的起發(fā)電一體化方案，即無(wú)人機(jī)在空中正常運(yùn)行時(shí)，可以補(bǔ)給機(jī)載電池，進(jìn)而延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間。起/發(fā)電機(jī)是起/發(fā)電系統(tǒng)的核心，本文重點(diǎn)研究起/發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)性能參數(shù)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程主要分為起動(dòng)過(guò)程和自行工作過(guò)程兩個(gè)階段。起動(dòng)過(guò)程中起/發(fā)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)，起/發(fā)電機(jī)必須將曲軸加速到一定的轉(zhuǎn)速，同時(shí)能提供足夠大的起動(dòng)力矩。油機(jī)在自行工作過(guò)程中主要為無(wú)人機(jī)提供飛行動(dòng)力，其次用于拖動(dòng)起/發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖1為1.1kW汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的起/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

圖1 起/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性

圖1中，電機(jī)在500r/min實(shí)現(xiàn)油機(jī)的點(diǎn)火；點(diǎn)火前，油機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值15Nm；500～4000r/min期間，油機(jī)自行加速，無(wú)需電機(jī)做功；4000r/min及以上，油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，由于受到油機(jī)容量及飛行動(dòng)力所需功率的限制，油機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不超過(guò)0.191N·m。

考慮到油機(jī)的起動(dòng)條件、輸出功率、轉(zhuǎn)速以及發(fā)電用途等多方面的因素，本文以1.1kW汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，折算到電機(jī)所需的性能參數(shù)如表1所示。

控制器瞬間電流過(guò)載能力以及電機(jī)永磁體材料的抗去磁能力等因素，分別對(duì)電機(jī)各個(gè)部分進(jìn)行分析確定。同時(shí)，作為空中飛行單位，無(wú)人機(jī)對(duì)起/發(fā)電機(jī)的重量及輸出能力要求更加嚴(yán)格，因此，起/發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)更加注重電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)和功率密度的提升。

表1 電機(jī)的性能參數(shù)

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)形式及主要尺寸

對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)而言，基于有效載重的要求，電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)更注重輕質(zhì)和高功率密度。本文選用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)而言，具有電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)子更易冷卻以及永磁體更容易加固等特點(diǎn)。除此之外，還具有更高的轉(zhuǎn)矩輸出等優(yōu)勢(shì)[2]。因此，本文選用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式；同時(shí)，內(nèi)置高效散熱陣列，有利于定子散熱，提高功率密度，進(jìn)而減輕電機(jī)重量。

電機(jī)主要尺寸的選擇要從功率密度方面考慮。在電機(jī)磁路充分利用的情況下，電機(jī)外徑增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨外徑平方成正比增加，重量增加相對(duì)緩慢；而電機(jī)長(zhǎng)度增加時(shí)，轉(zhuǎn)矩和重量均成正比增加。因此，在確定電機(jī)主要尺寸時(shí)，應(yīng)先根據(jù)電機(jī)外徑限制確定最大外徑，再根據(jù)重量要求，確定最大軸向長(zhǎng)度。根據(jù)電機(jī)尺寸安裝要求及無(wú)人機(jī)承載能力限制，電機(jī)外徑應(yīng)不超過(guò)110mm，重量小于0.9kg。

2.1 極槽配合

針對(duì)于無(wú)人機(jī)對(duì)自重的嚴(yán)格限制，電機(jī)極槽數(shù)的選擇主要從電機(jī)重量方面考慮同時(shí)兼顧電機(jī)電磁性能。

提高電機(jī)功率密度是減輕電機(jī)重量的有效途徑；分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)具有繞組端部短、銅線用量少、體積小的特點(diǎn)，可以使電機(jī)的效率和功率密度大幅度提高，并且集中繞組結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，降低電機(jī)的材料成本，同時(shí)提高了繞組的可靠性，適合于自動(dòng)化生產(chǎn)[3]。因此，該電機(jī)極槽配合采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組形式。

目前，對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的研究主要集中在提高繞組系數(shù)和降低齒槽轉(zhuǎn)矩等方面。表2中給出的幾種常見(jiàn)極槽配合中[4]，9槽8極、12槽10極、36槽42極繞組系數(shù)相對(duì)較高，但9槽8極組合受單邊磁拉力影響較大，36槽42極相當(dāng)于三個(gè)12槽14極單元電機(jī)，12槽14極電機(jī)與12槽10極電機(jī)相比，極數(shù)相對(duì)較多，電機(jī)軛部體積小，電機(jī)重量可有效減小。同時(shí)，從齒槽轉(zhuǎn)矩角度來(lái)看，36槽42極的齒槽轉(zhuǎn)矩小于12槽10極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。由于齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)與噪聲，對(duì)精密設(shè)備產(chǎn)生巨大的影響。因此，應(yīng)該最小化齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)性能。綜上，最終選定電機(jī)的極槽數(shù)為36槽42極。

表2 不同極槽配合電機(jī)的性能

2.2 每槽導(dǎo)體數(shù)的選擇

每槽導(dǎo)體數(shù)影響起動(dòng)電流大小，隨著匝數(shù)增加，起動(dòng)電流減小?？紤]到電機(jī)在電動(dòng)階段需要過(guò)載運(yùn)行，電流較大會(huì)增加控制器設(shè)計(jì)難度，因此應(yīng)盡量減小起動(dòng)電流。但是，隨著匝數(shù)的增加，電機(jī)繞組電阻和電抗相應(yīng)增加，電源可提供的電流減小。因此在減小起動(dòng)電流的同時(shí)需要考慮起動(dòng)電流與電源可提供電流的大小關(guān)系。本文利用有限元仿真的方法，以每槽導(dǎo)體數(shù)為變量，仿真分析了不同導(dǎo)體數(shù)下電機(jī)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩所需的電流(即起動(dòng)電流)大小和電源所能提供的最大電流(即極限電流)的變化規(guī)律。圖2中，隨著匝數(shù)的增加，極限電流和起動(dòng)電流均呈減小趨勢(shì)；在6～10匝時(shí)，極限電流大于起動(dòng)電流；在12～18匝時(shí)，極限電流小于起動(dòng)電流。因此每槽導(dǎo)體數(shù)應(yīng)在6～10匝之間選擇。

圖2 電流隨每槽導(dǎo)體數(shù)變化曲線

此外，電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)的選擇還要從電機(jī)效率角度考慮。電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)主要影響電機(jī)的銅耗。圖3中，隨著匝數(shù)的增加，電機(jī)銅耗逐漸下降；因?yàn)殡S著每槽導(dǎo)體數(shù)增加，電機(jī)的感應(yīng)反電勢(shì)逐漸增大，電樞繞組的相電流減小，使得電機(jī)的銅損下降，發(fā)熱下降，電機(jī)效率提升。

考慮到每槽導(dǎo)體數(shù)增加時(shí)極限電流與需要電流的關(guān)系以及銅耗的變化，每槽導(dǎo)體數(shù)最終選擇10匝。

圖3 銅耗隨每槽導(dǎo)體數(shù)變化曲線

2.3 永磁體尺寸對(duì)電機(jī)的影響

電機(jī)磁鋼的主要參數(shù)包括永磁體的磁化方向長(zhǎng)度hM、極弧系數(shù)及永磁體沿電機(jī)放置的軸向長(zhǎng)度LM三方面。永磁體軸向長(zhǎng)度LM一般取等于或者略小于電機(jī)的軸向長(zhǎng)度即可。永磁體的磁化方向長(zhǎng)度hM與永磁體的最佳工作點(diǎn)以及永磁體的抗去磁能力密切相關(guān)[5]，同時(shí)也影響了永磁體的強(qiáng)度；永磁體的磁化方向長(zhǎng)度hM不宜取得過(guò)薄，過(guò)薄將導(dǎo)致永磁體的廢品率上升，提高成本，且機(jī)械承受能力差，不易加工和裝配；除此之外，永磁體磁化方向長(zhǎng)度還影響了永磁體的退磁能力。在起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，電流較大，可能會(huì)造成永磁體發(fā)生不可逆退磁。直軸電流是造成永磁體退磁的主要原因[6]。直軸電流的大小可通過(guò)式1計(jì)算，其最大值可通過(guò)式(2)算出。

(1)

(2)

本文利用有限元靜態(tài)場(chǎng)，仿真得出了在最大直軸電流作用下，隨著永磁體磁化方向長(zhǎng)度的改變，永磁體的最小磁密值曲線。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨永磁體磁化方向長(zhǎng)度變化曲線

圖4中，隨著永磁體磁化方向長(zhǎng)度增加，永磁體的最小磁密值逐漸增大。本文采用釹鐵硼N35永磁體，在最高工作溫度80℃以下，當(dāng)磁密值低于1.016T時(shí)，該永磁體發(fā)生不可逆退磁。因此，通過(guò)圖4可知，永磁體磁化方向長(zhǎng)度不能小于3mm。同時(shí)永磁體磁化方向長(zhǎng)度增加，永磁體的用量大幅提升，電機(jī)的生產(chǎn)制造成本隨之提高，電機(jī)重量也會(huì)相應(yīng)增加，因此永磁體磁化方向長(zhǎng)度不宜過(guò)大。綜合來(lái)看，永磁體磁化方向長(zhǎng)度應(yīng)取3mm。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩最大值隨極弧系數(shù)變化曲線

永磁體的極弧系數(shù)是影響永磁體利用率的另一物理量。由文獻(xiàn)[7]可知，永磁體極弧系數(shù)會(huì)影響電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小；電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩較大，會(huì)增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)仿真得到，圖5中，隨著極弧系數(shù)的增加，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩先減小后增大。

通過(guò)仿真極弧系數(shù)與電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)系，如圖5可知，極弧系數(shù)取0.85時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩最小。

3 局部飽和點(diǎn)優(yōu)化

在起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)過(guò)載運(yùn)行，電流較大，同時(shí)為了減輕電機(jī)重量，電機(jī)鐵心用量較少，鐵心容易過(guò)度飽和，進(jìn)而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性。

通過(guò)有限元仿真，在Iq取不同值時(shí)，電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于鐵心飽和的影響，平均輸出轉(zhuǎn)矩和電流并非嚴(yán)格的線性關(guān)系；隨著電流的增大，曲線斜率逐漸減小，轉(zhuǎn)矩變化趨于平緩；73A時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到15N·m。

圖6 轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線圖

仿真得到Iq取73A時(shí)，電機(jī)磁密云圖，如圖7所示。圖中，在每?jī)蓸O之間的轉(zhuǎn)子軛部、定子齒部均出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象，其中定子齒部飽和較為嚴(yán)重；因此，適當(dāng)降低電機(jī)定子齒部的飽和程度可減小此時(shí)電機(jī)的繞組電流，從而緩解發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)繞組因過(guò)載而導(dǎo)致的發(fā)熱問(wèn)題。

圖7 電機(jī)負(fù)載磁密云圖

針對(duì)電機(jī)的局部飽和問(wèn)題提出3種優(yōu)化方案，第一種方案為：適當(dāng)增加定子齒部寬度。由圖8中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，定子齒寬適當(dāng)增加后，轉(zhuǎn)矩電流曲線更趨近于線性，即電機(jī)飽和程度降低了，但定子齒部加寬會(huì)相應(yīng)增加電機(jī)重量；由于無(wú)人機(jī)的載荷條件復(fù)雜，電機(jī)的載荷水平較常規(guī)電機(jī)高，因此需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡最大限度減輕電機(jī)重量。本文為了既能降低電機(jī)局部飽和程度，又能使電機(jī)輕量化，又提出兩種優(yōu)化方案，兩種方案為分別在定、轉(zhuǎn)子軛部不飽和區(qū)域開(kāi)槽處理的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化；由圖10可以發(fā)現(xiàn)，采用后兩種方案即定、轉(zhuǎn)子軛部分別開(kāi)槽與方案一對(duì)比，在任意負(fù)載電流下，優(yōu)化前后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩并無(wú)太大差別。轉(zhuǎn)矩電流曲線基本一致，即本文采用的定、轉(zhuǎn)子軛部開(kāi)槽方案不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性，同時(shí)又能減輕電機(jī)重量。綜合上述多種方案的優(yōu)化結(jié)果，本文提出了圖9的結(jié)構(gòu)形式，即在齒部適當(dāng)加寬的基礎(chǔ)上，定、轉(zhuǎn)子軛部不飽和區(qū)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)槽處理。圖7和圖9對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方案中齒部飽和程度明顯下降；對(duì)比圖8中改進(jìn)前的曲線和定轉(zhuǎn)子軛部同時(shí)開(kāi)槽的曲線可知。該方案轉(zhuǎn)矩電流曲線明顯改善；同時(shí)，該方案也減輕了電機(jī)重量。因此，本文最終確定選用齒部適當(dāng)加寬且定、轉(zhuǎn)子同時(shí)開(kāi)槽的電機(jī)優(yōu)化方案。

圖8 齒加寬與改進(jìn)前轉(zhuǎn)矩隨電流變化對(duì)比圖

圖9 齒加寬且定轉(zhuǎn)子同時(shí)開(kāi)槽磁密云圖

圖10 多種優(yōu)化方案與改進(jìn)前對(duì)比

4 電機(jī)仿真分析

利用Ansoft電磁場(chǎng)對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行了整體的電磁場(chǎng)分析如下：

圖11 電機(jī)的空載磁密分布

圖11給出了優(yōu)化后的電機(jī)在空載時(shí)的磁密分布。

齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，使電機(jī)不能平穩(wěn)運(yùn)行，影響電機(jī)的性能[8]，因此，對(duì)磁鋼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)節(jié)極弧系數(shù)使得電機(jī)氣隙磁密較為正弦，同時(shí)考慮到齒槽效應(yīng)也會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，圖12為優(yōu)化后電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化。電機(jī)的最大齒槽轉(zhuǎn)矩為5.8mN·m，約占額定轉(zhuǎn)矩的0.39%。

圖12 電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

空載反電勢(shì)波形影響到電機(jī)的震動(dòng)、噪聲、紋波轉(zhuǎn)矩的抑制以及附加損耗。圖13為電機(jī)的空載反電勢(shì)波形。

圖13 電機(jī)的空載反電勢(shì)波形

圖14為計(jì)算電機(jī)在額定電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為15.1Nm。

圖14 電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩圖

為了驗(yàn)證樣機(jī)的性能，在樣機(jī)加工制作完成后，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由T型槽、直流電源、電機(jī)、控制器以及示波器等觀測(cè)設(shè)備構(gòu)成。圖15為樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)。從運(yùn)行情況看，電機(jī)滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，運(yùn)行平穩(wěn)。

圖15 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比如表3所示，可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

表3 電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文針對(duì)多旋翼油動(dòng)力無(wú)人機(jī)用起/發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)；研究電機(jī)主要參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響及設(shè)計(jì)方法；針對(duì)油機(jī)起動(dòng)時(shí)電機(jī)的局部飽和問(wèn)題提出多種優(yōu)化方案，進(jìn)行了綜合對(duì)比分析；并通過(guò)有限元分析對(duì)改進(jìn)后的電機(jī)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，為多旋翼油動(dòng)力無(wú)人機(jī)用起/發(fā)電機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案選擇提供了參考依據(jù)。