董 菲，董春雷，安 翼，劉 雯，蘇靜靜

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

航天伺服系統(tǒng)用永磁同步伺服電機(jī)是一種交流電機(jī)，要求空間體積小、質(zhì)量輕，且需要滿足能夠多次短時(shí)過(guò)載穩(wěn)定工作。

永磁同步伺服電機(jī)既是伺服系統(tǒng)中的動(dòng)力部件，又是控制部件，是機(jī)電伺服系統(tǒng)的核心組成之一。相對(duì)于伺服系統(tǒng)用其它功能部件，使用環(huán)境最為惡劣。電機(jī)作為動(dòng)力部件，散熱措施實(shí)施困難，且自身發(fā)熱，尤其是短時(shí)大負(fù)載工作過(guò)程中，熱量快速積聚使電機(jī)內(nèi)部溫升更高。伺服電機(jī)溫度超過(guò)180 ℃會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)難題[1]，常規(guī)電機(jī)絕緣材料和絕緣處理工藝將無(wú)法滿足要求，因此以轉(zhuǎn)速7000 r/min，功率級(jí)別為6 kW的伺服電機(jī)為例，對(duì)高過(guò)載高可靠伺服電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)電機(jī)性能。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高過(guò)載設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

過(guò)載能力反映了電機(jī)的極限輸出性能，電機(jī)過(guò)載能力越高，極限輸出能力越大，電機(jī)性能發(fā)揮越好。為提高電機(jī)過(guò)載能力，本文主要從降低定子鐵芯飽和度、控制工作溫升兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

隨著定子鐵芯磁飽和程度增加，鐵芯磁導(dǎo)率降低，氣隙磁密增長(zhǎng)呈非線性，影響轉(zhuǎn)矩輸出。從電磁參數(shù)設(shè)計(jì)方面，增加鐵芯齒部和軛部寬度來(lái)降低鐵芯飽和程度，從而減弱磁路非線性和鐵芯損耗帶來(lái)的影響，在一定范圍內(nèi)，提高電機(jī)的極限輸出能力。

電機(jī)高過(guò)載時(shí)損耗主要是銅損，當(dāng)電流不受限制，發(fā)熱允許，且鐵芯磁密出現(xiàn)較高飽和時(shí)，電機(jī)出力達(dá)到極限。由于繞組端部為電機(jī)溫升最高部位，控制電機(jī)溫升主要是控制繞組部分溫升。電機(jī)定子繞組采用灌封結(jié)構(gòu)后，更有利于將電機(jī)繞組溫度導(dǎo)出，控制電機(jī)溫升，提高過(guò)載能力。

1.2 高可靠絕緣設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

高溫是導(dǎo)致定子絕緣可靠性降低的主要因素。高過(guò)載永磁同步伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)矩大電流大，定子繞組端部發(fā)熱量大，溫升高。絕緣材料的極限工作溫度就是電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組絕緣允許最高溫度。因此設(shè)計(jì)定子時(shí)槽絕緣、層絕緣可選用H級(jí)絕緣材料，繞組可選用C級(jí)漆包線，絕緣漆可選用H級(jí)有機(jī)硅浸漬漆，灌封材料可選用導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/(m·K)的新型高導(dǎo)熱灌封材料。

1.3 耐高溫設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

伺服電機(jī)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作，需降低電機(jī)溫升。電機(jī)的損耗大小直接決定了電機(jī)內(nèi)部熱源的大小[2]。降低電機(jī)溫度可通過(guò)減小電機(jī)銅、鐵損耗和快速散熱兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇磁滯、渦流損耗系數(shù)更小的鐵磁材料，適當(dāng)?shù)販p小匝數(shù)、加大線徑、提高槽滿率、增加并繞根數(shù)，在一定程度上減小電機(jī)的銅、鐵損耗，從而從根源上降低電機(jī)各部分的溫度?？焖偕嵬ㄟ^(guò)繞組端部灌封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將熱量有效地傳遞到殼體，起到快速散熱的效果，避免過(guò)多的熱量積存，降低電機(jī)整體溫度，延長(zhǎng)電機(jī)工作時(shí)間。

2 方案設(shè)計(jì)

永磁同步伺服電機(jī)由轉(zhuǎn)子、定子、端蓋組件、旋轉(zhuǎn)變壓器等部分組成，如圖1所示。電機(jī)由驅(qū)動(dòng)控制器供電驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料與導(dǎo)磁材料組成，產(chǎn)生氣隙中磁場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)定子繞組通過(guò)三相交流電流時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子拖動(dòng)負(fù)載輸出機(jī)械功率，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器。

圖1 伺服電機(jī)三維剖面圖Fig.1 Three-dimensional Chart of Servo Motor

2.1 技術(shù)指標(biāo)

高過(guò)載高可靠永磁同步伺服電機(jī)多個(gè)工況點(diǎn)近似歸納為5個(gè)，伺服電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求Tab.1 The Request of Technique Index

2.2 電磁設(shè)計(jì)

在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)，采用ANSOFT軟件建立電機(jī)仿真計(jì)算模型[3]，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。針對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行的5個(gè)工況點(diǎn)，首先從“路”的理念出發(fā)，設(shè)計(jì)電機(jī)磁路，進(jìn)行快速的電磁磁路計(jì)算，然后通過(guò)二維有限元仿真進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

以轉(zhuǎn)矩最大工況點(diǎn)為例，伺服電機(jī)二維有限元仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果Fig.2 The Simulation Results of Speed and Torque

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.3 Flux Density Distribution

仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)矩為22.06 N·m，轉(zhuǎn)速為1000 r/m，相電流有效值為71 A。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí)，定子鐵心齒部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.95 T，為高度飽和，定子軛部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.78 T，接近飽和。

2.3 溫度場(chǎng)分析

根據(jù)電磁計(jì)算結(jié)果中繞組銅耗、鐵耗、摩擦損耗等參數(shù)，對(duì)伺服電機(jī)雜散損耗和表面散熱進(jìn)行估計(jì)。建立電機(jī)三維模型后導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH中，進(jìn)行材料設(shè)置、網(wǎng)格剖分、載荷計(jì)算和施加，起始溫度設(shè)置等必要的前期處理，利用ANSYS軟件中熱分析計(jì)算模塊對(duì)模擬實(shí)際環(huán)境下伺服電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行發(fā)熱估算[4～6]。

未灌封電機(jī)和灌封電機(jī)處于大氣環(huán)境下，設(shè)定初始溫度和環(huán)境溫度為25 ℃，熱載荷為電機(jī)各部分損耗，工作過(guò)程中存在自然對(duì)流散熱。電機(jī)按表2負(fù)載力矩、速度及工作時(shí)間要求進(jìn)行仿真。

表2 溫升實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental Condition of Temperature Rise

未灌封電機(jī)工作550 s時(shí)溫度分布如圖4所示，繞組端部、機(jī)殼緊定螺釘和端蓋端面整個(gè)工作過(guò)程溫度曲線如圖5所示；灌封電機(jī)工作550 s時(shí)溫度分布如圖6所示，繞組端部、機(jī)殼緊定螺釘和端蓋端面整個(gè)工作過(guò)程溫度曲線如圖7所示。

圖4 未灌封電機(jī)溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature Field Distribution of the Unpotted Motor

圖5 電機(jī)溫升曲線Fig.5 Temperature Rise Curve of the Unpotted Motor

圖6 灌封電機(jī)溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature Field Distribution of the Potting Motor

圖7 電機(jī)溫升曲線Fig.7 Temperature Rise Curve of the Potting Motor

從以上仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)發(fā)熱最嚴(yán)重部位為繞組端部。灌封的電機(jī)與未灌封電機(jī)相比，按表2要求運(yùn)行整個(gè)過(guò)程中溫度最高部位繞組溫度從151 ℃降低到109 ℃，降低了42 ℃，灌封效果良好。

2.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要對(duì)軸強(qiáng)度進(jìn)行分析。

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的材料為2Cr13，調(diào)質(zhì)處理32～38 HRC，最小抗拉強(qiáng)度σb=635 MPa。

在ANSYS Workbench環(huán)境下，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，轉(zhuǎn)子花鍵施加1.5倍外負(fù)載，即33 N·m扭矩，對(duì)軸承安裝面施加圓柱形約束[7]，電機(jī)軸受力情況如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子軸強(qiáng)度有限元分析Fig.8 Finite Element Analysis of Rotor Shaft Strength

由圖8可見，33 N·m轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子軸最大受力部位為平鍵鍵槽底部σfea=171.42 MPa，剩余安全系數(shù)為3。能夠覆蓋所提出的工況指標(biāo)，電機(jī)軸有足夠強(qiáng)度保證傳遞各工況下的扭矩，保證電機(jī)能夠可靠工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 電機(jī)電磁分析及實(shí)測(cè)結(jié)果

電機(jī)電磁計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 電機(jī)電磁計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果Tab.3 The Results of Electromagnetic Design and Measure

由表3可以看出實(shí)測(cè)值與仿真值基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 溫升試驗(yàn)

本文采用未灌封、灌封2臺(tái)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)驗(yàn)證[8]，試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖9所示。溫升試驗(yàn)工況按表2要求進(jìn)行，繞組溫升采用熱敏電阻測(cè)溫原理，通過(guò)記錄電阻取相應(yīng)溫度值，電機(jī)殼體緊定螺釘處和端蓋端部溫升采用熱電偶溫度傳感器測(cè)量溫度。

圖9 電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)Fig.9 The Test Platform of Motor Temperature Rise Experiment

電機(jī)整個(gè)工作過(guò)程中，未灌封電機(jī)與灌封電機(jī)溫升曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 未灌封電機(jī)溫升曲線Fig.10 Temperature Rise Curve of the Unpotted Motor

圖11 灌封電機(jī)溫升曲線Fig.11 Temperature Rise Curve of the Potting Motor

由圖10、圖11可知，電機(jī)按表2要求工作550 s后，未灌封電機(jī)最高溫升達(dá)161 ℃，灌封電機(jī)最高溫升達(dá)123 ℃，灌封電機(jī)最高溫升比未灌封電機(jī)低38 ℃，與仿真結(jié)果基本一致?？梢姡抡娼Y(jié)果具有一定的參考意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)航天伺服系統(tǒng)用高過(guò)載高可靠伺服電機(jī)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究，研究了有限空間尺寸限制下高過(guò)載需求；預(yù)定用途工作時(shí)間內(nèi)，工作發(fā)熱的安全性和可靠性；以及在嚴(yán)酷的工作環(huán)境下如何降低繞組發(fā)熱的問(wèn)題。綜合應(yīng)用電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)等有限元分析技術(shù)，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明電機(jī)實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果非常吻合；采用了耐高溫絕緣材料、灌封材料等新產(chǎn)品和新技術(shù)，解決上述問(wèn)題，提高電機(jī)性能，保證電機(jī)能夠高過(guò)載高可靠運(yùn)行。