麻翠娟，張雪峰，楊晨煒，李國(guó)強(qiáng)，王智慧

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

交流永磁同步伺服系統(tǒng)已成為現(xiàn)代機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)，永磁同步伺服電機(jī)是其重要執(zhí)行部件，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功率因數(shù)高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[1]。

為滿足水下無(wú)人航行器對(duì)電機(jī)浸水式、體積小、集成化、噪聲低、低成本、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定工作的要求，本文研制了一種新型的永磁同步電機(jī)，應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元分析技術(shù)對(duì)電機(jī)磁路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，充分提升電磁利用空間，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，滿足電機(jī)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的使用要求。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)，解決結(jié)構(gòu)緊湊、體積盡可能小的問(wèn)題。采用耐腐蝕材料并嚴(yán)格設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性。該電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了集成一體化設(shè)計(jì)、裝調(diào)、試驗(yàn)，提高了產(chǎn)品的集成性。

1 電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

該電機(jī)作為水下某作動(dòng)器的動(dòng)力輸出元件，要求體積小、成本低、水下可靠工作、電機(jī)通過(guò)線纜直接與驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電氣連接。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)直流母線電壓：300±60 V；

(2)相電流有效值：≤5 A；

(3)極對(duì)數(shù)：P≤7；

(4)工況點(diǎn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩3 Nm時(shí)，轉(zhuǎn)速≥2000 r/min；

(5)單次工作時(shí)間：10 min；

(6)壽命：≥8年；

(7)總成尺寸：不大于200X180 mm(長(zhǎng)X寬)

(8)單臺(tái)電機(jī)總質(zhì)量：2.8±0.1 kg

1.2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算定子內(nèi)徑和鐵心長(zhǎng)度：

(1)

式中，Dil為定子內(nèi)徑(m)；Lef為鐵心長(zhǎng)度(m)；Temmax為最大電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)；Bσ為氣隙磁密(T)；A為電負(fù)荷(A/m)[2]。

由式(1)可見(jiàn)，定子內(nèi)徑和鐵心長(zhǎng)度主要取決于氣隙磁密和電負(fù)荷。鑒于電機(jī)長(zhǎng)時(shí)工作在海水環(huán)境中，散熱條件有很大改善，電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流密度可以較常規(guī)電機(jī)適當(dāng)提高，這樣便可以減小電機(jī)體積，提高功率密度。

本方案充分提升電磁利用空間，實(shí)現(xiàn)額定輸出要求，同時(shí)進(jìn)行有效的電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證電機(jī)在海水環(huán)境下的運(yùn)行可靠性。額定轉(zhuǎn)矩電流密度達(dá)11.25 A/mm2。考慮到技術(shù)指標(biāo)要求極對(duì)數(shù)不大于7，為減小電機(jī)體積，提高其單位體積內(nèi)的功率密度，在鐵耗允許的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子選擇多極結(jié)構(gòu)，使得每極磁通量減小，有效地減小定子軛部的體積。電機(jī)要求動(dòng)態(tài)反應(yīng)快，同一功率等級(jí)的電機(jī)多極比少極每相電感更小，使得電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)可以有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩，分?jǐn)?shù)槽電機(jī)工藝性好[3]，因此，極槽配合方案選取繞組系數(shù)高、齒槽轉(zhuǎn)矩小的14極15槽分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)。

根據(jù)初步計(jì)算，電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

其次，改進(jìn)進(jìn)度管理模式能夠保證建筑工程現(xiàn)場(chǎng)施工的安全。安全是現(xiàn)代建筑工程建設(shè)中常被提到的一個(gè)概念，因?yàn)榘踩珕?wèn)題和工程質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性以及進(jìn)度之間都存在著緊密的聯(lián)系。若是在工程施工中出現(xiàn)安全事故，不僅會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)阻礙施工活動(dòng)的正常推進(jìn)，延誤工期?；诖?，在建筑工程施工的過(guò)程中，工程管理人員必須要從安全角度出發(fā)對(duì)工程進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)的制定，保障各方面工序以及工作量的合理安排，留出一定的緩沖余地，同時(shí)改進(jìn)但進(jìn)度管理，將其與安全管理進(jìn)行有機(jī)聯(lián)動(dòng)，如此才能保障建筑工程施工順利有序的完成。

表1 電機(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸

應(yīng)總體體積小、集成化要求，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器集成在電機(jī)殼體內(nèi)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)，電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電機(jī)由驅(qū)動(dòng)控制器供電驅(qū)動(dòng)，供電電壓為300±60 V，輸出轉(zhuǎn)矩3 Nm時(shí)，轉(zhuǎn)速≥2000 r/min，采用正弦波永磁同步電機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子、殼體、端蓋、驅(qū)動(dòng)控制器等部分組成。轉(zhuǎn)子通過(guò)霍爾組件來(lái)檢測(cè)位置和速度信息，三個(gè)插裝式霍爾傳感器均布焊接在一個(gè)環(huán)形電路板上，與直接粘貼在繞組端部或安裝在繞組之間的間隙中這兩種方式[4-5]相比，方便更換或維修。驅(qū)動(dòng)控制器包括兩塊驅(qū)動(dòng)板、連接螺柱等，主要給電機(jī)和霍爾組件供電，并向上位機(jī)反饋轉(zhuǎn)子信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 電磁設(shè)計(jì)

按電機(jī)使用時(shí)實(shí)際負(fù)載和供電電壓，采用基于“磁路”的電磁計(jì)算和基于電磁場(chǎng)有限元瞬態(tài)分析，進(jìn)行電磁計(jì)算及優(yōu)化分析。主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 電磁仿真結(jié)果

基于上述參數(shù)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，利用Maxwell電磁場(chǎng)仿真分析軟件進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示，電磁場(chǎng)分布如圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩曲線

按圖2列出表3，電機(jī)“電流-力矩”對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)值?？煽闯觯姍C(jī)在3.5 Nm以下，基本處于線性狀態(tài)，且有一定的余量。

表3 電機(jī)性能計(jì)算結(jié)果

圖3 反電勢(shì)波形

圖4 電磁場(chǎng)分布

從電磁場(chǎng)瞬態(tài)有限元分析結(jié)果可以看到，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，空載反電勢(shì)峰值為214 V，滿足(300±60)V的使用要求。圖4為電機(jī)輸出3 Nm時(shí)磁密分布圖，充分利用了硅鋼片的性能。

仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)結(jié)果正確、合理，能夠滿足系統(tǒng)要求。

1.4 海水環(huán)境下密封結(jié)構(gòu)、絕緣可靠性設(shè)計(jì)

考慮電機(jī)的海水工作環(huán)境，可靠的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為保證水深較深情況下對(duì)外密封可靠性，采用非金屬雙道密封的形式。選用特瑞堡O型密封件ORAR00154，可在-20℃ ～+200℃溫度范圍內(nèi)使用。密封結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照我所加嚴(yán)密封標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，保證密封可靠，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 密封計(jì)算結(jié)果

水下電機(jī)絕緣受機(jī)、電、熱、油、水和壓力的作用，絕緣材料的絕緣性能及其相容性是電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)的重要工作。匝間絕緣是這類(lèi)電機(jī)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。聚酰亞胺漆包線耐油水性能最好，繞組選用220℃等級(jí)的聚酰亞胺漆包線(QZY(XY)BP-2/200)，具有良好的導(dǎo)電性能，漆膜連續(xù)性及耐水性能夠最大程度滿足電機(jī)絕緣可靠性要求。采用H級(jí)聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料6650作為電機(jī)定子槽、層間絕緣，聚酰亞胺薄膜用于電機(jī)相間絕緣，它們具有優(yōu)異的耐熱、電氣絕緣、柔韌性和浸漬性能。電機(jī)絕緣耐油水性能好，耐高溫能力強(qiáng)。選用H級(jí)660 A不飽和聚酯浸漬絕緣漆進(jìn)行灌封澆注，且其與聚酰亞胺漆包線和聚酰亞胺薄膜相溶性好，提高了電機(jī)的絕緣性能。

1.5 轉(zhuǎn)子位置、速度檢測(cè)

為降低系統(tǒng)成本且保證控制性能，本文提出一種基于線性霍爾組件的電機(jī)總成系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)線性霍爾組件的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、換向、轉(zhuǎn)子位置和速度信息反饋。與輸出軸安裝旋轉(zhuǎn)變壓器外加電路方案[6]比較，電機(jī)總成硬件成本降低；與采用光電式轉(zhuǎn)子傳感器方案比較，亦具有成本低、性能可靠、維修方便、軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

為保證測(cè)量精度，將轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)磁鋼與電機(jī)轉(zhuǎn)子主磁鋼獨(dú)立開(kāi)來(lái)，但兩者同軸安裝，如圖5所示。兩者充磁的極性和波形一致，且位置檢測(cè)磁鋼與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼的中心線對(duì)齊，通過(guò)檢測(cè)位置磁鋼的磁通密度便可得知轉(zhuǎn)子的位置信息?；魻杺鞲衅鞑逖b在獨(dú)立的霍爾安裝印制板上形成霍爾組件，這樣不僅避免了人員裝配誤差導(dǎo)致霍爾檢測(cè)精度降低的問(wèn)題，而且當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，整體更換印制板即可，便于維修。

為保證磁鋼粘貼均勻，轉(zhuǎn)子軸上均布有凸鍵，便于磁鋼定位，可保證每個(gè)磁鋼間的間隙一致，提高檢測(cè)精度。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)磁鋼

2 試驗(yàn)情況

對(duì)實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行空載和帶載性能試驗(yàn)，帶載試驗(yàn)裝置由電源、上位機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、電機(jī)、集成在電機(jī)中的霍爾組件和驅(qū)動(dòng)控制器、電機(jī)軸工裝、砝碼、固定卡具組成，如圖6所示。

圖6 電機(jī)帶載試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)，將電機(jī)總成固定在固定卡具上，電機(jī)軸工裝與電機(jī)輸出軸連接，在電機(jī)軸工裝上懸掛一定重量的砝碼模擬電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩3 Nm，電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速由霍爾組件測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 電機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果

整機(jī)關(guān)注額定電壓下電機(jī)的負(fù)載性能，利用負(fù)載臺(tái)，給出兩個(gè)典型工況點(diǎn)，對(duì)給定負(fù)載下相電流有效值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表6所示。

表6 額定電壓負(fù)載性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5和表6可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值相符，能夠滿足設(shè)計(jì)和使用要求。另外，電機(jī)隨整機(jī)作動(dòng)器進(jìn)行了水下測(cè)試，性能參數(shù)滿足要求。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的水下無(wú)人航行器用集成化永磁同步電機(jī)，基于總體設(shè)計(jì)要求，針對(duì)主要參數(shù)、電磁計(jì)算、密封和絕緣、轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)方法等四個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用電磁場(chǎng)分析等有限元分析技術(shù)，完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明，電機(jī)具有功率密度大、體積小、重量輕、集成化、成本低的特點(diǎn)。后續(xù)此樣機(jī)還隨整機(jī)作動(dòng)器完成了無(wú)人航行器水下試驗(yàn)，該集成電機(jī)具有較好的控制效果，各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足總體指標(biāo)要求。另外，方案采用了可整體更換的獨(dú)立霍爾組件作為反饋元件，降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性，具有較高的性價(jià)比，可推廣用于其他水下應(yīng)用場(chǎng)合。