王 軼，王海霞，金 朝，王 聰，李寶輝，蔣 科，李毅峰，張立輝，楊景慧，衛(wèi)曉陽，徐 艷，王 紅，楊明浩，耿喜臣

（中國人民解放軍空軍特色醫(yī)學中心，北京 100142）

0 引言

高性能戰(zhàn)斗機在飛行過程中，某個方向加速度可以達到重力加速度的9倍，即最大過載可達9 G，其中過載增長率達3～6 G/s。飛行過載特性對飛行員的抗載荷能力提出了很高要求。載人離心機可以在地面模擬飛機機動飛行產(chǎn)生的高過載環(huán)境。通過載人離心機訓練，可以安全、有效地提高飛行員抗荷耐力。為了使飛行員更好地適應高過載環(huán)境，通過離心機旋轉運動，讓在座艙里的飛行員適應離心機高轉速過程模擬產(chǎn)生的重力加速度，已經(jīng)成為飛行員基本訓練項目[1-3]。訓練時，飛行員坐在旋轉臂遠端的艙內。旋轉臂繞軸心旋轉來進行過載模擬。驅動系統(tǒng)是離心機提供旋轉動力核心，典型驅動方式包括氣動驅動、液壓驅動、電驅動等方式[4]。氣動驅動方式采用壓縮空氣作為動力，使空氣渦輪帶動轉頭轉動。轉頭在轉動過程中，在壓縮空氣作用下，在離心室中高速懸浮旋轉，產(chǎn)生訓練過程中所需要離心力場。液壓驅動方式中將轉頭安裝在轉動軸上，以高壓油泵噴射作為驅動力，將液壓油噴射在旋轉軸端葉片，使其高速運轉，產(chǎn)生所需離心力場。電驅動方式以電機作為動力，定子輸入的電功率通過電磁場作用，轉化為轉子旋轉，直接帶動旋轉臂進行旋轉，提供訓練過程中的超荷載模擬[5]。目前大多數(shù)載人離心機的驅動系統(tǒng)采用電驅動方式。

可以作為載人離心機驅動電機的種類有多種，如直流電機、異步電機、同步電機等。永磁同步電機采用永磁體制作轉子，具有較高的功率密度比，且溫升速率較低。伴隨著交流調速技術進步，采用空間矢量脈寬調制和dq坐標系解耦控制技術，使得永磁同步電機驅動系統(tǒng)在控制性能方面具有獨特的優(yōu)勢[6-7]。采用永磁同步電機驅動離心機，具有噪聲小、運行平穩(wěn)、轉速精確、壽命長、易于維護等優(yōu)點，是離心機驅動系統(tǒng)設計的首選驅動方式。

永磁同步電機優(yōu)異性能，使得其在各行各業(yè)得到在應用。國外的科爾摩根電機、派克電機，是整個永磁同步電機領域的典范。國內的永磁同步電機產(chǎn)品，主要集中在中小轉矩方面。本研究參考有關國標文件，結合新一代載人離心機的負載和速度等特性，對擬應用于我國新一代載人離心機驅動的大轉矩永磁同步電機，建立了基于磁粉制動器的測試方法，并對該電機的性能進行了測試分析。

1 電機設計基本特性

驅動電機的基本參數(shù)，與離心機使用過程中的負載特性和加速度特性相關。瞄準新型載人離心機研制需求，在充分分析離心機性能參數(shù)及對比國外同等量級大轉矩輸出的永磁同步電機參數(shù)基礎上，確定的電機設計參數(shù)見表1，其中額定轉矩與實際應用負載轉矩存在一定的裕量。

表1 電機主要性能參數(shù)

依據(jù)表1設計的永磁同步電機，軸向實物照片和側面照片如圖1和圖2所示。

圖1 軸向實物圖

圖2 側向實物圖

2 性能測試分析

為了更好驅動離心機，實現(xiàn)對訓練工況更好的模擬，需要對電機性能進行測試。測試方法建立過程中依據(jù)如下三個國標文件[8-10]：GB/T 1032-2012《三相異步電動機試驗方法》，GB/T 7345-2008《控制電機基本技術要求》，GB/T 755-2019《旋轉電機定額和性能》。

在這三個國標文件基礎上，圍繞控制過程需求，進行的測試內容如下：

2.1 反電勢特性測量

永磁同步電機在工作過程中，定子繞組通過三相交流電，用于產(chǎn)生正弦波磁場，使處于旋轉狀態(tài)下的轉子切割磁感線，在定子繞組中會產(chǎn)生三相正弦波電動勢。這個電動勢具有阻礙定子繞組中電流的變化特性，稱為反電勢。反電勢的大小與電機轉速相關，與轉速成正比例關系。反電勢系數(shù)是一個由電機本體決定的參數(shù)。反電勢系數(shù)影響著同步電機的功角特性，決定功率輸出特性。一般來說，永磁同步電機的反電勢是一個正弦波。這個正弦波受電機設計的影響，經(jīng)常存在畸變。反電動勢基波用于產(chǎn)生電磁轉矩，而反電勢高次分量則相當于作為擾動加在負載轉矩上。反電勢畸變會產(chǎn)生轉矩紋波，降低電機運行的平穩(wěn)性[11]。反電勢系數(shù)和反電勢諧波畸變率兩個參數(shù)，對電機的性能有較大影響，需要進行測量。

反電勢系統(tǒng)測量通過電機空載恒速旋轉工作狀態(tài)進行測量。電機繞組采用三角形接法無法直接測量得到相電壓，只能通過線電壓與相電壓的關系間接得到相電壓。反電勢系數(shù)為相電壓有效值與轉速的比值，即：

這個永磁同步電機繞組采用三角形接法，沒有引出中線，無法直接測量得到電機的相電壓。測試分析過程中以線電壓為基礎，分析相應諧波畸變特性。在實施反電勢測量過程中，電機在控制器作用下，工作在恒定轉速空載模式，測量得到的反電勢波形如圖3所示。測量線電壓諧波畸變情況如圖4所示。

圖3 反電勢波形

圖4 反電勢諧波畸變率

針對上述測量方法，得到反電勢數(shù)值特性見表2。

表2 反電勢特性參數(shù)

觀測圖4和表1可知，雖然永磁同步電機反電勢波形存在諧波，但是反電勢諧波畸變率為1%。這說明電機在設計過程中，繞組跨距和極弧系數(shù)設計較為合理，氣隙磁場的正弦度較好。這個畸變率不足以影響電機轉矩和轉速控制性能。在采用矢量控制進行閉環(huán)轉速控制過程中，該電機能夠產(chǎn)生較好的圓形旋轉磁場，為取得較好轉速控制精度提供基礎。

2.2 持續(xù)轉矩輸出特性

電機應用目標離心機使用特性要求持續(xù)30 min帶負載能力不低于3000 N·m。因此，需要測試電機的額定轉速下持續(xù)轉矩輸出特性。

測試過程中電機在控制器作用下，以額定轉速狀態(tài)運行，通過調節(jié)磁粉制動器供電電壓，改變磁粉的激勵電流，使電機的負載轉矩在3200 N·m左右后，開始記錄數(shù)據(jù)。利用力矩傳感器測量得到的電機輸出負載力矩在30 min內的變化特性如圖5所示。

圖5 力矩持續(xù)輸出特性

通過圖5可以看出，這個電機能連續(xù)30 min持續(xù)輸出3000 N·m以上的大力矩。這說明這個電機能夠滿足離心機的長時間、大轉矩需求應用。

2.3 最大轉矩特性

針對電機應用特性，對電機的最大輸出轉矩進行了測量。測量過程中，通過控制器設置使電機以20 r/min恒速運行，快速調節(jié)磁粉制動器供電電壓，改變負載力矩。測試過程中得到的電機負載轉矩變化特性如圖6所示。

圖6 最大輸出力矩特性

由圖6可知，該電機具備輸出14000 N·m輸出能力，且能夠以一定的轉速進行恒速運行。該結果說明電機具備較好的過載運行能力。

2.4 轉矩轉速特性

在實際離心機應用狀態(tài)下，電機運行在轉速閉環(huán)狀態(tài)，依據(jù)實際運行要求，運行的轉速需要實時調整。

轉速特性測量中，電機拖動負載為磁粉制動器。通過調節(jié)磁粉制動器的供電電壓，使輸出轉矩為3500 N·m。在0～50 r/min范圍內，按照5 r/min為基本間距，通過改變電機控制器的閉環(huán)給定轉速，測量到的轉速-轉矩特性曲線如圖7所示。

圖7 轉速-轉矩特性曲線

由圖7可知，電機具備在不同轉速下以額定轉矩進行轉速閉環(huán)控制能力。在變頻控制方式下，針對某一具體轉速，電機只要能夠在額定轉矩下運行，就能夠在小于額定轉矩的任何負載下運行。圖7的測試結果說明，這個電機能夠在額定轉速和額定轉矩以下的全工況范圍內穩(wěn)定運行?？紤]到不同離心力通過改變驅動電機轉速實現(xiàn)，測試結果表明在旋轉艙體在額定負載以下運行時，能夠得到期望離心力。

3 結語

針對定位于新一代載人離心機應用的國產(chǎn)化大轉矩永磁同步電機，以實際應用過程中對電機的性能要求作為測試目標導向，對電機性能進行了測試。測試結果表明這個電機滿足離心機應用需求。相關測試數(shù)據(jù)為進一步的電機控制器設計提供基礎。本文所研究對象為輸出轉矩為3500 N·m的高轉矩永磁同步電機，是國內首次研制出3500 N·m量級永磁同步電機。所測試數(shù)據(jù)，與科爾摩根相同功率等級閉環(huán)控制數(shù)據(jù)對比，具備類似的控制性能。這說明我國具備閉環(huán)調速工作狀態(tài)下高轉矩（3500 N·m）永磁同步電機研制能力。