楊榮江，戴志立，安明燦

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550008；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽 550008)

0 引 言

有限轉角力矩電機位置伺服系統(tǒng)是在有限角度范圍內快速旋轉和準確定位，且具有較大輸出力矩的直接驅動系統(tǒng)[1]。這種系統(tǒng)可在航空伺服閥、舵機作動、機器人關節(jié)、雷達天線、機載炮塔等高精度電氣伺服系統(tǒng)中應用。在航空領域，伺服閥分為噴嘴擋板伺服閥、射流管伺服閥、射流偏轉板伺服閥、直接驅動伺服閥和旋轉直驅電液伺服閥(以下簡稱RDDV)，其中RDDV是新一代電液伺服閥，主要由有限轉角力矩電機、閥體、閥心位移傳感器和控制電路等組成。

RDDV通過有限轉角力矩電機直接驅動伺服閥的滑閥，利用閥心位置的高精度檢測，從而控制系統(tǒng)的方向、流量及壓力[2]。本文論述的有限轉角力矩電機為三余度有限轉角力矩電機，作為某型RDDV的核心部件，上電測試時，出現(xiàn)順時針和逆時針方向輸出力矩不對稱的故障。

1 有限轉角力矩電機工作原理及構成

1.1 工作原理

有限轉角力矩電機由定子、轉子和傳感器組成，工作原理框圖如圖1所示。轉子上的永磁體在氣隙中產生氣隙磁場，霍爾組件通過檢測磁場形成反饋信號，從而確定轉子所處位置。驅動器根據霍爾組件反饋的信號，給電樞通入不同極性的電壓，該電壓將在電樞繞組內產生電流，進而形成定子磁場。定子磁場在氣隙內與轉子產生的氣隙磁場發(fā)生電樞反應，使轉子旋轉，輸出轉矩。當轉子轉動到一定角度后，與限位機構貼合，將電機的角位移限制在一定范圍內。

圖1 電機工作原理框圖

1.2 有限轉角力矩電機結構組成

有限轉角力矩電機由兩大部分組織，結構如圖2所示。一部分是電機本體，主要由定子、轉子、端蓋、軸承、磁鋼、密封圈、殼體等組成，功能是轉子內腔密封，在控制電流的作用下輸出對應的轉矩，以及限定轉動的角度范圍。另一部分是信號反饋裝置，主要由跟蹤磁鋼、霍爾調整機構、霍爾傳感器等組成，功能是檢測轉子與零位之間的相對位置關系。

圖2 電機結構圖

1.3 有限轉角力矩電機技術指標

有限轉角力矩電機主要技術指標如下：

1) 三余度電機，每個余度能夠獨立工作；

2) 轉角范圍：電機機械限位于-20°～+22°范圍內；

3) 單余度力矩≥60 mN·m(三余度電機，28 V室溫下測定，以峰值轉矩為零點的-20°～+20°范圍內)；

4) 額定電流≤1.3 A。

線性霍爾傳感器技術指標如下：

1) 供電電壓Vs：4.5 ～10.5 V(DC)；

3) 供電電壓5 V時，零位電壓2.8～3.2 V(DC)。

2 有限轉角力矩電機故障現(xiàn)象

為某型號配套的有限轉角力矩電機在系統(tǒng)進行性能檢測時,發(fā)現(xiàn)輸出力矩不對稱,測試結果如表1所示。

表1 有限轉角力矩電機性能測試

表1中，測試點1對應有限轉角力矩電機機械角度為-20°時輸出，測試點2對應有限轉角力矩電機零位時輸出，測試點3對應有限轉角力矩電機機械角度為+20°時輸出。在測試點3的電源電流是測試點1電源電流的3倍左右，說明測試點3的輸出力矩與測試點1的輸出力矩不對稱。

有限轉角力矩電機返廠后針對霍爾信號輸出檢測，信號反饋正常；通過對有限轉角力矩電機進行靜力矩測試，沿軸伸端看逆時針靜力矩為43.2 mN·m，沿軸伸端看順時針靜力矩為102.9 mN·m；對有限轉角力矩電機進行通電測試，沿軸伸端看逆時針輸出力矩為121.5 mN·m，沿軸伸端看順時針輸出力矩為23.8 mN·m，故障現(xiàn)象與系統(tǒng)應用時反饋的情況一致。

3 故障原因分析

3.1 仿真分析

故障電機電磁方案為6極6槽，針對故障電機的工作狀態(tài)，對其進行電磁場有限元仿真。建立電機的二維有限元分析模型，如圖3所示。

圖3 電機二維模型

3.1.1 齒槽轉矩仿真計算

為降低齒槽轉矩作用，電機設計時對槽口進行了封閉設計，仿真的電機齒槽轉矩曲線如圖4所示，磁密云圖如圖5所示。由仿真結果可知，電機最大齒槽轉矩為1.18 mN·m，最大磁密出現(xiàn)在槽口處，最大值為1.8 T，滿足使用要求。通過對故障電機測試，逆時針靜力矩為43.2 mN·m，順時針靜力矩為102.9 mN·m。為此，針對6極6槽電機進行了有槽口的齒槽轉矩仿真，模型如圖6所示。有槽口時的齒槽轉矩仿真曲線如圖7所示，從圖7中可以看到，齒槽轉矩達到37 mN·m左右，不排除采取的槽口封閉措施失效故障。

圖4 齒槽轉矩-轉角曲線

圖5 不通電時的電機磁密云圖

圖7 有槽口時齒槽轉矩-轉角曲線

3.1.2 單余度工作狀態(tài)仿真計算

常溫下故障電機在28 V下單余度線圈電流為0.84 A,施加電流源，仿真出電機的磁密云圖如圖8所示，電機磁密除極靴根部處于過飽和外，其余磁密小于1.8 T，且電樞材料飽和磁密為2.4 T，符合材料應用要求。各個繞組分別通電流源，輸出轉矩-轉角曲線如圖9、圖10所示。由仿真結果可知，電機輸出轉矩最小值為84 mN·m，在轉角范圍為±20°范圍內轉矩大于60 mN·m，電機在常溫狀態(tài)下滿足指標要求。

圖8 單余度通電時電機磁密云圖

圖9 單余度通電順時針轉矩-轉角曲線

圖10 單余度通電時逆時針轉矩-轉角曲線

3.2 分解檢查

針對故障電機，拆除蝸卷彈簧后進行性能檢測和分解檢查，情況如下：

1) 對故障電機進行通電測試,測試結果如表2所示。

2) 對故障電機拆除蝸卷彈簧后進行了靜力矩測試，沿軸伸端看順時針靜力矩為54.4 mN·m，沿軸伸端看逆時針靜力矩為51.7 mN·m,兩端力矩平衡。

3) 故障電機拆解檢查未見異物、卡滯、零件損壞等現(xiàn)象。

通過故障樣機測試,單余度工作產生的輸出力矩在22.5 mN·m～37.2 mN·m范圍內，產生的靜力矩在51.7 mN·m～54.4 mN·m范圍內。在28 V電壓下，繞組電流為0.83 A時輸出的電磁力矩在74.2 mN·m～91.6 mN·m范圍內，與電磁仿真輸出力矩基本吻合。

3.3 受力分析

由于樣機的靜力矩異常，通過電磁結構分析，實物樣機產生的靜力矩主要由摩擦轉矩、齒槽轉矩引起。摩擦轉矩基本可以忽略，槽口封閉時齒槽轉矩1.18 mN·m基本可以忽略，靜力矩較大的原因主要是6極6槽槽口封閉措施失效，在有槽口作用下齒槽轉矩為37.1 mN·m作用而產生的。

蝸卷彈簧的作用是通過變形產生力矩將轉子維持在需要的零位位置，因蝸卷彈簧受力的方向不同，當轉子轉動時，蝸卷彈簧的變形量在順時針和逆時針方向存在增大或減小的情況。

針對故障電機，未安裝蝸卷彈簧時，電機順時針方向與逆時針方向產生的齒槽力矩是相同的，為F1，如圖11所示。當電機安裝蝸卷彈簧后，為了保證轉子在規(guī)定的零位位置，蝸卷彈簧變形產生的力矩F2必須與齒槽力矩F1相等，才能保持轉子零位位置，如圖12所示。當電機通電逆時針旋轉并運動到極限位置時，產生的電磁力為F3，輸出力矩F0=F3+F2-F1，如圖13所示。當電機通電順時針旋轉并運動到極限位置時，產生的輸出力矩F0=F3-F2-F1，如圖14所示。

圖11 未裝蝸卷彈簧圖12 蝸卷彈簧保證轉子零位狀態(tài)

圖13 逆時針旋轉時受力圖14 順時針旋轉時受力

從受力分析可以看到，在定位力矩和蝸卷彈簧變形產生的力矩作用下，電機順時針輸出力矩要比逆時針輸出力矩小，與故障現(xiàn)象相符。

3.4 分析結論

通過上述分析可知，齒槽轉矩和蝸卷彈簧變形產生的力矩，導致了電機順時針產生的輸出力矩與逆時針產生的輸出力矩不對稱。當消除或降低齒槽力矩F1后，蝸卷彈簧只需要克服齒槽轉矩就能將轉子維持在所需的零位位置。電機通電時，即使轉子運動到極限位置，蝸卷彈簧變形量產生的力矩都很小，與電磁力矩相比可以忽略不計，從而保證了電機在順時針和逆時針方向的輸出力矩基本一致。

4 改進措施

4.1 采用6極9槽方案

故障確定后，通過采用6極9槽的改進措施來消除定位力矩的影響。根據仿真及對比分析，6極9槽齒槽轉矩較小，擬采用6極9槽的電磁方案。6極9槽線圈存在三種結構形式，單線圈三槽結構如圖15所示，單線圈兩槽結構如圖16所示，單線圈兩槽、三槽混合結構如圖17所示。

圖15 單線圈三槽結構

圖16 單線圈兩槽結構

圖17 單線圈兩槽、三槽結構

采用單線圈三槽結構時，單線圈通電有3個齒有效工作，雙線圈通電時有4個齒有效工作，三線圈通電時有3個齒有效工作。

采用單線圈兩槽結構時，單線圈通電有2個齒有效工作，雙線圈通電時有4個齒有效工作，三線圈通電時有6個齒有效工作。

采用單線圈兩槽、三槽結構時，單線圈通電存在3個齒或2個齒有效工作情況，雙線圈通電時有4個齒或5個齒有效工作，三線圈通電時有6個齒有效工作。

考慮到系統(tǒng)使用時為熱備份，每次通電三套繞組，優(yōu)先選用三套繞組方案。

4.2 電磁仿真

有限元建立仿真模型如圖18所示。單套繞組斜槽輸出轉矩掃描曲線如圖19所示。斜半個齒距后的輸出力矩如圖20所示。從圖18、圖20中可以看到，電機對稱點在80°位置，在61.22°、99.52°位置輸出力矩為198 mN·m，滿足指標大于60 mN·m的要求。同時，針對6極9槽的齒槽轉矩進行了仿真，如圖21所示。斜槽半個齒后，電機的齒槽力矩如圖22所示。對稱點在80.85°時齒槽轉矩為1.2 mN·m，在60.06°時齒槽轉矩為1.14 mN·m，在100.87°時齒槽轉矩為1.09 mN·m。

圖18 仿真模型

圖19 輸出力矩斜槽掃描

圖20 斜半個齒后輸出力矩

圖21 齒槽轉矩斜槽掃描

圖22 斜半個齒后齒槽轉矩

5 樣機測試

按照6極9槽的方案生產樣機并進行測試，樣機及樣機測試如圖23所示。輸出力矩測試結果如表3所示，可以看到，輸出力矩、輸出電流滿足指標要求。霍爾信號檢測結果如表4所示，可以看到，零位電壓、-20°位置電壓、+20°位置電壓滿足指標要求。

圖23 樣機及樣機測試

表3 輸出力矩檢測

表4 霍爾信號檢測

6 結 語

本文對故障電機進行測試、仿真分析及拆解檢查，確定輸出力矩不對稱的故障原因：6極6槽槽口封閉措施失效，從而導致故障樣機齒槽轉矩異常，在蝸卷彈簧的作用下，故障電機在順時針和逆時針方向的輸出力矩不對稱。通過采用6極9槽的電磁方案進行樣機改制，樣機測試結果滿足指標要求，輸出力矩不對稱問題得到解決。