大角動量無刷直流陀螺電動機的設(shè)計
申志剛，任建濤，劉景林。
摘要：介紹了一種無刷直流陀螺電動機的設(shè)計。電機本體采用大角動量結(jié)構(gòu)和徑向磁化永磁體構(gòu)成的串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，并采取了減小齒槽轉(zhuǎn)矩、定子鐵耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗的有效對策。其與專用控制器聯(lián)接，實現(xiàn)了起動可靠、起動時問短及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高等技術(shù)要求，保證了系統(tǒng)的測量精度和工作可靠性。最后針對設(shè)計中的不足之處提出了改進方案。
關(guān)鍵詞：無刷直流；陀螺電動機；齒槽轉(zhuǎn)矩；鐵耗；轉(zhuǎn)子渦流損耗
0 引 言
無刷直流陀螺電動機應(yīng)用于高精度定向系統(tǒng)，其以高速旋轉(zhuǎn)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的角動量，系統(tǒng)從而利用陀螺效應(yīng)準確測量方位角度。該研制項目是在國內(nèi)外電機及控制技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合高精度定向系統(tǒng)研制的實際需求而提出的，適應(yīng)了機電一體化的發(fā)展方向。
該電機屬于稀土永磁無刷直流電動機(REPMBLDcM)，它既有交流同步電動機的簡單結(jié)構(gòu)，又有直流電動機優(yōu)良的調(diào)速特性，具有可靠性高、工作壽命長、效率高和控制性能好等優(yōu)點，是近幾年來發(fā)展比較快的新型電機，廣泛應(yīng)用于航空、航天及民用領(lǐng)域。此無刷直流陀螺電動機系統(tǒng)包括電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動控制器三大部分。
其中，電機本體采用三相Y形接法，外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，工作于二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)。電機采用電子換向器，同時采用具有高矯頑力、高磁能積的稀土永磁材料，使得電機具有體積小、效率高等優(yōu)點。
轉(zhuǎn)子位置傳感器采用體積小、可靠性高的無接觸式霍爾(Hall)磁敏開關(guān)傳感器，使電機具有較好的起動特性和抗過載、抗沖擊能力：其輸出信號為脈沖形式，不但可遠距離傳輸，而且轉(zhuǎn)子位置可數(shù)字檢測，檢測保真度高。同時，借助H all轉(zhuǎn)子位置傳感器可間接檢測電機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)速控制無需復(fù)雜的轉(zhuǎn)速傳感器。驅(qū)動控制器主要包括主功率逆變器、隔離與驅(qū)動電路和控制電路。能量調(diào)控通道采用三相橋式逆變器，工作于120°三相六狀態(tài)換相控制模式。
電機由數(shù)字信號處理器(DsP)和復(fù)雜可編程邏輯器件(cPLD)控制，采用軟硬件相結(jié)合的控制電路，實施功率變換、轉(zhuǎn)速閉環(huán)、軟啟動、系統(tǒng)監(jiān)控與保護等功能。
無刷直流陀螺電動機是定向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作性能直接影響著系統(tǒng)的測量精度與可靠性，
由此可以看出，削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法呵歸納為三大類，即改變永磁磁極參數(shù)的方法、改變電樞參數(shù)的方法以及電樞槽數(shù)和極數(shù)的合理組合；
2。2齒槽轉(zhuǎn)矩最小化技術(shù)
(1)磁性槽楔法采用磁性槽楔就是在電機的定子槽口上涂壓一層磁性槽泥，固化后形成具有一定導(dǎo)磁性能的槽楔。磁性槽泥的主要成分是高純度鐵粉和高粘度樹脂，其相對于空氣的磁導(dǎo)率一般為2～5。磁性槽楔減小了定子槽開口的影響，使定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)分布更加均勻，從而可以減小由于齒楷引起的轉(zhuǎn)矩脈動。然而由于磁性槽楔材料的導(dǎo)磁性能不是很好，因而對于轉(zhuǎn)矩脈動的削弱程度有限。
(2)閉口槽法采用閉口槽即定子槽不開口，槽n材料與齒部材料相同。因槽口的導(dǎo)磁性能較好，所以閉口槽比磁性槽楔能更有效地消除轉(zhuǎn)矩：但采用閉口槽會給繞組嵌線帶來極大的不便，同時也會大大增加槽漏抗，增大了電路的時間常數(shù)，將影響電機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
(3)分數(shù)槽法該方法可以提高齒槽轉(zhuǎn)矩基波的頻率，使齒槽轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小。但是采用了分數(shù)槽后，各極下繞組分布不列稱，從而使電機的有效轉(zhuǎn)矩分量部分被抵消，電機的平均轉(zhuǎn)矩電會因此而相應(yīng)減小。
(4)斜槽法定予斜槽法是最為傳統(tǒng)的降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，其機理與分數(shù)槽法有相似之處。將定子槽沿軸向扭斜一個定子槽距，可有效地消除有齒槽引起的力矩波動。但定子斜槽一般會影響導(dǎo)體的占槽面積，從而使銅耗增加。此外，斜槽還會使電機的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，并且在一定程度上降低了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
(5)采用無齒槽結(jié)構(gòu)為了消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，可采用無槽繞組結(jié)構(gòu)。電機的定子鐵心沒有齒槽，相電樞繞組緊貼在內(nèi)定子鐵心的外圓周表面，定轉(zhuǎn)子之問的理論計算氣隙較大。這種結(jié)構(gòu)能夠****消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的影響，但其繞組電感顯著減小，一般只有兒微亨至幾十微亨，因此定子電流中的PwM分量非常明顯’：
上述各種方法在電機的設(shè)計時應(yīng)綜合考慮：而在此陀螺電機本體設(shè)計中，定子鐵心采用斜槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子優(yōu)先選擇表貼式磁鋼結(jié)構(gòu)，相當于增大，電機的等效工作氣隙。同時，在不影響磁鋼利用率的情況下，盡可能增大氣隙尺寸。在加工中注意提高定、轉(zhuǎn)子鐵心的加工及裝配精度，并且選配磁性能一致的釹鐵硼磁鋼。多種方法的應(yīng)用切實降低了齒槽轉(zhuǎn)矩波動，保證的陀螺電機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性：在后續(xù)研制中，可以考慮適當減小定子槽開口寬度，在保證定子繞組下線方便的情況F進一步減少由定子槽開口所引起的氣隙磁導(dǎo)變化。同時也可以考慮采用無齒槽定子結(jié)構(gòu)，這樣有利于從根本上消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的影響：
3 電機本體損耗分析
永磁無刷直流陀螺電機的損耗一般可分為以下幾類：
(1)定子和轉(zhuǎn)于鐵心中的基本鐵耗，它主要是由主磁場在鐵心中發(fā)生變化時產(chǎn)生的。
(2)鐵心中的附加損耗，它主要指由定子開槽而引起的氣隙磁導(dǎo)諧波磁場在轉(zhuǎn)子鐵心表面產(chǎn)生的表面損耗，以及由工作電流產(chǎn)生的漏磁場(包括諧波磁場)在定轉(zhuǎn)子鐵心及結(jié)構(gòu)件里引起的各種損耗。
(3)電氣損耗，它指由工作電流在定子繞組中產(chǎn)生的損耗。
(4)機械損耗，它主要包括風阻損耗(南轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)引起的轉(zhuǎn)子表面與氣體之間的摩擦損耗)和軸承摩擦損耗。
作為陀螺電機，其主要作用是克服風阻力矩和軸承摩擦力矩進行高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，如果陀螺電機的功率損耗過火，將造成電機的輸入功率增加，從而引起電機的效率F降，溫升增大。而電機的發(fā)熱情況嚴重，也將造成其不能穩(wěn)定工作，因此要首先從設(shè)計角度設(shè)法努力減小陀螺電機的各類損耗。
3．1基本鐵耗
電機的基本鐵耗是由主磁場在鐵心內(nèi)發(fā)生變化
時產(chǎn)生的。這種變化可以是所謂交變磁化性質(zhì)的，例如定子齒中所發(fā)生的；也可以是所謂旋轉(zhuǎn)磁化性質(zhì)的，例如定子鐵軛中所發(fā)生的。不論是交變磁化還是旋轉(zhuǎn)磁化，它們均會在鐵心中引起磁滯和渦流損耗。在丁程實際中，鐵心的基本鐵耗通常按以下數(shù)值方程進行計算
由此可知，鐵心中的基本鐵耗在頻率一定的情況下，主要與鐵心中的磁感應(yīng)強度、材料的厚度及性能有關(guān)。此外，鐵心沖疊工藝水平的高低及加工方法也往往對鐵耗的大小有重大影響：在電機鐵心設(shè)計中，鐵心材料選用鐵損小的冷軋無取向磁性鋼帶35w230，但鐵心齒部的磁感應(yīng)強度較大，造成齒部磁路趨于飽和，在設(shè)計改進中應(yīng)適當增大定子齒寬，降低齒部的磁感應(yīng)強度，進一步減小齒部鐵耗。
3。2轉(zhuǎn)子渦流損
耗轉(zhuǎn)子渦流損耗在高速無刷電機中比較嚴重，會引起轉(zhuǎn)子永磁體過熱與不可恢復(fù)性退磁。其主要是由定子電流的時間和空間諧波以及由定子槽開日引起的氣隙磁導(dǎo)變化所產(chǎn)生的。在高速永磁無刷直流電機中轉(zhuǎn)子渦流損耗一般比風阻損耗嚴重，因此有必要采取技術(shù)措施來降低轉(zhuǎn)子渦流損耗一=3．3定子結(jié)構(gòu)的影響轉(zhuǎn)子渦流損耗中電流時間諧波引起的損耗主要取決于控制策略(例如是否采用脈寬調(diào)制)，電流空間諧波引起的損耗和氣隙磁導(dǎo)變化引起的損耗主要取決于電機定子結(jié)構(gòu)以及槽開口的大小、氣隙長度等結(jié)構(gòu)尺寸=高速電機轉(zhuǎn)子渦流損耗很難通過試驗的方法從電機的整體損耗中分離檢測出來，周鳳爭等人…。采用解析計算和有限元仿真的方法對比研究了不同的定子結(jié)構(gòu)對高速無刷直流電機中轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響：
分析表明，隨著定子槽開口的增大，電流空間諧波引起的轉(zhuǎn)子損耗有所減小，但是變化不大。槽開口更重要的影響在于造成氣隙磁導(dǎo)的不均勻，由此使得永磁體內(nèi)的磁場發(fā)生變化，造成渦流及損耗。
隨著槽開口的增大，氣隙磁導(dǎo)變化加劇，因此對應(yīng)的轉(zhuǎn)子損耗也隨之增加。當槽口尺寸不變時，隨著電機工作氣隙長度的增加，定子槽開口所產(chǎn)生的影響逐漸減弱，轉(zhuǎn)子損耗也隨之減小。因此在電機設(shè)計改進時，應(yīng)考慮適當減小槽日尺寸或增大工作氣隙長度以減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。同時定子結(jié)構(gòu)對高速電機轉(zhuǎn)子渦流損耗影響很大，通過合理設(shè)計能夠大幅減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。此陀螺電機定子采用12槽整距疊繞組，在工作轉(zhuǎn)速下單相等效電流片不含有偶次空間諧波分量，也就不會產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)子損耗。
雖然會含有3的倍數(shù)次諧波分量，但三相合成后為零，也并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)子渦流損耗。
3．4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的影響
陀螺電機采用釹鐵硼永磁體，其徑向尺寸較小，定子電樞與轉(zhuǎn)子鐵心的間隙也就比較小，因此定子繞組產(chǎn)生的磁勢諧波和定子齒諧波磁場容易透入永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心中，它們與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生大量的渦流損耗，是轉(zhuǎn)子渦流損耗的主要部分：同時，為了保證陀螺電機的質(zhì)心穩(wěn)定性，一般轉(zhuǎn)子都采用整體鐵心，因而也就加大了渦流損耗的作用。由文獻[8]的分析可知，永磁體中的渦流能夠抵消氣隙諧波磁場，對轉(zhuǎn)子渦流損耗具有抑制作用：利用這一規(guī)律，將轉(zhuǎn)子永磁體表面的護環(huán)材料改為導(dǎo)電性能更好的黃銅(見圖4)。
銅護環(huán)的厚度選擇合適時，渦流損耗主要集中在護環(huán)中，其中的渦流對諧波磁場起到屏蔽作用，減小了轉(zhuǎn)子其它部分的損耗尤其是永磁體中的損耗，使轉(zhuǎn)子的總體渦流損耗得到降低。
4測試結(jié)果與設(shè)計
改進兩臺無刷直流陀螺電機聯(lián)接專用控制器進行調(diào)試試驗，其測試結(jié)果如表1所示：
測試結(jié)果表明，該無刷直流陀螺電機基本滿足技術(shù)指標和總體應(yīng)用的要求，具有啟動可靠性高、啟動時間短及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高等優(yōu)點，但同時還存在一些不足之處，例如電機的工作電流偏大、功率損耗過大以及角動量略低等，對此從電機本體設(shè)計角度考慮進行以下方面的改進。
(1)進一步降低轉(zhuǎn)矩波動適當減小定子槽開口寬度，在保證定子繞組F線方便的情況下進一步減少由定子槽開口所引起的氣隙磁導(dǎo)變化。同時可以考慮采用無齒槽定子結(jié)構(gòu)，從根本上消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動的影響；(2)減小電機丁作損耗 適當增大定子齒寬，降低齒部的磁感應(yīng)強度，進一步減小電機定子鐵耗。
減小定子槽口尺寸，減小氣隙磁導(dǎo)變化所引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗，同時在永磁體表面采用銅護環(huán)，利用其中渦流對諧波磁場的屏蔽作用，減小了轉(zhuǎn)子總體渦流損耗；(3)增大電機角動量轉(zhuǎn)子殼體采用高比重的鎢基合金，可以在電機外形尺寸和轉(zhuǎn)速不變的條件下提高電機角動量，滿足總體更高的技術(shù)指標要求；(4)提高電機工作壽命電機軸承采用聚酰亞胺的含油保持器，替代目前的脂潤滑方式，可以改善軸承潤滑狀況，有效提高電機工作壽命。
5結(jié)語
本論文對大角動量無刷直流陀螺電動機的設(shè)計進行了介紹，通過大角動量設(shè)計、定子斜槽、緊湊型轉(zhuǎn)子位置傳感器等結(jié)構(gòu)設(shè)汁及徑向磁化串聯(lián)磁路設(shè)計基本實現(xiàn)了技術(shù)指標要求．針對永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩波動和工作損耗等關(guān)鍵難點問題，在設(shè)計中采取了相應(yīng)的技術(shù)措施加以解決。目前該電機已應(yīng)用于定向系統(tǒng)，體現(xiàn)出啟動眭能可靠、啟動時間短及轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高等優(yōu)點，保證了定向系統(tǒng)的測量精度和工作可靠性。針對電機工作電流偏大、功率損耗過大以及角動量略低等不足之處，從電機本體設(shè)計角度考慮進行技術(shù)改進，有望進一步提高該無刷直流陀螺電動機的工作性能。 |
