戴志立，楊榮江

(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(shù)研究中心,貴陽 550008)

0 引 言

傳統(tǒng)航空燃油用電動機為有刷直流油泵電動機，因該類電動機固有的換向器和電刷，運行時兩者的高速摩擦會產(chǎn)生火花，電刷的磨損以及火花對換向器的燒灼導致電機維修頻率高、壽命短以及可靠性低。同時，有刷直流電動機運行時效率低，無法滿足現(xiàn)代武器裝備對電機高功率密度的要求。電火花的產(chǎn)生也會干擾系統(tǒng)的無線信號，對電磁兼容產(chǎn)生有害影響[1-3]。

近年來，隨著永磁電機的高速發(fā)展[4-5]，無刷直流電動機應用范圍越來越廣，成熟度也在不斷提高。國外研制的油泵用三相三狀態(tài)帶位置傳感器的無刷直流電動機，存在轉(zhuǎn)矩波動大、繞組利用率低等缺點。國內(nèi)對無位置傳感器控制系統(tǒng)的油泵電動機也進行了研究[6]，但無位置控制在油泵電動機中的應用不成熟，有待進一步發(fā)展。

隨著我國武器裝備的不斷更新，國內(nèi)正在逐步采用無刷直流電動機替代有刷直流電動機[7]，使得油泵系統(tǒng)的可靠性和壽命都得到了提升。本文以一臺無刷直流電動機為例，通過仿真與樣機測試結(jié)果分析，驗證了該方案的可行性。

1 方案的確定

1.1主要尺寸的確定

電機額定電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如表1所示，根據(jù)下式[8]初步確定電機主要尺寸。

(1)

表1 輸出性能指標

1.2電機槽、極的確定

1.3其它參數(shù)的確定

通過合格設計梨形槽的尺寸，齒磁密控制在1.5～1.6 T之間。同時，為了增加電機抗去磁能力，確定磁鋼厚度為5 mm，極弧系數(shù)為0.8。運用 Maxwell RMxprt對其它部分進行優(yōu)化，確定電機基本參數(shù)，如表2所示。

表2 無刷直流電動機基本參數(shù)

2 Maxwell 2D有限元仿真

2.1有限元模型的建立

通過劃分網(wǎng)格，添加激勵以及設置外電路，建立的二維有限元模型，如圖1所示。

圖1 電機有限元模型

2.2仿真分析

生成二維有限元模型后，對其進行網(wǎng)格劃分，添加激勵以及設置外電路?？紤]到控制器對電機實施閉環(huán)控制會對額定電壓進行斬波處理，同時為了提高電機的過載能力，按電壓25 V(DC)、扭矩0.81 N·m對電機進行開環(huán)仿真，額定負載下電機的轉(zhuǎn)速及消耗電流結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 額定負載下電機轉(zhuǎn)速

圖3 額定負載下電機的消耗電流

從仿真結(jié)果可得，電機在電壓25 V(DC)、扭矩0.81 N·m時的轉(zhuǎn)速為11 768 r/min，通過控制器閉環(huán)控制可將轉(zhuǎn)速調(diào)整到11 200 r/min，滿足轉(zhuǎn)速要求；電機消耗電流為46 A，效率為86%，滿足電流不大于50 A的要求。

3 實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

電機本體和控制器為一體化設計，其實物照片如圖4所示(圖片上半部分為電機本體，下半部分為控制器)。負載實驗框圖如圖5所示，電機正負極接28 V直流電源，輸出軸與測試臺相接。電機控制方式為閉環(huán)控制，給電機加上0.81 N·m的負載后，其轉(zhuǎn)速和消耗電流如表3所示。

圖4 電機實物圖

圖5負載實驗框圖

表3 負載實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)可得，兩臺電機的輸出轉(zhuǎn)速為11 160 r/min左右，控制精度在50 r/min以內(nèi)，同時電機的消耗電流在40 A左右，故電機各項輸出指標滿足要求。將仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行對比，如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)對比

電機設計時的思路為，用開環(huán)仿真出電機具備的輸出能力，用閉環(huán)控制實現(xiàn)電機的輸出性能指標。在開環(huán)仿真時，用低于10%的額定電壓進行負載仿真，其優(yōu)點在于仿真出來的損耗和轉(zhuǎn)速都接近輸出指標。在額定電壓28 V和扭矩0.81 N·m下仿真，電機轉(zhuǎn)速為13 000 r/min。根據(jù)同極槽配合的無刷直流電動機的設計經(jīng)驗，電機實際轉(zhuǎn)速一般低于仿真轉(zhuǎn)速的8%，故推算28V下電機的轉(zhuǎn)速能達到12 000 r/min，而實際電機在通用控制器開環(huán)測試下的轉(zhuǎn)速為12 010 r/min，仿真結(jié)果與實際轉(zhuǎn)速十分接近。電機在閉環(huán)控制實驗時，控制器通過調(diào)節(jié)電壓占空比，將轉(zhuǎn)速從12 000 r/min 降低至11 200 r/min，從而實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速為11 200 r/min的要求。從表4可得電機轉(zhuǎn)速誤差為5%，其主要原因是仿真和實驗所采用的控制方式的不同；電流誤差為13%，其原因是仿真和實驗的輸入電壓及輸出功率不一致；效率誤差為1.9%，其原因主要是不同轉(zhuǎn)速下電機效率的不同和加工誤差。總之，電機實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相差較小，能較好地滿足客戶使用性能的要求。

4 結(jié) 語

本文先通過路算法確定電機的主要尺寸，其優(yōu)點是能夠快速求解出電機的主要性能指標以及體積、質(zhì)量。然后結(jié)合電磁場有限元方法對電機的輸出性能進行仿真，其優(yōu)點是能夠觀察電機各部位的磁密，分析電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等曲線，從而對電機的參數(shù)進行優(yōu)化，如此反復迭代獲取電機最佳性能。最后對樣機輸出性能進行負載實驗，所得的實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)相差較小，電機各項輸出性能指標滿足用戶的使用要求。

雖然電機各項性能指標均能滿足用戶需求，但由于該電機本體和控制器都是單獨進行仿真，兩者之間沒有相互關聯(lián)及耦合，導致單一的仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)存在著一定的差距。電機本體在進行有限元模型仿真時，僅考慮控制器管壓降以及簡單的開環(huán)控制，與電機的實際運行工況存在著一定的差距，降低了電機性能分析的準確性?？刂破鞣抡娌粚⒙┐偶按艌鲲柡偷纫蛩乜紤]在內(nèi)，從而降低了控制器仿真的準確性。因此，對電機本體與控制器進行聯(lián)合仿真，能更加貼近實際運行工況，是一體化電機設計的發(fā)展方向。