風洞滾轉機構用高性能力矩電機的研制

馮 明，白本奇，曲 亮

（1.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083；2.中國空氣動力發展研究中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

高超聲速風洞主要用于戰略導彈、運載火箭、航天器等飛行器的模型試驗，其高氣流溫度，大沖擊載荷的特性對試驗模型的控制機構提出了較為苛刻的要求。高超聲速風洞高能耗和高試驗成本的特點也要求風洞試驗不僅要提高試驗數據的準確性，還要盡可能地提高試驗效率［1-2］。

目前，自動變角度滾轉機構將伺服電機置于風洞流場區外部，通過減速機構和多個傘齒輪副組成的傳動機構控制模型滾轉。這種機構不僅結構復雜，而且齒輪傳動間隙影響機構的定位精度，不能滿足1′～3′的控制要求。為將滾轉精度控制在1′～3′，試驗時還需在中部支架與天平模型之間安裝機械鎖緊裝置，利用高精度電子傾斜儀由人工調整模型到指定的滾轉角。這樣，一次試驗只能完成一個滾轉角的試驗，要做不同滾轉角試驗時必須停止試驗，精確調整角度后，再進行下一次試驗，導致試驗效率低，成本高。

介紹了由耐高溫永磁力矩電機直接驅動的高精度自動變角度滾轉機構。永磁力矩電機具有低速性能好，輸出轉矩大，定位剛度高，調速性能好，動態響應快，運行可靠等特點［3-6］。通過高精度編碼器和閉環位置控制，實現了高精度的角度定位。試驗證明該系統完全能滿足風洞試驗的要求。

1 滾轉機構設計

1.1 機構整體設計

對自動變角度滾轉機構的基本要求如下：（1）外形尺寸φ90mm×200mm；（2）滾轉力矩10N·m，耐沖 擊載荷20N·m；（3）定位精度±3′以內；（4）能承受200℃高溫工作環境；（5）電機不對天平信號產生電磁干擾等。

針對以上要求設計滾轉機構如圖1所示。空心主軸（17）由一對圓錐滾子軸承（2，7）支撐，靠螺母預緊。力矩電機的轉子磁鋼（6）外貼于主軸表面，定子（5）過盈安裝在過渡支架內孔中。在繞組線包中埋有溫度傳感器，可對內部的溫度進行監視。天平信號線（11）由C 型拉桿（14）內孔引出，支桿靠拉桿和鎖緊螺母固定。編碼器（8）置于主軸尾部，并在端部設有保護隔熱層。

圖1 滾轉機構Fig.1 Rolling system

1.2 機構控制系統設計

圖2為高精度自動變角度滾轉機構控制原理圖。計算機與電機驅動器連接，向滾轉機構發出指令同時實時監測機構的運行狀態。滾轉機構的位置信號由編碼器反饋給驅動器，實現機構的位置閉環控制。同時，驅動器內置的功能模塊還可由滾轉機構的位置信號求得其轉速，實現對滾轉機構的速度閉環控制。

圖2 控制系統原理圖Fig.2 Principle of control system

編碼器規格為10000線4倍頻增量型編碼器，分辨率為±0.54′，可以實現高精度位置反饋定位。

2 力矩電機設計

該滾轉機構設計中，關鍵是力矩電機部分的設計，其截面結構如圖3所示。

為滿足對電機力矩輸出，運轉平穩性、耐熱性的要求，并減少電磁干擾，電機的定子槽數、齒槽形狀、繞線方式、磁鋼材料、形狀和充磁方式等都需經過優化設計。

圖3 電機截面圖Fig.3 Motor structure

2.1 電磁方案設計

電磁設計主要考慮電機力矩性能的實現及大載荷下的電磁穩定性。設計過程中經多方案的對比，合理考慮各項性能參數的實現，并考慮電機的工藝結構，最終選擇8極9槽分數槽結構。

8極9槽結構具有較小的齒槽效應，可提高電機運行時的平穩性。分數槽集中繞組可以提高槽的利用率，提高電機力矩常數。合理選擇的齒形和磁鋼形狀可以優化電機內部磁路，避免小電流下出現局部磁飽和。

在大載荷下，電機繞組中會通過較大電流，其產生的強磁場可能會對磁鋼造成退磁損害，因此設計過程中需對電機進行退磁校核。電機中磁鋼最易發生退磁的部位是磁鋼的外表面，圖4 為電機中通過8.6A 電流時沿磁鋼外表面一周的磁場強度分布。由圖可以看出，磁鋼外表面的最大磁場強度約為750kA／m，而設計選用的磁鋼矯頑力為800kA／m，因此不會對磁鋼產生退磁作用。

圖4 磁鋼表面沿圓周方向磁場強度分布Fig.4 Magnetic field density distribution

2.2 電磁干擾的防護設計

風洞試驗中天平信號為毫伏級的電壓信號，易受到電磁干擾的影響，而電機往往又是較大的電磁干擾源。因此，在設計力矩電機時對如何消除電磁干擾的影響做了充分的考慮。圖3中，電機的機殼（過渡支架外殼）1和轉子軛（中空主軸）6采用了高導磁性合金鋼，磁導率高，且對這兩部分設計了足夠的厚度，有效地降低了電機對外界的電磁干擾。此外，C 型拉桿7也采用了高導磁性材料，對從其內孔穿過的天平信號線起到屏蔽作用，確保信號傳輸不受干擾。

2.3 電機耐熱性能的設計

高超聲速風洞的工作環境對電機的熱防護性能要求較高，這點在電機設計過程中也應給予充分的考慮。

電機的設計耐熱等級為最高級C 級。定子繞組的漆包線采用高溫線，耐受溫度220～250℃，磁鋼選用高溫磁鋼，最高工作溫度180℃。合理的氣隙寬度和磁鋼形狀可以有效地阻滯線包熱量向磁鋼的傳遞，防止磁鋼在高溫下消磁。

在編碼器與機殼之間，編碼器與后端蓋之間分別設計有隔熱層，以防止高溫氣體對編碼器的損害。此外，該機構還設計有可拆卸的水套，在高馬赫數試驗時可以裝在滾轉機構上起冷卻防護作用。

3 性能測試及分析

3.1 力矩性能測試及分析

試驗系統如圖5所示，1為滾轉機構，2為力矩加載系統，3為多功能電機驅動器，4為計算機。

圖5 滾轉機構性能測試系統Fig.5 Test system

試驗主要測試滾轉機構的負載性能和溫升情況。試驗時，將不同重量的砝碼掛載于力矩加載支架上，模擬不同的氣動力矩載荷。驅動器可實時地將電機電流顯示于控制計算機上，同時，埋制在繞組線包中的溫度傳感器也可將內部的溫度顯示出來。

圖6同時給出了理論計算和實際測試得到的該力矩電機的力矩與力矩常數同線電流之間的關系。由圖可知：

（1）電機力矩常數的實際值同理論值在低電流時基本吻合，隨電流增大會產生誤差，這是由理論計算時忽略了端部漏磁對電機的影響而產生的。

（2）隨電流增加，電機的力矩常數不斷減小。在力矩電機中，隨著繞組電流的增加，電機內部感應磁場的磁感應強度也隨之增加，當電機內部磁場強度增加到一定數值之后，電機會出現局部磁飽和現象，主要是在定子齒部（圖7為電機在通過不同線電流時內部的磁力線分布）。磁飽和的出現使得電機的磁阻增加，氣隙磁通減少。

圖6 電流-力矩關系圖Fig.6 Relationship of current and torque

圖7 電機磁力線分布Fig.7 Flux distribution

力矩電機轉矩計算公式：

其中，p為極對數，a為電樞繞組并聯支路對數，N為電樞繞組總導體數，T0為空載轉矩，對任一特定電機，以上參數是確定的，由電機結構決定。Ia為電樞電流，Φ為每極氣隙磁通。則電機的力矩常數為：

由公式（2）可知，力矩常數隨氣隙磁通的減小而下降。所以，隨著繞組電流的增加，力矩電機的力矩常數會減小。

這種局部磁飽和可以通過調整定子槽形，選用飽和磁場強度大的導磁材料等措施進行改善。

3.2 電機的溫升情況測試及分析

電機的溫升測試主要測試電機在負載的條件下溫度上升的速度，以此判斷電機是否可以在負載條件下長時間工作。圖8給出了電機在不同載荷下溫度隨時間的變化，溫度由線包中的溫度傳感器采集，實際為線包的溫度，反映電機內部溫度。

圖8 不同力矩載荷下的溫升Fig.8 Temperature rise under load

力矩電機的發熱主要來自于電樞繞組的銅耗，則發熱功率為：

其中Ra為電樞電阻。

由公式（3）可知，電樞繞組的發熱功率與電流的平方成正比，而電樞電流與載荷近似成正比，因此電機的溫升速度會隨載荷的增加而快速增加，這和圖8所示的情況相一致。

由圖8還可知，電機在載荷小于6N·m 時可持續工作而不用考慮溫升的影響，當超過這個載荷時則需要控制負載時間以保護電機。

4 在風洞試驗中的應用

5 結 論

通過對高精度自動變角度滾轉機構的設計，理論計算，性能測試以及實際風洞應用的分析，得出以下結論：

（1）所研制的高精度自動變角度滾轉機構能滿足氣動載荷要求，且響應速度快，定位精度高（0.54′），運行可靠；

（2）該機構能承受較高的工作溫度，在實際風洞試驗中超過200℃環境溫度下依然正常工作；

（3）該機構不會對天平信號造成干擾，實際試驗中天平信號傳輸穩定；

（4）該機構可以極大地提高試驗效率，節約試驗時間，降低試驗成本，符合節能減排的要求。

綜上，該滾轉機構可以滿足高超聲速風洞的使用要求，研制是成功的。

［1］ 范潔川.風洞實驗手冊［M］.北京：航空工業出版社，2002.

［2］ 惲起麟.風洞試驗［M］.北京：國防工業出版社，2000.

［3］ 王秀和.永磁電機［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］ 邱國平，邱明.永磁直流電機使用設計及應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［5］ FENG Ming，QU Liang.Torque performance analysis of hdd spindle motors based on geometrical interpretation［J］.IEEE Trans.on Magnetics，2011，47：1906-1910.

［6］ FENG Ming，KENJO T，QU Liang.A direct Ampere-Gauss analytical method for surface permanent magnet motor calculation［C］.ICEMS 2010：984-989.

該滾轉機構已在某高超聲速風洞中投入使用。使用過程中，系統工作穩定，響應迅速，定位精確，滿足試驗要求。相比使用人工調整滾轉角時，該機構在一次試驗過程中可以完成幾個滾轉角度的試驗，極大地提高了試驗效率，降低了試驗成本。同時，高精度的定位還提高了試驗數據的準確性。