微型永磁直流電動機設計與研究

2013-09-26 05:36:58高超吳濤田鵬

防爆電機 2013年3期

高超，吳濤，田鵬

(1哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，黑龍江哈爾濱 150040;2駐一二○廠軍室代表室，黑龍江哈爾濱 150066)

0 引言

我國某型飛機座椅要求調節高度的電動機在一定時間內正、反向旋轉，帶動座椅(同方向負載)上、下運動;斷電后電動機需立即制動;座椅救生彈射時，克服瞬間推力(電動機輸出軸端受徑向力矩0.43N·m)，電機軸不允許旋轉。為達到技術要求，對電機結構、電磁參數、制動控制進行了研究與論證。

1 電機功能分析

該電動機為重復短時工作制，輸入電壓27V DC，正向旋轉時(座椅向上運動)，負載為向下200kg重力;反向旋轉時(座椅向下運動)，負載向下205kg重力。從功能及參數影響方面，將該電動機分為四種工作狀態:

(1)起動瞬間狀態

起動瞬間，電機為堵轉狀態，因此電機工作電流將急劇上升，直至電磁轉矩克服阻力而旋轉。要求起動電流不超過6A，起動時間不超過100ms。

(2)拉動負載工作

拉動負載工作時，電機帶支座椅向上運動，克服方向向下的重力G、摩擦阻力F1，在電樞中產生與之平衡的向上的電磁力T1，達到驅動負載的目的，保證轉速不低于6 500r/min。

(3)拖動負載工作

拖動負載工作時，電機帶動座椅向下運動，克服方向向下的重力G、向上的摩擦阻力F2，在電樞中產生與之平衡的向上電磁力T2，達到驅動負載的目的，保證轉速不低于5 000r/min。

(4)斷電(停車)瞬間狀態

在電機斷電瞬間，轉速由額定轉速變為0的過程中，應有制動結構，保證電機立即停車。

2 設計方案研究

2.1 總體方案

因電機外形尺寸限制，經電磁計算，確定電機為永磁體勵磁結構。為保證制動功能要求，在電樞回路串聯直流電磁制動器。

電機屬于四象限運行，永磁體電機在斷電停車瞬間狀態，在電樞中將產生感應電動勢，如有閉合回路，則該電動勢將在回路中產生一個急劇下降的瞬間電流，當該電流大于制動器釋放電流時，電機不能及時、有效停車。電機串聯制動器線圈工作時，電流變化曲線如圖1所示。進行詳細參數設計時，必須控制好電機電流與制動器釋放電流的關系，保證電機在各個工作狀態能夠正常工作。

圖1 電機電流變化曲線

2.2 控制方案論證

電機帶動負載向上、向下運動時，工作狀態不同，因此工作電流差異很大。理論計算值分別為2.1A、0.4A。制動器性能計算中，制動器斷電釋放電流為0.2～0.5A。即當電動機向下運動過程中，出現制動器釋放→對電機進行剎車→電機堵轉→電流升高→制動器吸合→電機旋轉→制動器釋放的循環剎車現象。為此需對電機制動控制進行改進，提高負載向下運動時的工作電流。

在回路中增加并聯制動線圈，依據線徑、匝數調整電流并串聯二極管，以控制上升時電流不再增加。線路連接及原理如圖2所示。

圖2 電機工作原理示意圖

(1)起動瞬間狀態:電機電流上升，因串聯電感，削平電流尖鋒，將起動電流控制在要求范圍之內，電流達到吸合電流瞬間，制動器吸合，使軸與制動盤分離而開始旋轉。

(2)拉動負載狀態:電機通入如圖2所示的正向電流，因二極管控制，只有串聯制動器線圈工作，達到制動器吸合電流后，電機帶動負載旋轉，推動座椅及飛行員上升。高度合適斷電停車瞬間，制動器中彈簧推動止動盤，使電機立即停車，在電樞兩端形成的反向電動勢，因二極管而不存在回路，永磁電機不能產生電流使制動器失效，因此制動正常。

(3)拖動負載狀態:電源通反向電流，Q1通過二極管導通而與Q2同時工作，產生同方向的電磁力使制動器吸合，電機旋轉，座椅及飛行員拖動電機下降。此狀態下的斷電停車瞬間，因電路構成回路，電機作發電機運行，轉速由額定轉速6 500r/min變為0過程中，永磁電機產生與原電流反向的二次電流，當兩個電流之和小于制動器釋放電流時，制動器正常工作;當電流之和大于制動器釋放電流時，電機不能及時、有效停車。為控制兩電流之和足夠小，將串聯制動器線圈及并聯制動器線圈匝數進行了計算，結合電阻控制了電機工作電流，使之大于制動器釋放電流，達到制動正常的目的。