航空燃油用永磁無刷直流電動機的設計研究

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研究中心,貴陽 550008)

0 引 言

傳統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，無法滿足現代武器裝備對電機高功率密度的要求。電火花的產生也會干擾系統的無線信號，對電磁兼容產生有害影響[1-3]。

近年來，隨著永磁電機的高速發展[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帶位置傳感器的無刷直流電動機，存在轉矩波動大、繞組利用率低等缺點。國內對無位置傳感器控制系統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，有待進一步發展。

隨著我國武器裝備的不斷更新，國內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、轉速、轉矩如表1所示，根據下式[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，極弧系數為0.8。運用 Maxwell RMxprt對其它部分進行優化，確定電機基本參數，如表2所示。

表2 無刷直流電動機基本參數

2 Maxwell 2D有限元仿真

2.1有限元模型的建立

通過劃分網格，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，對其進行網格劃分，添加激勵以及設置外電路。考慮到控制器對電機實施閉環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對電機進行開環仿真，額定負載下電機的轉速及消耗電流結果如圖2、圖3所示。

圖2 額定負載下電機轉速

圖3 額定負載下電機的消耗電流

從仿真結果可得，電機在電壓25 V(DC)、扭矩0.81 N·m時的轉速為11 768 r/min，通過控制器閉環控制可將轉速調整到11 200 r/min，滿足轉速要求；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 實驗數據與仿真結果對比

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控制，給電機加上0.81 N·m的負載后，其轉速和消耗電流如表3所示。

圖4 電機實物圖

圖5負載實驗框圖

表3 負載實驗數據

從實驗數據可得，兩臺電機的輸出轉速為11 160 r/min左右，控制精度在50 r/min以內，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。將仿真數據和實驗數據進行對比，如表4所示。

表4 數據對比

電機設計時的思路為，用開環仿真出電機具備的輸出能力，用閉環控制實現電機的輸出性能指標。在開環仿真時，用低于10%的額定電壓進行負載仿真，其優點在于仿真出來的損耗和轉速都接近輸出指標。在額定電壓28 V和扭矩0.81 N·m下仿真，電機轉速為13 000 r/min。根據同極槽配合的無刷直流電動機的設計經驗，電機實際轉速一般低于仿真轉速的8%，故推算28V下電機的轉速能達到12 000 r/min，而實際電機在通用控制器開環測試下的轉速為12 010 r/min，仿真結果與實際轉速十分接近。電機在閉環控制實驗時，控制器通過調節電壓占空比，將轉速從12 000 r/min 降低至11 200 r/min，從而實現電機輸出轉速為11 200 r/min的要求。從表4可得電機轉速誤差為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速下電機效率的不同和加工誤差。總之，電機實驗數據與仿真數據相差較小，能較好地滿足客戶使用性能的要求。

4 結 語

本文先通過路算法確定電機的主要尺寸，其優點是能夠快速求解出電機的主要性能指標以及體積、質量。然后結合電磁場有限元方法對電機的輸出性能進行仿真，其優點是能夠觀察電機各部位的磁密，分析電流、轉速、轉矩等曲線，從而對電機的參數進行優化，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，所得的實驗數據和仿真數據相差較小，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及耦合，導致單一的仿真結果與測試數據存在著一定的差距。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。控制器仿真不將漏磁及磁場飽和等因素考慮在內，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合仿真，能更加貼近實際運行工況，是一體化電機設計的發展方向。