有限轉角力矩電機輸出力矩不對稱分析

楊榮江，戴志立，安明燦

(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

有限轉角力矩電機位置伺服系統是在有限角度范圍內快速旋轉和準確定位，且具有較大輸出力矩的直接驅動系統[1]。這種系統可在航空伺服閥、舵機作動、機器人關節、雷達天線、機載炮塔等高精度電氣伺服系統中應用。在航空領域，伺服閥分為噴嘴擋板伺服閥、射流管伺服閥、射流偏轉板伺服閥、直接驅動伺服閥和旋轉直驅電液伺服閥(以下簡稱RDDV)，其中RDDV是新一代電液伺服閥，主要由有限轉角力矩電機、閥體、閥心位移傳感器和控制電路等組成。

RDDV通過有限轉角力矩電機直接驅動伺服閥的滑閥，利用閥心位置的高精度檢測，從而控制系統的方向、流量及壓力[2]。本文論述的有限轉角力矩電機為三余度有限轉角力矩電機，作為某型RDDV的核心部件，上電測試時，出現順時針和逆時針方向輸出力矩不對稱的故障。

1 有限轉角力矩電機工作原理及構成

1.1 工作原理

有限轉角力矩電機由定子、轉子和傳感器組成，工作原理框圖如圖1所示。轉子上的永磁體在氣隙中產生氣隙磁場，霍爾組件通過檢測磁場形成反饋信號，從而確定轉子所處位置。驅動器根據霍爾組件反饋的信號，給電樞通入不同極性的電壓，該電壓將在電樞繞組內產生電流，進而形成定子磁場。定子磁場在氣隙內與轉子產生的氣隙磁場發生電樞反應，使轉子旋轉，輸出轉矩。當轉子轉動到一定角度后，與限位機構貼合，將電機的角位移限制在一定范圍內。

圖1 電機工作原理框圖

1.2 有限轉角力矩電機結構組成

有限轉角力矩電機由兩大部分組織，結構如圖2所示。一部分是電機本體，主要由定子、轉子、端蓋、軸承、磁鋼、密封圈、殼體等組成，功能是轉子內腔密封，在控制電流的作用下輸出對應的轉矩，以及限定轉動的角度范圍。另一部分是信號反饋裝置，主要由跟蹤磁鋼、霍爾調整機構、霍爾傳感器等組成，功能是檢測轉子與零位之間的相對位置關系。

圖2 電機結構圖

1.3 有限轉角力矩電機技術指標

有限轉角力矩電機主要技術指標如下：

1) 三余度電機，每個余度能夠獨立工作；

2) 轉角范圍：電機機械限位于-20°～+22°范圍內；

3) 單余度力矩≥60 mN·m(三余度電機，28 V室溫下測定，以峰值轉矩為零點的-20°～+20°范圍內)；

4) 額定電流≤1.3 A。

線性霍爾傳感器技術指標如下：

1) 供電電壓Vs：4.5 ～10.5 V(DC)；

3) 供電電壓5 V時，零位電壓2.8～3.2 V(DC)。

2 有限轉角力矩電機故障現象

為某型號配套的有限轉角力矩電機在系統進行性能檢測時,發現輸出力矩不對稱,測試結果如表1所示。

表1 有限轉角力矩電機性能測試

表1中，測試點1對應有限轉角力矩電機機械角度為-20°時輸出，測試點2對應有限轉角力矩電機零位時輸出，測試點3對應有限轉角力矩電機機械角度為+20°時輸出。在測試點3的電源電流是測試點1電源電流的3倍左右，說明測試點3的輸出力矩與測試點1的輸出力矩不對稱。

有限轉角力矩電機返廠后針對霍爾信號輸出檢測，信號反饋正常；通過對有限轉角力矩電機進行靜力矩測試，沿軸伸端看逆時針靜力矩為43.2 mN·m，沿軸伸端看順時針靜力矩為102.9 mN·m；對有限轉角力矩電機進行通電測試，沿軸伸端看逆時針輸出力矩為121.5 mN·m，沿軸伸端看順時針輸出力矩為23.8 mN·m，故障現象與系統應用時反饋的情況一致。

3 故障原因分析

3.1 仿真分析

故障電機電磁方案為6極6槽，針對故障電機的工作狀態，對其進行電磁場有限元仿真。建立電機的二維有限元分析模型，如圖3所示。

圖3 電機二維模型

3.1.1 齒槽轉矩仿真計算

為降低齒槽轉矩作用，電機設計時對槽口進行了封閉設計，仿真的電機齒槽轉矩曲線如圖4所示，磁密云圖如圖5所示。由仿真結果可知，電機最大齒槽轉矩為1.18 mN·m，最大磁密出現在槽口處，最大值為1.8 T，滿足使用要求。通過對故障電機測試，逆時針靜力矩為43.2 mN·m，順時針靜力矩為102.9 mN·m。為此，針對6極6槽電機進行了有槽口的齒槽轉矩仿真，模型如圖6所示。有槽口時的齒槽轉矩仿真曲線如圖7所示，從圖7中可以看到，齒槽轉矩達到37 mN·m左右，不排除采取的槽口封閉措施失效故障。

圖4 齒槽轉矩-轉角曲線

圖5 不通電時的電機磁密云圖

圖7 有槽口時齒槽轉矩-轉角曲線

3.1.2 單余度工作狀態仿真計算

常溫下故障電機在28 V下單余度線圈電流為0.84 A,施加電流源，仿真出電機的磁密云圖如圖8所示，電機磁密除極靴根部處于過飽和外，其余磁密小于1.8 T，且電樞材料飽和磁密為2.4 T，符合材料應用要求。各個繞組分別通電流源，輸出轉矩-轉角曲線如圖9、圖10所示。由仿真結果可知，電機輸出轉矩最小值為84 mN·m，在轉角范圍為±20°范圍內轉矩大于60 mN·m，電機在常溫狀態下滿足指標要求。

圖8 單余度通電時電機磁密云圖

圖9 單余度通電順時針轉矩-轉角曲線

圖10 單余度通電時逆時針轉矩-轉角曲線

3.2 分解檢查

針對故障電機，拆除蝸卷彈簧后進行性能檢測和分解檢查，情況如下：

1) 對故障電機進行通電測試,測試結果如表2所示。

2) 對故障電機拆除蝸卷彈簧后進行了靜力矩測試，沿軸伸端看順時針靜力矩為54.4 mN·m，沿軸伸端看逆時針靜力矩為51.7 mN·m,兩端力矩平衡。

3) 故障電機拆解檢查未見異物、卡滯、零件損壞等現象。

通過故障樣機測試,單余度工作產生的輸出力矩在22.5 mN·m～37.2 mN·m范圍內，產生的靜力矩在51.7 mN·m～54.4 mN·m范圍內。在28 V電壓下，繞組電流為0.83 A時輸出的電磁力矩在74.2 mN·m～91.6 mN·m范圍內，與電磁仿真輸出力矩基本吻合。

3.3 受力分析

由于樣機的靜力矩異常，通過電磁結構分析，實物樣機產生的靜力矩主要由摩擦轉矩、齒槽轉矩引起。摩擦轉矩基本可以忽略，槽口封閉時齒槽轉矩1.18 mN·m基本可以忽略，靜力矩較大的原因主要是6極6槽槽口封閉措施失效，在有槽口作用下齒槽轉矩為37.1 mN·m作用而產生的。

蝸卷彈簧的作用是通過變形產生力矩將轉子維持在需要的零位位置，因蝸卷彈簧受力的方向不同，當轉子轉動時，蝸卷彈簧的變形量在順時針和逆時針方向存在增大或減小的情況。

針對故障電機，未安裝蝸卷彈簧時，電機順時針方向與逆時針方向產生的齒槽力矩是相同的，為F1，如圖11所示。當電機安裝蝸卷彈簧后，為了保證轉子在規定的零位位置，蝸卷彈簧變形產生的力矩F2必須與齒槽力矩F1相等，才能保持轉子零位位置，如圖12所示。當電機通電逆時針旋轉并運動到極限位置時，產生的電磁力為F3，輸出力矩F0=F3+F2-F1，如圖13所示。當電機通電順時針旋轉并運動到極限位置時，產生的輸出力矩F0=F3-F2-F1，如圖14所示。

圖11 未裝蝸卷彈簧圖12 蝸卷彈簧保證轉子零位狀態

圖13 逆時針旋轉時受力圖14 順時針旋轉時受力

從受力分析可以看到，在定位力矩和蝸卷彈簧變形產生的力矩作用下，電機順時針輸出力矩要比逆時針輸出力矩小，與故障現象相符。

3.4 分析結論

通過上述分析可知，齒槽轉矩和蝸卷彈簧變形產生的力矩，導致了電機順時針產生的輸出力矩與逆時針產生的輸出力矩不對稱。當消除或降低齒槽力矩F1后，蝸卷彈簧只需要克服齒槽轉矩就能將轉子維持在所需的零位位置。電機通電時，即使轉子運動到極限位置，蝸卷彈簧變形量產生的力矩都很小，與電磁力矩相比可以忽略不計，從而保證了電機在順時針和逆時針方向的輸出力矩基本一致。

4 改進措施

4.1 采用6極9槽方案

故障確定后，通過采用6極9槽的改進措施來消除定位力矩的影響。根據仿真及對比分析，6極9槽齒槽轉矩較小，擬采用6極9槽的電磁方案。6極9槽線圈存在三種結構形式，單線圈三槽結構如圖15所示，單線圈兩槽結構如圖16所示，單線圈兩槽、三槽混合結構如圖17所示。

圖15 單線圈三槽結構

圖16 單線圈兩槽結構

圖17 單線圈兩槽、三槽結構

采用單線圈三槽結構時，單線圈通電有3個齒有效工作，雙線圈通電時有4個齒有效工作，三線圈通電時有3個齒有效工作。

采用單線圈兩槽結構時，單線圈通電有2個齒有效工作，雙線圈通電時有4個齒有效工作，三線圈通電時有6個齒有效工作。

采用單線圈兩槽、三槽結構時，單線圈通電存在3個齒或2個齒有效工作情況，雙線圈通電時有4個齒或5個齒有效工作，三線圈通電時有6個齒有效工作。

考慮到系統使用時為熱備份，每次通電三套繞組，優先選用三套繞組方案。

4.2 電磁仿真

有限元建立仿真模型如圖18所示。單套繞組斜槽輸出轉矩掃描曲線如圖19所示。斜半個齒距后的輸出力矩如圖20所示。從圖18、圖20中可以看到，電機對稱點在80°位置，在61.22°、99.52°位置輸出力矩為198 mN·m，滿足指標大于60 mN·m的要求。同時，針對6極9槽的齒槽轉矩進行了仿真，如圖21所示。斜槽半個齒后，電機的齒槽力矩如圖22所示。對稱點在80.85°時齒槽轉矩為1.2 mN·m，在60.06°時齒槽轉矩為1.14 mN·m，在100.87°時齒槽轉矩為1.09 mN·m。

圖18 仿真模型

圖19 輸出力矩斜槽掃描

圖20 斜半個齒后輸出力矩

圖21 齒槽轉矩斜槽掃描

圖22 斜半個齒后齒槽轉矩

5 樣機測試

按照6極9槽的方案生產樣機并進行測試，樣機及樣機測試如圖23所示。輸出力矩測試結果如表3所示，可以看到，輸出力矩、輸出電流滿足指標要求。霍爾信號檢測結果如表4所示，可以看到，零位電壓、-20°位置電壓、+20°位置電壓滿足指標要求。

圖23 樣機及樣機測試

表3 輸出力矩檢測

表4 霍爾信號檢測

6 結 語

本文對故障電機進行測試、仿真分析及拆解檢查，確定輸出力矩不對稱的故障原因：6極6槽槽口封閉措施失效，從而導致故障樣機齒槽轉矩異常，在蝸卷彈簧的作用下，故障電機在順時針和逆時針方向的輸出力矩不對稱。通過采用6極9槽的電磁方案進行樣機改制，樣機測試結果滿足指標要求，輸出力矩不對稱問題得到解決。