有限转角无刷力矩电机设计方法研究

e1 = -
dΩ1 dt
=
-
d Ω1 dΗ
ddΗt =
-
Ξ
dΩ1 dΗ
(3)
将式 (1)、式 (2) 代入式 (3) 得
e1 = 2N 1B ∆la rΞ
(4)
线圈A 2X 2 和A 3X 3 的反电势 e2 和 e3 表达式与式 (4) 相同, 但在时间上要滞后 Β电角度, 如图 2 (d) 所
气隙磁密呈方波分布, 则磁链 Ω1 随转子位置而线性 变化。 在 0°和 180°时呈正和负的最大值, 并有
∫ Ω1 max = N 1 B (Η) rdΗla = N 1B ∆Πrla
(1)
当 Η∈ [ 0, Π] , 有
Ω1 (Η) =
1-
Η Π2
Ω1 m ax
(2)
则 A 1X 1 线圈的反电势为
图 1 电机结构截面图
2 电磁转矩与反电势
由于两个余度是对称的, 它们的反电势和电磁 转矩也是对称的, 其表达式相同。下面仅分析单余度 的表达式。
单余度工作时电机剖面结构示意图如图 2 (a) 所示。极对数 p = 1 并取极弧系数 Α= 1。气隙磁密 呈方波分布, 如图 2 (b) 所示。下面以图示电枢绕组 与转子磁极的相对位置为分析的参考位置, 并取磁 极轴线为 X 轴, 对应该轴有 Η= 0。该单余度电枢绕 组有 3 个隔槽嵌放的线圈组成, 每个线圈的匝数为 N 1, 在空间彼此相隔 Β = 4Π Z S 电角度。
力的钕铁硼 (N dFeB ) 磁体组成两极励磁结构, 使电
机具有产生较大峰值转矩和抗去磁的能力, 同时有
效地缩小体积, 减小机电时间常数, 提高快速性。双
余度同时工作时, 绕组电流如图 1 所示。在 ± Ηc 工作 范围内, 定转子磁场平均正交, 产生最大电磁转矩。 单余度工作时, 电枢磁势减小一半, 同时有去磁或增 磁磁势。
2002年11月 第20卷第4期
西北工业大学学报 Jou rna l of N o rthw estern Po lytechn ica l U n iversity
N ov. 2002 V o l. 20 N o. 4
有限转角无刷力矩电机设计方法研究α
刘卫国, 马瑞卿
(西北工业大学 自动控制系, 陕西 西安 710072)
(D ep a rtm en t of A u tom a tic Con tro l, N o rthw estern Po lytechn ica l U n iversity, X i′an 710072)
Abstract: W e undertook to design and fab rica te a p ro to typ e LABL TM (L im ited2A ng le B ru sh less To rque M o to r) to m eet the requ irem en t s of d irect2d rive actua to r of a irp lane fligh t con t ro l system. It is a sp ecia l dua l2redundancy servo m o to r. It is cha racterized by h igh to rque, qu ick respon se, h igh reliab ility and con2 ven ien t con t ro l. F ig. 1 show s ou r LABL TM con sist ing of a sing le tw o 2po le sup er2h igh in t rin sic coercive fo rce N dFeB p erm anen t m agnet ro to r w ith tw o symm et ric op era t ion w ind ing s a rrayed sep a ra tely in sta to r co re slo t s. Sect ion s 2 and 3 derive eqs. (1) th rough (11) fo r ca lcu la t ing the elect rom agnet ic to rque, the elect rom o t ive fo rce and the w ind ing inductance of ou r LABL TM . W e in sta lled and tested ou r p ro to typ e LABL TM in a com p lete system fo r severa l m on th s since O ctober 2001. F ig. 5 show s the am p litude2fre2 quency respon se w ith a ra ted frict ion load of 0. 2 N ·m. T he frequency w id th reaches 55 H z fo r sing le re2 dundancy, and 72 H z fo r dua l redundancy. T he test resu lt s of the p ro to typ e ind ica te tha t ou r LABL TM , w ith h igh to rque and qu ick respon se, does m eet the requ irem en t s of d irect d rive actua to r of a irp lane fligh t con t ro l system , and w e believe it ha s a p rom ising fu tu re in aeronau t ics and sp ace, au tom a t ic con t ro l, elec2 t rica l d rive, etc.
1 电机基本结构
有限转角无刷力矩电机的基本结构形式如图 1
所示。图中, Ηc 为旋转角度范围, 00′为电机角度零位
线,
′和 ′为 ± Ηc 的边界线。定子齿槽数 Z S
= 14, 其中 7、14 两槽无绕组。其它 12 个槽隔槽嵌放
两套彼此对称独立的工作绕组, 即双余度绕组。每套
绕组含有一个电气定位绕组。转子由超高内禀矫顽
1 时,
(7) <∆ =
图 2 波形图
3 绕组电感
式中, ∆′= K ∆∆′, K ∆ 为卡氏系数; hm 为磁钢磁化方 向厚; Λr 为磁钢的相对磁导率。
绕组电感直接决定电机的幅频响应特性。 电枢
绕组分布如图 3 所示。设极对数 p = 1, 任意两槽之
间的电角度 Β= Π 7。每槽导体数为N s, 每个余度绕 组串联匝数W = 3N s。当绕组电流为 I a 时, 每个线圈 产生的磁势为 F s = N s I a = 1 3 (W I a) , 每个余度绕 组的总磁势为 F = W I a。
有限转角无刷力矩电机是一种可在一定角度范 围内直接驱动负载做快速运动和准确定位的伺服电 机。由该电机组成的位置伺服系统具有出力大、频带 宽、定位精度高、体积小、重量轻等特点。系统可在航 空伺服阀、舵机作动、机器人关节、雷达天线等高精 度电气伺服系统中用于在有限角度内对负载进行直 接驱动。利用该电机还可方便组成多余度控制系统, 实现可靠性驱动。国外在 80 年代末已将其应用于流 体推进装置和卫星辐射扫描镜的精度控制, 国内对 该类电机研究较少, 关于其设计方法、参数计算和余 度控制等方面的关键技术还未见相关研究报道。 本 文针对一种先进的航空旋转式直接驱动器的需要, 提出并设计了一种有限转角无刷力矩电机。
图 5 为 样 机 幅 频 响 应 测 试 结 果。 电 机 带 0. 2 N ·m 额 定 摩 擦 负 载 时, 单 余 度 幅 频 宽 已 达 55 H z, 双余度幅频宽高达 72 H z。 样机的带载动态 测试性能证明本文所提出的电机结构形式、电磁转 矩、反电势和绕组电感的计算方法是正确有效的, 满 足了航空直接驱动伺服阀的技术要求。
第一余度绕组产生的磁链而获得
M ∆=
23 ΠΛ0W 2L a r 63 2∆i
(11)
可见, 在前面假定条件下, 它们仅与电机结构尺
寸、绕组匝数有关, 其中互感还与两个余度绕组在空
间的嵌放位置有关。 当考虑了定转子铁芯饱和等非
线性因素, L ∆ 和M ∆ 的计算公式应作适当修正。
图 4 单余度绕组产生的气隙磁感应强度波形
示。3 个线圈串联, 其绕组总电势为 3 个线圈反电势 相加, 波形如图 2 (e) 所示, 其中最大值为
E = 2N B ∆la rΞ = C e<∆Ξ
(5)
式中, N = 3N 1 为该绕组总的串联匝数; C e = 2N Π
为电势系数; <∆ = B ∆Πrla 为每极磁通量。
当 电流波形如图 2 (f) 所示, 宽度小于最大反电
单余度绕组的自感磁链为
Ω11 =
W 3L ar
-
B ∆am 3
1
Π 14
-
11Π 14
+
W 2
L
a
r
B
∆am
3
1114Π-
Π 2
+
W L a rB ∆am
Π 2
-
Π 14
+
W 2
L
a
r
B
∆am
3
Π 14
-
-
3Π 14
+
W 3
L
a
r
-
B ∆am 3
- 31Π4 -
-
Π 2
=
3 7
ΠΛ0W 2L 2∆i
摘 要: 提出并设计了一种双余度稀土永磁有限转角无刷力矩电机, 对该电机的基本结构进行了研 究, 给出了电磁转矩、反电势和绕组电感的计算方法, 并进行了样机试制。 样机测试结果表明, 该电 机出力大、响应快, 可满足航空直接驱动伺服阀的要求, 具有重要的应用前景。