楊素香，單鵬飛，郝 葉，肖淵海，陳薇薇

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233）

0 引 言

現(xiàn)有武器裝備及未來武器裝備發(fā)展為提高產(chǎn)品可靠性及長壽命要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用無刷伺服電機(jī)作為動力源。無刷電機(jī)具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：其發(fā)熱源位于電機(jī)外圍，更有利于高功率密度產(chǎn)品的散熱；無接觸換相，可靠性更高，可實(shí)現(xiàn)長壽命的要求。

武器裝備小型化的迅速發(fā)展，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品性能提出了小體積、高功率輸出的更高要求。小體積高功率密度無刷伺服電機(jī)多應(yīng)用于短時、少頻次場景中，也適用于很多比較特殊的應(yīng)用狀況，目前對該類電機(jī)的需求越來越大。高功率密度電機(jī)的功率密度比同類電機(jī)高出2～3倍，由于體積小，速度、功率的大幅增加會導(dǎo)致電機(jī)各部分損耗增加。如何通過合理的電磁方案來減少電機(jī)內(nèi)部各部分損耗，是產(chǎn)品功能性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)對電動汽車用高功率密度永磁同步電機(jī)的研究較多［1?2］，對體積更小的電機(jī)研究較少。

本文介紹了高功率密度無刷電機(jī)電磁、機(jī)械、熱、損耗等多物理場聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)的方法，模擬電機(jī)應(yīng)用場景，開展了一款小型無刷伺服電機(jī)多物理場仿真設(shè)計(jì)，并完成了產(chǎn)品加工，進(jìn)行了電機(jī)性能測試、熱適應(yīng)性試驗(yàn)、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果相吻合，為該類高功率密度伺服電機(jī)產(chǎn)品性能及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)

高功率密度電機(jī)通常為短時、少頻次工作制模式，工作需達(dá)到百分百的可靠，因此，在高功率密度無刷伺服電機(jī)設(shè)計(jì)過程中需關(guān)注以下幾點(diǎn)：無刷伺服電機(jī)主要工作性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)下的熱環(huán)境，發(fā)射狀態(tài)需承受的強(qiáng)沖擊振動條件，轉(zhuǎn)子永磁體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，高速高轉(zhuǎn)矩工作模式狀態(tài)下的各類損耗考慮。以上關(guān)注點(diǎn)是電機(jī)設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)因素，如何通過仿真設(shè)計(jì)手段對以上關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，迭代各設(shè)計(jì)參數(shù)，并且設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題同時得到解決，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 多物理場仿真設(shè)計(jì)

2.1 電磁設(shè)計(jì)

高速電機(jī)頻率較高，會在定子繞組導(dǎo)體中產(chǎn)生附加損耗，為了降低定子繞組的損耗，定子繞組需采用多根并繞形式。為提高槽滿率，電機(jī)設(shè)計(jì)時需優(yōu)化定子槽內(nèi)空間，結(jié)合工藝及高功率密度電機(jī)工作時間相對較短的工作特點(diǎn)，以熱分析結(jié)果為依據(jù)，適當(dāng)增加電流密度值來達(dá)到高功率輸出的要求。

（1）為了減小鐵損，提高輸出轉(zhuǎn)矩，采用6極18槽整數(shù)槽繞組設(shè)計(jì)，永磁體采用溫度系數(shù)較高的釤鈷磁鋼。

（2）碳纖維綁扎永磁體［3］不便于轉(zhuǎn)子散熱，為實(shí)現(xiàn)高速可靠運(yùn)行，轉(zhuǎn)子采用鈦合金保護(hù)套結(jié)構(gòu)形式。

（3）定子鐵心采用低損耗系數(shù)、厚0.35 mm硅鋼片材料H12，為了降低鐵耗，定子齒磁密盡量小。

（4）定子鐵心與機(jī)殼之間采用過盈配合安裝，機(jī)殼材料采用散熱良好、質(zhì)量輕的鋁合金材料。

電機(jī)電磁仿真設(shè)計(jì)采用MagneForce BLDC軟件進(jìn)行模型建立，對電機(jī)主要性能及各部分參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，如見圖1～圖4所示。

圖1 電機(jī)模型

圖2 磁密分布圖

圖3 反電動勢波形

圖4 特性曲線

電機(jī)電磁仿真設(shè)計(jì)結(jié)果作為產(chǎn)品多物理場設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、損耗設(shè)計(jì)基于電磁設(shè)計(jì)開展。在每個物理場設(shè)計(jì)過程中，如出現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)要求的參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)形式，需要重新修改電機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)，不斷迭代優(yōu)化后，最終滿足無刷伺服電機(jī)高功率密度設(shè)計(jì)的要求。

2.2 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)

高功率密度無刷伺服電機(jī)的應(yīng)用場景要滿足特殊力學(xué)環(huán)境要求；沖擊、振動強(qiáng)度大，需滿足導(dǎo)彈等特殊條件的機(jī)械強(qiáng)度要求。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中需開展機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.2.1 模型建立及參數(shù)輸入

電機(jī)仿真計(jì)算基于ANSYS?Workbench平臺，對電機(jī)特殊力學(xué)試驗(yàn)等進(jìn)行有限元分析。依據(jù)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)完成機(jī)械強(qiáng)度仿真模型建立，依據(jù)特殊力學(xué)試驗(yàn)條件要求進(jìn)行參數(shù)輸入。

2.2.2 有限元分析過程

根據(jù)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用場景試驗(yàn)條件要求，將有限元分析過程確定為先進(jìn)行模態(tài)分析，再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)和隨機(jī)振動分析，其仿真流程如圖5所示。

圖5 仿真流程圖

仿真過程中需考慮電機(jī)總裝結(jié)構(gòu)、實(shí)際使用和振動試驗(yàn)的安裝方式，對電機(jī)的帶繞組定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心及磁鋼等，通過加質(zhì)量點(diǎn)的方式進(jìn)行簡化，考慮到振動仿真的線性要求，這種簡化對電機(jī)的仿真結(jié)果不會帶來太大的影響。簡化后形成的仿真結(jié)構(gòu)模型圖，如圖6所示。

圖6 機(jī)械強(qiáng)度仿真結(jié)構(gòu)模型圖

2.2.3 仿真分析結(jié)果

1）模態(tài)分析及結(jié)果

模態(tài)分析主要用于獲得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動頻率及相應(yīng)的振型，是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。通過分析，計(jì)算電機(jī)前6階固有頻率及振型云圖如圖7、圖8所示。

圖7 電機(jī)前6階固有頻率

圖8 電機(jī)前6階固有頻率振型分布云圖

2）力學(xué)條件下的仿真分析及結(jié)果

力學(xué)試驗(yàn)條件要求參數(shù)輸入，提取電機(jī)模態(tài)分析結(jié)果，通過加載沖擊試驗(yàn)加速度、PSD參數(shù)，對電機(jī)進(jìn)行不同方向沖擊、振動仿真分析。得到不同方向試驗(yàn)分析等效應(yīng)力云圖及位移云圖，仿真出電機(jī)最大等效應(yīng)力點(diǎn)及最大位移點(diǎn)，圖9～圖12為部分仿真結(jié)果。

結(jié)合仿真結(jié)果，可以驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的薄弱點(diǎn)，對電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效支撐。

圖9 軸向沖擊試驗(yàn)分析等效應(yīng)力云圖

圖10 軸向沖擊試驗(yàn)分析位移云圖

圖11 軸向隨機(jī)振動分析等效應(yīng)力云圖

圖12 軸向隨機(jī)振動位移云圖

2.3 熱設(shè)計(jì)

高功率密度無刷伺服電機(jī)體積小、輸出功率大、電磁負(fù)荷高、環(huán)境條件高、溫升高，為確保電機(jī)工作的可靠性，熱設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的重要特性。

2.3.1 熱源確定

舵機(jī)電機(jī)熱源主要為定子繞組銅耗及鐵耗。依據(jù)產(chǎn)品電磁設(shè)計(jì)參數(shù)，確定電機(jī)的熱源參數(shù)及電機(jī)表面主要散熱系數(shù)，并結(jié)合電機(jī)材料的物理屬性，即可對電機(jī)的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行求解。

2.3.2 基于ANSYS的電機(jī)溫度場計(jì)算模型

采用ANSYS軟件進(jìn)行舵機(jī)電機(jī)熱仿真模型建立，分別對電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，依據(jù)電機(jī)最高工作溫度、工作點(diǎn)及工作時間進(jìn)行仿真條件的設(shè)置，建立瞬態(tài)溫度場模型。

2.3.3 仿真計(jì)算

基于電機(jī)短時工作制的特點(diǎn)，采用以上熱分析手段，設(shè)定初始溫度點(diǎn)、額定工作點(diǎn)、工作時間等參數(shù)后，對產(chǎn)品進(jìn)行三維溫度場的計(jì)算溫度場分布，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 熱仿真結(jié)果圖

通過熱仿真分析，可以確定電機(jī)各關(guān)鍵位置的溫升情況，如表1所示。對溫度敏感點(diǎn)進(jìn)行識別，如繞組溫升、位置傳感器工作環(huán)境溫度等影響電機(jī)工作可靠性的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品溫度可靠性提供參考依據(jù)。

表1 電機(jī)熱設(shè)計(jì)結(jié)果

2.4 損耗設(shè)計(jì)

結(jié)合產(chǎn)品熱仿真分析結(jié)果，轉(zhuǎn)子保護(hù)套優(yōu)選金屬保護(hù)套，金屬合金鋼材料的電導(dǎo)率較高，但渦流損耗較大。針對渦流損耗大的因素，需開展轉(zhuǎn)子渦流損耗計(jì)算。

2.4.1 轉(zhuǎn)子損耗仿真模型建立

采用ANSYS Maxwell軟件的RMxprt Design進(jìn)行無刷伺服電機(jī)的建模，分別對電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。然后將RMxprt導(dǎo)入至Maxwell 2D有限元模塊，進(jìn)行二維瞬態(tài)場仿真，根據(jù)額定轉(zhuǎn)速、運(yùn)行溫度進(jìn)行仿真條件的設(shè)置，二維瞬態(tài)場的電機(jī)仿真模型如圖14所示。

圖14 電機(jī)二維瞬態(tài)場仿真模型

2.4.2 設(shè)置轉(zhuǎn)子材料屬性

設(shè)置轉(zhuǎn)子各零件所用材料的電導(dǎo)率，且對應(yīng)設(shè)置渦流效應(yīng)和激勵電流，其中電流值設(shè)置為0。

2.4.3 轉(zhuǎn)子損耗仿真結(jié)果

進(jìn)行二維瞬態(tài)場仿真，仿真得到磁鋼、護(hù)套、轉(zhuǎn)軸各部分渦流損耗，如圖15所示。

圖15 轉(zhuǎn)子各零件渦流損耗隨時間變化曲線

從圖15可以看出，在轉(zhuǎn)子各零件中，套筒渦流損耗最大，磁鋼次之，轉(zhuǎn)軸最小。對穩(wěn)定后的曲線求平均值，得到轉(zhuǎn)子總渦流損耗0.9 W，約占輸出功率的0.7%，設(shè)計(jì)時可以忽略不計(jì)。

3 仿真設(shè)計(jì)實(shí)例

結(jié)合以上設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了一款J28無刷伺服電機(jī)多物理場仿真設(shè)計(jì)及樣機(jī)制作，圖16為實(shí)物照片。

圖16 樣機(jī)照片

3.1 電機(jī)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)

表2為設(shè)計(jì)值與樣機(jī)性能測試數(shù)據(jù)對比，設(shè)計(jì)吻合度較高。

表2 樣機(jī)性能對比

3.2 機(jī)械強(qiáng)度適應(yīng)性驗(yàn)證

依據(jù)GJB1863A－2015無刷直流電動機(jī)通用規(guī)范，對樣機(jī)進(jìn)行了彈載系列振動、脈沖沖擊、穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)，試驗(yàn)后未出現(xiàn)零部件松動等現(xiàn)象，復(fù)測電機(jī)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 熱試驗(yàn)驗(yàn)證

常溫常壓下通過對拖方式給電機(jī)加載，額定工況下運(yùn)行1 min，采用電阻法測試?yán)@組溫升為86℃，與熱仿真溫升88.4℃基本吻合。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于多物理場聯(lián)合仿真的高功率密度無刷伺服電機(jī)設(shè)計(jì)。在電磁、機(jī)械強(qiáng)度、熱設(shè)計(jì)、損耗設(shè)計(jì)的多物理場設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開展了一款高功率密度無刷伺服電機(jī)試制，驗(yàn)證了多物理場聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)方法合理有效，設(shè)計(jì)吻合度較高。該方法為同類產(chǎn)品研制提供參考，可以有效減少樣機(jī)生產(chǎn)迭代次數(shù)，提高產(chǎn)品開發(fā)周期，具有重要的意義。