微型永磁直流电动机设计与研究

高超，吴涛，田鹏

(1哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，黑龙江哈尔滨 150040;2驻一二○厂军室代表室，黑龙江哈尔滨 150066)

0 引言

我国某型飞机座椅要求调节高度的电动机在一定时间内正、反向旋转，带动座椅(同方向负载)上、下运动;断电后电动机需立即制动;座椅救生弹射时，克服瞬间推力(电动机输出轴端受径向力矩0.43N·m)，电机轴不允许旋转。为达到技术要求，对电机结构、电磁参数、制动控制进行了研究与论证。

1 电机功能分析

该电动机为重复短时工作制，输入电压27V DC，正向旋转时(座椅向上运动)，负载为向下200kg重力;反向旋转时(座椅向下运动)，负载向下205kg重力。从功能及参数影响方面，将该电动机分为四种工作状态:

(1)起动瞬间状态

起动瞬间，电机为堵转状态，因此电机工作电流将急剧上升，直至电磁转矩克服阻力而旋转。要求起动电流不超过6A，起动时间不超过100ms。

(2)拉动负载工作

拉动负载工作时，电机带支座椅向上运动，克服方向向下的重力G、摩擦阻力F1，在电枢中产生与之平衡的向上的电磁力T1，达到驱动负载的目的，保证转速不低于6 500r/min。

(3)拖动负载工作

拖动负载工作时，电机带动座椅向下运动，克服方向向下的重力G、向上的摩擦阻力F2，在电枢中产生与之平衡的向上电磁力T2，达到驱动负载的目的，保证转速不低于5 000r/min。

(4)断电(停车)瞬间状态

在电机断电瞬间，转速由额定转速变为0的过程中，应有制动结构，保证电机立即停车。

2 设计方案研究

2.1 总体方案

因电机外形尺寸限制，经电磁计算，确定电机为永磁体励磁结构。为保证制动功能要求，在电枢回路串联直流电磁制动器。

电机属于四象限运行，永磁体电机在断电停车瞬间状态，在电枢中将产生感应电动势，如有闭合回路，则该电动势将在回路中产生一个急剧下降的瞬间电流，当该电流大于制动器释放电流时，电机不能及时、有效停车。电机串联制动器线圈工作时，电流变化曲线如图1所示。进行详细参数设计时，必须控制好电机电流与制动器释放电流的关系，保证电机在各个工作状态能够正常工作。

图1 电机电流变化曲线

2.2 控制方案论证

电机带动负载向上、向下运动时，工作状态不同，因此工作电流差异很大。理论计算值分别为2.1A、0.4A。制动器性能计算中，制动器断电释放电流为0.2～0.5A。即当电动机向下运动过程中，出现制动器释放→对电机进行刹车→电机堵转→电流升高→制动器吸合→电机旋转→制动器释放的循环刹车现象。为此需对电机制动控制进行改进，提高负载向下运动时的工作电流。

在回路中增加并联制动线圈，依据线径、匝数调整电流并串联二极管，以控制上升时电流不再增加。线路连接及原理如图2所示。

图2 电机工作原理示意图

(1)起动瞬间状态:电机电流上升，因串联电感，削平电流尖锋，将起动电流控制在要求范围之内，电流达到吸合电流瞬间，制动器吸合，使轴与制动盘分离而开始旋转。

(2)拉动负载状态:电机通入如图2所示的正向电流，因二极管控制，只有串联制动器线圈工作，达到制动器吸合电流后，电机带动负载旋转，推动座椅及飞行员上升。高度合适断电停车瞬间，制动器中弹簧推动止动盘，使电机立即停车，在电枢两端形成的反向电动势，因二极管而不存在回路，永磁电机不能产生电流使制动器失效，因此制动正常。

(3)拖动负载状态:电源通反向电流，Q1通过二极管导通而与Q2同时工作，产生同方向的电磁力使制动器吸合，电机旋转，座椅及飞行员拖动电机下降。此状态下的断电停车瞬间，因电路构成回路，电机作发电机运行，转速由额定转速6 500r/min变为0过程中，永磁电机产生与原电流反向的二次电流，当两个电流之和小于制动器释放电流时，制动器正常工作;当电流之和大于制动器释放电流时，电机不能及时、有效停车。为控制两电流之和足够小，将串联制动器线圈及并联制动器线圈匝数进行了计算，结合电阻控制了电机工作电流，使之大于制动器释放电流，达到制动正常的目的。

2.3 结构设计

根据外形尺寸、功能要求，进行了总体结构论证，包括其结构的优缺点，具体如下:

(1)采用永磁体励磁结构。永磁电机近几年才应用于航空领域，对永磁体性能提出了较高要求的同时，永磁体漏磁对其它产品的影响需重点研究、防护。

(2)为实现断电后立即制动的功能要求，采用直流电磁制动器。因电机为直流电机，工作时对串联在另一端、与电枢没有交集区的制动器线圈彼此之间没有影响。制动器线圈作为电枢的电阻，损耗功率，在电动机电磁计算过程中需重点考虑;作为电感元件，削弱了电动机的起动电流，保证了电源特性要求。

(3)为保证正、反向旋转两种工作状态，直流电磁制动器正常工作，制动器线圈分为两部分:一部分串联入电枢绕组，正、反向旋转时都工作;另一部分与电枢绕组并联，只在反向旋转时工作。

(4)在弹射瞬间3 200N推力下，为保证制动力要求，保证外形尺寸不变，增加摩擦面积，制动器采用双面摩擦结构(如图3所示)。

图3 制动器结构组成图

3 样机制造、试验结果与分析

2010年10月制造该永磁直流电动机一台，并进行了性能测试，其正、反向起动电流、输出力矩、工作电流、转速都达到了预期指标，制动器工作正常，通过了最大静摩擦力矩试验。对磁密度高部位增加了磁路面积，解决了永磁体漏磁大的问题。负载试验中起动-工作-制动过程电流实测曲线如图4所示。

图4 电流实测曲线图

4 结语

(1)该型电动机采用永磁铁励磁方式，达到了结构紧凑、体积小、重量轻的目的，满足总体对于重量、体积的要求。

(2)该型的制动器参数、结构设计满足电机四象限运行的需要，保证了电机的正常工作，满足了最大静摩擦力矩要求。

(3)该微型永磁直流电动机是自主研制产品，为微型驱动电机在航空领域内的发展，提供了参考。

[1]唐任远.现代永磁电动机理论与设计.机械工业出版社，1997.12.

[2]汤蕴璆，史乃.电动机学.机械工业出版社，1999.5.

[3]龚新民.电动机工程手册.机械工业出版社，1984.2.

[4]王泽中，全玉生，卢斌先.工程电磁场[M].清华大学出版社，2004.

[5]姚保庆，范瑜，吕刚.基于Ansoft的直线感应电机三维动态仿真[J].防爆电机，2006.