多旋翼油动力无人机用起/发电机的研究设计

龙宇航，夏加宽，李泽星，王婧妍，何显平，梁宗伟

(沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870)

0 引 言

多旋翼油动力无人机具有动力强、灵活机动、结构多样、维护费用低等优势，被广泛应用于军事及民用领域[1]。其动力系统是影响无人机使用性能的重要因素，目前传统多旋翼油动力无人机采用多点分布式为无人机提供动力，起动电机拖动油机旋转，油机点火后为无人机提供动力；机载电池一方面用于为控制系统提供电源，另一方面还要为附加电动设备提供电力供应。由于体积和重量的严格要求，其容量有限，无法长时间维持电力供应，限制了无人机的续航时间。因此，本文提出以起/发电系统取代起动电机动力系统的起发电一体化方案，即无人机在空中正常运行时，可以补给机载电池，进而延长了无人机续航时间。起/发电机是起/发电系统的核心，本文重点研究起/发电机的设计。

1 电机性能参数

汽油发动机的工作过程主要分为起动过程和自行工作过程两个阶段。起动过程中起/发电机拖动发动机冷起动，起/发电机必须将曲轴加速到一定的转速，同时能提供足够大的起动力矩。油机在自行工作过程中主要为无人机提供飞行动力，其次用于拖动起/发电机发电。图1为1.1kW汽油发动机设计的起/发电机转矩转速特性。

图1 起/发电机的转矩与转速特性

图1中，电机在500r/min实现油机的点火；点火前，油机的阻转矩达到最大值15Nm；500～4000r/min期间，油机自行加速，无需电机做功；4000r/min及以上，油机拖动电机旋转发电，由于受到油机容量及飞行动力所需功率的限制，油机的拖动转矩不超过0.191N·m。

考虑到油机的起动条件、输出功率、转速以及发电用途等多方面的因素，本文以1.1kW汽油发动机为例，折算到电机所需的性能参数如表1所示。

控制器瞬间电流过载能力以及电机永磁体材料的抗去磁能力等因素，分别对电机各个部分进行分析确定。同时，作为空中飞行单位，无人机对起/发电机的重量及输出能力要求更加严格，因此，起/发电机在设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密度的提升。

表1 电机的性能参数

2 电机结构形式及主要尺寸

对多旋翼无人机而言，基于有效载重的要求，电机的结构形式应更注重轻质和高功率密度。本文选用外转子结构形式，相对于内转子电机而言，具有电机结构紧凑、转子更易冷却以及永磁体更容易加固等特点。除此之外，还具有更高的转矩输出等优势[2]。因此，本文选用外转子结构形式；同时，内置高效散热阵列，有利于定子散热，提高功率密度，进而减轻电机重量。

电机主要尺寸的选择要从功率密度方面考虑。在电机磁路充分利用的情况下，电机外径增加时，转矩随外径平方成正比增加，重量增加相对缓慢；而电机长度增加时，转矩和重量均成正比增加。因此，在确定电机主要尺寸时，应先根据电机外径限制确定最大外径，再根据重量要求，确定最大轴向长度。根据电机尺寸安装要求及无人机承载能力限制，电机外径应不超过110mm，重量小于0.9kg。

2.1 极槽配合

针对于无人机对自重的严格限制，电机极槽数的选择主要从电机重量方面考虑同时兼顾电机电磁性能。

提高电机功率密度是减轻电机重量的有效途径；分数槽集中绕组结构的电机具有绕组端部短、铜线用量少、体积小的特点，可以使电机的效率和功率密度大幅度提高，并且集中绕组结构相对简单，降低电机的材料成本，同时提高了绕组的可靠性，适合于自动化生产[3]。因此，该电机极槽配合采用分数槽集中绕组形式。

目前，对分数槽集中绕组的研究主要集中在提高绕组系数和降低齿槽转矩等方面。表2中给出的几种常见极槽配合中[4]，9槽8极、12槽10极、36槽42极绕组系数相对较高，但9槽8极组合受单边磁拉力影响较大，36槽42极相当于三个12槽14极单元电机，12槽14极电机与12槽10极电机相比，极数相对较多，电机轭部体积小，电机重量可有效减小。同时，从齿槽转矩角度来看，36槽42极的齿槽转矩小于12槽10极电机的齿槽转矩。由于齿槽转矩会引起电机的振动与噪声，对精密设备产生巨大的影响。因此，应该最小化齿槽转矩，提升电机性能。综上，最终选定电机的极槽数为36槽42极。

表2 不同极槽配合电机的性能

2.2 每槽导体数的选择

每槽导体数影响起动电流大小，随着匝数增加，起动电流减小。考虑到电机在电动阶段需要过载运行，电流较大会增加控制器设计难度，因此应尽量减小起动电流。但是，随着匝数的增加，电机绕组电阻和电抗相应增加，电源可提供的电流减小。因此在减小起动电流的同时需要考虑起动电流与电源可提供电流的大小关系。本文利用有限元仿真的方法，以每槽导体数为变量，仿真分析了不同导体数下电机克服负载转矩所需的电流(即起动电流)大小和电源所能提供的最大电流(即极限电流)的变化规律。图2中，随着匝数的增加，极限电流和起动电流均呈减小趋势；在6～10匝时，极限电流大于起动电流；在12～18匝时，极限电流小于起动电流。因此每槽导体数应在6～10匝之间选择。

图2 电流随每槽导体数变化曲线

此外，电机每槽导体数的选择还要从电机效率角度考虑。电机每槽导体数主要影响电机的铜耗。图3中，随着匝数的增加，电机铜耗逐渐下降；因为随着每槽导体数增加，电机的感应反电势逐渐增大，电枢绕组的相电流减小，使得电机的铜损下降，发热下降，电机效率提升。

考虑到每槽导体数增加时极限电流与需要电流的关系以及铜耗的变化，每槽导体数最终选择10匝。

图3 铜耗随每槽导体数变化曲线

2.3 永磁体尺寸对电机的影响

电机磁钢的主要参数包括永磁体的磁化方向长度hM、极弧系数及永磁体沿电机放置的轴向长度LM三方面。永磁体轴向长度LM一般取等于或者略小于电机的轴向长度即可。永磁体的磁化方向长度hM与永磁体的最佳工作点以及永磁体的抗去磁能力密切相关[5]，同时也影响了永磁体的强度；永磁体的磁化方向长度hM不宜取得过薄，过薄将导致永磁体的废品率上升，提高成本，且机械承受能力差，不易加工和装配；除此之外，永磁体磁化方向长度还影响了永磁体的退磁能力。在起动过程中，电机过载运行，电流较大，可能会造成永磁体发生不可逆退磁。直轴电流是造成永磁体退磁的主要原因[6]。直轴电流的大小可通过式1计算，其最大值可通过式(2)算出。

(1)

(2)

本文利用有限元静态场，仿真得出了在最大直轴电流作用下，随着永磁体磁化方向长度的改变，永磁体的最小磁密值曲线。

图4 磁感应强度随永磁体磁化方向长度变化曲线

图4中，随着永磁体磁化方向长度增加，永磁体的最小磁密值逐渐增大。本文采用钕铁硼N35永磁体，在最高工作温度80℃以下，当磁密值低于1.016T时，该永磁体发生不可逆退磁。因此，通过图4可知，永磁体磁化方向长度不能小于3mm。同时永磁体磁化方向长度增加，永磁体的用量大幅提升，电机的生产制造成本随之提高，电机重量也会相应增加，因此永磁体磁化方向长度不宜过大。综合来看，永磁体磁化方向长度应取3mm。

图5 齿槽转矩最大值随极弧系数变化曲线

永磁体的极弧系数是影响永磁体利用率的另一物理量。由文献[7]可知，永磁体极弧系数会影响电机齿槽转矩大小；电机齿槽转矩较大，会增大电机转矩波动，影响电机平稳运行。通过仿真得到，图5中，随着极弧系数的增加，电机齿槽转矩先减小后增大。

通过仿真极弧系数与电机齿槽转矩大小的关系，如图5可知，极弧系数取0.85时，电机的齿槽转矩最小。

3 局部饱和点优化

在起动过程中，电机过载运行，电流较大，同时为了减轻电机重量，电机铁心用量较少，铁心容易过度饱和，进而影响电机的转矩电流特性。

通过有限元仿真，在Iq取不同值时，电机平均输出转矩曲线如图6所示，由图中可以发现，电机实际运行时，由于铁心饱和的影响，平均输出转矩和电流并非严格的线性关系；随着电流的增大，曲线斜率逐渐减小，转矩变化趋于平缓；73A时，电机输出转矩才能达到15N·m。

图6 转矩随电流变化曲线图

仿真得到Iq取73A时，电机磁密云图，如图7所示。图中，在每两极之间的转子轭部、定子齿部均出现局部饱和现象，其中定子齿部饱和较为严重；因此，适当降低电机定子齿部的饱和程度可减小此时电机的绕组电流，从而缓解发动机启动时电机绕组因过载而导致的发热问题。

图7 电机负载磁密云图

针对电机的局部饱和问题提出3种优化方案，第一种方案为：适当增加定子齿部宽度。由图8中的曲线可以发现，定子齿宽适当增加后，转矩电流曲线更趋近于线性，即电机饱和程度降低了，但定子齿部加宽会相应增加电机重量；由于无人机的载荷条件复杂，电机的载荷水平较常规电机高，因此需要对电机进行结构优化，尽最大限度减轻电机重量。本文为了既能降低电机局部饱和程度，又能使电机轻量化，又提出两种优化方案，两种方案为分别在定、转子轭部不饱和区域开槽处理的结构形式，对电机进行优化；由图10可以发现，采用后两种方案即定、转子轭部分别开槽与方案一对比，在任意负载电流下，优化前后电机输出转矩并无太大差别。转矩电流曲线基本一致，即本文采用的定、转子轭部开槽方案不影响电机的转矩电流特性，同时又能减轻电机重量。综合上述多种方案的优化结果，本文提出了图9的结构形式，即在齿部适当加宽的基础上，定、转子轭部不饱和区同时进行开槽处理。图7和图9对比发现，该方案中齿部饱和程度明显下降；对比图8中改进前的曲线和定转子轭部同时开槽的曲线可知。该方案转矩电流曲线明显改善；同时，该方案也减轻了电机重量。因此，本文最终确定选用齿部适当加宽且定、转子同时开槽的电机优化方案。

图8 齿加宽与改进前转矩随电流变化对比图

图9 齿加宽且定转子同时开槽磁密云图

图10 多种优化方案与改进前对比

4 电机仿真分析

利用Ansoft电磁场对优化后的电机进行了整体的电磁场分析如下：

图11 电机的空载磁密分布

图11给出了优化后的电机在空载时的磁密分布。

齿槽转矩会使电机转矩波动，产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能[8]，因此，对磁钢进行了优化设计。通过调节极弧系数使得电机气隙磁密较为正弦，同时考虑到齿槽效应也会对磁场产生影响，图12为优化后电机的齿槽转矩随时间的变化。电机的最大齿槽转矩为5.8mN·m，约占额定转矩的0.39%。

图12 电机的齿槽转矩

空载反电势波形影响到电机的震动、噪声、纹波转矩的抑制以及附加损耗。图13为电机的空载反电势波形。

图13 电机的空载反电势波形

图14为计算电机在额定电流下产生的转矩为15.1Nm。

图14 电机的平均转矩图

为了验证样机的性能，在样机加工制作完成后，对其进行实验测试。实验测试平台由T型槽、直流电源、电机、控制器以及示波器等观测设备构成。图15为样机测试平台。从运行情况看，电机满足预先设计的转矩转速特性，运行平稳。

图15 实验测试平台

电机的实验数据与设计数据的对比如表3所示，可以设计数据与实验数据基本一致。

表3 电机的实验数据

5 结 论

本文针对多旋翼油动力无人机用起/发电机进行研究设计；研究电机主要参数对设计的影响及设计方法；针对油机起动时电机的局部饱和问题提出多种优化方案，进行了综合对比分析；并通过有限元分析对改进后的电机模型进行了仿真计算分析，最后通过实验测试，验证了设计的合理性，为多旋翼油动力无人机用起/发电机的开发设计方案选择提供了参考依据。