旋转直驱伺服阀用有限转角电机的设计与研究

2021-11-16胡小飞苏静静宋满存关瑞明

微特电机 2021年11期

胡小飞，王毅，苏静静，宋满存，关瑞明

(1.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076； 2.航天伺服驱动与传动技术实验室，北京100076)

0 引言

电液伺服阀是一种机电液一体化高精密部件，主要通过阀的动作来转变电、液信号，并控制液压机构。由于先导阀的性能及结构，传统的电液伺服阀的动态性能以及抗污染能力受到了很大限制[1-2]。直接驱动伺服阀采用驱动元件直接驱动功率阀阀心，具有高可靠、强抗污、高精度和快响应等特点，相较于普通电液伺服阀性能更优异，在液压系统中得到越来越广泛的应用[3]。

新材料和新结构的研究应用为直接驱动伺服阀提供了发展。压电陶瓷、形状记忆合金、超磁致伸缩等新材料直接驱动伺服阀[4-5]，以及力矩电动机、旋转比例电磁铁、步进电动机、伺服电动机等新结构直接驱动伺服阀[6-8]，得到了广泛研究。其中，伺服电动机直接驱动伺服阀因其具备高可靠性和高精度、快响应、大功率密度等诸多高性能，发展迅速。文献[9]对大流量2D伺服阀电-机械转换器-三相感应式同步电动机进行分析，研究表明该2D伺服阀具有良好的动态特性。文献[10]设计了一种采用步进电动机驱动的数字阀，实现了2D数字阀精确控制阀心的径向运动，并使阀心在初始状态下轴向和径向保持在规定的零位位置。文献[11]针对电液伺服阀中力矩电动机磁体的磁阻反应进行分析，提高了伺服阀的线性控制精度和灵敏度。文献[12]提出了一种采用高频音圈电动机的直驱伺服阀，系统的动态响应带宽可达450 Hz，高于现有的音圈电动机直驱阀。文献[13]对一种数字伺服阀驱动机构进行了分析，该数字伺服阀主要由丝杠和永磁同步伺服电动机组成，性能能够满足某数字伺服阀的使用要求。

本文研制了一种用于旋转式直接驱动伺服阀前置级驱动的有限转角电机，进行了磁路模型分析，并根据仿真和实验结果对有限转角电机的工作特性进行了讨论。

1 有限转角电机结构与工作原理

本文研制的有限转角力矩电机是旋转直驱伺服阀(以下简称RDDV)中直驱阀心的驱动装置，其结构示意图如图1所示。工作时，根据阀开口开度指令，控制器驱动电机旋转，电机的角位移通过偏心轴耦合装置转化为阀心的直线运动，集成于电机中的位置传感器将电机的旋转位置反馈给控制器，对阀口开度进行控制，实现对伺服阀流量和方向的控制。

图1 RDDV结构示意图

在RDDV工作时，从闭口到最大开口阀心只需旋转一定角度而无需整周旋转，若采用传统旋转电机，为了保证整周旋转，势必牺牲输出力矩来达到所需行程[14-16]。因此，针对此特定需求，设计符合应用指标的有限转角电机，其优点为转矩密度大、控制精确、可靠性高。

根据RDDV工作要求，设计特殊的有限转角电机。根据阀工作行程和工作环境，制定参数指标：转角范围≥±10°，工作温度-55 ℃～+125 ℃；根据电机和阀体安装需求，制定结构指标：外径不大于30 mm，轴向长度不大于50 mm；根据阀的工作状态和控制要求，制定性能指标：额定电流不大于1 A，额定转矩不小于0.05 N·m，转矩波动不大于5%；有限转角电机技术指标要求如表1所示。

表1 RDDV有限转角电机设计指标要求

根据RDDV技术指标要求，研制了有槽集中绕组的4极8槽单相永磁无刷有限转角电机，如图2所示。电机主要由壳体、端盖组件、铁心、线圈、钢套、转轴、磁轭、永磁体、偏心轴和角位移传感器等组成。线圈按照如图2(b)所示方向缠绕在铁心上。转轴、磁轭和4块永磁体构成转子，转轴上的偏心轴将电机的角位移耦合为阀心的直线运动。钢套和密封圈组成电机的密封结构，在液压油进入电机内部冷却电机转子、润滑轴承的同时，线圈不受液压油的影响。角位移传感器选用线性霍尔传感器，安装在端盖组件上，提供位置信号反馈给控制器。

图2 有限转角电机结构示意图

该有限转角电机和常规永磁直流电机的基本原理相同，利用转子永磁体磁极励磁，定子绕组通正、负直流电产生的磁场与永磁体磁极产生的磁场相互作用形成电磁转矩。它不用电刷换向，也不用电子器件换向，仅在图2(b)所示以电气零位为中心的点划线范围内摆动，快速运转定位至准确位置。

2 有限转角电机数学建模与仿真

2.1 等效磁路分析

使用等效磁路法进行有限转角电机数学建模，得到有限转角电机工作特性的解释模型，用于分析各结构参数对电机性能的影响[17]。

假设等效磁路中的软磁材料没有饱和，此时，软磁材料的磁阻与气隙磁阻和永磁体磁阻相比可以忽略，并忽略漏磁和边界效应。假设气隙均匀，永磁体磁化方向长度相同。基于上述简化假设，图3为该有限转角电机的等效磁路。其中，磁极磁动势Fm，磁极等效磁阻Rm，气隙等效磁阻Rg分别如下：

图3 有限转角电机等效磁路图

(1)

(2)

(3)

式中：g为等效气隙长度；hm为等效永磁体磁化方向长度；Hc为永磁体矫顽力；Ag为等效气隙截面积；Am为等效永磁体截面积；μ0为真空磁导率；μr为永磁体相对磁导率。

气隙磁通φg：

(4)

气隙磁密Bg：

(5)

对于理想电机来说，基于上述假设，气隙磁密在主磁极覆盖区域下保持一定。而实际情况下，由于磁钢加工和装配条件的限制，气隙磁密在有效范围内无法做到绝对常值，在计算中引入计算极弧系数β，表示所形成的磁密平均值与最大值之比。则气隙磁密Bg：

(6)

对于单极磁极，若有效匝数为N1，则每极产生的输出力：

Fe=BgILN1

(7)

由于该电机为对称结构，4极永磁体产生的力矩大小完全相同，则电机的力矩大小：

Te=pBgILN1r

(8)

式中：p为电机极数；N1为每极覆盖的有效导体匝数；r为产生力的导体所处位置的平均半径。

由式(8)可知，电机转子在图2(b)的点划线范围内旋转，绕组通过相同方向的正或负向电流，在这个范围内旋转的转子磁极切割最多的有效匝数N1，电磁转矩最大。如果转子旋转超过了图中的点划线范围，因有限转角电机不会给绕组电流换向，故某些绕组的电流是反方向的，转子磁极切割的有效匝数N1减少，电磁转矩也下降。因此，该有限转角电机仅能在有限的角度内运行，保证电磁转矩的恒定。

2.2 有限转角电机有限元仿真

相较于等效磁路法，有限元法能对有限转角电机的工作性能进行更好的计算分析。有限元法可以考虑不均匀气隙、漏磁、磁化曲线等非线性因素的影响。

利用有限元软件Maxwell建立有限转角电机二维有限元模型。其中磁钢为耐高温钐钴磁钢。电机有限元模型如图4所示。

图4 电机有限元模型

给模型绕组施加额定直流电流1 A激励，转矩与转子位置角之间的关系曲线如图5所示。可知，在±10°转角范围内，有限转角电机额定转矩大于57 mN·m，转矩波动为4.3%。

图5 电机转矩曲线(额定电流1 A)

给模型绕组施加不同的直流电流激励，电机转子处于电气零位时的转矩特性曲线如图6所示。可知，电机转矩与电流的线性度较好。

图6 电机转矩特性曲线(处于零位)

2.3 霍尔传感器感应磁场有限元分析

本文研制的有限转角电机采用线性霍尔传感器检测±10°工作转角范围内转子位置。该线性霍尔传感器将磁感应强度作为输入量，其输出为电压值与输入的磁感应强度成正比。霍尔传感器的输出电压与磁感应强度的关系如图7所示。由图1可知，霍尔传感器检测的感应磁场由处于霍尔传感器正下方的两块永磁体提供。当电机转子处于电气零位时，霍尔传感器输入的磁感应强度为零(B=0)，其输出的电压值为0.5倍的电源电压值；当转子旋转永磁体S极在霍尔传感器感应出负的磁感应强度时，传感器输出低于零点电压值；当转子旋转永磁体N极在霍尔传感器感应出正的磁感应强度时，霍尔传感器将输出高于零点电压值。

图7 霍尔传感器输出电压与磁感应强度的关系曲线

由图7可知，在电机±10°工作转角范围，霍尔传感器检测的磁感应强度应在-0.08～0.08 T以内才能保证霍尔传感器工作在线性区域。且转子旋转的角度应与霍尔检测的磁感应强度成线性关系才能保证转子位置与霍尔传感器输出电压成线性关系。因此，为了保证永磁体产生的磁感应强度与转子角度成线性关系，本文在不改变转子外径的情况下，将永磁体宽度bp和永磁体外径R(即偏心度)进行改进，提高其线性度，如图8所示。并通过调整如图1所示的霍尔安装位置来保证永磁体产生的感应磁场强度在霍尔传感器需要的磁感应强度范围内。

图8 永磁体横截面示意图

利用有限元软件Maxwell建立感应磁场有限元模型如图9所示。通过仿真分析可得电机转子角度与磁感应强度的关系，如图10所示。可知，在电机±10°工作转角范围，满足霍尔传感器工作在线性区域的使用要求，且电机转子角度与磁感应强度的线性度较好。

图9 磁场有限元分析模型

图10 电机转子角度与磁感应强度关系曲线

3 有限转角电机性能实验

3.1 霍尔传感器位置校准

霍尔传感器位置校准用于检测有限转角电机的转子角度与霍尔传感器输出电压的关系，其实验装置如图11所示。给霍尔激励端通入5 V(DC)直流电压，霍尔公共端接地，霍尔反馈信号端接示波器或万用表，旋转电机转子分别旋转至转子角度机械限位处(电机内部转子机械限位角为±15°位置处)，观测这两个位置处霍尔反馈信号输出的电压值。实验测试值如表2所示。

图11 霍尔传感器位置测试

表2 霍尔传感器检测实验值

由实验测试结果可知，1°位置角度对应的霍尔传感器输出电压值为0.118 V。从而可以得到任意位置处对应的霍尔输出电压信号。电机工作转角为±10°时，对应霍尔传感器输出电压为1.32 V～3.68 V。

3.2 有限转角电机力矩测试实验

有限转角电机实验的测试装置如图12所示。实验时，将有限转角电机用固定卡具固定，在电机轴上安装输出轴工装，将不同质量的砝码挂在输出轴工装上用于模拟电机实际负载，进行测量电机的扭矩测试，由位置传感器测定电机的旋转角度。

图12 静态转矩测量装置

实验时，将一定质量的砝码挂在输出轴工装上模拟实际负载力矩，电机控制驱动器驱动电机至驱动控制器给定的角度位置，并维持稳定，测量此时的电机电流。可通过调整驱动器给定的角度位置、加载在电机上的砝码质量，对电机在不同电流和转子角度位置下的输出转矩进行测试。测得的0°和±10°时，施加额定电流1 A的电机转矩，如表3所示。实验测得的转矩波动为6.85%，比仿真值4.3%稍大。实验测得转矩波动较大的原因是：有限转角电机的零位有偏差，实际生产的电机调零后的零位位置与仿真时的零位有偏差；霍尔传感器位置校准时也会带来一定的位置偏差；仿真值比较理想，与实际存在一定偏差。