段小帥

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

一種高功率密度電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)

段小帥

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

針對(duì)飛行器的速度和機(jī)動(dòng)性不斷增加，對(duì)舵機(jī)的高功率和小型化等要求越來越高的問題，設(shè)計(jì)了一種高功率密度電動(dòng)舵機(jī)。從一體化本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高功率伺服電機(jī)設(shè)計(jì)和輕質(zhì)化材料選用等方面對(duì)電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行了研究分析。最后對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電動(dòng)舵機(jī)能夠承載8000N·m彎矩，并且輸出功率密度比常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)提高了50%以上。

電動(dòng)舵機(jī)；高功率密度

0 引言

舵機(jī)是飛航導(dǎo)彈等飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一種高精度的位置伺服系統(tǒng)，其性能直接影響飛行過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，飛行器的速度、射程、精度和機(jī)動(dòng)性不斷增加，因此對(duì)舵機(jī)的高功率、大承載、小型化和輕質(zhì)化等要求越來越高[1-2]。本文研究設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)舵機(jī)，相比于常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)，具有功率密度高和承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 舵機(jī)功能組成

電動(dòng)舵機(jī)通常由本體結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)和反饋裝置等幾部分組成，如圖1

圖1 電動(dòng)舵機(jī)組成示意圖Fig.1 Theschemeofelectromechanicalactuator

所示。伺服電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)產(chǎn)生的高速低轉(zhuǎn)矩通過適當(dāng)?shù)臏p速比轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)要求的低速高轉(zhuǎn)矩，并通過輸出機(jī)構(gòu)傳遞給舵面；反饋裝置測(cè)量到舵偏角信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制；伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出機(jī)構(gòu)和反饋裝置等組件最終通過舵機(jī)本體結(jié)構(gòu)，集成為一臺(tái)完整的電動(dòng)舵機(jī)。

2 舵機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

通常情況下，一臺(tái)電動(dòng)舵機(jī)的伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)分別采取獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，最后再組裝到一個(gè)舵機(jī)殼體中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)舵機(jī)的裝配和固定[3]。按照8000N·m彎矩、額定輸出700N·m轉(zhuǎn)矩、200(°)/s角速度、15Hz頻帶的性能指標(biāo)要求，最初設(shè)計(jì)的常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)如圖2所示，伺服電機(jī)為直流電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪+滾珠絲杠副，輸出機(jī)構(gòu)為搖臂+輸出軸，反饋裝置為齒輪+電位器，該電動(dòng)舵機(jī)的重量為11.5kg，輸出功率密度為210W/kg。

圖2 常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)Fig.2 Ordinary electromechanical actuator

為了進(jìn)一步提高該電動(dòng)舵機(jī)的功率密度，本文通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2.1 一體化本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)舵機(jī)各組件的殼體是電動(dòng)舵機(jī)工作過程中的關(guān)鍵承力部件，同時(shí)也為各組件之間提供定位及安裝位置，在電動(dòng)舵機(jī)裝配體中起到“基石”的關(guān)鍵作用。一般情況下，一臺(tái)電動(dòng)舵機(jī)的各組件分別具有各自的殼體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了電動(dòng)舵機(jī)的體積和重量比較大。

本文為電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)了一體化本體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)具有以下幾方面特點(diǎn)：

1)伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)共用一個(gè)本體結(jié)構(gòu)，大大減小了電動(dòng)舵機(jī)的體積和重量。

2)伺服電機(jī)殼體、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體和輸出機(jī)構(gòu)殼體三者之間相互連接，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)件，提高了三個(gè)組件之間的連接強(qiáng)度和承載能力。

3)該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)為一個(gè)零件形式，機(jī)械加工時(shí)采用統(tǒng)一基準(zhǔn)，提高了三個(gè)組件之間的定位精度。

4)該結(jié)構(gòu)要求各組件殼體為同一種材料，尤其在高低溫環(huán)境下材料特性能夠保持高度一致，提高了各組件之間的裝配精度。

圖3 一體化本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The scheme of incorporate configuration

2.2 高功率伺服電機(jī)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和角速度的源泉，相比其他伺服電機(jī)，無刷直流電機(jī)具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩輸出能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性高等特點(diǎn)，本文中的電動(dòng)舵機(jī)選用無刷直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，并從電機(jī)材料選取、結(jié)構(gòu)和尺寸計(jì)算、電磁場(chǎng)分析等方面對(duì)該電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了減小電機(jī)的尺寸和重量，在保證內(nèi)稟矯頑力滿足要求的前提下，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)矯頑力應(yīng)盡量提高，同時(shí)考慮到電機(jī)的高溫使用環(huán)境等綜合因素，通過計(jì)算選取SmCo28燒結(jié)釤鈷作為電機(jī)的永磁材料。電機(jī)定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心選用35W300電工鋼帶疊壓而成，并采用特殊的粘接工藝進(jìn)行連接。電機(jī)轉(zhuǎn)軸材料采用TC9鈦合金，該材料具有強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕及耐高溫等特點(diǎn)。

通過磁路計(jì)算和電路計(jì)算，確定該伺服電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 The design parameter of servo motor

該電機(jī)為6極9槽的槽極配合，該結(jié)構(gòu)節(jié)距為1，繞組端部短，有利于減小轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，適合高速運(yùn)行；該結(jié)構(gòu)繞組因數(shù)低，電樞反應(yīng)弱，有利于電機(jī)的過載；并且在相同外徑下分布的槽數(shù)少，保證了電機(jī)的齒部機(jī)械強(qiáng)度。伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)外形圖Fig.4 The figure of servo motor

在Ansoft軟件中建立伺服電機(jī)設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行電磁和性能仿真。給定伺服電機(jī)10000r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，伺服電機(jī)額定輸出力矩約3.6N·m，曲線如圖5所示；伺服電機(jī)峰值輸出力矩約7.6N·m，曲線如圖6所示。經(jīng)測(cè)試，該伺服電機(jī)的輸出功率達(dá)到3.8kW，功率密度超過2kW/kg。該伺服電機(jī)完成加工和測(cè)試后，最終安裝到一體化本體結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)舵機(jī)的集成化裝配。

圖5 電機(jī)額定輸出力矩曲線Fig.5 The graph of rated torque

圖6 電機(jī)峰值輸出力矩曲線Fig.6 The graph of peak torque

2.3 輕質(zhì)化材料選用

電動(dòng)舵機(jī)的一體化本體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵承力部件采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料設(shè)計(jì)加工。其中，一體化本體等殼體類零件選用ZK61M鎂合金代替鋁合金，抗拉強(qiáng)度達(dá)到315MPa，密度僅1.8g/cm3(常用的3A21鋁合金的抗拉強(qiáng)度為165MPa，密度為2.7g/cm3)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件選用TC9鈦合金代替合金鋼，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1060MPa，密度僅4.5g/cm3(常用的40Cr合金鋼的抗拉強(qiáng)度為980MPa，密度為7.8g/cm3)。通過輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，該電動(dòng)舵機(jī)的重量為7.5kg，輸出功率密度超過330W/kg，比常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)提高了50%以上，如圖7所示。

圖7 高功率密度電動(dòng)舵機(jī)Fig.7 High power-density electromechanical actuator

在Ansys軟件中對(duì)一體化本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，在舵機(jī)輸出軸上加載8000N·m彎矩，一體化本體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布如圖8所示。結(jié)構(gòu)上最大應(yīng)力點(diǎn)359MPa，為局部應(yīng)力集中點(diǎn)，絕大部分區(qū)域處于材料的抗拉強(qiáng)度以下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足指標(biāo)要求。

圖8 強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.8 Intensity emulation

對(duì)電動(dòng)舵機(jī)實(shí)物進(jìn)行了彎矩加載試驗(yàn)，將舵機(jī)安裝固定在彈體上，在該舵機(jī)上安裝舵面后，在舵面上加載8000N·m彎矩，電動(dòng)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)完好、工作正常，表明了該輕質(zhì)化材料選用的可靠性。

3 舵機(jī)試驗(yàn)分析

采用專用電動(dòng)舵機(jī)加載測(cè)試設(shè)備對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行典型信號(hào)響應(yīng)測(cè)試。由于大尺寸舵面帶來的慣量負(fù)載對(duì)電動(dòng)舵機(jī)性能有一定的影響[4]，且本文中的電動(dòng)舵機(jī)所驅(qū)動(dòng)的舵面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.36kg·m2，因此以下性能測(cè)試均在附加相同的慣量負(fù)載下進(jìn)行。

對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)在輸出700N·m轉(zhuǎn)矩負(fù)載下進(jìn)行角速度測(cè)試，輸入30°方波信號(hào)，響應(yīng)曲線如圖9所示，測(cè)得輸出角速度超過200(°)/s。

圖9 角速度測(cè)試曲線Fig.9 Test curve of angular velocity

對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)在輸出700N·m轉(zhuǎn)矩負(fù)載下進(jìn)行頻率響應(yīng)測(cè)試，輸入15Hz、2.5°正弦信號(hào)，響應(yīng)曲線如圖10所示，測(cè)得幅值衰減了約10%，滿足了系統(tǒng)響應(yīng)快速性的要求。

圖10 頻帶測(cè)試曲線Fig.10 Test curve of frequency

4 結(jié)論

本文介紹的電動(dòng)舵機(jī)，通過一體化本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高功率伺服電機(jī)設(shè)計(jì)和輕質(zhì)化材料選用等措施，電動(dòng)舵機(jī)的功率密度和承載能力得到大幅提高。通過測(cè)試，該電動(dòng)舵機(jī)能夠承載8000N·m彎矩，并且在大慣量負(fù)載和轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下，能夠滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求。

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Design of a High Power-density Electromechanical Actuator

DUAN Xiao-shuai

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

A high power-density electromechanical actuator is designed regarding the problems of high flight speed and flexibility for aircraft，which requires high power and miniaturization of electromechanical actuator more and more.The electromechanical actuator is studied based on incorporate configuration，high power servo motor and light materials.The performance is tested at last.The results show that it can bear bending moment of 8000N·m and its output power-density increases 50% more than ordinary electromechanical actuator.

Electromechanical actuator；High power-density

2015-05-05；

2015-06-05。

段小帥(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事伺服系統(tǒng)方面的研究。

TJ765.2

A

2095-8110(2016)01-0036-04