摘要：本文依托于作者业务工作中的实践经验，对吊舱用力矩电机的系列化设计方法进行研究，其中包括力矩电机的初始化设计、如何利用ansys maxwell对力矩电机进行精确、快速的计算，本研究也适用于其他用途的力矩电机。
关键词：电机设计；力矩电机；maxwell
Series Design Method for Torque Motor of Pod
Jia Bo
（AVIC China Aero-Polytechnology Establishment，Beijing 100028）
Abstract In this paper，based on the authors practical experience in business，the serialization design method of torque motor for pod is researched，including the initial design of torque motor，and how to use ansys maxwell to complete the task the calculation of torque motor accurately and fastly.this study also applies to other purposes of the torque motor.
Keywords：motor design；torque motor；maxwell
随着自动化技术的普及化、无人化。在工业生产、航天航空等现代化领域越来越多的应用了吊舱系统和稳定平台系统。这就对吊舱和稳定平台动力及姿态控制核心的力矩电机的性能和结构等方面提出了更多的要求。吊舱是指安装有某机载设备或武器，并吊挂在机身或机翼下的流线型短仓段，可固定安装。加装吊舱可以使飞机拥有其本身所不具备的功能，加装吊舱通常需要机载电子设备的支持和考虑飞机的整体空气动力。飞机吊舱主要按功能分成作战用的吊舱和特种物质运输吊舱，还有一种就是机载中型或小型监控陀螺仪吊舱，该吊舱主要起到移动式摄像监控的作用，目前应用于夜视、航拍、高压电线高空巡检等特殊巡逻，巡视领域，造价较高，但图像成像清晰。
稳定平台系统是惯性技术应用的重要领域之一[1]，它能建立稳定的工作基准面，通过速度或者位置传感器自主地测量出载体（车辆、船舶、飞机）的速度和位置姿态的变化，并且及时隔离载体的扰动，使平台相对惯性空间保持方位不变，保证任务设备稳定、正常使用[2]。是车载、舰载、武器跟踪系统、天文观测设备以及雷达天线伺服系统的重要组成部分，被广泛应用于制导、车载武器等军事领域和公安消防、环境监测等民用工业领域[3]。
无论是如上两类中的哪种应用，都离不开用于姿态控制和调整的力矩电机。它具有体积小、重量轻、力矩大、高发热、可靠系数高的特点。由于军用产品对结构、体积、可靠性等要求苛刻，所以每种产品都要求不同的设计指标，同时，由于空间紧张，这就要求我们在短时间内作出原件的最优设计，为总体提供更好的保障和性能。
1 力矩电机尺寸初定
为了在相同的体积下提供更多的力矩，力矩电机多采用半径较大、轴向长度较小的结构。但对于总体给出的工作电压、力矩等指标，没有设计经验的人往往无从下手。本人根据自己这段时间设计、生产和试验得到的力矩电机参数及以往先人的经验，给出一个初步估算力矩电机外形尺寸的方法：
力矩电机最主要的指标就是力矩系数，及两相通电线电流为1A情况下转子转动所产生的力矩峰值，这一力矩值定义为T。在槽满率、电流密度、材料等不变的情况下，T与电机的轴向长度成正比，T2与电机的外径成正比：
（外径不变） （1）
设计者可以根据总体提出的力矩要求，参照表1、表2和式（1）、（2）初步得出电机的大致外形尺寸，然后再用常规的无刷直流电机设计程序进行详细设计，设计程序可以参照参考文献[4]，这里不再赘述。
2 力矩电机系列化设计过程中ansoft软件的应用
电机的磁路设计可以用rmxprt代替，这样既可以简化计算，又可以避免在方案修改过程中出现错误。具体的操作方法可以参照赵博的《ansoft12在工程电磁场中的应用》，这里介绍几个新版本ansoft在力矩电机设计中比较有用的实现方法。
（1）rmxprt对于每种电机给出了四到六种槽型，但当我们设计的力矩电机槽型过于特殊时，就需要新版本中的userdefinedslot功能。具体操作方法如下：
在选择槽型时，将左下方“User Defined Slot”的方框选中后点击“OK”，这样，主菜单中就会出现槽型编辑窗口，右键segment，点击“insert segment”可以插入元素，软件给出了八种元素，通过编辑相关元素的参数可以形成任意形状的槽型。此外，右键单击“slot”选中“slip to half-half”还可以编辑不对称槽型，当然，也已将槽的左半部或右半部删掉，单独编辑一侧，这种情况在感应电机中应用较多。
（2）力矩电机的设计不可能一步到位，需要不断的微调、计算来得到最优方案，在这个过程中往往需要大量的修改和计算，这样计算一次修改一次很麻烦，利用软件的参数化功能可以大大地减小工作量。参数化功能可以使得电机的某一参数在一个范围内逐渐变化，计算出每种情况的结果，阵列出来以便于给工程师作分析。更方便的是我们可以多个参数同时计算，从而选出最优解。以前面提到的外径为150mm的计算程序为例，我们可以在输入定子参数时，将length后面的数值设成参数“DP”，如图2所示。回车键确认，弹出参数设置窗口，在value一栏中键入初始值22mm。由于电机定转子有效长度需要同步变化，所以需要把转子参数窗口的length值也设置为参数“DP”。当然同时设置多个变量的情况也是支持的。
设置成功后，右键点击项目管理目录下的optimatrics，选中add＝＞paramatric激活setup sweep analysis窗口。窗口有四个标签；在sweep definitions标签中点击add添加参数，按图中设置各个量值并添加到右侧菜单。Table标签中可以观察到按照我们设置的参数所阵列的每一中情况。Genneral标签中可以选中和忽略计算中考虑的参数；calculations标签下，点击setup calculations按钮可以添加我们要观察的计算指标，本例选择定位力矩作为主要分析指标，这样定转子有效长度的参数化就设置完成。右键单击项目管理栏下的optimetrics，选择view analysis result，可以观察参数与关注指标的变化关系，从而得出最优方案。
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参数化方法步进在rmxprt环境下可以应用，在maxwell2D、3D环境下同样适用，具体使用方法基本相同，这里不再赘述。
（3）用rmxprt分析得到初步模型后，我们需要用有限元方法得到更加精确的结果。这时软件提供了一键有限元功能，它能够一键生成一个完整的电机有限元计算模型，这样不仅能够节省很多的建模时间，还能够大大降低建模中出现错误的概率。
具体的实现过程很简单，在rmxprt中键入好无刷力矩电机的各种参数并完成计算后，右键项目管理栏内相应analysis下的setup，单击creat Maxwell design创建2D或3D模型。继续利用上面的例子说明，进行一键有限元生成2D模型。这里生成的模型是一个参数化模型，模型的每一个部件都是由一系列的参数组成的，每一个参数都可以像前面在介绍rmxprt参数化功能时一样将某一个或几个参数设置成变量，阵列出每一种情况的仿真结果进行观察。
有些力矩电机是周期对称的，软件在生成模型的过程中默认生成最小模型，工程师也可以自己定义生成几分之一模型，下面给出定义方法：
在rmxprt工作窗口的菜单栏单击rmxprt＝＞design settings，选择ueser defined date选项卡，选中enable，按导入按钮，在安装目录/examples/bldc文件夹下找到bldc文件导入，就可以看到设置文本，修改fractions后面的文字便可以改变生成模型的大小，其中“0”代表最小模型，“1、2、3”分别代表全模型、二分之一模型、三分之一模型。
（4）一键有限元得到2D仿真模型后，我们观察磁钢的充磁方向可以发现，软件默认的充磁方向是严格径向的，也就是说一块磁钢上每一点的充磁方向都是不同的，这在实际情况当中是很难实现的，工程中一般一块磁钢充磁方向是相同的，需要作一定的修改。但是，为了保证力矩电机输出力矩的平稳性，在设计时经常采用较多的极对数，常规的设置相对坐标的方法设置磁钢的充磁方向，工作量很大。所以我们可以用函数化充磁来实现。同样采用上述外径150mm的力矩电机为例，将10对极分为N、S两组，选择直角坐标系，在材料属性编辑框中N组按式（3）、（4）和（5）将充磁方向按坐标设置成函数形式，S组按式（6）、（7）和（8）设置，其中用到了软件中一些默认的函数，工程师也可以利用这些函数自己设计公式来达到所要表达的含义。
X=cos（int（（phi+2*pi）/（2*pi/10））*2*pi/10+9*pi/180）（3）
Y=sin（int（（phi+2*pi）/（2*pi/10））*2*pi/10+9*pi/180）（4）
Z=0 （5）
X=
cos（int（（phi+2*pi）/（2*pi/10））*2*pi/10+199*pi/180）（6）
Y=
sin（int（（phi+2*pi）/（2*pi/10））*2*pi/10+199*pi/180）（7）
Z=0 （8）
（5）在一些情况下，为了减少齿槽转矩的影响，会采用斜极的处理方法，在2D环境下没有轴向长度，无法实现斜极建模，3D环境下计算又过于浪费系统资源。我们可以对转子初始位置做一个参数化来模拟这种斜极情况。例如我们在上述例子中将电机的转子斜极半个极距，即9°，可以这样处理：将电机转子初始位置角后面加一个变量ag，并利用（2）中描述的相似办法添加一个参数化计算，在-4.5°和+4.5°之间取10个点，完成仿真。右键单击工程管理栏中的results＝＞creat transient reports＝＞rectanguelor report，在trace标签下选择转矩作为绘图项目，在Families标签下点选Sweeps，并在Edit栏中打钩Use all values，在Families Display标签下选中Statistise，选中Avg，然后点击add trace键便得到10个参数下的平均转矩，这个转矩就可以近似的看成斜极条件下的定位力矩。将任一参数下的定位力矩波形调入，如图1，我们可以发现定位力矩明显减小（此处计算着重于陈述处理方法，对计算精度不做考证）。
3 结论
一、随着吊舱的普遍应用和电机驱动制式的多样化，必将带来大量的力矩电机本体系列化设计工作，文中结合工作实践，给出的力矩电机力矩系数的估算方法，一方面可快速判断技术要求的合理性，另一方面可以提升电机设计过程中磁路计算的收敛速度。同时提供了参照样机性能，对实际应用有较大的指导意义。
二、本文以一种力矩电机为例，详细介绍了几种力矩电机ansoft仿真中实用的计算方法，其中用户自定义槽型可提高设计灵活度，特别适用于异形槽设计；参数化计算和2D环境下斜极的处理方法是充分利用计算资源，提高计算收敛速度的有效途径；一键有限元和磁钢参数化充磁则从开发软件功能出发，提升实际工程中设计工作的效率。
三、吊舱系统对体积重量的要求越来越苛刻，必然在保持转矩输出不变甚至提升的前提下，进一步压缩力矩电机的设计余量，除了电机本体的优化设计外，电机传感器一体化设计也将是一种解决途径，在这个过程中，如何提高温度场的精细化计算，以及在复杂电、磁、热环境下如何进行边界条件的设置将是后期要重点突破的问题。
参考文献：
[1]梁璐.舰船稳定平台振动分析与减振设计[J].机电信息，2011（21）.
[2]李勇建.惯性稳定平台的稳定条件与陀螺安装位置[J].压电与声光，2011（9）：203-206.
[3]滕云鹤，毛献辉，章燕申.移动卫星通信捷联式天线稳定系统[J].宇航学报，2002，23（5）：72-75.
[4]胡岩.小型电动机现代实用设计技术[M].
作者简介：
贾博（1986-），男，黑龙江省佳木斯市富锦市人，硕士研究生，工程师，主要从事电机设计及电气专业标准化工作。
论文作者:贾博
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/25
标签：参数论文; 力矩论文; 电机论文; 力矩电机论文; 模型论文; 转子论文; 方法论文; 《电力设备》2017年第13期论文;