点火器用有限转角电动机设计与仿真

杨小青，王永嘉，王 佳

(陕西航天时代导航设备有限公司，宝鸡 721000)

0 引 言

点火器以往的保险与解除保险装置为机械式，靠人工操作完成，飞行时点火器处于解除保险状态，易出现误点火故障。为了解决该问题，在点火器内部使用有限转角电动机，点火器在需要点火时，通过电动机完成自动解除保险动作，可提高飞行人员及设备的安全，国内在该方向的工程应用较少。传统的有限转角电动机多为永磁式力矩电动机，一般由定子、转子和电刷三部分组成[1]，结构复杂，生产成本较高，且电动机自身不包含位置指示部分，即不能反映出此时电动机旋转的角度，需要外接专用的位置指示装置。在大量级的力学环境条件下，电刷与换向器接触不可靠，导致电动机输出信号异常，达不到点火器使用要求。

为了克服上述缺点，本文采用一种新型的有限转角电动机结构，省去了电刷、换向器和永磁体，外形尺寸变小，励磁方式为螺线管，通电后绕组产生轴向磁场，定子、转子的工作面为曲面结构，在磁场的作用下，转子将沿着气隙减小的方向旋转运动，定子部分包含限位装置，确保电动机的运动角度。位置指示装置被集成在电动机内部，整体结构简单，外形尺寸小，工作寿命长。

本文对有限转角电动机的结构进行了研究，建立了电动机的数学模型，计算电动机的主要性能指标，并对其进行了仿真分析，将仿真结果与实测值进行比较，验证了模型的准确性。

1 工作原理

电动机主要由电动机部件和位置指示装置两个功能部件组成，电动机部件的作用是为点火器电点火管、旋转隔板安装提供支撑和约束，并在规定的条件下，能够为负载的旋转运动提供必要的扭矩，在规定的时间内完成解锁功能；位置指示装置可以通过输出相应的开关信号，指示转轴对应的转角位置。

常态时电动机保持在安全位置(零位)，通电后电动机转子带动结构负载从安全位置旋转到战斗位置(90°)，此时电动机处于解除保险状态，解除保险时间要求为不大于50 ms；断电后复位弹簧将转子拉回至安全位置，此时电动机恢复保险状态，恢复保险时间要求为不大于100 ms。

电动机部件主要由定子、转子、弹簧组成。定子包含端盖组件、线圈组件和壳体，转子由轴和磁极组成，位置指示装置由电刷组件和滑环组件构成，电刷组件与壳体通过螺钉固联，电动机结构简图如图1所示。将电动机的初始位置定义为电动机的安全位置，此时电动机输出低电平表示其所处的位置，通电后绕组产生磁场，转子处于线圈组件内部，受到磁场的作用和磁力线总是沿着磁阻最小的路径通过[2]，磁极与端盖组件之间相吸产生力矩，电动机轴向存在限位，不能运动，径向则克服弹簧的初始力矩，沿着气隙减小的方向旋转，电动机旋转至90°时，电刷组件和滑环组件之间导通，输出高电平，电动机处于解除保险状态；电动机断电后，弹簧带动转子和负载返回至零位位置，电动机处于恢复保险状态[3]。

图1 电动机结构简图

2 方案设计

2.1 工作点力矩计算

2.1.1 安全位置时力矩计算[4]

(1)

式中：Gδ为气隙磁阻；μ0为真空磁导率；S为工作面积；δ为气隙。

IN=BSR总

(2)

式中：I为工作电流；N为匝数；B为气隙磁密；R总为电动机总的磁阻。

(3)

式中：F为电动机工作时产生的力。

2.1.2 战斗位置时力矩计算

Gδ=4×10-7H

B′=5.04 T

磁路饱和，按铁心最大磁通密度计算。

2.2 饱和点计算

电动机从安全位置旋转至战斗位置的过程中，磁路可能出现饱和，饱和后随着气隙的减小，磁感应强度不再增大，此时电动机的输出力矩稳定在一个状态下，直至旋转至战斗位置，通电电压不同，则磁密的饱和点不同。

气隙与工作角度α之间的关系：

δ=δ0-0.032α

(4)

式中：δ0为起始气隙。

气隙磁密：

(5)

DC24 V时，电动机饱和时的工作角度为47°，DC33 V时电动机饱和工作点为36°。

2.3 解锁时间计算

电动机在开通过程中的力矩平衡方程式[5]：

(6)

式中：Te为电动机的电磁转矩；TL为弹簧扭矩；J为转动惯量；ω为角速度。

电磁转矩计算公式：

Te=12.2B2S

(7)

TL=k0+k1α

(8)

式中：k0为弹簧初始力矩；k1为弹簧的弹力系数；α为弹簧运转角度。其中B的取值在饱和前按计算值使用，饱和后按饱和磁密计算。

2.4 恢复保险时间计算

弹簧带动电机转子返回至起始位置的时间为恢复保险时间。电动机断电后，电磁转矩消失，弹簧扭矩TL带动电机返回至起始位置，电动机的力矩平衡方程式：

(9)

不考虑电动机装配过程中的轴系摩擦力矩等其它因素。

3 数学模型的建立

根据电动机的工作状态，建立Simulink仿真模型，如图2、图3所示。通过仿真，可以求出电动机通电过程中转矩、电流、转子位置等随时间的变化关系，最终得到电动机的解除保险时间和恢复保险时间。

图2 电动机解除保险时间计算模型

图3 电动机恢复保险时间计算模型

4 仿真结果与实测数据对比

根据模型计算结果，得出电动机在DC24 V/DC33 V电压下的解除保险时间分别为36.43 ms，21.05 ms，恢复保险时间为31.68 ms。

统计21台电动机实测数据，DC24 V/DC33 V电压下的解除保险时间分别为29～34 ms，23～27 ms，恢复保险时间为34～40 ms，满足用户指标要求。

电动机的实物如图4所示，已成功配套于某型号点火器，进入批量生产阶段。

图4 样机实物图

如图5所示，DC24 V/DC33 V下电动机的解除保险时间差异较大，主要是因为电动机的输出力矩差异较大，具体表现为电流大小和饱和点的差异。电压越大，输出电流越大，饱和点的角度越小，则电动机在很短的时间内输出力矩达到最大；相对的，电动机的转动速率越高，则解除保险时间越短。恢复保险时间计算如图6所示。

(a) DC24 V

(b) DC33 V

图5解除保险时间

图6 恢复保险时间计算

对比仿真结果和实物测试数据可以发现，仿真结果与实测数据接近，差异较小，造成差异的原因在于：一是电动机的轴系摩擦力不同，在调整电动机轴向间隙过程中，造成每个电动机的静摩擦力矩不同；二是弹簧的起始力矩在一个区间范围内，实际装配过程中，每个电动机的弹簧起始力矩不同，最终电动机的解除保险时间和恢复保险时间与仿真结果不同。

5 结 语

本文针对点火器用有限转角电动机进行了设计分析，研究了一种新型的有限转角电动机结构。采用螺线管产生轴向磁场，利用定子和转子的工作曲面结构，将电动机的输出力矩从轴向方向转变到径向，使得电动机沿着气隙减小的方向旋转运动；将位置指示装置集成在电动机内部，通过其输出不同的电信号来反映电动机不同的工作状态。最后建立了Simulink仿真模型并进行了仿真，将仿真结果与实测数据进行了对比，仿真结果与实测数据接近，验证了方案设计及模型的正确性。