航空用涡喷发动机的电动燃油泵设计与研究*

赵 磊，张 宇，杨 立,，谭帅极 ，冯治国

(1.贵州凯敏博机电科技有限公司，贵阳 550009；2.贵州大学机械工程学院，贵阳 550025)

0 引言

电动燃油泵因具有功率密度大、响应快、大范围高精度的流量测量控制等优势，已广泛应用于无人机、巡航弹等兵器领域的涡喷发动机燃油系统。因此，研究低成本、高精度、高可靠性的电动燃油泵是我国涡喷发动机燃油系统国产化的热点方向[1]。国内对燃油泵的研究侧重于普通航空发动机，而对用于小型涡喷发动机的研究较少。由于涡喷发动机燃油泵在高油压环境下出油口压力精度不高，导致飞行器无法准确控制。贵州凯敏博机电科技公司针对国外某公司航空用φ45 mm的电动燃油泵系统中出油口压力精度值达不到±0.005 MPa、有刷电机的电刷氧化造成起动时电流大对燃油系统的电控冲击大等问题，深入研究齿轮泵供油输出的流量脉动、电机转速精度、油路管道及出油口尺寸精度等因素对涡喷发动机燃油系统中出油口压力的影响，形成自主设计由外啮合齿轮泵、永磁无刷直流电动机、双闭环驱动器组成的电动燃油泵[2]，对研制低成本、高精度电动燃油泵实现国产化具有重要指导意义。

1 电动燃油泵系统及工作原理

涡喷发动机燃油系统如图1所示，由油箱、油滤装置、泵油系统、压力和流量检测与控制系统、涡喷发动机和供油管路等组成。泵油系统如图2所示，是由电动燃油泵系统，其有驱动器、永磁无刷直流电机、齿轮泵组成。

图1 涡喷发动机燃油系统

电动燃油泵的工作原理为：给电动燃油泵供电，上位机根据压力和流量检测与控制系统检测的结果并给定PWM指令，驱动器接收PWM指令、并通过控制策略驱动无刷直流电机逆时针稳速旋转、电机输出轴通过销轴带动齿轮泵中的齿轮啮合，形成吸油和排油，将燃油由油箱输送至涡喷发动机喷油口并雾化。

图2 泵油系统

2 齿轮泵设计

2.1 齿轮泵技术参数与结构

表1为φ45 mm的电动燃油泵技术参数。图3为齿轮泵基本结构。

表1 电动燃油泵技术参数

图3 齿轮泵基本结构

齿轮泵啮合工作原理是：电动机输出轴逆时针旋转，通过销轴带动主动齿轮逆时针旋转，通过齿轮啮合传动，从动齿轮顺时针旋转，主动齿轮与从动齿轮啮合形成两个封闭容腔，左侧吸油腔形成真空，在大气压力作用下油液进入吸油腔，填充到各齿间；右侧出油腔随着齿轮啮合容积逐渐缩小，油液被挤压出去，形成排油。

齿轮泵采用泵体底座、流道垫板、泵体盖板三片可分离式结构，其基本结构由泵体底座、主动齿轮、从动齿轮、流道垫板、泵体盖板、轴承、销轴、轴用油封、O型密封圈等零件组成。设计的齿轮泵最高压力为1.0 MPa，属于低压油泵。电机壳体和泵体底座连接是采用螺钉M3×12(一字圆头)连接，螺栓连接腔体填充密封胶。电机输出轴用双唇丁晴T型油封密封，径向流道油腔采用氟胶O型密封圈密封。由于体积尺寸限制，6个M3圆头螺钉起到轴向密封和连接泵体底座、流道垫板、泵体盖板的双重作用。齿轮运转的轴向间隙为0.035～0.045 mm、径向间隙为0.04 mm，有效控制泄露，提高泵的容积效率，使得齿轮泵工作性能更稳定，环境适应性更强，寿命更长。

2.2 齿轮泵排量与流量计算

齿轮泵排量是齿轮每转一周，泵所排出的液体体积，它近似地等于两个齿轮的齿间容积之和。设齿间槽的容积等于齿轮体积，可得出齿轮泵排量为：

V=πDhB=6.66zm2B

(1)

式中，D为齿轮节圆直径；h为齿轮齿高；B为齿轮齿宽；z为齿轮齿数；m为齿轮模数。

表2 齿轮泵齿轮参数

由表2齿轮泵齿轮参数可知，齿轮泵排量为(0.279 7×10-6)m3，满足设计要求。

齿轮泵实际流量q为：

q=Vnηpv=6.66zm2Bnηpv

(2)

式中，n为齿轮泵转速；ηpv为齿轮泵的容积效率，取0.82。

航空煤油RP-3的密度为780 kg/m3，电机在转速8400 r/min时，额定流量为1.502 8 kg/min，满足技术指标要求。齿轮泵的瞬时流量是脉动参数与文献[4]表明齿数Z=12的齿轮泵流量脉动率为17.8%一致。

2.3 齿轮泵结构关键点设计

(1)吸油腔和出油腔的偏移

由于设计的齿轮泵体积小，从动齿轮采用圆柱销轴φ3×14与轴承的内孔过盈配合后，安装固定在泵体底座φ3孔处。为减小从动齿轮及轴承所受的径向不平衡力[5]，故将吸油腔和出油腔同时向从动齿轮方向平移D=0.25 mm，如图4所示，保证从动齿轮的排油齿少于主动齿轮。

图4 吸油腔和出油腔的平移

(2)油封进油孔

在燃油泵电机运转时，其输出轴与轴用油封间会形成油膜，减小轴与油封孔间的摩擦，增加油封的使用寿命。国内大多数一般齿轮泵的设计都采用吸油腔开孔进油到油封内部，润滑输出轴。设计的电动燃油泵的油封进油孔在出油高压区[6]，如图5所示，其油液是从高压区经端面间隙泄露进入油封。油封润滑进油孔的作用：①润滑油封及输出轴；②等效压力平衡槽作用，减小主动齿轮的径向不平衡力。

图5 油封进油孔

3 永磁无刷直流电机设计

无刷直流电机的转矩波动主要由齿槽转矩波动和换相转矩波动造成的[3]，其转矩波动直接造成转速的波动，进而影响燃油泵的出油口压力精度。为此，电机设计采用6极18槽结构，绕组采用三相星型接法，霍尔位置传感器换向，避免了因长期贮存带来的起动问题。

无刷直流电动机的外形尺寸为φ40 mm×49.5 mm，主要由定子电枢、电子换向组件、转子、机壳、端盖、轴承等组成，如图6所示。

图6 电机结构图

为降低电机转矩波动，定子铁芯采用斜槽(斜一个齿距)，并运用Ansoft电磁设计软件，对电机结构参数(槽口宽度、齿部尺寸、轭部尺寸等)进行优化设计。

电机设计时，要充分考虑电机磁路的合理性，通过对冲片的齿宽、轭宽进行优化设计，又兼顾了槽满率不大于60%，最终选定冲片齿宽为1.8 mm，轭宽2.0 mm，又因机壳采用导磁性钢2Cr13，故电机各部分磁场强度和磁通分布在合理范围内，磁路设计合理可行，磁场强度和磁通分布如图7所示。

(a) 磁场强度 (b) 磁通分布图7 磁场强度和磁通分布

电机的转矩、转速设计，电机的额定电压为28 V，但燃油泵最大工作在21 V(PWM75%占空比)，额定转矩0.05 Nm，额定转速8500 r/min。电机仿真按启动状态设置，Motion Setup设置：初始速度为100 r/min；转动惯量为1.5e-6kgm2； Load Torque为-0.05/0.96/0.99 Nm，其中0.96为气隙磁密宽度修正系数、0.99为摩擦系数。经仿真设计，在转矩0.052 6 Nm时，输出转速8739 r/min，电机性能满足指标要求，结果如图8所示。

图8 电机转矩和转速图

电机齿槽转矩优化设计：齿槽转矩是造成电机转矩波动的主要原因，为了减小齿槽转矩，电机采用斜槽结构，同时对冲片的槽口宽进行了优化设计。考虑到产品是批量生产，兼顾嵌线工艺简化，根据表3冲片槽口与齿槽转矩值标准，选择槽口为1.2 mm，其对应的齿槽转矩最小(齿槽转矩为0.12 mNm)，设计结果如图9所示。

表3 冲片槽口与齿槽转矩值

图9 电机齿槽转矩图

同时，采用专用工装保证霍尔位置传感器安装在理想换向位置，尽量避免换向位置不对称带来转矩波动。制造的电机实际定子电枢和转子如图10所示。经过制造、调试、测试，电机输出转速精度为±40 r/min。

图10 电机实物图

4 驱动装置设计与控制算法研究

4.1 驱动装置设计

驱动装置为电动燃油泵的核心，装置采用STM32芯片作为处理器，具有成本低、效率高等特点。具体选用型号为STM32F103C8T6，该芯片基于高性能Cortex-M3，有48个引脚，带有多个ADC采样通道和定时器，时钟频率达到72 MHz，满足电动燃油泵控制的资源需求[7]。

驱动装置硬件电路的结构如图11所示，主要由主控芯片、驱动电路、逆变电路、电压电流检测保护电路、外围电路以及BLDC电机组成。控制系统运行时，通过霍尔位置传感器获取电机转子位置信号，将电机转子实时位置信息提供给主控芯片，计算出电机转速，并根据给定转速进行模糊PID控制调节，根据换相逻辑输出对应的 PWM信号，驱动电路根据 PWM 信号控制逆变电路功率管导通的顺序和时间[8]，实现对电机的调速控制。

图11 驱动装置硬件电路结构

4.2 控制算法研究

该电动燃油泵的双闭环控制器由永磁无刷电机驱动，因此考虑使用常见的PID控制调节燃油泵电机转速，用封装好的闭环控制模块完成燃油泵的精度调整及自动调速。电动燃油泵工作时，由于在不同工作区域、不同运行操作时系统的控制参数会发生相应改变，在这个动态的控制过程中利用传统的PID控制算法难以满足高精度的动态响应与高性能控制的要求[9]。为了使其具有良好的自适应性、控制精度及负载鲁棒性，控制系统采用模糊PID控制实现电动燃油泵的自动调速功能，模糊PID由传统PID控制和模糊化处理模块[10]构成。

本文采用一种模糊PID控制方法来解决电动燃油泵的双闭环控制精度、频率响应以及鲁棒性等问题。其结构如图12所示，其中，将模糊推理模块添加到常规PID控制器中[11]，根据误差和误差的变化自适应地调整增益参数Kp、Ki和Kd，从而不断调整电机转速，获得更高的位置精度控制。模糊推理模块的结构包括2个输入和3个输出，其中输入是误差e(t)和误差ec(t)的变化，输出是PID控制器的增益参数Kp、Ki和Kd。

图12 模糊PID控制器

参数整定后模糊 PID 计算公式如下:

(3)

式中，Kp为初始比例系数；Ki为初始积分系数；Kd为初始微分系数；ΔKp、ΔKi、ΔKd分别为比例、积分、微分参数增量;e为位置偏差。

根据模糊控制原理，电动燃油泵电机自动调速功能的输入参数为燃油泵实际流量，基本论域为[0,1.5 kg/min],输出量为电机转速n*，基本论域为0～100%，设定偏差e(t)和ec(t)的基本论域为e(t)[-0.75,0.75]和ec(t)[-0.75,0.75],利用以下公式对变量进行离散化:

(4)

式中，a为基本论域的下限，b为基本论域的上限，最终定e(t)和ec(t)的基本论域为[-0.75,0.75]。

利用以下三角隶属函数公式建立精确值与模糊值的关系：

(5)

每个模糊子集变量取标准的7个等级[11],分别代表{正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，零(ZO)，负小(NS)，负中(NM)，负大(NB)}，模糊控制采用最大隶属度原则，当隶属度相同时则取较小模糊等级。图13为以三角形为语言变量的隶属度函数。

图13 输入、输出变量隶属度函数

由该系统对于转速控制的要求与特点，根据控制经验与模糊模型，整定出输入e、et与输出Kp、Ki、Kd的模糊规则如表4所示。

表4 模糊规则

5 测试与验证

试验系统由油路回路、供电及信号发生器等组成。油路回路由油箱、油滤、吸油管路、燃油泵、出油管路、压力表、出油嘴等组成。

经过最大压力测试，电动燃油泵可以满足设计指标，由于电动燃油泵的工作范围为0.2～0.6 MPa，故试验在相同试验介质、油路管道及出油口尺寸的情况下完成5台电动燃油泵进行测试试验。

试验1：对5台电动燃油泵，在转速开环状态，0.2～0.6 MPa不同出口压力下的精度进行测试，其出口压力精度满足±0.007 5 MPa，不满足±0.002 5 MPa。其出口压力精度试验数据如表5所示。

表5 转速开环状态出口压力精度试验数据表

试验2：对5台电动燃油泵，在转速闭环状态，0.2～0.6 MPa不同出口压力下的精度进行了测试，其出口压力精度满足±0.002 5 MPa。其出口压力精度试验数据如表6所示。

表6 转速闭环状态出口压力精度试验数据表

6 结论

通过分析影响电动燃油泵出口压力精度的因素，开展了高精度电动燃油泵的自主设计、试制、试验。对齿轮泵、无刷直流电机与驱动器进行了研制。结果表明：①齿轮泵吸、出油腔的偏移和油封进油孔的设计，降低了从动齿轮和主动齿轮的径向不平衡力，提高了电动燃油泵的可靠性和寿命；②相较于有刷直流电机的机械电刷易起火花、氧化严重与转向力矩波动大等问题，无刷直流电机采用电子转向，有效降低了力矩波动，提升了电动燃油泵的稳定性与出口压力精度。