引言

隨著衛(wèi)星數據通信業(yè)務需求的不斷增長,單顆衛(wèi)星工作模式已難以滿足使用需求,因此,多顆衛(wèi)星互聯網已成為通信服務未來發(fā)展的趨勢。隨著我國航天事業(yè)迅速發(fā)展,國產衛(wèi)星組網也在高速實施。步進電機是衛(wèi)星運動機構執(zhí)行單元應用最為廣泛的電機類型,其將電能轉換為機械能,相比傳統電機具有動態(tài)響應快、控制簡單、易于啟停和反轉、定位自鎖、無累積運行誤差、可靠性高等優(yōu)點,廣泛應用于衛(wèi)星天線、轉臺、光學儀器等分系統?？臻g衛(wèi)星的高速發(fā)展,對步進電機的需求潛力是巨大的。

步進電機的研制必須適應空間衛(wèi)星的發(fā)展,需適應小批量的研發(fā)路線,為此,需對空間衛(wèi)星用步進電機的性能一致性進行研究分析,保證在研制過程中實現性能參數超差可控。

1混合式步進電機工作原理

步進電機一般分為反應式、永磁式和混合式,混合式步進電機結合了永磁式和反應式的優(yōu)點,步距角小,定位精度高,同時噪聲小,是衛(wèi)星環(huán)境常用的一種類型。

混合式步進電機的運行原理是通過定子磁極與轉子進行能量轉換,是轉子步進式旋轉。一般混合式步進電機定子含偶數個大齒,轉子上位于永磁體兩側的磁極分別顯現N和S極,同時兩塊磁極上開有小齒且相互交錯半個齒距。當電機一相通電時,某個定子齒呈N極,則對一側磁極排斥,另一側磁極吸引,兩者合力將轉子拉向左運行一步,如圖1所示,當電機另一相通電時,其他定子齒同樣會驅動轉子運行一步。根據供電方式不同,電機步進角度也不同,運行4拍轉過一個齒距角,這樣的運行模式叫做整步模式,要是將單相供電和兩相供電方式合并起來作為一個整體,這樣便又形成了新的供電模式,一般稱為半步方式,兩相電機半步供電方式為:A-AB'-B'-A'B'-A'-A'B-B-AB。

2步進電機結構設計

步進電機基本結構與大多數無刷電機類似,均由定子、轉子兩部分構成,但由于步進電機運行原理較為特殊,電磁結構和其他電機有著較大差異。

2.1定子設計

定子主要包括繞組和鐵芯,槽絕緣及安裝線,隨著步進電機加工方法不斷進步,同時為適應短周期研制的需求,在空間衛(wèi)星的使用場景下多數采用半自動繞線技術,槽絕緣為非金屬骨架或者耐輻照絕緣紙等可自成型的材料,可大幅降低人力消耗和時間成本。

定子鐵芯為導磁結構,步進電機氣隙小,因此在定子鐵芯中磁密度較高,通常采用一些具備高導磁性能的材料如軟磁合金1J22、電工鋼帶疊片等。

2.2轉子設計

轉子主要由金屬軸、磁極和永磁體構成,通常轉子磁極數為2,永磁體數量為1,為了追求更大的力矩輸出性能也可調整為4,對應的永磁體數量為2。轉子磁極帶有小齒,根據實際使用步距角精度需求可做調整。步距角9b還與電機輸入脈沖電信號的導通方式有關。

式中:ZR為轉子齒數:N為電機通電拍數。

如電機轉子齒數為50,通電方式為兩相四拍,則該電機步距角為1.89。由此可知,為了提高運行分辨率,減小步距角,可增加通電拍數和增大轉子齒數。轉子磁極材料同樣需要滿足高磁飽和性能,因此可采用軟磁合金或電工純鐵DT4等材料。

3性能一致性分析

依據常規(guī)空間環(huán)境需求及結構設計原則,參考空間衛(wèi)星產品J45系列步進電機,建立理論設計模型,主要設計參數如表1所示。

通過ANSYS工具軟件對模型進行保持力矩仿真測算,幅值約為0.278N·m,如圖2所示。

通常在電磁設計時,為了簡化設計分析,將參數設定為定值進行仿真計算,這是一種理論值狀態(tài)的設計方案。實際上由于機械加工尺寸存在一定范圍的偏差,軟磁材料性能也同樣存在波動,電機的性能一致性得不到較好的保障。以保持力矩作為指標參考,分析不同情況下尺寸和材料性能偏差對電機輸出一致性的影響,同時給出對應控制策略。

3.1氣隙偏差影響及控制策略

該電機模型中氣隙理論值為0.05mm(單邊),取氣隙偏差范圍0.035~0.065mm進行保持力矩輸出計算,結果如表2和圖3所示。根據計算結果來看,由于步進電機氣隙設計值通常較小,氣隙尺寸偏差對性能影響顯著,因此對步進電機氣隙的控制極其重要。

與理論保持力矩值對比,在氣隙尺寸位于上差范圍時偏差值較小,氣隙尺寸可通過對電機定子內孔及轉子外徑尺寸進行限定,以此達到控制氣隙尺寸范圍的目的。考慮到實際加工工藝難度及設計余量,對步進電機氣隙應采取范圍控制于0.05~0.0575mm的措施,最大不一致偏差為2.83%。

3.2轉子偏心影響及控制策略

該電機模型中轉子理論偏心為0mm,該影響因素主要取決于加工精度和裝配精度,根據電機尺寸取偏心量為0~0.02mm進行保持力矩輸出計算,結果如表3和圖4所示,根據結果來看,電機轉子偏心對電機輸出性能影響較小。

轉子偏心情況可通過對裝配零件同軸度的限定來調整,鑒于該因素對電機輸出性能影響較小,同時步進電機定子內孔同軸度難以精確保證,因此對步進電機轉子偏心情況采取控制定子裝配同軸度為小0.01mm,轉子磁極裝配同軸度為小0.005mm的措施,電機單邊偏心量在0~0.0075mm范圍內,最大不一致偏差不大于0.31%。

3.3定子齒寬偏差影響及控制策略

該設計模型定子齒寬為0.55mm,定子采用疊片方式加工,尺寸受到定位精度及沖壓(電切割)精度影響,取0.5~0.6mm范圍進行分析,結果如表4和圖5所示。通過齒寬對性能偏差的影響可以看出,實際尺寸位于上差或下差對電機性能影響差別不大。

定子齒寬的尺寸偏差是由加工導致,因此可控制尺寸范圍在0.52~0.55mm,最大不一致偏差不大于2.30%。

3.4轉子齒寬偏差影響及控制策略

設計模型中轉子齒寬為0.55mm,依舊選取波動范圍0.5~0.6mm進行仿真分析,結果如表5和圖6所示?？梢钥闯鲛D子齒寬越小,輸出力矩偏差越大,因此在電機轉子設計時可采取限制公差0.54~0.56mm的控制策略,保持力矩理論偏差不大于0.43%。

3.5軟磁材料性能偏差影響及控制策略

本次設計模型中電機定子軟磁材料選用電工鋼帶(牌號50ww600),考慮到沖壓過程對材料性能的影響以及材料本身性能差異,對仿真模型中軟磁材料的磁感應強度B做不同程度的偏移,以此模擬軟磁材料性能差異對電機輸出的影響。取模型中軟磁材料磁性能B-H曲線偏移±4%,結果如表6和圖7所示?？梢钥闯霾牧洗判阅軐﹄姍C輸出偏差的影響較大,因此研制過程中應要求控制材料磁性能偏差在±1%范圍內,同時盡量采用同一批次材料進行加工,理論保持力矩偏差不大于3.06%。

3.6小結

針對基于空間衛(wèi)星產品J45系列步進電機建立的理論模型,對一致性偏差造成影響的包括氣隙、轉子偏心、定子齒、轉子齒以及軟磁材料性能偏差等幾種原因。如表7所示,經采用對應控制策略可將性能一致性偏差程度降低,累計偏差不大于8.93%,較J45基礎型最大不一致性減小了55.8%,理論分析結果較為顯著。

4試驗分析

為了達到論證目的,抽取基礎產品J45步進電機5臺測試性能一致性,與理論模型相對應,參考的性能指標為保持力矩:另一方面按照上述控制策略研制5套J45A改型步進電機,電機實物如圖8所示。對比分析該指標一致性控制方法的可行性和正確性。

在常溫常壓環(huán)境下,電機兩相繞組同時通入直流0.8A電流,分別測試J45及J45A改型步進電機保持力矩大小如表8所示。

由表中數據計算在該指標參數的一致性偏差情況,J45基礎型偏差為22.82%,J45A改型為5.80%,整體指標優(yōu)化程度達到54.7%。另外可以發(fā)現,數據采集的基數較小會對最大偏差結果有一定影響,但整體趨勢基本與理論分析相符。因此,在步進電機設計過程中采取上述控制策略能夠降低電機性能偏差,提高電機批次一致性。

5結語

本文針對空間衛(wèi)星用步進電機的性能一致性影響因素進行了研究,通過對加工制造過程控制的理論分析和實際優(yōu)化設計,得出如下結論:加工制造過程所導致的尺寸偏差和材料性能偏差會影響步進電機輸出性能一致性,采用對氣隙、轉子偏心、定子齒寬、轉子齒寬以及軟磁材料性能的控制策略,理論上對電機性能一致性提升效果顯著:通過控制策略的實施對電機進行設計優(yōu)化,并抽樣測試,結果與理論分析相符,整體一致性指標優(yōu)化程度達到50%以上,控制策略有效。