无槽铁心锂基润滑脂高速微型电动机

郑卜祥，陈志华，贺 伟，唐苏学

(1．西安机电信息技术研究所，陕西西安710065;2．西安交通大学，陕西西安710049;3．西安三才微电机有限公司，陕西西安710065;4．西安邮电学院，陕西西安710121)

0 引 言

激光成像引信具有高的目标方位及其部位识别能力，能获取丰富的目标图像信息(包括三维距离像、强度像、距离－角度像等)，对目标的区分能力突出，易于判别目标类型特别是目标的易损部位，且具有强的抗干扰能力(包括电磁、地物背景、环境、阳光等)和抗隐身能力［1－5］，在武器系统改装以及新武器系统配备上，具有巨大的潜力。高速激光扫描系统的设计是成像引信能否实现性能指标要求的一项关键技术，该技术多采用光机扫描方式［4－8］。它是通过高速微型电动机驱动机械装置带动反射系统旋转实现激光高速扫描，这就需要研制用于激光扫描成像引信的高速微型电动机。

近年来，永磁材料、电机设计、电力电子技术、机械加工工艺和控制理论的发展，促进了高速微型电动机特别是永磁无刷直流电机的发展和完善。目前该领域是国际研究的热点，高速无刷直流电动机具有功率密度高、体积小、效率高、可直接驱动高速负载等优点，在航空航天航海测试平台及导航系统、核材料离心分离装置、分布式发电装置、旋转储能装置、高速陀螺仪、高速电动工具、高速摄影机、高速扫描相机、高速扫描仪、机械加工的高速磨削与铣床设备和医疗器械等领域广泛应用［9－14］。但这些领域的应用大多转速低于60 000 r/min 且尺寸较大也不耐－40℃的低温，而高于60 000 r/min 的电机却存在尺寸大、功率大、驱动电压大、高低温环境适应性不好等问题。国外已有法国泰勒斯公司采用的光机高速扫描成像型激光引信微型电动机［6］，但对目标的扫描频率还不够高;而国内采用高速微型电动机的激光扫描系统在成像型激光近炸引信探测系统上的工程应用还未见报道。为此，本文研制了一种用于高速扫描成像型激光近炸引信的无槽铁心锂基润滑脂高速永磁无刷直流微型电动机。

1 无刷直流电动机的工作原理及结构

目前，高速微型电动机多采用无刷直流电动机结构，包括电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分，具有旋转的磁场和固定的电枢，是将直流电能转换为机械能的电磁机械装置，其工作原理框图如图1 所示［15］。通过转子位置传感器输出的信号使电子换相线路驱动相应的功率开关器件，与其相连的电枢绕组依次馈电，在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动转子旋转，从而使位置传感器不断发出信号，以改变电枢绕组的通电状态，这样，导体中的电流方向在某一磁极下始终保持不变。电机内的转子位置传感器检测转子运行位置时，无机械换向装置的接触点，不仅保持了直流电动机的调速特性，而且具有寿命长、效率高、过载能力强、无火花、安全性好、可靠性高等特点。

根据定子结构不同，无刷直流电动机分为有槽铁心、无槽铁心、无铁心无齿槽空心杯结构三类，如图2所示［15－16］。传统的无刷直流电动机多采用有槽铁心结构，尽管有槽永磁无刷直流电动机经过优化设计并选用良好的导磁材料也能运行效率较高，但高速运行时齿槽转矩脉动很大，在有无负载下都会有不平衡的磁拉力和较大的空载铁耗。而无铁心无齿槽空心杯结构的电动机需采用HALBACH 磁体结构(将永磁体采用径向与切向阵列相结合的新型磁体结构)来提高气隙磁通密度，近正弦磁通密度分布会增加高速电动机的磁体厚度和脉动转矩，且电枢电感极小，一般只有十几到几十微亨，由PWM 调制时引起的电枢电流脉动较大。此外，高速无刷直流电动机采用传统轴承时损耗、振动和噪声较大，也不耐高低温环境，直接影响工作寿命。

2 无槽铁心锂基润滑脂高速永磁无刷直流微型电动机

2.1 高速微型电动机的结构

本文研制的高速微型电动机采用无槽铁心永磁无刷直流电动机结构，如图3 所示，由永磁转子和三相定子组成，在电机内部装有三个霍尔位置传感器来检测转子位置，通过输入到微处理器的逻辑电路中检测这些传感器的不同时序来换相，并采用桥式电路形成三相电子换相驱动。

2.2 高速微型电动机的设计及其耐高低温措施

本文研制的高速微型电动机负载下长时间工作转速可高达60 000 r/min，所带负载可达225 g，空载极限转速可达63 000 r/min，外形尺寸仅为Φ23 mm× 50 mm，额定电压为36 V，额定功率为25 W，额定效率约70%，额定输出转矩可达4．5 × 10－3N·m。由于没有电刷和换向器，电机内部只有轴承部分活动，只要选择合适的轴承，在高转速下就不存在其他造成摩擦发热的部件，也不可能产生任何火花。因此，采用无槽铁心结构和一种特殊锂基润滑脂耐低温高速轴承，实现了高速微型电动机小体积、高转速、小功率、小温升、低噪声且耐高低温的设计，运行平稳可靠。

(1)定子采用无槽铁心结构。由于取消了传统无刷直流电动机定子铁心的齿槽部分，绕组电感量及电气时间常数非常小，不存在定子齿槽的饱和现象，其有效气隙较大，且铁耗中只有轭部损耗，效率高，尺寸大大减小，降低了铜损和铁耗，消除了齿槽转矩脉动，降低了单边磁拉力，具有优良的动态性能，可以更好地提高微型电动机转速。

(2)转子选用磁性能优良的钕铁硼永磁材料。该材料具有最大的磁能积和很大的饱和磁感应强度，适中的剩余磁感应强度，能在200℃左右的高温下不降低磁性能［17］。可大大简化微型电动机结构，缩小尺寸，减轻重量，提高效率。

(3)轴承采用耐低温的特殊锂基润滑脂高速轴承。由于该高速微型电动机应用于高速扫描成像型激光引信上，必须至少能在－40℃～+ 55℃的环境温度条件下正常工作，满足环境适应性要求，就必须选择合适的高速轴承，特别是耐低温－40℃以下，采用一种能耐低温的特殊锂基润滑脂作为润滑剂。该特殊锂基润滑脂采用稠度等级为2 号的二硫化钼极压锂基润滑脂作为基础脂，添加少许无灰抗磨剂、抗氧剂和防锈剂，其滴点不低于175℃，工作锥入度为265～295(1 /10 mm)，能耐高低温，可在极端温度条件下高可靠运行，且具有良好的抗水性、机械安定性、防腐蚀性和氧化安定性，适合于引信中有冲击的高载荷轴承润滑。

(4)采用永磁无刷直流电动机结构和三相全波驱动电路提高效率，安全性好，可靠性高。

3 高速微型电动机高低温性能测试

电机噪声是高速微型电动机面临的主要问题之一。根据结构分析，电机噪声源主要包括电磁噪声和机械噪声，电磁噪声主要有气隙磁通密度产生的电磁力噪声和转子产生的磁场高次谐波噪声两种，机械噪声主要有轴承噪声、装配误差噪声和不平衡噪声等。因此，噪声测试是高速微型电动机性能测试的一大重要指标。在小尺寸、小功率、较小驱动电压的条件下获得60 000 r/min 的高转速，是该高速微型电动机的一大特点，在性能测试时有必要测试驱动电压。

3.1 试验条件及要求

在高低温试验时，背景噪声为55～60 dB，试验对象为高速微型电动机及其驱动控制器，使用的仪器设备有万用表、HS5660A 型精密脉冲声级计、Heraeus HC7057 型高低温试验箱。分别在常温20℃～25℃、15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃、+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+80℃、+ 85℃的温度下，将高速微型电动机放在高低温试验箱中保温持续半小时以上，取出电机在空载下测试噪声和驱动电压。

3.2 常温性能

在常温20℃～25℃下，该高速微型电动机能在60 000 r/min 的高转速下连续工作2 小时左右，温升不超过55℃，噪声不超过72 dB。其常温环境性能如图4 所示，在60 000 r/min 的高转速下，噪声不超过70．8 dB，相对背景噪声增加约12 dB，驱动电压减小约1. 7 V。

图4 高速微型电动机常温环境性能曲线图

3.3 低温性能

该高速微型电动机的低温环境性能如图5 所示，其低温工作噪声和驱动电压分别与转速成近似线性变化关系。由图5 可知，该高速微型电动机能在低温－55℃的环境下正常工作，且最低工作温度在－55℃以下，已满足引信至少－40℃以下的低温环境要求。同时，在－40℃和－55℃时，在60 000 r/min 的高转速下最大噪声分别不超过86 dB 和91 dB。

图5 高速微型电动机低温环境性能曲线图

(1)微型电动机在低温下低速时抖动大、噪声小，高速时抖动小、噪声大，且温度越低，抖动越严重，噪声也越大。同时，微型电动机在低温下高速工作半小时后，噪声会增加约2 dB，此后噪声平稳。

(2)微型电动机在低温－30℃～－55℃下，转速从初始起动的900 r/min 调至1 000 r/min 时存在滞后现象，大约延时1～3 s，且温度越低，延迟时间越长。由于微型电动机工作时有温升，一段时间后能正常工作。

(3)微型电动机从0～60 000 r/min 时，在室温15℃、0℃、－10℃、－20℃、－25℃、－30℃、－35℃、－40℃、－45℃、－50℃、－55℃下，噪声相对背景噪声分别增加约9 dB、13 dB、16 dB、19 dB、21 dB、23．5 dB、25 dB、26 dB、28 dB、29 dB、31 dB。这说明温度低时，微型电动机随着转速的增加，噪声增加明显增大，当温度低到一定程度后，如在－30℃以下，噪声增加将不是很明显。

(4)在低温环境的同一转速下，微型电动机随着温度的降低，噪声会增加，－55℃相对室温15℃下的同一转速而言，约增加16～25 dB，相对常温20℃～25℃下的同一转速而言，约增加15．5～20 dB。

(5)微型电动机在室温15℃～－55℃下不同转速时的驱动电压在33．28～36 V 内变化。在同一温度下，随着转速的增加，驱动电压会减小，从0～60 000 r/min 时，电压约减小1．73～2．72 V。在同一转速下，随着温度的降低，驱动电压也会减小，从室温15℃～－55℃时，电压约减小1～1．55 V。

3.4 高温性能

该高速微型电动机的高温环境性能如图6 所示，其高温工作噪声和驱动电压分别与转速成近似线性变化关系。由图6 可知，该高速微型电动机能在高温+85℃的环境下正常工作，且最高工作温度在+ 85℃以上，已满足引信至少+ 55℃以上的高温环境要求。同时，在+ 55℃和+ 85℃时，在60 000 r/min 的高转速下最大噪声分别不超过87 dB 和92．2 dB。

图6 高速微型电动机高温环境性能曲线图

(1)微型电动机在高温下不存在低速起动滞后现象;但高温下低速时抖动小、噪声小，高速时抖动大、噪声大，且温度越高，抖动越严重，噪声也越大。同时，微型电动机在高温下高速工作半小时后，噪声会增加约2 dB，此后噪声平稳。

(2)微型电动机从0～60 000 r/min 时，在+50℃、+ 55℃、+ 60℃、+ 65℃、+ 70℃、+ 75℃、+ 80℃、+85℃下，噪声相对背景噪声分别增加约26 dB、27 dB、28 dB、29 dB、30 dB、31 dB、31．5 dB、32 dB。这说明温度高时，微型电动机随着转速的增加，噪声会增大，温度越高，噪声增加越不明显。当温度每升高5℃时，噪声增加约1 dB，当温度高到一定程度后，在+ 75℃以上时，噪声增加约0．5 dB。

(3)在高温环境的同一转速下，微型电动机随着温度的升高，噪声会增加，+85℃相对室温15℃下的同一转速而言，约增加22～26．5 dB，相对常温20℃～25℃下的同一转速而言，约增加21．5～22．5 dB。

(4)微型电动机在+ 50℃～+ 85℃下不同转速时的驱动电压在33．72～36 V 内变化。在同一温度下，随着转速的增加，驱动电压会减小，从0～60 000 r/min 时，电压约减小1．78～2．28 V。在同一转速下，随着温度的降低，驱动电压也会减小，从+ 50℃～+ 85℃时，电压约减小0．33～0．6 V;+ 85 ℃相对室温15℃电压约减小0．28～0．55 V，相对常温20℃～25℃电压约减小0．3～0．6 V。

4 结 语

本文采用无槽铁心结构和一种特殊锂基润滑脂的耐低温高速轴承，研制了一种用于高速扫描成像型激光近炸引信的无槽铁心锂基润滑脂高速永磁无刷直流微型电动机，实现了高速微型电动机小体积、高转速、小功率、小温升、低噪声且耐高低温的设计。该微型电动机运行平稳可靠，在60 000 r/min 的高速下连续工作2 小时后，常温下温升不超过55℃，噪声不超过72 dB，能在－55℃～+ 85℃的温度环境下正常工作，满足引信至少－40℃～+ 55℃的高低温环境要求。其负载下长时间工作转速可高达60 000 r/min，空载极限转速可达63 000 r/min，外形尺寸仅Φ23 mm ×50 mm，额定电压为36 V，额定功率为25 W，额定效率约70%，额定输出转矩可达4．5 ×10－3N·m。通过进一步改进完善，有望达到额定电压为24 V，额定功率为18 W，额定效率明显提高，可在成像型激光近炸引信的高速光机扫描系统中加以应用。

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