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有限转角力矩电机(LimitedAngleTorqueMotor,LATM)是一种无需另加其他机械装置便能在一定的角度内绕轴线转动或者往复摆动的电机。由于有限转角力矩电机能够在工作区间内输出与转速和转角无关而仅与电流成正比的恒定力矩,因而被广泛应用于位置随动系统中有限转角内的扫描、定位和开关运动,使得其又被称为“摆动电机”。
相比于传统的液动和气动作动器,无需管道等设备,且可线控驱动;相比于基于电机带减速齿轮箱的电动作动器,没有机械上的非线性问题,从而可用于精确定位。由于有限转角力矩电机具有结构简单、控制方便、可靠性高、力矩密度大等优点,基于各种工作原理的有限转角力矩电机得到了快速发展,并广泛应用于阀门、磁盘存储器、卫星遥感、天线定位、舵机、高压断路器、医疗机械、阻力伞锁、高速扫描振镜等领域。
1成像系统扫描型相机的焦面只需单片电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD),其通过加装摆镜以实现扫描成像,具有较低的研制难度和成本以及提供大视场和高分辨率的能力,因而成为各成像系统的研究热点。
出于对高分辨率的追求,扫描成像在窄视场内的工作方式使得其不能采用传统的连续圆周扫描方式,而只能采用有限转角方式。根据其工作原理,成像质量取决于对摆镜运动的精确控制,具体为要求扫描系统在扫描线性段内具有高精度以满足高线性度,在非线性段内响应速度快以满足高效率。
扫描运动控制通常采用位置伺服控制的方法将扫描运动转换为周期性的角位置信号来实现,根据运动规律,控制电机的工作模式分为慢速正程扫描和快速回扫两个过程。有限转角力矩电机本身优异的力矩特性保证了慢速正程扫描的高线性度,高力矩转动惯量比则保证了快速回归的高效率,且其相较于步进电机不存在低速抖动的现象及失步的可能性,因此有限转角力矩电机成为了扫描控制系统中控制电机的最佳选择,目前已广泛应用于遥感系统、超声波成像、激光成像等领域。
有文献介绍了应用于印度INSAT-2卫星中高分辨率辐射计双向扫描成像系统中的两款有限转角力矩电机,用于慢速扫描镜的最大输出力矩为mN·m、CTR为°,用于快速扫描镜最大输出力矩为50mN·m、CTR为0°。
在扫描成像系统中,表现在成像失真度上的线性精度和成像清晰度上的重复精度是检验有限转角力矩电机质量的标准,也体现了有限转角力矩电机用于高精度伺服控制的能力。
2伺服阀门有限转角力矩电机仅与电流成正比的输出力矩特性使得其适用于做持续的定位控制,加上电动作动器在能效、质量、体积、成本、可靠性及控制等方面的优势,由有限转角力矩电机直驱的电动作动器取代传统的液动、气动作动器已成为趋势。
由于体积合适,有限转角力矩电机作为旋转直驱伺服阀(RotateDirectDriveValve,RDDV)的伺服电动机得到广泛应用:实现空调系统以及废气循环系统空气流量的自动控制;实现内燃机的可变气门正时(VariableValveTiming,VVT),以显著提升经济性。
有文献提出了一种由有限转角力矩电机、谐振弹簧-阀门系统以及将电机旋转运动转换为直线运动的开槽凸轮构成的电磁阀驱动系统(ElectromagneticValveDrivesystem,EMVD),电磁阀驱动系统装置如图1所示,该装置实现了燃气轮机的电子调速以适应负载变化。除了能够实现线控驱动外,直驱的电液伺服阀还具有抗污染能力强的特点。
图1电磁阀驱动系统装置飞行器姿态在航空航天领域,由于有限转角力矩电机直驱的电动作动机构具有结构简单、维护方便、可靠性高、质量轻及惯量低等特点,将其应用于多电飞机、无人机、导弹及卫星等先进飞行器中已成为该领域的重要研究课题之一。
舵机系统作为飞行自动控制系统中必不可少的组成部分,其仅在有限的转角内进行工作,有文献将有限转角力矩电机用于直接控制舵面的舵机系统研究,表明其能有效及可靠地调整飞行器的飞行高度;在卫星运动的过程中需要持续在有限转角内调整天线的指向以确保通信的质量,有文献研究了将零齿槽转矩的环形铁心无齿槽式有限转角力矩电机用于天线定向的驱动装置,实现了天线位置的连续高精度定向控制;有文献还研究了一种采用低惯量动圈式无齿槽式有限转角力矩电机的力矩测量系统,用于测量控制卫星姿态的反作用飞轮的输出力矩以实现对其的精确控制。
4其他应用场合除了上述有关扫描摆动以及定位功能的应用外,有文献利用储能电容作为电源将有限转角力矩电机用于高压断路器分合闸的智能控制,并通过实验测得动触头的行程曲线验证了有限转角力矩电机作动器的可行性,体现了有限转角力矩电机用于开关控制的能力。
当铁磁材料处于线性区时,匀速下反电动势有与CTR相同大小的恒电动势区间,且该区间内反电动势大小与角速度呈线性关系,从而有文献将环形铁心齿槽式结构用作扫描控制系统中的测速元件即有限转角测速发电机,与有限转角力矩电机相比,有限转角测速发电机的绕组匝数更多、线径更小。此外,有限转角测速发电机在连续旋转时还能用作脉冲发电机以获得正负半周近似矩形的电压。
本文编自年第6期《电工技术学报》,论文标题为“有限转角力矩电机及其研究发展综述”。本课题得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和国家自然科学基金重大项目资助的支持。