【《外能源转管自动机及其驱动电机特性分析》4800字】

外能源转管自动机及其驱动电机特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u18329外能源转管自动机及其驱动电机特性分析 1326291.1外能源转管自动机特性分析 1189361.1.1外能源转管武器自动机工作原理 136141.12外能源转管自动机阻力矩分析 1104451.1.3外能源转管自动机驱动力矩估算 4278451.2某转管机枪自动机阻力矩测试 5185581.3驱动电机特性分析 8213481.3.1电机机械特性分析 8229661.3.2驱动电机工作区间分析 12在电机设计过程中需要考虑电机的负载特性，典型的负载特性包括恒转矩负载和恒功率负载。针对外能源转管机枪这个应用场合，电机的工况和工作环境具有一定的特殊性，与一般的工业用伺服电机有很大不同，需要对转管机枪和电机的特性进行分析，以确定电机性能最佳的工作点。1.1外能源转管自动机特性分析1.1.1外能源转管武器自动机工作原理转管自动机主要由枪管组（包含枪管、节套、行星体等）、机匣（含曲线槽）、机心体、驱动机构等部分组成。枪管组通过安装于节套上的轴承与机匣相连接，每根枪管都配备一套机心体，机心体安装在行星体上。射击时，电机驱动枪管组转动，在曲线槽的约束下，机心体在行星体的轨道内前后往复运动，并与其他构件共同作用，完成推弹、闭锁、击发、开锁、抽壳和抛壳等自动机循环动作。1.12外能源转管自动机阻力矩分析转管自动机的一次射击循环中，电机驱动自动机完成推弹进膛、闭锁，开锁、抽壳和抛壳等动作，需要消耗一部分电机驱动功率；转管自动机在工作状态下各个构件之间的滚动摩擦力矩也会消耗一部分的电机驱动功率。因此，结合文献15提出外能源自动机驱动功率估算方法，在计算转管自动机功耗时，主要考虑以下几点：（1）枪管组主要包括枪管、节套和行星体等部件，占据了转管自动机的大部分重量，枪管组自身重量对其支撑轴承会产生力的作用，因此由枪管组重力引起的滚动摩擦阻力矩为：(2-1)其中——枪管组重量，单位：Kg；——枪管组与机匣和前支点的滚动摩擦系数；——枪管组前端滚道半径，单位：m。（2）由于各个枪管的质心没有分布在回转中心线上，枪管组在高速旋转过程中会产生离心力，作用在枪管支撑轴承上产生滚动摩擦阻力矩，计算公式为：(2-2)其中——偏心距，单位：m；——枪管组转速，单位：rpm；（3）枪管组转动时，自动机和枪弹跟随其一起转动，会产生离心力，引起的枪管组滚动摩檫力矩为：(2-3)其中——曲线槽中径的一半，单位：m；——枪管组质量，单位kg；——枪弹质量，单位：kg；——曲线槽中心到枪管组回转中心线的距离，单位：m。（4）抽壳阻力矩。在自动机在工作过程中，抽壳动作时间很短，不易计算准确的抽壳力，因此在计算中取平均抽壳力，按最大抽壳力的一半进行估算。自动机内部构件的传动比、传动效率和抽壳阻力矩有关，计算公式为：(2-4)其中——各个构件之间的传动比；——各个构件之间的传动效率。（5）转管自动机在射击过程中，膛压对自动机的作用力传递到弹膛本体和机匣支撑轴承，产生转动摩擦阻力矩，计算公式为：(2-5)其中——弹底面积，单位m2；——膛压，单位：Pa；（6）抛壳阻力矩。在抛壳过程中，抛壳机构撞击并带动弹壳产生阻力矩，阻碍枪管组的转动。文献14对转管自动机抛壳机构进行受力分析并计算了抛壳阻力矩，本文在理论计算过程中采用该阻力矩。（7）枪弹击发之后，当膛底压力降至开锁压力时，机头转动进行开锁。在开锁压力作用下转动机头需要消耗功率，其开锁产生的阻力矩为：(2-6)其中——开锁压力，单位：Pa；——闭锁齿半径，单位：m；——机头开闭锁转动半径，单位：m。（8）脱弹阻力矩。将枪弹从弹链中抽离会产生阻力，消耗电机驱动自动机的功率，脱弹阻力矩计算公式为：(2-7)其中——脱链力，单位：N；——拨弹轮半径，单位：m。（9）弹带阻力矩。由于弹链为悬挂安装，枪弹和弹链一起运动产生弹带阻力，因此弹带阻力矩为：(2-8)其中——弹链刚度；——一个链节的质量，单位：kg；——枪弹数量；——输弹导引和水平面的夹角，单位：rad；——弹带运动半径，单位：m。1.1.3外能源转管自动机驱动力矩估算转管武器的效能和电机性能密切相关，转管自动机所需的驱动功率随着射频的提高而增大，因此在设计高功率密度驱动电机之前，需要对转管自动机功耗进行估算，为提出驱动电机的技术性能指标奠定理论基础。外能源转管自动机的驱动力矩由电机提供，将1.1.2节所计算的阻力矩通过传速比和传动效率等效到转管自动机的枪管组上，以枪管组为基础构件，绕枪管组轴线转动，建立外能源转管自动机运动计算方程如下[15]：(2-9)其中——枪管组转动惯量，单位：kgm2；——一个自动机绕枪管组轴线的转动惯量，单位：kgm2；——供弹齿轮绕其回转轴线的转动惯量，单位：kgm2；——抛壳齿轮绕其回转轴线的转动惯量，单位：kgm2；——一个自动机的质量，单位：kg；——一个枪弹的质量，单位：kg；——枪管组的转动角加速度，单位：rad/s2；——枪管组到供弹齿轮间的速比；——枪管组到供弹齿轮间的传动效率；——枪管组到抛壳齿轮间的速比；——枪管组到抛壳齿轮间的传动效率；——枪管组到自动机之间的速比对身管组角位移的偏导数；——驱动枪管组的转矩，单位：Nm。将转管自动机相关数据带入上式，即可对转管自动机的驱动力矩和功耗进行估算。1.2某转管机枪自动机阻力矩测试由于转管武器自动机结构比一般武器自动机的结构复杂性高，理论计算得出的驱动力矩与真实值有一定的偏差，需要通过测试的手段获取自动机的阻力矩，因此搭建外能源转管自动机负载特性研究平台，对外能源转管自动机进行测试。使用大功率电机驱动转管自动机，扭矩传感器采集自动机阻力矩，测试自动机在不同射频下的阻力矩和能量需求，分析其负载特性，为某型转管机枪高功率密度驱动电机的设计提供数据支撑，测试平台组成如图2-1所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC1负载特性测试平台组成Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC1Loadcharacteristictestplatformcomposition利用该平台对转管自动机进行阻力矩测试和功耗分析，采集射频为1000发/分、2000发/分和3000发/分时，供弹30发状态下的自动机阻力矩，分析自动机的负载特性。转管自动机的功耗与转速和阻力矩之间的关系为：(2-10)其中——自动机功耗，单位kw；——自动机转速，单位r/min；——自动机阻力矩，单位Nm。弹链供弹30发，射频1000发/分，自动机测试数据曲线如下图所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC2射频1000发/分，自动机测试数据Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC2Rateoffire1000rds/min,thetestdataofautomaticmechanisms对采集到的数据进行分析，弹链供弹30发时，自动机的峰值阻力矩40.27Nm，射频稳定阶段自动机的平均阻力矩16.58Nm，自动机峰值功耗为1.03kw。弹链供弹30发，射频2000发/分，自动机测试数据曲线如下图所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC3射频2000发/分，自动机测试数据Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC3Rateoffire2000rds/min,thetestdataofautomaticmechanisms对采集到的数据进行分析，弹链供弹30发时，自动机的峰值阻力矩61.4Nm，射频稳定阶段驱动自动机的平均阻力矩49.62Nm，自动机峰值功耗为5.61kw。弹链供弹30发，射频3000发/分，自动机测试数据曲线如下图所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC4射频3000发/分，自动机测试数据Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC4Rateoffire3000rds/min,thetestdataofautomaticmechanisms对采集到的数据进行分析，弹链供弹30发时，自动机的峰值阻力矩115.7Nm，射频稳定阶段自动机的平均阻力矩90.6Nm，自动机峰值功耗为12kw。对试验测到的数据分析后可知，电机的峰值驱动力矩出现电机起动阶段，起动完成后的驱动转矩整体变化趋势较为平稳。转管自动机在不同射频下的峰值阻力矩、平均阻力矩、峰值功耗如表2-1所示。表2-SEQ表2-\*ARABIC1测试数据汇总表Table2-SEQTable2-\*ARABIC1Testdatasummarytable射频(发/分)100020003000峰值阻力矩(Nm)40.2761.4115.7平均阻力矩(Nm)16.5849.6290.6峰值功耗(kw)1.035.6112平均功耗(kw)0.594.528.85由上表可知，该转管机枪在弹链供弹30发时，自动机峰值阻力矩、平均阻力矩和峰值功耗均呈现增长趋势，输入自动机的转矩应大于115.7Nm，输入自动机的峰值功率应大于12kw。1.3驱动电机特性分析1.3.1电机机械特性分析电机的机械特性是指电机输入电能、输出机械能驱动自动机的特性，在工作电压和一定的电源频率下，电机的输出轴随负载转矩的不同以恒定的转速输出不同的功率，电机输入不同的功率和电流，并有相应的效率。如果采用永磁同步电机驱动转管自动机，向电机中输入固定频率的电流，那么电机在一定范围内的负载转矩作用下，其转速是恒定不变的；如果在电机运行过程中，输入永磁同步电机的电流频率是变化的，那么电机的输出转速会随电流频率的变化而变化，但是在某一频率下永磁同步电机保持该同步转速运行。因此永磁同步电机具有比较复杂且特定的机械特性。在不同的状态之下，永磁同步电机会体现出不同的特性：(1)如果输入永磁同步电机的电源具有固定的电压和频率，电机的负载转矩逐步增大，由于永磁同步电机具有转速不随负载转矩改变而改变的特点，电机转速将保持不变，但电机的磁钢中心与绕组磁场中心的夹角将随之变大，直到电机失步。当电机空载时，电机转子磁钢的磁场中心与电枢通电绕组的磁场中心重合，即转矩角=0；当电机负载转矩不为0时，转矩角>0，且转矩角随着附加转矩的增加而增大。电机的电磁功率计算公式为：(2-11)其中——电机相数；——相电压；——空载感应电动势；——同步电抗。在电机的工作电压和频率确定之后，电机的感应电动势和同步电抗也随之确定。当电机的负载转矩一定时，转矩角也是一定的，那么电磁功率也是一个定值。随着负载转矩的变化，转矩角发生变化，电机的电流、效率和电磁功率也会相应的变化，形成了以电机转矩角为自变量，电机的电磁功率、效率和电流为因变量的特性曲线。某电机的机械特性曲线如图2-5所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC5恒转速机械特性曲线Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC5Mechanicalcharacteristiccurveofconstantspeed这个机械特性曲线是电机在输入电源具有固定的电压和频率的情况下，电机的负载转矩逐渐增大所产生的输出功率、电流和效率点的集合，形成了三条曲线。若仅向电机轴施加一个额定的转矩，那么电机的机械特性曲线上显示三个点——效率点、输出电磁功率点和电流点。在上图中，当转矩角为30°时，电机的负载转矩为额定转矩，在该转矩下电机的效率为0.88，输出电磁功率为6.78kw，输入电流为14.82A。(2)如果电机的负载转矩恒定不变，调节输入电源的电压和频率逐步增大，电机的输出转速也将随之增大。如果以电机的输出转速为自变量，电机的输出转矩会呈现一条水平的恒转矩曲线，某电机的转速-转矩曲线如图2-6所示，恒转矩曲线在3000r/min时出现拐点，拐点的左边是电机的恒转矩曲线，拐点的右边是恒功率曲线，所以该电机的机械特性曲线是以拐点作为计算点，拐点左边各运行点组成一条恒转矩曲线，即电机加一个恒定的转矩，电机输入相电压和电源的频率从0逐渐升高，电机的转速和输出功率成正比地提高，如图2-7所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC6转速-转矩曲线Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC6Speed-torquecurve图2-SEQ图2-\*ARABIC7转速-功率曲线Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC7Speed-powercurve当电机转速达到拐点转速，这时电机的感应电动势幅值与输入电机的线电压幅值相近，如图2-8所示。若输入电机的电压是驱动器能够输出的极限电压，则无法通过提高电源的频率来提高电机转速，因为如果电机能够提高转速，就意味着电机的感应电动势要大于电机的输入线电压。因此电机要再提高转速，转速的右侧为电机恒功率的“弱磁”提速区。图2-SEQ图2-\*ARABIC8转速-输入线电压曲线Figure2-SEQFigure2-\*ARABIC8Speed-inputlinevoltagecurve图2-SEQ图2-\*ARABIC9电机的工作区间曲线Figure2-SEQFigure2-\*