陳 立，高小龍，周育茹，滕 霖

(航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

電動舵機用永磁容錯電機的設計研究

陳 立，高小龍，周育茹，滕 霖

(航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

摘 要：研究了一種電動舵機用永磁容錯電機，分析該容錯電機的設計思路，根據(jù)技術指標完成電機的初步設計。建立電機的有限元仿真模型，研究槽口尺寸和斜槽對電機性能的影響，優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對優(yōu)化后的永磁容錯電機進行樣機實驗，實驗結(jié)果驗證了該設計的正確性。

關鍵詞：永磁容錯電機；有限元仿真；槽口尺寸；斜槽

0 引 言

目前，多電及全電飛機是航空領域的熱點課題，電動舵機取代氣動和液壓舵機成為一種趨勢[1]。電動舵機的核心是電機及其控制系統(tǒng)。由于絕緣老化，器件特性變化和發(fā)熱等原因，電機常會出現(xiàn)繞組開路、繞組端部短路、繞組匝間短路和相間繞組短路等故障[2]。一旦一相或多相繞組發(fā)生故障，電機往往無法工作，電動舵機也隨之癱瘓，影響飛控系統(tǒng)安全甚至造成飛行事故，因此研究電動舵機用高可靠性電機具有重要的意義。

上世紀90年代，國外學者提出永磁容錯電機的概念。它不但具有普通永磁同步電機體積小、效率高、運行可靠等優(yōu)點，還能夠?qū)崿F(xiàn)物理隔離，電氣隔離，熱隔離，磁隔離以及抑制短路電流[3]，具備容錯特性。當電機繞組發(fā)生故障時，故障相被切除且不會影響剩余相的正常工作，此時電機在缺相的狀態(tài)下仍然能夠通過控制算法實現(xiàn)可靠運行。

針對容錯特性的實現(xiàn)，文獻[4]詳細分析了永磁容錯電機的設計要求，并研制了一臺六相永磁容錯電機樣機進行驗證。文獻[5]討論了永磁容錯電機的極槽配合選擇策略。文獻[6]建立了一種內(nèi)置式五相永磁容錯電機的數(shù)學模型，并提出相應的容錯控制策略。本文針對一種電動舵機用永磁容錯電機進行研究。由初步設計的電機參數(shù)，在Anosft Maxwell中建立電機的有限元仿真模型，著重研究槽口尺寸和斜槽對電機性能的影響，進而完成電機的優(yōu)化設計，最后研制樣機進行實驗驗證。

1 永磁容錯電機的設計思路

永磁容錯電機的設計，除滿足普通永磁同步電機功率密度高、轉(zhuǎn)矩脈動小、效率高等的要求外，還需要滿足以下設計要求，以實現(xiàn)其容錯特性[7]。

1) 普通三相永磁同步電機在一相或多相繞組故障的情況下，難以可靠運行，多相電機提升了繞組的冗余量，增強了電機故障后的運行能力；

2) 定子繞組采取單層集中繞組，每個線圈只繞在一個齒上，且各相繞組隔齒繞制，每個定子槽中僅有一相繞組。這種繞制方式實現(xiàn)了繞組間的隔離，相間繞組互感很小，大大減小了故障相對正常相的影響；

3) 采取表面突出式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，使得電機氣隙增大，電樞反應降低，提高了電機的磁隔離能力；

4) 采用深而窄的定子槽口，對槽口寬度和厚度進行優(yōu)化設計，增大槽口漏感，從而抑制短路電流。

由于永磁容錯電機的特殊性，經(jīng)典的同步電機設計方法已難以適用。因此需依據(jù)經(jīng)典電機設計步驟進行初步設計，然后建立永磁容錯電機的有限元仿真模型，通過仿真優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 電機的初步設計

按照某型號電動舵機的設計需求，本文設計的永磁容錯電機的主要指標如表1所示。

表1 永磁容錯電機主要指標

本文選擇電機相數(shù)為五相，極槽配合為8極10槽。首先采用解析法對電機參數(shù)進行計算，完成電機的初步設計。圖1為永磁容錯電機的橫截面示意圖。電機主要參數(shù)如表2所示。

圖1 永磁容錯電機橫截面示意圖

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值定子外徑D1/mm64定子內(nèi)徑Di1/mm36轉(zhuǎn)子外徑D2/mm34.4氣隙長度δ/mm0.8定子鐵心有效長度Lef/mm52永磁體釤鈷Sm2Co17磁鋼厚度hM/mm4.2額定電流IN/A7.2

3 槽口尺寸的優(yōu)化

圖2 電機齒槽尺寸圖

圖2為電機齒槽尺寸圖，其中槽口尺寸包括槽口寬度bs0和槽口厚度hs0。永磁容錯電機的一相繞組發(fā)生短路故障時，其穩(wěn)態(tài)短路電流Is：

(1)

式中：E0為電機空載反電動勢;ωe為電角頻率;R和L分別為電機一相繞組的電阻和自感。

由式(1)可知，為實現(xiàn)永磁容錯電機抑制短路電流的能力，需要增大其繞組自感L。圖3為電機齒槽處磁力線分布圖。由圖3可知，繞組自感主要由槽內(nèi)漏感、槽口漏感和氣隙電感3部分組成。由于永磁容錯電機采取表面凸式結(jié)構(gòu)，氣隙電感很小，因此只能增大槽口漏感以實現(xiàn)大電感的需求，而槽口漏感的大小主要受槽口寬度和高度的影響[8]。因而，合理設計槽口尺寸可達到增大繞組自感、抑制短路電流的目的。

圖3 電機齒槽處磁力線分布圖

槽口寬度過窄會使得線圈難以下線；受磁路飽和約束，保持定子齒寬和軛厚不變，增加槽口厚度會減小槽面積，增大繞線難度。受電機繞線工藝的限制，選定槽口尺寸的變化范圍：

(2)

利用有限元仿真軟件AnsoftMaxwell，對永磁容錯電機進行參數(shù)化建模，并分別以槽口厚度和寬度為變量進行掃描計算。圖4為改變槽口厚度時電機性能指標的變化曲線。由圖4可知，槽口厚度增加時,穩(wěn)態(tài)短路電流逐漸減小，且電磁轉(zhuǎn)矩無明顯變化。因此，選擇槽口厚度為變化范圍內(nèi)的最大值2.8mm。

圖4 電機性能與槽口厚度的變化曲線

表3是槽口厚度為2.8mm時，不同槽口寬度的電機性能指標。由表3可知，槽口寬度逐漸減小時，繞組自感逐漸增大，相應地，穩(wěn)態(tài)短路電流逐漸減小。但短路電流過小說明槽口漏磁通過大，永磁體沒有充分利用，使得電磁轉(zhuǎn)矩下降，電機效率降低。本文選擇槽口寬度為0.9 mm，此時電磁轉(zhuǎn)矩為1.68 N·m，且穩(wěn)態(tài)短路電流幅值為9.42 A，滿足永磁容錯電機的主要技術指標。

表3 不同槽口寬度時的電機性能指標

4 斜槽對電機性能的影響

永磁容錯電機的一個線圈即為一相繞組，不存在分布繞組，存在較多的諧波電動勢，因此電機的空載反電動勢正弦度不高。電機采用正弦波驅(qū)動方式時，將產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩脈動。此外，永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩是由定子鐵心齒槽和轉(zhuǎn)子磁鋼相互作用而產(chǎn)生。當電機旋轉(zhuǎn)時，齒槽轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為一種附加的轉(zhuǎn)矩脈動，它將引起轉(zhuǎn)速波動、電機振動和噪聲。

利用Ansoft Maxwell分別建立永磁容錯電機斜槽前后的有限元模型，仿真斜槽前后的相繞組空載反電動勢，如圖5所示。斜槽后，空載反電動勢的總諧波含量THD由14.4%下降為7.3%，電機的空載反電動勢正弦度得到較大提升；空載反電動勢幅值由86.6 V下降為85.3 V，損失很小。

(a) 空載反電動勢波形

(b) 空載反電動勢FFT分析

仿真斜槽前后電機的齒槽轉(zhuǎn)矩以及額定點的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖6所示。齒槽轉(zhuǎn)矩幅值由25.2 mN·m下降為0.46 mN·m，齒槽轉(zhuǎn)矩已基本被消除，轉(zhuǎn)矩脈動也由1.55%減少為0.27% 。平均轉(zhuǎn)矩由1.68 N·m下降為1.59 N·m，但仍符合電機的主要技術指標。

(a) 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

(b) 電磁轉(zhuǎn)矩波形

5 電機本體測試實驗

根據(jù)上述的設計與優(yōu)化，本文研制了一臺電動舵機用永磁容錯電機的原理樣機，如圖7所示。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(b) 電機外觀圖

5.1 電感測試

測量A相繞組電感，并與繞組自感的設計值及仿真值對比，如表4所示。由于設計和仿真時均未考慮繞組的端部漏感，因此測量值略大。

表4 繞組自感的設計、仿真與實測值

5.2 容錯特性測試

圖8為搭建的測試實驗平臺，利用原動機帶動永磁容錯電機作發(fā)電運行，受原動機轉(zhuǎn)速限制，電機轉(zhuǎn)速為2 000r/min。在定子槽中埋入熱敏電阻，測量各相繞組開路和A相繞組短路時的溫度，30min內(nèi)的溫度變化如圖9所示。由圖9可知，30min后電機溫度基本穩(wěn)定，短路相溫度在合理范圍內(nèi)，其相鄰B相和不相鄰C相的溫度與空載時相比變化不大?？梢夾相繞組短路對其他相的影響較小，體現(xiàn)了熱隔離的特性。

圖8 測試實驗平臺

(a) 繞組開路時

(b) A相短路時A,B,C

測量電機各相繞組開路和A相繞組短路時的端電壓。A相繞組短路前后，剩余相的端電壓峰峰值和THD如表5所示。由表5可知，端電壓即空載反電動勢的THD符合優(yōu)化設計結(jié)果；電機一相繞組短路后，其他相繞組的端電壓受短路相的影響很小，體現(xiàn)了磁隔離的特性。

表5 A相繞組短路前后的剩余相端電壓

測量不同轉(zhuǎn)速下A相繞組的穩(wěn)態(tài)短路電流幅值，繪制短路電流隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，并與仿真所得曲線進行對比，如圖10所示。受原動機轉(zhuǎn)速限制，實驗曲線測至轉(zhuǎn)速3 000r/min，未能直接測得額定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流。圖10中實驗曲線略低于仿真曲線，這是由于繞組自感的實測值略大于仿真值，且穩(wěn)態(tài)短路電流在轉(zhuǎn)速2 000r/min以上時已基本達到穩(wěn)定，因此永磁容錯電機具備抑制短路電流的能力。

圖10 穩(wěn)態(tài)短路電流幅值變化曲線

6 結(jié) 語

本文設計并研制了一臺電動舵機用永磁容錯電機。依據(jù)經(jīng)典電機設計步驟進行初步設計，建立電機的有限元仿真模型進行優(yōu)化，選擇了合適的槽口尺寸以增強電機抑制短路電流的能力；采用斜槽的方案以提升電機的空載反電動勢正弦度，并降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動。樣機實驗驗證了永磁容錯電機的容錯特性，為接下來容錯電機及其控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎。

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DesignandStudyofFault-TolerantPermanentMagnetMotorforElectromechanicalActuator

CHENLi,GAOXiao-long,ZHOUYu-ru，TENGLin

(AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute,Xi’an 710065,China)

Abstract:A type of five-phase fault-tolerant permanent magnet motor which was used for electromechanical actuator was studied. The design thought of fault-tolerant motor was analyzed, and the motor was designed preliminarily according to the indexes. In order to optimize its structure parameters, a finite element simulation model of the motor was built and the influence of slot opening and skew slot on motor’s performance was investigated. A prototype experiment was performed on the optimized motor, and the experimental results verify the correctness of the design.

Key words：fault-tolerant permanent magnet motor; finite element simulation; skew opening; skew slot

中圖分類號：TM351

A

1004-7018(2018)05-0048-04

2017-10-09

作者簡介：陳立(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為永磁電機的設計與控制。