高容錯(cuò)性模塊化定子開關(guān)磁阻電機(jī)

陳小元， 鄧智泉， 連廣坤， 范娜， 許培林

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前，研發(fā)新一代的多電以及全電飛機(jī)已成為航空領(lǐng)域里一個(gè)炙手可熱的課題［1］，而多電及全電飛機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是電力作動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［1－2］，由于電力作動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)剎車、舵面控制及油泵等關(guān)鍵電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，因此電力作動(dòng)系統(tǒng)必須具備很強(qiáng)的安全可靠性和容錯(cuò)性，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電力作動(dòng)器的核心部分，因此設(shè)計(jì)一套具有容錯(cuò)功能的電機(jī)系統(tǒng)成了電力作動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)［2］。

當(dāng)前，航空電力作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究主要集中在永磁無刷電機(jī)［3－4］和開關(guān)磁阻電機(jī)［5－7］(switched reluctance motor，SRM)方面。雖然永磁電機(jī)的功率密度較高，但繞組故障時(shí)不能滅磁，高溫振動(dòng)等惡劣環(huán)境下易退磁等缺點(diǎn)限制了其在先進(jìn)飛機(jī)電力作動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用［8］。而SRM結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子無永磁體，具有高溫和高速適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，且其相間電磁耦合弱，當(dāng)一相繞組發(fā)生斷路或短路故障，或一相功率變換器發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)仍能缺相運(yùn)行［9－11］，因此 SRM 的容錯(cuò)能力強(qiáng)。

但由于普通SRM的定子為一整體，各繞組集中地繞在定子的各個(gè)齒上，各相的磁通均經(jīng)過定子軛及相內(nèi)各定子齒，穿過氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子形成回路，所以很難做到相間及相內(nèi)各繞組磁的隔離，熱隔離效果亦不佳。為了進(jìn)一步增加SRM磁熱的隔離從而增加電機(jī)的可靠性及容錯(cuò)性能，近年來，國際上開展了模塊化定子SRM的研究［12－14］，此種結(jié)構(gòu)的SRM的定子不再是一個(gè)整體定子，而是由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的模塊(分塊)組成，使得相間及相內(nèi)的電磁熱隔離能力增強(qiáng)，大大增加了電機(jī)的可靠性及容錯(cuò)性，因此非常適用于多電以及全電飛機(jī)的電力作動(dòng)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)［12］介紹了兩相“E”形 SRM，定子由兩個(gè)“E”形的塊組成，且為大小齒結(jié)構(gòu)，繞組繞在“E”形的定子塊的兩個(gè)小齒上，此種結(jié)構(gòu)使得兩個(gè)“E”形的塊間電磁隔離，而且其較短的磁路可以大大減小電機(jī)的鐵心損耗，但較多的轉(zhuǎn)子齒數(shù)使得該電機(jī)不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)［13］提出了“U”形模塊化定子SRM，繞組繞在插入非導(dǎo)磁的框架中的“U”形模塊化定子上，轉(zhuǎn)子在“U”形模塊化定子兩磁極間轉(zhuǎn)動(dòng)，此種結(jié)構(gòu)可對(duì)稱性的增加“U”形磁極以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，“U”形磁極在電氣上和磁性上與相臨磁極隔離，整個(gè)電機(jī)的容錯(cuò)性能好，“C”形磁極以模塊方式制造，電機(jī)制造維護(hù)成本低。文獻(xiàn)［14］研究了一種“C”形模塊化定子雙轉(zhuǎn)子SRM，此種電機(jī)定子由模塊化的“C”形磁極組成，繞組繞在“C”形磁極的軛上，相間在電氣、磁性上隔離，但相內(nèi)各繞組的磁通耦合，使得若一個(gè)定子模塊上的繞組短路時(shí)，相內(nèi)的另一定子模塊上繞組導(dǎo)通時(shí)，此短路繞組中講感應(yīng)較大的反電動(dòng)勢，從而在短路繞組中有較大的電流產(chǎn)生，因此其容錯(cuò)性能受到了一定限制，同時(shí)此種結(jié)構(gòu)電機(jī)必須安裝上下兩個(gè)轉(zhuǎn)子，磁路經(jīng)過上下轉(zhuǎn)子形成回路，使得電機(jī)的磁路比較長，從而增加了電機(jī)的鐵心損耗。

本文提出了“C”形模塊化定子SRM、“E”形模塊化定子SRM和混合氣隙模塊化SRM三種新型結(jié)構(gòu)模塊化定子SRM，結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖和磁路圖對(duì)其基本工作原理分別進(jìn)行了敘述，并總結(jié)對(duì)比了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣點(diǎn)。

1 “C”形模塊化定子SRM

提出的“C”型模塊化定子SRM可為三相6/4、四相8/6或三相12/8等結(jié)構(gòu)，基本工作原理相同，下面僅以6/4結(jié)構(gòu)的“C”型模塊化定子SRM，闡述其工作原理。

如圖1所示為6/4結(jié)構(gòu)的“C”形模塊化定子SRM示意圖，包括模塊化的定子鐵心塊、定子繞組和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同普通SRM。模塊化的定子鐵心塊呈“C”形，共6個(gè)，沿轉(zhuǎn)子徑向相間60°放置。定子繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊的軛上。每個(gè)模塊化的定子鐵心塊的軛上纏繞一個(gè)定子繞組，共6個(gè)定子繞組，相對(duì)的兩個(gè)模塊化的定子鐵心塊上的兩個(gè)定子繞組串聯(lián)或并聯(lián)為一相，共三相繞組。各相繞組通過不對(duì)稱半橋外電路連接并在各相繞組的自感上升期通以電流，如圖2所示，每相磁通依次經(jīng)過定子鐵心塊的軛、定子鐵心塊的上齒，定子鐵心塊與轉(zhuǎn)子鐵心塊間上氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心塊，定子鐵心塊與轉(zhuǎn)子鐵心塊間下氣隙及定子鐵心塊的下齒，形成獨(dú)立的回路，“C”形定子的上下兩齒對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。

圖1 6/4結(jié)構(gòu)“C”形模塊化定子SRM三維示意圖Fig.1 Construction of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

圖2 6/4結(jié)構(gòu)“C”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.2 Flux path of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

從圖2所示磁路圖可以看出，其轉(zhuǎn)子部分的磁路只經(jīng)過轉(zhuǎn)子齒，而不經(jīng)過轉(zhuǎn)子軛，即各個(gè)定子磁極間磁路獨(dú)立。所以轉(zhuǎn)子可以設(shè)計(jì)為非凹凸的圓柱形結(jié)構(gòu)，即分塊的轉(zhuǎn)子鐵心塊沿徑向相間90°嵌入在不導(dǎo)磁的轉(zhuǎn)子套中，如圖3所示，這種轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)(油)阻可以大大減小，且可減少鐵心材料用量。

圖3 6/4結(jié)構(gòu)“C”形模塊化定子分塊轉(zhuǎn)子SRMFig.3 Constructin of 6/4 SRM with C-shaped modular stators and segmental rotors

“C”形模塊化定子SRM的主要優(yōu)點(diǎn)有:

1)定子繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊的軛上，繞組繞線空間大，較多的繞線匝數(shù)可以提高電機(jī)的磁動(dòng)勢;

2)每個(gè)模塊化的定子鐵心塊可以單獨(dú)繞組，繞線操作易于自動(dòng)化，且能保證電機(jī)每個(gè)繞組的一致性并提高槽滿率，從而保障電機(jī)的性能;

3)省去了普通SRM徑向定子的軛部分，即圖4中的虛線所示部分，所以鐵心材料用量少，且定子鐵心塊模塊化，整個(gè)電機(jī)制造成本低;

4)相間及相內(nèi)各定子磁極在結(jié)構(gòu)、磁路和電路均幾乎完全獨(dú)立，所以熱隔離、磁隔離以及電氣隔離的能力強(qiáng)，容錯(cuò)性能非常好。當(dāng)一定子磁極發(fā)生故障時(shí)，對(duì)其他磁極幾乎沒有影響，電機(jī)仍能缺相容錯(cuò)運(yùn)行但故障磁極不再出力，其他磁極正常工作，在激勵(lì)條件不變時(shí)，電機(jī)在缺一磁極時(shí)的輸出平均轉(zhuǎn)矩約為正常工作時(shí)的(m－1)/m，其中m為SRM的磁極數(shù)。

圖4 6/4結(jié)構(gòu)“C”形模塊化定子SRM俯視圖Fig.4 Top view of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

但“C”形模塊化定子SRM由于繞組凸出在定子外，實(shí)際上增加了電機(jī)的外徑，且當(dāng)電機(jī)的軸向長度較大時(shí)，“C”形模塊化定子SRM僅定子模塊的上下兩齒對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力，使得整個(gè)電機(jī)的軸向利用率不高。

2 “E”型模塊化定子SRM

當(dāng)電機(jī)的軸向長度比較長時(shí)，為了增加電機(jī)的軸向利用率，可以把上述的模塊化SRM的“C”形定子變?yōu)椤癊”形定子即可。下面仍然以6/4結(jié)構(gòu)SRM為例子闡釋“E”形模塊化定子SRM的工作原理。

“E”型模塊化定子SRM按繞組繞制方式可分為雙線包SRM和單線包SRM。圖5所示為雙線包“E”形模塊化定子SRM結(jié)構(gòu)示意圖，包括模塊化的定子鐵心塊、定子繞組和轉(zhuǎn)子。模塊化的定子鐵心呈“E”狀，共6個(gè)，沿轉(zhuǎn)子徑向相間60°放置。兩個(gè)定子線包分別纏繞在每個(gè)模塊化的定子鐵心塊的上軛和下軛上，串聯(lián)或并聯(lián)為一個(gè)定子繞組，故稱為雙線包“E”形模塊化定子SSRM。各相繞組通過不對(duì)稱半橋外電路連接并在各相繞組的自感上升期通以電流，如圖6所示，磁通依次經(jīng)過定子鐵心塊的上(下)軛、定子鐵心塊的上(下)齒極，定子鐵心塊與轉(zhuǎn)子鐵心塊間上(下)氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心塊，定子鐵心塊與轉(zhuǎn)子鐵心塊間中氣隙及定子鐵心塊的中齒極，形成回路，“E”定子的上中下三個(gè)齒對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。根據(jù)其磁路特點(diǎn)，其模塊化定子的中間大齒軸向厚約為上(下)齒的兩倍。

圖5 6/4結(jié)構(gòu)雙線包“E”形模塊化定子SRM示意圖Fig.5 Construction of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

圖6 6/4結(jié)構(gòu)雙線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.6 Flux path of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

圖7所示為三相6/4結(jié)構(gòu)單繞組“E”形模塊化定子SRM，其結(jié)構(gòu)和工作原理同雙繞組“E”形模塊化定子SRM，只是每個(gè)模塊化定子上只有一個(gè)線包，且該線包纏繞在定子鐵心塊的中間的大齒上，故稱該電機(jī)為單繞組“E”形模塊化定子SRM。圖8所示為6/4結(jié)構(gòu)單線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖，其磁路同雙線包“E”形模塊化定子SRM。同“C”形模塊化定子SRM，E形模塊化定子SRM的轉(zhuǎn)子部分的磁路只經(jīng)過轉(zhuǎn)子齒，而不經(jīng)過轉(zhuǎn)子軛，即各個(gè)磁極間磁路獨(dú)立。所以為了減小高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)(油)阻，轉(zhuǎn)子亦可設(shè)計(jì)成非凹凸的圓柱形結(jié)構(gòu)。

“E”形模塊化定子SRM除具有“C”形模塊化定子SRM的高容錯(cuò)性能等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)定子繞組放置位置靈活，可纏繞在“E”形模塊化的定子鐵心塊的軛或中間的齒上。當(dāng)繞組纏繞在“E”形模化塊的定子鐵心塊的軛時(shí)，電機(jī)的繞組雖然凸出在定子外，但每個(gè)模塊化定子上纏繞兩個(gè)線包，使得一相繞組的接線方式靈活，同時(shí)也增加了電機(jī)的繞組故障時(shí)的容錯(cuò)性能。當(dāng)繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊中間的齒上時(shí)，繞組不再凸出在定子外徑外，使得電機(jī)的徑向尺寸較小。

2)定子鐵心塊呈“E”形，繞組產(chǎn)生的主磁通經(jīng)過“E”形定子鐵心的三個(gè)齒，穿過定子鐵心塊與轉(zhuǎn)子鐵心塊間的氣隙和轉(zhuǎn)子鐵心塊，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力，故當(dāng)電機(jī)的軸向長度較大時(shí)，“E”形模塊化定子SRM較“C”形模塊化定子SRM的軸向利用率高。

圖7 6/4結(jié)構(gòu)單線包“E”形模塊化定子SRM示意圖Fig.7 Construction of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

圖8 6/4結(jié)構(gòu)單線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.8 Flux path of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

3 混合氣隙模塊化定子SRM

上述“C”形和“E”形模塊化定子SRM雖然為徑向氣隙，但由于其磁路必須經(jīng)過轉(zhuǎn)子的軸向，所以上述兩種模塊化定子SRM很難適用于轉(zhuǎn)子軸向長度比較小甚至薄片狀時(shí)的情形。

但可以把定子的上下兩齒從軸向上正對(duì)轉(zhuǎn)子齒，如圖9所示為6/4結(jié)構(gòu)單線包混合氣隙模塊化定子SRM三維示意圖，定子的上下兩齒與轉(zhuǎn)子形成軸向氣隙，定子的中間齒在徑向上正對(duì)轉(zhuǎn)子，從而形成徑向氣隙，所以稱此種電機(jī)為混合氣隙模塊化SRM。

圖9 6/4結(jié)構(gòu)混合氣隙模塊化定子SRM三維示意圖Fig.9 Construction of 6/4 axial-radial air gap SRM with modular statorsp

圖10為混合氣隙模塊化定子SRM軸向截面磁路圖，此電機(jī)的模塊化定子的3個(gè)磁極對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力，其中上下磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的吸力，其徑向分量為有效部分，和徑向的定子磁極對(duì)轉(zhuǎn)子吸力的切向分量相互疊加一起拖動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，上下磁極對(duì)轉(zhuǎn)子的吸力的軸向分量相互平衡，所以此種結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)軸向氣隙電機(jī)單邊磁拉力不平衡的缺點(diǎn)。

圖10 6/4結(jié)構(gòu)混合氣隙模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.10 Flux path of 6/4 axial-radial air gap SRM with E-shaped modular stators

同“C”形模塊化定子SRM和“E”形模塊化定子SRM，混合氣隙模塊化定子SRM省去了普通SRM徑向定子的軛部分，所以鐵心材料用量少，整個(gè)電機(jī)制造成本低，同時(shí)由于其每個(gè)磁極間在電氣、磁路及結(jié)構(gòu)上均隔離，所以容錯(cuò)性能非常好。

由于該電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向長度比較短，電機(jī)轉(zhuǎn)子成片狀，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小，同時(shí)由于有三個(gè)磁極同時(shí)作用于轉(zhuǎn)子，電機(jī)的出力較大，所以該電機(jī)的起動(dòng)容易。

4 結(jié)語

本文在總結(jié)了現(xiàn)有的各型模塊化定子開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性基礎(chǔ)上，提出“C”形模塊化定子SRM、“E”形模塊化定子SRM和混合氣隙模塊化定子SRM三種新型結(jié)構(gòu)的模塊化定子SRM，由于采用模塊化定子結(jié)構(gòu)，且其磁路在轉(zhuǎn)子上不耦合，使得每個(gè)磁極在結(jié)構(gòu)、磁路和電路上均幾乎完全獨(dú)立，所以磁隔離、熱隔離以及電氣隔離的能力強(qiáng)，容錯(cuò)性能非常好。

本文只是限于以上3種新型結(jié)構(gòu)模塊化定子SRM的概念的提出及結(jié)構(gòu)原理的分析，具體的電機(jī)設(shè)計(jì)及性能如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、鐵心損耗及電磁噪聲等有待進(jìn)一步的研究。但以上新結(jié)構(gòu)模塊化定子SRM的提出，特別是其優(yōu)越的容錯(cuò)性能，特別適用于對(duì)容錯(cuò)性能要求高的航空航天等領(lǐng)域的電力執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求。

［1］齊蓉，陳明.多電飛機(jī)容錯(cuò)作動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析［J］.航空計(jì)算機(jī)技術(shù)，2005，35(1):82 －85.QI Rong，CHEN Ming，Analyse of fault tolerant topology configuration for more electric aircraft actuation system［J］.Aeronautical Computer Technique，2004，35(1):82 －85.

［2］ERTUGRUL N，SOONG W，DOSTAL G，et al.Fault tolerant motor drive system with redundancy for critical applications［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference，June 23 －27，2002，Cairns，Qld，Australia.2002，3:1457 －1462.

［3］MECROW B C，JACK A G，ATKINSON D J，et al.Design and testing of a four-phase fault-tolerant permanent-magnet machine for an engine fuel pump ［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19(4):671－678.

［4］HAYLOCK J A，MECROW B C，JACK A G，et al.Operation of a fault tolerant PM drive for an aerospace fuel pump application［J］.IEE Proceedings Electric Power Applications，1998，145(5):441－448.

［5］KRISHNAN R，BLANDING D，BHANOT A，et al.High reliability SRM drive system for aerospace applications［C］//29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，Nov 2 － 6，2003，Roanoke，VA，USA.2003，2:1110－1115.

［6］楊艷，鄧智泉，曹鑫，等.無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)徑向電磁力模型［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(3):377 －382.YANG Yan，DENG Zhiquan，CAO Xin，et al.Magnetic radial force model of bearingless switched reluctance motors［J］.Electric Machines and Control，2009，13(3):377－382.

［7］KRISHNAN R，BLANDING D，BHANOT A，et al.High reliability SRM drive system for aerospace applications［C］//The 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，November 2－6，2003，Roanoke，VA，United states.2003:1110 －1115.

［8］SCHRAMM A，GERLING D.Researches on the suitability of switched reluctance machines and permanent magnet machines for specific aerospace applications demanding fault tolerance［C］//International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，May 23－26，2006，Taormina，Italy.2006:56 －60.

［9］SANCHEZ J A，ANDRADA P，BLANQUE B，et al.Post-fault performance of a fault-tolerant switched reluctance motor drive［C］//The IEEE 11th European Conference on Power Electronics and Applications，Sept 11 －14，2005，Dresden，Germany.2005:1－8.

［10］GOPALALRISHNAN S，OMEKANDA A M，LEQUESNE B.Classification and remediation of electrical faults in the switched reluctance drive［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，April 2006，42(2):479－486.

［11］CHEN Hao，MENG Xianjun，XIAO Fang，et al.Fault tolerant control for switched reluctance motor drive［C］//28th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，Nov 5 －8，2002，Sevilla，Spain.2002，2:1050 －1054.

［12］LEE C，KRISHNAN R，LOBO N S.Novel two-phase switched reluctance machine using common-pole E-core structure:concept，analysis，and experimental verification ［C］//2007 IEEE Industry Applications Conference-Forty-Second IAS Annual Meeting，Sept 23 －27，2007，New Orleans，LA，USA.2007:2210 －2217.

［13］Holtzapple M T，RABROKER G A，F(xiàn)AHIMI B，et al.Hightorque switched reluctance motor ［P］.United States:No.20060279155，Dec.14，2006.

［14］Shang-Hsun M，Mi-Ching T.A，Novel switched reluctance motor with C-core stators［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(12):4413－442.