電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

陳 立，高小龍，周育茹，滕 霖

(航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065)

電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

陳 立，高小龍，周育茹，滕 霖

(航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065)

摘 要：研究了一種電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)，分析該容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)完成電機(jī)的初步設(shè)計(jì)。建立電機(jī)的有限元仿真模型，研究槽口尺寸和斜槽對(duì)電機(jī)性能的影響，優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)優(yōu)化后的永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：永磁容錯(cuò)電機(jī)；有限元仿真；槽口尺寸；斜槽

0 引 言

目前，多電及全電飛機(jī)是航空領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，電動(dòng)舵機(jī)取代氣動(dòng)和液壓舵機(jī)成為一種趨勢(shì)[1]。電動(dòng)舵機(jī)的核心是電機(jī)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(jī)常會(huì)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(jī)往往無(wú)法工作，電動(dòng)舵機(jī)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(dòng)舵機(jī)用高可靠性電機(jī)具有重要的意義。

上世紀(jì)90年代，國(guó)外學(xué)者提出永磁容錯(cuò)電機(jī)的概念。它不但具有普通永磁同步電機(jī)體積小、效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(cuò)特性。當(dāng)電機(jī)繞組發(fā)生故障時(shí)，故障相被切除且不會(huì)影響剩余相的正常工作，此時(shí)電機(jī)在缺相的狀態(tài)下仍然能夠通過(guò)控制算法實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

針對(duì)容錯(cuò)特性的實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[4]詳細(xì)分析了永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，并研制了一臺(tái)六相永磁容錯(cuò)電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]討論了永磁容錯(cuò)電機(jī)的極槽配合選擇策略。文獻(xiàn)[6]建立了一種內(nèi)置式五相永磁容錯(cuò)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并提出相應(yīng)的容錯(cuò)控制策略。本文針對(duì)一種電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行研究。由初步設(shè)計(jì)的電機(jī)參數(shù)，在Anosft Maxwell中建立電機(jī)的有限元仿真模型，著重研究槽口尺寸和斜槽對(duì)電機(jī)性能的影響，進(jìn)而完成電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后研制樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路

永磁容錯(cuò)電機(jī)的設(shè)計(jì)，除滿足普通永磁同步電機(jī)功率密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、效率高等的要求外，還需要滿足以下設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)其容錯(cuò)特性[7]。

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

2) 定子繞組采取單層集中繞組，每個(gè)線圈只繞在一個(gè)齒上，且各相繞組隔齒繞制，每個(gè)定子槽中僅有一相繞組。這種繞制方式實(shí)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(duì)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(jī)氣隙增大，電樞反應(yīng)降低，提高了電機(jī)的磁隔離能力；

4) 采用深而窄的定子槽口，對(duì)槽口寬度和厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大槽口漏感，從而抑制短路電流。

由于永磁容錯(cuò)電機(jī)的特殊性，經(jīng)典的同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法已難以適用。因此需依據(jù)經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后建立永磁容錯(cuò)電機(jī)的有限元仿真模型，通過(guò)仿真優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 電機(jī)的初步設(shè)計(jì)

按照某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)的永磁容錯(cuò)電機(jī)的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 永磁容錯(cuò)電機(jī)主要指標(biāo)

本文選擇電機(jī)相數(shù)為五相，極槽配合為8極10槽。首先采用解析法對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，完成電機(jī)的初步設(shè)計(jì)。圖1為永磁容錯(cuò)電機(jī)的橫截面示意圖。電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

圖1 永磁容錯(cuò)電機(jī)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(zhǎng)度δ/mm0.8定子鐵心有效長(zhǎng)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(jī)齒槽尺寸圖

圖2為電機(jī)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(cuò)電機(jī)的一相繞組發(fā)生短路故障時(shí)，其穩(wěn)態(tài)短路電流Is：

(1)

式中：E0為電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì);ωe為電角頻率;R和L分別為電機(jī)一相繞組的電阻和自感。

由式(1)可知，為實(shí)現(xiàn)永磁容錯(cuò)電機(jī)抑制短路電流的能力，需要增大其繞組自感L。圖3為電機(jī)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(cuò)電機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)槽口尺寸可達(dá)到增大繞組自感、抑制短路電流的目的。

圖3 電機(jī)齒槽處磁力線分布圖

槽口寬度過(guò)窄會(huì)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(huì)減小槽面積，增大繞線難度。受電機(jī)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(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模，并分別以槽口厚度和寬度為變量進(jìn)行掃描計(jì)算。圖4為改變槽口厚度時(shí)電機(jī)性能指標(biāo)的變化曲線。由圖4可知，槽口厚度增加時(shí),穩(wěn)態(tài)短路電流逐漸減小，且電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o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(jī)性能與槽口厚度的變化曲線

表3是槽口厚度為2.8mm時(shí)，不同槽口寬度的電機(jī)性能指標(biāo)。由表3可知，槽口寬度逐漸減小時(shí)，繞組自感逐漸增大，相應(yīng)地，穩(wěn)態(tài)短路電流逐漸減小。但短路電流過(guò)小說(shuō)明槽口漏磁通過(guò)大，永磁體沒有充分利用，使得電磁轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)效率降低。本文選擇槽口寬度為0.9 mm，此時(shí)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(cuò)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。

表3 不同槽口寬度時(shí)的電機(jī)性能指標(biāo)

4 斜槽對(duì)電機(jī)性能的影響

永磁容錯(cuò)電機(jī)的一個(gè)線圈即為一相繞組，不存在分布繞組，存在較多的諧波電動(dòng)勢(shì)，因此電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)正弦度不高。電機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，將產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此外，永磁電機(jī)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(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為一種附加的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它將引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)、電機(jī)振動(dòng)和噪聲。

利用Ansoft Maxwell分別建立永磁容錯(cuò)電機(jī)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(dòng)勢(shì)，如圖5所示。斜槽后，空載反電動(dòng)勢(shì)的總諧波含量THD由14.4%下降為7.3%，電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)正弦度得到較大提升；空載反電動(dòng)勢(shì)幅值由86.6 V下降為85.3 V，損失很小。

(a) 空載反電動(dòng)勢(shì)波形

(b) 空載反電動(dòng)勢(shì)FFT分析

仿真斜槽前后電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩以及額定點(diǎn)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(dòng)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(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。

(a) 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

(b) 電磁轉(zhuǎn)矩波形

5 電機(jī)本體測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，本文研制了一臺(tái)電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)的原理樣機(jī)，如圖7所示。

(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

(b) 電機(jī)外觀圖

5.1 電感測(cè)試

測(cè)量A相繞組電感，并與繞組自感的設(shè)計(jì)值及仿真值對(duì)比，如表4所示。由于設(shè)計(jì)和仿真時(shí)均未考慮繞組的端部漏感，因此測(cè)量值略大。

表4 繞組自感的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)測(cè)值

5.2 容錯(cuò)特性測(cè)試

圖8為搭建的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)永磁容錯(cuò)電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，受原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min。在定子槽中埋入熱敏電阻，測(cè)量各相繞組開路和A相繞組短路時(shí)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(jī)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(shí)相比變化不大。可見A相繞組短路對(duì)其他相的影響較小，體現(xiàn)了熱隔離的特性。

圖8 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(a) 繞組開路時(shí)

(b) A相短路時(shí)A,B,C

測(cè)量電機(jī)各相繞組開路和A相繞組短路時(shí)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(dòng)勢(shì)的THD符合優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果；電機(jī)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(cè)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(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。受原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制，實(shí)驗(yàn)曲線測(cè)至轉(zhuǎn)速3 000r/min，未能直接測(cè)得額定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)短路電流。圖10中實(shí)驗(yàn)曲線略低于仿真曲線，這是由于繞組自感的實(shí)測(cè)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(shí)已基本達(dá)到穩(wěn)定，因此永磁容錯(cuò)電機(jī)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)電動(dòng)舵機(jī)用永磁容錯(cuò)電機(jī)。依據(jù)經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，建立電機(jī)的有限元仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，選擇了合適的槽口尺寸以增強(qiáng)電機(jī)抑制短路電流的能力；采用斜槽的方案以提升電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)正弦度，并降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了永磁容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)特性，為接下來(lái)容錯(cuò)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 郝振洋.六相永磁容錯(cuò)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2010.

[2] 徐曉玲,彭偉發(fā),陸榮秀.電機(jī)定子繞組故障容錯(cuò)控制概述[J].微特電機(jī),2015,43(3):81-85.

[3]JACKAG,MECROWBC,HAYLOCKJ.Acomparativestudyofpermanentmagnetandswitchedreluctancemotorsforhighperformancefaulttolerantapplications[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,1995,1(4):889-895.

[4]MECROWBC,JACKAG,HAYLOCKJA,etal.Fault-tolerantpermanentmagnetmachinedrives[J].IEEProceedings-ElectricPowerApplications,1996,143(6):437-442.

[5]EDEJD,ATALLAHK,HOWED.Designvariantsofmodularpermanentmagnetbrushlessmachine[J].JournalofAppliedPhysics,2002,91(10):6973-6975.

[6]BIANCHIN,BOLOGNANIS.Designandtestsofafault-tolerantfive-phasepermanentmagnetmotor[C]//PowerElectronicsSpecialistsConference.IEEE,2006:1-8.

[7]MECROWBC,JACKAG,ATKINSONDJ,etal.Designandtestingofafour-phasefault-tolerantpermanent-magnetmachineforanenginefuelpump[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2005,19(4):671-678.

[8] 盧曉慧,梁加紅,廖瑛.直驅(qū)型電動(dòng)舵機(jī)中永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(4):134-139.

[9] 湯蘊(yùn)璆,電機(jī)學(xué)[M].第四版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[10]ZHUZQ,HOWED.Influnceofdesignparametersoncoggingtorqueinpermanentmagnetmachine[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2000,15(4):407-412.

[11]BIANCHIN,BOLOGNANIS.Designtechniquesforreducingcoggingtorqueinsurface-mountedPMmotors[J].IEEETransactionsonIndustryApplicationSociety,2002,38(5):1259-1265.

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(hào)：TM351

A

1004-7018(2018)05-0048-04

2017-10-09

作者簡(jiǎn)介：陳立(1993—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)的設(shè)計(jì)與控制。