高容错性模块化定子开关磁阻电机

陈小元， 邓智泉， 连广坤， 范娜， 许培林

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016)

0 引言

目前，研发新一代的多电以及全电飞机已成为航空领域里一个炙手可热的课题［1］，而多电及全电飞机系统的关键技术之一就是电力作动系统设计［1－2］，由于电力作动系统广泛应用于飞机刹车、舵面控制及油泵等关键电力传动系统中，因此电力作动系统必须具备很强的安全可靠性和容错性，而驱动电机是电力作动器的核心部分，因此设计一套具有容错功能的电机系统成了电力作动器的关键技术［2］。

当前，航空电力作动系统驱动电机的研究主要集中在永磁无刷电机［3－4］和开关磁阻电机［5－7］(switched reluctance motor，SRM)方面。虽然永磁电机的功率密度较高，但绕组故障时不能灭磁，高温振动等恶劣环境下易退磁等缺点限制了其在先进飞机电力作动系统上的应用［8］。而SRM结构简单坚固，转子无永磁体，具有高温和高速适应性等优点，且其相间电磁耦合弱，当一相绕组发生断路或短路故障，或一相功率变换器发生故障时，电机仍能缺相运行［9－11］，因此 SRM 的容错能力强。

但由于普通SRM的定子为一整体，各绕组集中地绕在定子的各个齿上，各相的磁通均经过定子轭及相内各定子齿，穿过气隙进入转子形成回路，所以很难做到相间及相内各绕组磁的隔离，热隔离效果亦不佳。为了进一步增加SRM磁热的隔离从而增加电机的可靠性及容错性能，近年来，国际上开展了模块化定子SRM的研究［12－14］，此种结构的SRM的定子不再是一个整体定子，而是由若干个结构相同的模块(分块)组成，使得相间及相内的电磁热隔离能力增强，大大增加了电机的可靠性及容错性，因此非常适用于多电以及全电飞机的电力作动系统。

文献［12］介绍了两相“E”形 SRM，定子由两个“E”形的块组成，且为大小齿结构，绕组绕在“E”形的定子块的两个小齿上，此种结构使得两个“E”形的块间电磁隔离，而且其较短的磁路可以大大减小电机的铁心损耗，但较多的转子齿数使得该电机不适合高速运转。文献［13］提出了“U”形模块化定子SRM，绕组绕在插入非导磁的框架中的“U”形模块化定子上，转子在“U”形模块化定子两磁极间转动，此种结构可对称性的增加“U”形磁极以提高电机的转矩输出，“U”形磁极在电气上和磁性上与相临磁极隔离，整个电机的容错性能好，“C”形磁极以模块方式制造，电机制造维护成本低。文献［14］研究了一种“C”形模块化定子双转子SRM，此种电机定子由模块化的“C”形磁极组成，绕组绕在“C”形磁极的轭上，相间在电气、磁性上隔离，但相内各绕组的磁通耦合，使得若一个定子模块上的绕组短路时，相内的另一定子模块上绕组导通时，此短路绕组中讲感应较大的反电动势，从而在短路绕组中有较大的电流产生，因此其容错性能受到了一定限制，同时此种结构电机必须安装上下两个转子，磁路经过上下转子形成回路，使得电机的磁路比较长，从而增加了电机的铁心损耗。

本文提出了“C”形模块化定子SRM、“E”形模块化定子SRM和混合气隙模块化SRM三种新型结构模块化定子SRM，结合结构示意图和磁路图对其基本工作原理分别进行了叙述，并总结对比了各种结构的优劣点。

1 “C”形模块化定子SRM

提出的“C”型模块化定子SRM可为三相6/4、四相8/6或三相12/8等结构，基本工作原理相同，下面仅以6/4结构的“C”型模块化定子SRM，阐述其工作原理。

如图1所示为6/4结构的“C”形模块化定子SRM示意图，包括模块化的定子铁心块、定子绕组和转子。转子结构同普通SRM。模块化的定子铁心块呈“C”形，共6个，沿转子径向相间60°放置。定子绕组缠绕在模块化的定子铁心块的轭上。每个模块化的定子铁心块的轭上缠绕一个定子绕组，共6个定子绕组，相对的两个模块化的定子铁心块上的两个定子绕组串联或并联为一相，共三相绕组。各相绕组通过不对称半桥外电路连接并在各相绕组的自感上升期通以电流，如图2所示，每相磁通依次经过定子铁心块的轭、定子铁心块的上齿，定子铁心块与转子铁心块间上气隙，转子铁心块，定子铁心块与转子铁心块间下气隙及定子铁心块的下齿，形成独立的回路，“C”形定子的上下两齿对电机转子产生作用力，拖动电机转子运转，驱动负载运行。

图1 6/4结构“C”形模块化定子SRM三维示意图Fig.1 Construction of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

图2 6/4结构“C”形模块化定子SRM轴向截面磁路图Fig.2 Flux path of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

从图2所示磁路图可以看出，其转子部分的磁路只经过转子齿，而不经过转子轭，即各个定子磁极间磁路独立。所以转子可以设计为非凹凸的圆柱形结构，即分块的转子铁心块沿径向相间90°嵌入在不导磁的转子套中，如图3所示，这种转子在高速运转时风(油)阻可以大大减小，且可减少铁心材料用量。

图3 6/4结构“C”形模块化定子分块转子SRMFig.3 Constructin of 6/4 SRM with C-shaped modular stators and segmental rotors

“C”形模块化定子SRM的主要优点有:

1)定子绕组缠绕在模块化的定子铁心块的轭上，绕组绕线空间大，较多的绕线匝数可以提高电机的磁动势;

2)每个模块化的定子铁心块可以单独绕组，绕线操作易于自动化，且能保证电机每个绕组的一致性并提高槽满率，从而保障电机的性能;

3)省去了普通SRM径向定子的轭部分，即图4中的虚线所示部分，所以铁心材料用量少，且定子铁心块模块化，整个电机制造成本低;

4)相间及相内各定子磁极在结构、磁路和电路均几乎完全独立，所以热隔离、磁隔离以及电气隔离的能力强，容错性能非常好。当一定子磁极发生故障时，对其他磁极几乎没有影响，电机仍能缺相容错运行但故障磁极不再出力，其他磁极正常工作，在激励条件不变时，电机在缺一磁极时的输出平均转矩约为正常工作时的(m－1)/m，其中m为SRM的磁极数。

图4 6/4结构“C”形模块化定子SRM俯视图Fig.4 Top view of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

但“C”形模块化定子SRM由于绕组凸出在定子外，实际上增加了电机的外径，且当电机的轴向长度较大时，“C”形模块化定子SRM仅定子模块的上下两齿对转子产生作用力，使得整个电机的轴向利用率不高。

2 “E”型模块化定子SRM

当电机的轴向长度比较长时，为了增加电机的轴向利用率，可以把上述的模块化SRM的“C”形定子变为“E”形定子即可。下面仍然以6/4结构SRM为例子阐释“E”形模块化定子SRM的工作原理。

“E”型模块化定子SRM按绕组绕制方式可分为双线包SRM和单线包SRM。图5所示为双线包“E”形模块化定子SRM结构示意图，包括模块化的定子铁心块、定子绕组和转子。模块化的定子铁心呈“E”状，共6个，沿转子径向相间60°放置。两个定子线包分别缠绕在每个模块化的定子铁心块的上轭和下轭上，串联或并联为一个定子绕组，故称为双线包“E”形模块化定子SSRM。各相绕组通过不对称半桥外电路连接并在各相绕组的自感上升期通以电流，如图6所示，磁通依次经过定子铁心块的上(下)轭、定子铁心块的上(下)齿极，定子铁心块与转子铁心块间上(下)气隙，转子铁心块，定子铁心块与转子铁心块间中气隙及定子铁心块的中齿极，形成回路，“E”定子的上中下三个齿对电机转子产生作用力，拖动电机转子运转，驱动负载运行。根据其磁路特点，其模块化定子的中间大齿轴向厚约为上(下)齿的两倍。

图5 6/4结构双线包“E”形模块化定子SRM示意图Fig.5 Construction of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

图6 6/4结构双线包“E”形模块化定子SRM轴向截面磁路图Fig.6 Flux path of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

图7所示为三相6/4结构单绕组“E”形模块化定子SRM，其结构和工作原理同双绕组“E”形模块化定子SRM，只是每个模块化定子上只有一个线包，且该线包缠绕在定子铁心块的中间的大齿上，故称该电机为单绕组“E”形模块化定子SRM。图8所示为6/4结构单线包“E”形模块化定子SRM轴向截面磁路图，其磁路同双线包“E”形模块化定子SRM。同“C”形模块化定子SRM，E形模块化定子SRM的转子部分的磁路只经过转子齿，而不经过转子轭，即各个磁极间磁路独立。所以为了减小高速运转时风(油)阻，转子亦可设计成非凹凸的圆柱形结构。

“E”形模块化定子SRM除具有“C”形模块化定子SRM的高容错性能等优点外，还具有以下优点:

1)定子绕组放置位置灵活，可缠绕在“E”形模块化的定子铁心块的轭或中间的齿上。当绕组缠绕在“E”形模化块的定子铁心块的轭时，电机的绕组虽然凸出在定子外，但每个模块化定子上缠绕两个线包，使得一相绕组的接线方式灵活，同时也增加了电机的绕组故障时的容错性能。当绕组缠绕在模块化的定子铁心块中间的齿上时，绕组不再凸出在定子外径外，使得电机的径向尺寸较小。

2)定子铁心块呈“E”形，绕组产生的主磁通经过“E”形定子铁心的三个齿，穿过定子铁心块与转子铁心块间的气隙和转子铁心块，对转子产生作用力，故当电机的轴向长度较大时，“E”形模块化定子SRM较“C”形模块化定子SRM的轴向利用率高。

图7 6/4结构单线包“E”形模块化定子SRM示意图Fig.7 Construction of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

图8 6/4结构单线包“E”形模块化定子SRM轴向截面磁路图Fig.8 Flux path of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

3 混合气隙模块化定子SRM

上述“C”形和“E”形模块化定子SRM虽然为径向气隙，但由于其磁路必须经过转子的轴向，所以上述两种模块化定子SRM很难适用于转子轴向长度比较小甚至薄片状时的情形。

但可以把定子的上下两齿从轴向上正对转子齿，如图9所示为6/4结构单线包混合气隙模块化定子SRM三维示意图，定子的上下两齿与转子形成轴向气隙，定子的中间齿在径向上正对转子，从而形成径向气隙，所以称此种电机为混合气隙模块化SRM。

图9 6/4结构混合气隙模块化定子SRM三维示意图Fig.9 Construction of 6/4 axial-radial air gap SRM with modular statorsp

图10为混合气隙模块化定子SRM轴向截面磁路图，此电机的模块化定子的3个磁极对转子产生吸力，其中上下磁极对转子的吸力，其径向分量为有效部分，和径向的定子磁极对转子吸力的切向分量相互叠加一起拖动转子运转，上下磁极对转子的吸力的轴向分量相互平衡，所以此种结构消除了传统轴向气隙电机单边磁拉力不平衡的缺点。

图10 6/4结构混合气隙模块化定子SRM轴向截面磁路图Fig.10 Flux path of 6/4 axial-radial air gap SRM with E-shaped modular stators

同“C”形模块化定子SRM和“E”形模块化定子SRM，混合气隙模块化定子SRM省去了普通SRM径向定子的轭部分，所以铁心材料用量少，整个电机制造成本低，同时由于其每个磁极间在电气、磁路及结构上均隔离，所以容错性能非常好。

由于该电机的转子轴向长度比较短，电机转子成片状，所以转子的转动惯量比较小，同时由于有三个磁极同时作用于转子，电机的出力较大，所以该电机的起动容易。

4 结语

本文在总结了现有的各型模块化定子开关磁阻电机的结构特性基础上，提出“C”形模块化定子SRM、“E”形模块化定子SRM和混合气隙模块化定子SRM三种新型结构的模块化定子SRM，由于采用模块化定子结构，且其磁路在转子上不耦合，使得每个磁极在结构、磁路和电路上均几乎完全独立，所以磁隔离、热隔离以及电气隔离的能力强，容错性能非常好。

本文只是限于以上3种新型结构模块化定子SRM的概念的提出及结构原理的分析，具体的电机设计及性能如转矩脉动、铁心损耗及电磁噪声等有待进一步的研究。但以上新结构模块化定子SRM的提出，特别是其优越的容错性能，特别适用于对容错性能要求高的航空航天等领域的电力执行器的驱动系统要求。

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