电动舵机用永磁容错电机的设计研究

陈 立，高小龙，周育茹，滕 霖

(航空工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065)

电动舵机用永磁容错电机的设计研究

陈 立，高小龙，周育茹，滕 霖

(航空工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065)

摘 要：研究了一种电动舵机用永磁容错电机，分析该容错电机的设计思路，根据技术指标完成电机的初步设计。建立电机的有限元仿真模型，研究槽口尺寸和斜槽对电机性能的影响，优化电机的结构参数。对优化后的永磁容错电机进行样机实验，实验结果验证了该设计的正确性。

关键词：永磁容错电机；有限元仿真；槽口尺寸；斜槽

0 引 言

目前，多电及全电飞机是航空领域的热点课题，电动舵机取代气动和液压舵机成为一种趋势[1]。电动舵机的核心是电机及其控制系统。由于绝缘老化，器件特性变化和发热等原因，电机常会出现绕组开路、绕组端部短路、绕组匝间短路和相间绕组短路等故障[2]。一旦一相或多相绕组发生故障，电机往往无法工作，电动舵机也随之瘫痪，影响飞控系统安全甚至造成飞行事故，因此研究电动舵机用高可靠性电机具有重要的意义。

上世纪90年代，国外学者提出永磁容错电机的概念。它不但具有普通永磁同步电机体积小、效率高、运行可靠等优点，还能够实现物理隔离，电气隔离，热隔离，磁隔离以及抑制短路电流[3]，具备容错特性。当电机绕组发生故障时，故障相被切除且不会影响剩余相的正常工作，此时电机在缺相的状态下仍然能够通过控制算法实现可靠运行。

针对容错特性的实现，文献[4]详细分析了永磁容错电机的设计要求，并研制了一台六相永磁容错电机样机进行验证。文献[5]讨论了永磁容错电机的极槽配合选择策略。文献[6]建立了一种内置式五相永磁容错电机的数学模型，并提出相应的容错控制策略。本文针对一种电动舵机用永磁容错电机进行研究。由初步设计的电机参数，在Anosft Maxwell中建立电机的有限元仿真模型，着重研究槽口尺寸和斜槽对电机性能的影响，进而完成电机的优化设计，最后研制样机进行实验验证。

1 永磁容错电机的设计思路

永磁容错电机的设计，除满足普通永磁同步电机功率密度高、转矩脉动小、效率高等的要求外，还需要满足以下设计要求，以实现其容错特性[7]。

1) 普通三相永磁同步电机在一相或多相绕组故障的情况下，难以可靠运行，多相电机提升了绕组的冗余量，增强了电机故障后的运行能力；

2) 定子绕组采取单层集中绕组，每个线圈只绕在一个齿上，且各相绕组隔齿绕制，每个定子槽中仅有一相绕组。这种绕制方式实现了绕组间的隔离，相间绕组互感很小，大大减小了故障相对正常相的影响；

3) 采取表面突出式的转子磁路结构，使得电机气隙增大，电枢反应降低，提高了电机的磁隔离能力；

4) 采用深而窄的定子槽口，对槽口宽度和厚度进行优化设计，增大槽口漏感，从而抑制短路电流。

由于永磁容错电机的特殊性，经典的同步电机设计方法已难以适用。因此需依据经典电机设计步骤进行初步设计，然后建立永磁容错电机的有限元仿真模型，通过仿真优化电机的结构参数。

2 电机的初步设计

按照某型号电动舵机的设计需求，本文设计的永磁容错电机的主要指标如表1所示。

表1 永磁容错电机主要指标

本文选择电机相数为五相，极槽配合为8极10槽。首先采用解析法对电机参数进行计算，完成电机的初步设计。图1为永磁容错电机的横截面示意图。电机主要参数如表2所示。

图1 永磁容错电机横截面示意图

参数数值参数数值定子外径D1/mm64定子内径Di1/mm36转子外径D2/mm34.4气隙长度δ/mm0.8定子铁心有效长度Lef/mm52永磁体钐钴Sm2Co17磁钢厚度hM/mm4.2额定电流IN/A7.2

3 槽口尺寸的优化

图2 电机齿槽尺寸图

图2为电机齿槽尺寸图，其中槽口尺寸包括槽口宽度bs0和槽口厚度hs0。永磁容错电机的一相绕组发生短路故障时，其稳态短路电流Is：

(1)

式中：E0为电机空载反电动势;ωe为电角频率;R和L分别为电机一相绕组的电阻和自感。

由式(1)可知，为实现永磁容错电机抑制短路电流的能力，需要增大其绕组自感L。图3为电机齿槽处磁力线分布图。由图3可知，绕组自感主要由槽内漏感、槽口漏感和气隙电感3部分组成。由于永磁容错电机采取表面凸式结构，气隙电感很小，因此只能增大槽口漏感以实现大电感的需求，而槽口漏感的大小主要受槽口宽度和高度的影响[8]。因而，合理设计槽口尺寸可达到增大绕组自感、抑制短路电流的目的。

图3 电机齿槽处磁力线分布图

槽口宽度过窄会使得线圈难以下线；受磁路饱和约束，保持定子齿宽和轭厚不变，增加槽口厚度会减小槽面积，增大绕线难度。受电机绕线工艺的限制，选定槽口尺寸的变化范围：

(2)

利用有限元仿真软件AnsoftMaxwell，对永磁容错电机进行参数化建模，并分别以槽口厚度和宽度为变量进行扫描计算。图4为改变槽口厚度时电机性能指标的变化曲线。由图4可知，槽口厚度增加时,稳态短路电流逐渐减小，且电磁转矩无明显变化。因此，选择槽口厚度为变化范围内的最大值2.8mm。

图4 电机性能与槽口厚度的变化曲线

表3是槽口厚度为2.8mm时，不同槽口宽度的电机性能指标。由表3可知，槽口宽度逐渐减小时，绕组自感逐渐增大，相应地，稳态短路电流逐渐减小。但短路电流过小说明槽口漏磁通过大，永磁体没有充分利用，使得电磁转矩下降，电机效率降低。本文选择槽口宽度为0.9 mm，此时电磁转矩为1.68 N·m，且稳态短路电流幅值为9.42 A，满足永磁容错电机的主要技术指标。

表3 不同槽口宽度时的电机性能指标

4 斜槽对电机性能的影响

永磁容错电机的一个线圈即为一相绕组，不存在分布绕组，存在较多的谐波电动势，因此电机的空载反电动势正弦度不高。电机采用正弦波驱动方式时，将产生一定的转矩脉动。此外，永磁电机的齿槽转矩是由定子铁心齿槽和转子磁钢相互作用而产生。当电机旋转时，齿槽转矩表现为一种附加的转矩脉动，它将引起转速波动、电机振动和噪声。

利用Ansoft Maxwell分别建立永磁容错电机斜槽前后的有限元模型，仿真斜槽前后的相绕组空载反电动势，如图5所示。斜槽后，空载反电动势的总谐波含量THD由14.4%下降为7.3%，电机的空载反电动势正弦度得到较大提升；空载反电动势幅值由86.6 V下降为85.3 V，损失很小。

(a) 空载反电动势波形

(b) 空载反电动势FFT分析

仿真斜槽前后电机的齿槽转矩以及额定点的电磁转矩，如图6所示。齿槽转矩幅值由25.2 mN·m下降为0.46 mN·m，齿槽转矩已基本被消除，转矩脉动也由1.55%减少为0.27% 。平均转矩由1.68 N·m下降为1.59 N·m，但仍符合电机的主要技术指标。

(a) 齿槽转矩波形

(b) 电磁转矩波形

5 电机本体测试实验

根据上述的设计与优化，本文研制了一台电动舵机用永磁容错电机的原理样机，如图7所示。

(a) 内部结构图

(b) 电机外观图

5.1 电感测试

测量A相绕组电感，并与绕组自感的设计值及仿真值对比，如表4所示。由于设计和仿真时均未考虑绕组的端部漏感，因此测量值略大。

表4 绕组自感的设计、仿真与实测值

5.2 容错特性测试

图8为搭建的测试实验平台，利用原动机带动永磁容错电机作发电运行，受原动机转速限制，电机转速为2 000r/min。在定子槽中埋入热敏电阻，测量各相绕组开路和A相绕组短路时的温度，30min内的温度变化如图9所示。由图9可知，30min后电机温度基本稳定，短路相温度在合理范围内，其相邻B相和不相邻C相的温度与空载时相比变化不大。可见A相绕组短路对其他相的影响较小，体现了热隔离的特性。

图8 测试实验平台

(a) 绕组开路时

(b) A相短路时A,B,C

测量电机各相绕组开路和A相绕组短路时的端电压。A相绕组短路前后，剩余相的端电压峰峰值和THD如表5所示。由表5可知，端电压即空载反电动势的THD符合优化设计结果；电机一相绕组短路后，其他相绕组的端电压受短路相的影响很小，体现了磁隔离的特性。

表5 A相绕组短路前后的剩余相端电压

测量不同转速下A相绕组的稳态短路电流幅值，绘制短路电流随转速的变化曲线，并与仿真所得曲线进行对比，如图10所示。受原动机转速限制，实验曲线测至转速3 000r/min，未能直接测得额定转速下的稳态短路电流。图10中实验曲线略低于仿真曲线，这是由于绕组自感的实测值略大于仿真值，且稳态短路电流在转速2 000r/min以上时已基本达到稳定，因此永磁容错电机具备抑制短路电流的能力。

图10 稳态短路电流幅值变化曲线

6 结 语

本文设计并研制了一台电动舵机用永磁容错电机。依据经典电机设计步骤进行初步设计，建立电机的有限元仿真模型进行优化，选择了合适的槽口尺寸以增强电机抑制短路电流的能力；采用斜槽的方案以提升电机的空载反电动势正弦度，并降低电机的齿槽转矩与转矩脉动。样机实验验证了永磁容错电机的容错特性，为接下来容错电机及其控制系统的研究奠定了基础。

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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

中图分类号：TM351

A

1004-7018(2018)05-0048-04

2017-10-09

作者简介：陈立(1993—)，男，硕士研究生，研究方向为永磁电机的设计与控制。