电动舵机用永磁容错电机的设计研究.docx

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。

Key：永磁容错电机；有限元仿真；槽口尺寸；斜槽

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AnosftMaxwell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。

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]。

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；

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；

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；

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。

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

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AnsoftM