新型航天电机去耦冗余结构设计探讨

李 雨，张洪岩，宁剑建，宋振民，于慧敏

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

为确保航天飞行任务的成功，航天器平台及有效载荷均要进行可靠性设计。电机作为平台及有效载荷执行机构的关键元件，一旦失效将直接影响整机功能的实现，因此针对电机本身及其控制系统的可靠性设计就显得尤为重要，需要对电机及驱动器进行冗余设计。设计方法有2种，一种是采用2套单绕组电机及双驱动器方式，该设计使得系统重量显著增加；另一种方法是采用一套双绕组电机及双驱动器的冗余形式，双绕组电机设计如图1所示。

A-a为A相主绕组，A′-a′为A相备份绕组

由图1可知，因主备份绕组共用磁路，当主份绕组通过电流时，备份绕组则与之直接耦合，在备份绕组上的感应电势如下：

式中:M为电机主、备绕组互感;为电机主绕组电流。感应电势由2部分组成：前一部分为互感变压器电势，后一部分为运动电势。当主绕组工作时，备份绕组上产生的变压器电势将对备份驱动器产生冲击，严重时可击穿备份驱动器功率器件，降低了备份驱动器可靠性。目前解决办法是在备份绕组和备份驱动器之间加继电器断开，但是带来系统重量增加的问题。本文通过研究一种新型冗余结构设计，即去耦冗余结构设计，将主备份绕组之间的耦合电势消除，使其能够不通过继电器直接与备份驱动器连接。本文以航天步进电动机为例进行阐述，但不局限于步进电动机，其设计理念可引申到其它航天电机的冗余结构设计。

1 国外冗余设计结构

俄罗斯采用机械备份的方法，即用2个独立的电机轴系串联起来，如图2所示。这种冗余形式的优、缺点如表1所示。

图2 俄罗斯主、备份电机串联

优点缺点主电机断路，备份电机可不间断工作；主、备份电机之间无电、磁耦合问题。 轴向尺寸大大增大；一旦主电机出现机械故障(轴承失效，定、转子变形或因多余物卡死等)，备份电机也将无法正常运行。

美国采用2种冗余形式：一种如图3所示，主、备份2套绕组同时绕在一个铁心上。这种冗余形式的优、缺点如表2所示。我国航天步进电动机普遍采用这种冗余形式。

(a) 主、备份绕组绕在同一铁心上

(b) 绕组接线示意图

表2 美国冗余形式的优、缺点

另一种是Schaeffer公司提出的一种主、备份绕组铁心隔离的冗余形式，原理图如图4所示。这种冗余形式的优、缺点如表3所示。

(a) 备份原理示意图

(b) 绕组备份形式示意图

优点缺点主份绕组断路，备份绕组可以不间断的替代工作；主、备绕组之间无直接电、磁耦合问题。 电机铁心一半工作，空间不对称，会形成单边磁拉力，产生振动、噪声等；定子一分为二，空间利用率低，结构强度差。

图4中，A-a为A相主绕组，B-b为B相主绕组，A′-a′为A相备份绕组,B′-b′为B相备份绕组。

2 去耦冗余设计结构

本去耦冗余结构设计，首先在绕组备份方式上进行创新，具体设计如图5所示。这种结构使主、备份绕组不共磁极，且既可以解决电机主绕组局部温

(a)

(b)

升过高导致备份绕组断路问题，又没有主、备份绕组直接耦合的感应电势问题，明显地提高了电机的可靠性。与美国Schaeffer公司的冗余设计形式相比，本冗余结构电机的电磁力径向对称，电机运行平稳。在电机冲片槽形不变(槽面积S)的情况下，该设计使得电机运行时同时作用的极数减半，但通过绕组参数调整，可确保电机力矩。传统步进电动机和本结构绕组设计参数对比如表4所示。

表4 传统步进电动机和本去耦冗余设计参数对比

其次，本去耦冗余结构的定子铁心不同于传统步进电动机，它由两段定子铁心拼接而成,如图6所示。两铁心之间采用隔磁片，实现了主备份绕组磁路完全物理隔离。

(a) 定子铁心1

(b)定子铁心2

(c)两段定子铁心拼接示意图

(d)电机结构图

3 试验结果及分析

通过上述绕组冗余设计和定子铁心结构设计，消除了电机主备份绕组的直接磁耦合，提高了控制可靠性。样机耦合度的测试是按照主绕组通电运行，通过测试备份绕组感应电势计算所得。由于样机消除了备份绕组产生的变压器电势，其耦合度实为电机旋转产生的运动电势计算结果。研制样机性能测试数据如表5所示,可满足工程实际需要。

表5 去耦冗余结构样机性能参数

4 结 语

该去耦冗余结构与传统冗余结构相比，在电机功耗、体积均不增加的情况下，输出力矩相当，重量没有显著增加。但通过该新型去耦冗余结构的绕组设计和定子铁心设计，消除了主备份绕组的磁路耦合，降低了电机主绕组工作时，备份绕组产生的感应电势，提高了航天电机自身及驱动器的可靠性；同时，该结构无需采用继电器断开备份绕组与驱动器的连接，从而减轻了系统重量，具有工程实用价值。

[1] 王宗培,孔昌平.步进电动机及其控制系统(增量运动控制之二)[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1984.