高可靠航天伺服多相容错电机的选型研究

赵 辉，张中哲，史晨虹，刘春庆，徐志书

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引 言

伺服电机是航天机电伺服系统的核心动力元件，其性能的优劣对整个伺服系统的性能起着决定性作用。随着航天技术的发展，对航天机电伺服系统的可靠性和比功率的要求也越来越高，而多相电机在高可靠以及容错前提下的高比功率有着先天的优势，已成为提升航天机电伺服系统性能的一个研究热点[1]。

在多相电机的方案构型中，随着电机相数的增加，其驱动器硬件规模、资源成本以及控制算法的复杂性也会相应增加[2]。因此，考虑到实际应用的可行性，目前对于多相电机的选择大多为四相、五相及六相3种电机。本文分别对3种多相电机进行相应仿真，分析3种电机在正常以及一相开路故障状态下的运行状况，推导一相开路容错控制算法并进行仿真验证，从而在3种多相容错电机方案中进行最优选型。

1 多相容错电机方案构型

1.1 多相容错电机的电磁方案

为了满足航天工程的实际应用，其机电伺服系统所采用的多相电机应具有高可靠性、高比功率、短时大功率输出能力以及平稳转矩输出等特性[3]。

本文中待研究的四相、五相、六相电机选型方案分别为四相八槽十极、五相十槽十二极、六相十二槽十四极，且均采用分数槽集中绕组结构。分数槽集中绕组结构可以杜绝不同相之间的短路，使得不同相绕组之间实现物理隔离、磁隔离及热隔离，避免了故障的蔓延，提高了系统的可靠性。同时，分数槽电机线圈端部较短，能够有效减少铜损，提高电机效率，降低电机热负荷[4]，从而满足航天伺服电机的短时大功率输出特性。

对于极槽匹配的选择，本文选择槽数和极数接近的极槽配合，其目的在于使电机绕组因数尽量高，从而提高伺服电机比功率。而对于定子槽数Q与转子极对数p满足Q=2p－1的极槽配合方案，使电机有一个径向不平衡磁拉力，该力除了对转子临界转速和动态响应产生不利的影响外，还会导致额外的振动和噪声，影响电机寿命，降低可靠性[5]。因此，本文采用Q=2p－2的极槽配合方案。

1.2 多相容错电机的结构方案

多相电机采用表贴式 Halbach永磁体结构，相比平行充磁和径向充磁，Halbach充磁方式优点在于可以使电机具有更高的功率密度和更低的转矩波动。更重要的一点，Halbach充磁方式由于其磁自屏蔽性的特点，转子磁场单边分布，因此，Halbach式永磁电机可以采用薄铁心甚至无铁心设计，以此降低转子转动惯量，提高电机比功率。

2 基于Ansoft多相容错电机仿真分析与选型

利用Ansoft软件平台，对所选择的四相八槽十极、五相十槽十二极、六相十二槽十四极3种方案容错电机进行有限元仿真分析，通过对磁密、转矩、转矩波动以及电机损耗等各项性能参数进行比较分析，以确定最优选型。同时，基于航天伺服电机的特性要求，提出以下前提条件：

a）3种方案容错电机设计外形、尺寸均相同，即尽量使其具有基本相同的功率密度；

b）有较大输出功率，要求电机转速7000 r/min时转矩70 N·m以上，输出功率大于50 kW；

c）可以平稳输出转矩，其转矩波动不大于5%；

d）具有一相开路故障的容错能力，在故障状态下运行可以保持原力矩输出，且转矩波动不大于10%；

e）电机具有较高效率，其铜耗、铁损等损耗尽可能低。

2.1 正常状态下运行的仿真分析

3种方案电机负载运行磁场密度云图如图1所示。

续图1

由图1可以看出，在正常状态下，四相电机定子存在较大程度的饱和，经过仿真计算，其定子局部最大磁场密度达到2.6 T，若要消除饱和，则需增加电机尺寸，此时电机质量会相应增大，功率密度也会随之减小。相比之下，五相和六相多相容错电机定子齿部磁场饱和程度适中，可以做到较大的功率密度。

正常状态下运行，3种电机输出转矩曲线如图 2所示。

图2 正常状态下3种方案电机转矩Fig.2 Three Schemes of Motor Torque Chart under Normal State

由图 2可知，3种方案的电机的平均转矩在7000 r/min下均能达到72 N·m左右，满足前提条件的要求。在转矩波动方面，四相电机的转矩波动较大，达到 12.7%，不能满足平稳输出的前提条件，与此相比，五相及六相电机运行更加平稳，其转矩波动分别为4.32%和2.64%。由此可以看出，四相电机运行稳定性较差，转矩波动很大，而大的转矩波动也会影响电机寿命，从而降低电机的容错性能和可靠性。

3种方案电机在正常状态下运行的性能参数对比如表1所示。

表1 正常状态运行参数表Tab.1 Table of Operating Parameters under Normal State

由表 1中可以看出，采用集中式绕组的电机，其互感与自感之比均在1%以下，证明此种绕组方式不仅可以做到物理及热隔离，还可以进行磁隔离，有利于提高电机的容错性能。

在电机损耗方面，铁心损耗随着电机相数的增加而增加，而永磁体损耗差距较小，四相、六相电机均为300 W左右，五相电机较大，为425.72 W。铜耗方面由于四相电机相电流有效值较大，因此其铜耗相对于五相及六相电机较大，而铜耗是永磁同步电机损耗所占比值最大的一部分。由此可见，四相电机的损耗更大，达1.9 kW，而五相、六相电机损耗相仿，均为1.7 kW左右。

2.2 一相开路状态下运行仿真分析

在电机各种可能发生的故障中，开路故障出现概率最大，其中逆变器电子元件失效、焊点接触不良、振动或冲击造成的脱落等均会造成开路故障。故障发生后，电机绕组分布和定子磁动势均不对称，使电机平均转矩下降，转矩波动增大，严重影响电机正常运行。图3为3种方案电机在某一相开路后运行的转矩仿真图。由图3可以看出，发生一相开路故障后，电机性能严重下降，3种电机平均输出转矩由72 N·m下降到57 N·m，下降了20%，转矩波动也增大到了50%。此时电机不能正常运行，需对电机进行容错控制。

图3 开路状态下3种方案电机转矩Fig.3 Three Schemes of Motor Torque Chart in Open State

2.3 一相开路故障下容错运行的仿真分析

对于多相容错电机，当某一相发生开路故障后，系统经过检测和诊断，将相应相的IGBT功率管关断，切除故障相，驱动控制器切换容错控制算法，通过补偿剩余相的电流，基于磁动势不变原则，重新形成圆形旋转磁场，使电机继续平稳运行。

本文以铜损最小为约束条件，基于磁动势不变原则，以四相电机为例进行开路补偿电流的推导。

四相容错电机正常运行时各项电流表达式：

式中 iA为A相电流；iB为B相电流；iC为C相电流；iD为D相电流；ω为电流角频率； Im为相电流幅值

进一步得到电机定子磁动势的表达式：

式中 fA， fB， fC， fD分别为电机各相磁动势； Ns为匝数；θs为电角度。

定子合成磁动势表达式为

令电机故障后的定子合成磁动势与故障前保持一致，可得：

以铜损最小为目标定义目标函数：

同理可推导五相与六相开路补偿电流表达式，分别如式（9）和式（10）所示：水平，但四相电机容错控制后，转矩波动增大9.97%，为22.67%，远高于转矩波动不大于10%的指标。

对于开路故障的仿真，令故障相电流为0，正常相输入补偿电流，利用有限元软件进行仿真分析，得出电机输出转矩曲线，将正常运行、一相开路及容错运行3种模式下的转矩进行对比，3种方案对比结果如图4所示。

由图4可以看出，与开路故障下的运行状态相比，进行容错控制后的电机输出转矩趋于平稳，平均转矩提高，证明容错方案的可行性。五相电机在容错运行下的平均转矩完全达到正常状态下的水平，而转矩波动升高2.74%，为 7.06%，运行较为平稳，六相电机平均转矩与正常运行相比略有下降，而在转矩波动方面，六相电机容错运行后转矩波动增加5.48%，为8.12%，超过五相电机；而对于四相电机，其平均转矩也达到了故障前

图4 3种运行状态转矩对比Fig.4 Torque Comparison of Three Operating States

各方案电机一相开路容错运行状态其他参数如表2所示。

由表2可知，经过容错控制后的电机，较开路状态下的性能有了较大的提升，基本达到电机故障前的水平。为了补偿故障相，电机在容错运行时正常相电流有效值及反电势峰值都有不同程度的增大，从而电机的损耗也相应的增大，其中损耗最多的为四相电机，3种损耗总和达到2.9 kW，而五相电机和六相电机的损耗分别为2.2 kW和2.1 kW。

表2 容错状态运行参数表Tab.2 Table of Operating Parameters under Fault-tolerant State

2.4 选型分析

本文通过有限元仿真，分别对四相八槽十极、五相十槽十二极及六相十二槽十四极3种选型方案进行对比，对3种运行状态进行仿真，结果如下：

a）在正常运行状态下，四相电机定子齿部存在较大程度的饱和，且转矩波动较大，运行不稳定，电机运行损耗较大，效率比较低。而五相、六相电机在正常状态下运行性能良好，无明显区别。

b）在开路故障状态下，3种方案电机性能下降严重，平均转矩减小，转矩波动增大，其中四相电机受影响最为严重，六相电机平均转矩下降相对较少。但如果不采取相应措施，3种电机依然无法正常工作。

c）在容错运行状态下，四相电机转矩及转矩波动有明显改善，但仍没有达到相应指标；五相电机进行容错控制后，其平均转矩较正常状态无明显变化，转矩波动增加较小；六相电机容错后的平均转矩略低于正常状态，而且转矩波动较正常状态有了明显的提高，超过五相电机。

综上所述，四相电机磁场密度饱和程度较大，转矩波动没有达到指标要求，故而舍弃此方案。五相、六相两种方案容错电机均可满足指标，但考虑到系统成本资源，即相数越多，需要的IGBT以及桥路越多，控制算法越复杂，因此五相较六相更具优势。因此，对于高可靠伺服容错电机应优选五相方案。

3 结 论

本文以高可靠航天机电伺服系统为应用背景，利用Ansoft有限元仿真软件分别对四相八槽十极、五相十槽十二极、六相十二槽十四极3种构型的多相容错电机进行分析研究。通过对3种方案电机在正常状态、一相开路状态及容错状态下的磁密、转矩、转矩波动以及电机损耗等各项性能参数的对比分析，并综合考虑系统硬件规模及成本资源，认为五相十槽十二极构型电机是适用于航天应用的多相容错电机最优方案。