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| 雙余度無刷直流電機(jī)電樞繞組結(jié)構(gòu)對(duì)比（zxj） |
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摘要：建立了雙余度無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，初步確定了定子繞組采用半球纏繞結(jié)構(gòu)和隔槽嵌放結(jié)構(gòu)情況F電機(jī)余度之間的耦合關(guān)系。在Anson Maxwe兒環(huán)境下針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的雙余度無刷直流電機(jī)余度間耦合情況做了進(jìn)一步分析驗(yàn)證，證明兩種結(jié)構(gòu)下余度問耦合程度的一致性。另外，通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)樣機(jī)的實(shí)際測試和對(duì)比，證明了兩種結(jié)構(gòu)雙余度無刷直流電機(jī)機(jī)械特性的一致性。兩種結(jié)構(gòu)具有栩同的余度^日J(rèn)耦合程度以及相I司的機(jī)械特性，在部分對(duì)功率密度以及磁熱耦合要求較低的場合具有通用性。
關(guān)鍵詞：雙余度；無刷直流電機(jī)；磁熱耦合O 引 言F1前，電力作動(dòng)器以其簡單可靠、成本低、易于控制等特性引起了人們的廣泛注意和深入研究，并且得到了廣泛的應(yīng)用。許多無人機(jī)中均采用電力作動(dòng)器，并向高速小型化方向發(fā)展。雙余度無刷直流電機(jī)功率大、體積小，具備很強(qiáng)的可靠性和容錯(cuò)性，岡而，無人機(jī)電力作動(dòng)器的核心部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)往往采用雙余度無刷直流電機(jī)的形式。雙余度無刷直流電機(jī)定子中嵌放兩套獨(dú)立繞組，當(dāng)一個(gè)電氣余度發(fā)生故障，另一個(gè)余度仍能繼續(xù)工作，系統(tǒng)可靠性大為提高。
本文建立了雙余度無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)電機(jī)內(nèi)感與相間互感的公式，得出了雙余度無刷直流電機(jī)定子繞組半球纏繞和隔槽嵌放兩種情況下的電感系數(shù)矩陣，分析和總結(jié)了兩種結(jié)構(gòu)下各電氣余度之間的耦合關(guān)系，并在Ans曲Maxweu環(huán)境下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)下電氣余度的耦合情況作了有限元(FEA)仿真，驗(yàn)證了電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及電感系數(shù)矩陣的有效性，對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)下不同余度之問的耦合程度。同時(shí)，通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)樣機(jī)的試驗(yàn)測試，得出r兩種樣機(jī)的機(jī)械特性，為雙余度無刷直流電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)選擇提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。
1雙余度無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型
1．1 半球纏繞’隋況的數(shù)學(xué)模型樣機(jī)定子為6槽結(jié)構(gòu)，兩套三相集中繞組Al、Bl、Cl和A2、B2、c2采用半球纏繞固定在定子槽中，兩個(gè)余度均為星形接法，繞組分布如圖1所示。
由文獻(xiàn)[3]，可得到雙余度無刷直流電機(jī)的電壓平衡方程式：
式中，R為電阻矩陣；u、I、E分別代表電壓、電流、電勢的相變量矩陣；L為電感系數(shù)矩陣，z為相繞組自感，m為兩相繞組之問的互感。元素下標(biāo)al、b1、cl和a2、b2、c2分別代表第一個(gè)余度的三相繞組A1、Bl、c1和第二個(gè)余度的三相繞組A2、B2、C2。
由于兩個(gè)余度均采用無中線星形接法且三相繞組對(duì)稱，所以有：
另外，根據(jù)文獻(xiàn)[2]：A2相繞組與A1相繞組軸線重合時(shí)，Al和A2的互感m與繞組自感l(wèi)相等，達(dá)到****；當(dāng)兩者相互垂直時(shí)，m=0，達(dá)到最小值。可見，電機(jī)繞組自感與互感在空間隨相間位置角θ呈如下線性關(guān)系：
對(duì)照圖l所示定子繞組分布圖，根據(jù)式(1)、式(2)以及式(3)，可以得到半球纏繞情況下簡化的電感系數(shù)矩陣L：
簡化的電感系數(shù)矩陣L1顯示：Al相和A2相、B1相和B2相、c1相和c2相具有較強(qiáng)的相問藕合關(guān)系。所以，在第一個(gè)余度A1相發(fā)生短路故障時(shí)，獨(dú)立供電的第二個(gè)余度A2相同樣會(huì)受到較大的影響，不利于兩個(gè)余度的容錯(cuò)運(yùn)行。
1．2隔槽嵌放情況的數(shù)學(xué)模型采用隔槽嵌放結(jié)構(gòu)時(shí)，樣機(jī)定子仍為6槽結(jié)構(gòu)，兩套三相集中繞組A1、B1、c1和A2、B2、c2所構(gòu)成的兩個(gè)余度均為星形接法，繞組分布如圖2所示；隔槽嵌放結(jié)構(gòu)和半球纏繞結(jié)構(gòu)的電壓平衡方程、電感系數(shù)矩陣結(jié)構(gòu)、繞組自感與互感關(guān)系都具有一致性；另外，由于隔槽嵌放情況下兩個(gè)余度同樣是無中線三相星形結(jié)構(gòu)，即式(2)仍然成立，因而可以得到隔槽嵌放結(jié)構(gòu)簡化的電感系數(shù)矩陣L2。
簡化的電感系數(shù)矩陣，L2顯示：A1相和B2豐日、B1相和c2相、c1相和A2相具有較強(qiáng)的相間耦合關(guān)系。與半球纏繞結(jié)構(gòu)的電感系數(shù)矩陣L1相比，兩個(gè)余度的耦合程度基本是一致的，僅是互相耦合的相發(fā)生變化而已。
2耦合情況的有限元仿真分析
所研究的兩種樣機(jī)均為6槽4板結(jié)構(gòu)的雙余度無刷直流電機(jī)，兩種樣機(jī)僅在定子繞組排布方式上有所區(qū)別。上文推導(dǎo)得m了樣機(jī)定子繞組分別采用半球纏繞和隔槽嵌放時(shí)的電感系數(shù)矩陣，并根據(jù)簡化的電感系數(shù)矩陣對(duì)兩個(gè)余度的耦合情況作了簡要分析。
雙余度無刷直流電機(jī)的兩個(gè)余度主要運(yùn)行于熱備份狀態(tài)，當(dāng)其中一個(gè)余度發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)余度可以正常工作以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電機(jī)繞組匝間短路故障是常見的內(nèi)部故障，下文以第一個(gè)余度A1相發(fā)生匝問短路故障為例分析兩個(gè)余度之間的耦合關(guān)系。為了獲得兩種結(jié)構(gòu)下不同余度之問更為直觀準(zhǔn)確的耦合對(duì)照數(shù)據(jù)，使用Ansoft Maxwell對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的模型分別作有限元分析。
圖3～圖8是定子繞組采用半球纏繞、在Al相發(fā)，t匝間短路前后各相感應(yīng)電勢諧波含量的變化；圖9～圖14是定子繞組采用隔槽嵌放、在A1相發(fā)生匝間短路前后各相感應(yīng)電勢諧波含量的變化。
圖3～幽8顯示：在A1相發(fā)生匝問短路故障時(shí)，A1、剛、c1和A2、B2、c2各相感應(yīng)電勢基波含量均有不同程度的下降，其中A1和A2，B1和B2，cI和c2變化情況基奉一致，與由電感系數(shù)矩陣得出的分析結(jié)果相吻合；同樣，圖9～圖14顯示：
樣機(jī)定子繞組采用隔槽嵌放結(jié)構(gòu)時(shí)，在A1相發(fā)生匝間短路故障的情況下，Al、Bl、cl和A2、B2、c2各相感應(yīng)電勢基波含量同樣有不同程度的下降，其中Al和B2，B1和c2，cl和A2變化情況基本一致，與山電感系數(shù)矩陣得出的分析結(jié)果相吻合。
3 兩種結(jié)構(gòu)原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試圖15為樣機(jī)測試平臺(tái)，樣機(jī)兩個(gè)余度分別由獨(dú)立的逆變器供電。定子繞組采用半球纏繞結(jié)構(gòu)的樣機(jī)與采用隔槽嵌放結(jié)構(gòu)的樣機(jī)除了電樞結(jié)構(gòu)的區(qū)別外，在外形尺寸、材料以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等方面完全一致，圖15所示的樣機(jī)為定子繞組采用半球纏繞結(jié)構(gòu)。 |
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