郗珂慶，胡　昊，郭炳岐，高俊麗

(西安航天動力測控技術研究所 微特電機事業(yè)部技術中心，陜西 西安 710025)

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雙余度永磁直流無刷電機設計

郗珂慶，胡昊，郭炳岐，高俊麗

(西安航天動力測控技術研究所 微特電機事業(yè)部技術中心，陜西 西安 710025)

為了提高系統(tǒng)的可靠性及安全性，將雙余度技術引入到永磁直流無刷電機設計之中，并指出了雙余度電機設計的約束條件及通用設計方法。最后，通過工程實例設計出了兩種繞組分配形式，經(jīng)過仿真與實驗驗證，達到了預期的效果，并與理論分析結果相吻合，證明了該雙余度設計方法的有效性。

雙余度；永磁直流無刷電機；繞組分配；并聯(lián)式

0　引言

在航空航天領域，系統(tǒng)的可靠性和安全性是需要關注的重點之一。為了提高系統(tǒng)的可靠性及安全性，一般會采用多余度的配置方式，即通過為系統(tǒng)增加多重的資源配置，實現(xiàn)對多重資源的合理管理，以期提高產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性[1-3]。永磁直流無刷電機，一種執(zhí)行機構，廣泛地被應用于伺服驅動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)中，其可靠性對整個系統(tǒng)的正常運行有著至關重要的影響。

因此，深入地了解并掌握多余度永磁直流電機設計技術愈發(fā)顯得重要，而雙余度電機是余度技術中最基本、也是最重要的一種，得到了一定領域的運用。

1　雙余度永磁直流無刷電機的基本結構形式

雙余度永磁直流無刷電機已經(jīng)取得了成功運用[4-6]。傳統(tǒng)的雙余度的做法就是采用兩臺電機并聯(lián)運行，即當一臺電機出現(xiàn)故障時，可通過控制回路切換至備份電機，然而該方案具有體積大、結構復雜、成本高的特點[7]。相對于傳統(tǒng)的雙余度做法，一體式雙余度電機是不錯的選擇。所謂的一體式是指電機雙余度的實現(xiàn)是通過一臺電機來完成的，具有結構簡單(針對用戶而言)、接口簡單等特點。一體式雙余度電機，其結構形式主要包括兩種：一種是串聯(lián)式結構雙余度，一種是并聯(lián)式結構雙余度，兩種形式的結構示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1　串聯(lián)式雙余度電機結構示意圖

圖2　并聯(lián)式雙余度電機結構示意圖

由圖1看出，串聯(lián)式雙余度結構的特點為：(1)該結構具有兩套相同的定子(主要包括定子鐵心及電樞繞組)、轉子(主要包括磁鋼及磁軛)及位置檢測環(huán)節(jié)；(2)兩套相同的定子通過同一個殼體安裝，兩套相同的轉子共軸連接。由圖2看出，并聯(lián)式雙余度結構的特點為：表面上看，該結構同單個獨立電機的結構并沒有什么不同，有一套定子，一套轉子；然而，真正的區(qū)別在于該結構的定子鐵心上嵌放著兩套獨立的電樞繞組，并配備兩套相同的位置檢測環(huán)節(jié)。

2　雙余度永磁直流無刷電機設計方法

雙余度結構分為串聯(lián)式及并聯(lián)式兩種。串聯(lián)式雙余度電機的設計方法同通用的單個獨立電機的設計方法一樣，在此不做贅述。并聯(lián)式雙余度電機的設計涉及到電樞繞組的分配、位置檢測環(huán)節(jié)的空間布局等棘手問題，是本文重點解決的問題。

2.1雙余度電機設計需滿足的約束條件

在進行雙余度電機設計之前，選擇合適的槽極比是有必要的。因為對于并聯(lián)式雙余度永磁直流無刷電機，其槽極比的選擇不是隨意的，而需要滿足一定的約束條件。

首先，需滿足單個獨立電機槽極比選擇的約束條件。根據(jù)每極每相槽數(shù)的定義，電機的繞組可分為整數(shù)槽繞組和分數(shù)槽繞組，尤其是分數(shù)槽繞組，其單元電機槽數(shù)Z0、極對數(shù)p0的選擇不僅要考慮電機的相數(shù)，還需要考慮Z0/p0的可約分性、Z0的奇偶性等相關因素。

其次，在滿足條件(1)的基礎上，還需考慮電機是單層繞組還是雙層繞組。對于單層繞組來說，電機繞組的個數(shù)是電機槽數(shù)的一半，為了能構成雙余度，每相繞組個數(shù)N需滿足以下條件：

N=Z/2m=2k=2,4,6,8,……(k為≥1的整數(shù))

其中，Z為電機的槽數(shù)，m為電機的相數(shù)。

對于雙層繞組來說，電機繞組的個數(shù)等同于電機的槽數(shù)，為了能構成雙余度，每相繞組個數(shù)N需滿足條件：

N=Z/m=2k=2,4,6, 8,……(k為≥1的整數(shù))

2.2雙余度電機繞組的分配

并聯(lián)式雙余度永磁直流無刷電機同單個獨立電機的最大區(qū)別就是繞組的分配。電機繞組的分配主要涉及到繞組的分相及主、備繞組的分組問題，下面就以三相、4極12槽、雙層繞組為例分別說明這兩個問題。

2.2.1繞組的分相

對于4極12槽的電機，其槽距角為αm=360/Z=30°，則相鄰兩槽槽電動勢相差的電角度為αe=αm×p=60°。其中，αm為相鄰兩槽槽距角(機械角度)，αe為相鄰兩槽槽距角(電角度)，p為極對數(shù)?；谟嬎?，可以畫出電機繞組的星行矢量圖，如圖3所示。

(a)60°相帶繞組矢量圖　　(b)120°相帶繞組矢量圖

根據(jù)繞組的星形矢量圖可以對繞組進行分相。通用的分相方法有兩種，一種是120°相帶，一種是60°相帶。對于120°相帶的分法，同一相的各個繞組轉矩方向差別較大，合成的基波轉矩受到的損失較大，即繞組利用系數(shù)較低。60°相帶分法，其繞組利用系數(shù)雖然較120°相帶的分法要高，但是在整極距條件下，繞組之間的過橋線會較長，嵌線的工藝難度會急劇增加，繞組的端部高度也會增加。

針對本例，兩種相帶分法的分相結果如表1所示。

表1　繞組分相結果

*注：數(shù)字代表繞組的編號，負號表示繞組的繞制方向相反

2.2.2主、備繞組的分組

對于雙余度電機，繞組有主、備之分。2.2.1節(jié)已經(jīng)對繞組進行了分相，由分相結果可以看出，每相均有四個繞組組成，如何對每相繞組進行合理地分組，使之有主、備之分，是本小節(jié)要解決的問題。

對于分相后每相繞組的分組，要基于以下原則進行：

(1)分組后的每相繞組個數(shù)要一樣，且繞制方向的分布要一樣，目的是保證雙余度主、備特性的對稱性。例如針對本例，若采用60°相帶分法，分組后的每相繞組由一個正向繞制的線圈和一個反向繞制的線圈，即分組后的每相繞組個數(shù)為2。

(2)電機繞組的空間分布應具有對稱性。例如，對于三相電機來說，分組后的主、備繞組其任意兩相互差120°的空間機械角度。

(3)要對電機的性能指標、繞組的端部高度、嵌線的工藝難度等多種因素加以考慮，選擇出合適的極距。

(4)根據(jù)指標要求的傳感器信號序列及繞組的通電順序選擇恰當?shù)睦@制方向。

針對本例，主、備繞組的一類分組結果如表2所示。

表2　繞組分組結果

*注：數(shù)字代表繞組的編號，負號表示繞組的繞制方向相反

根據(jù)表2，就可以畫出繞組展開圖，如圖4所示。

(a)120°相帶繞組展開圖(整極距)

(b)60°相帶繞組展開圖(整極距)

2.3雙余度電機位置檢測環(huán)節(jié)的設計

永磁直流無刷電機是通過電子換相來保證連續(xù)轉矩輸出的。常用的電子換相元器件有兩種：一類是霍爾傳感器，一類是旋轉變壓器?；魻杺鞲衅髦荒軝z測有限個離散的轉子位置點信息，例如，三相六狀態(tài)的工作方式就可以通過三個霍爾檢測出六個換向點時刻，因此該方法檢測轉子位置的分辨率要低，成本也要低。旋轉變壓器能連續(xù)檢測轉子位置，具有分辨率高、成本高的特點。對于雙余度電機位置檢測環(huán)節(jié)的設計，可以從下面幾個方面考慮：

(1)采用單個旋轉變壓器來實行對主、備繞組的切換。為了保證電機主、備性能的對稱性，且避免主、備繞組切換時對軟件中初始電角度的更改，可通過讓主、備繞組相差360°的電角度的方式來實現(xiàn)。

(2)采用兩個旋轉變壓器來實行對主、備繞組的切換。在這種情況下，相同型號的兩種旋轉變壓器的固定、連接結構是設計時需重點考慮的問題。在該結構設計中，設計者不僅需要滿足技術指標的要求，還需考慮旋轉變壓器安裝、拆除的簡潔及旋變調試的方便性。

(3)采用兩套霍爾元器件來實行對主、備繞組的切換。在該方案中，一套霍爾對應于一套繞組。對于任意一套繞組，其自然換相點的相對位置是固定的，即霍爾位置傳感器與電機繞組存在者嚴格的對應關系。電機的主、備繞組相差多少的電角度，兩套傳感器也應相差對應的電角度。

總之，由于電機繞組與位置檢測環(huán)節(jié)的自然換相點存在著固定的對應位置關系，因此，不論對于串聯(lián)式還是并聯(lián)式，一旦三相繞組A、B、C的分布確定，位置檢測環(huán)節(jié)的相對位置也就確定了。故而，一旦解決繞組分配及位置檢測環(huán)節(jié)設計問題，并聯(lián)式雙余度電機設計同串聯(lián)式雙余度電機設計、單個獨立電機的設計沒有本質區(qū)別。

3　雙余度直流無刷電機系統(tǒng)仿真實例

依據(jù)某一項目背景，通過一個具體的仿真實例來說明2.2節(jié)中兩種相帶劃分對雙余度直流無刷電機性能影響。

3.1電機設計要求及相關參數(shù)

主要的設計指標與設計參數(shù)如表3所示。

表3　雙余度永磁直流無刷電機相關設計指標及設計參數(shù)

3.2仿真結果

120°相帶與60°相帶的仿真結果如圖5～圖7所示，圖中點劃線是120°相帶仿真結果，實線是60°相帶仿真結果。

圖5　電機的轉矩-速度曲線圖

圖5是兩種分組方法所得出的轉矩-速度曲線圖，由圖可以看出，120°相帶比60°相帶空載轉速要高(n0_120=14885rpm,n0_60=12685rpm,n0_60/ n0_120=0.852)，這是由于兩種分法的電機分布系數(shù)不同造成的。同理，由于60°相帶的分布系數(shù)要高，會造成其堵轉轉矩比120°相帶的堵轉轉矩要大。

圖6和圖7分別是電機在額定點狀況下的轉矩-時間、A相電流-時間的變化曲線。由圖可以明顯看出，120°相帶相帶分法比60°相帶分法的轉矩波動要小，且超前一定量的電角度，這與分析是相吻合的。

圖6　額定點情況下電機轉矩隨時間變化曲線

圖7　額定點情況下電機A相電流隨時間變化曲線

綜上可知，電機的主、備繞組兩種分法均能滿足技術指標的要求，但實際過程中，具體選用哪種分組方法還會受空間尺寸限制、嵌線難度、轉矩波動等多方面因素影響。

4　結語

雙余度技術是提高電機可靠性的一種很有效的方法，其具有重要的應用意義及廣泛的應用前景。一體式雙余度電機結構上主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。串聯(lián)式雙余度電機的設計思路簡單，同單個獨立電機的設計思路一樣，但為了保證主、備繞組性能的對稱性，其結構設計、工藝實現(xiàn)相對較復雜；并聯(lián)式雙余度電機克服了串聯(lián)式電機工藝復雜性的缺點，但難點在于繞組的分配問題，故對于并聯(lián)式雙余度電機來說，一旦掌握了繞組分配方法，雙余度電機設計就迎刃而解。此外，雙余度電機技術在余度管理策略、系統(tǒng)轉矩均衡性等方面還面臨著一些問題，需要更深一步的展開研究。

[1] 劉衛(wèi)國,馬瑞卿.雙余度直流無刷電機控制系統(tǒng)[C]//中國電子學會元件分會.2006年中國電子學會第十四屆電子元件學術年會論文集.2006：373-376.

[2] 馬瑞卿,劉衛(wèi)國,解恩.雙余度無刷電動機位置伺服系統(tǒng)仿真與試驗[J].中國電機工程學報，2008，28(18)：98-103.

[3] 劉衛(wèi)國，馬瑞卿.雙余度無刷直流電機控制系統(tǒng)[J].電氣技術，2006(7)：11-13.

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[5] 王慧娟.雙余度電動伺服舵機系統(tǒng)設計[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[6] 陸軍，張元國，王長路.電動舵機余度技術概述[J].機械傳動，2010，34(3):92-95.

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[責任編輯、校對：郝杰]

A Practical Design of Permanent Magnet Brushless DC Motor (PMBLDCM) on Dual-redundancy

XIKe-qing,HUHao,GUOBing-qi,GAOJun-li

(Special Micro-motor BU Technology Center,Xi'an Aerospace Propulsion Testing Technology Research Institution,Xi'an 710025,China)

In order to improve the reliability and safety of the system,the redundancy technology is applied in the design of PMBLDCM.Then,some relevant constraint conditions and common design methods are put forward in this paper.In addition,two sets of winding arrangement are designed by means of the implementation of practical engineering projects.Through the simulation and experimental validation,the desired effect consistent with the results of theoretical analysis is achieved,thus proving the effectiveness of the proposed design method of the dual-redundancy.

dual-redundancy;PMBLDCM;winding arrangement;parallel connection

2016-08-25

郗珂慶(1977-)，男，高級工程師，主要從事電機本體、伺服系統(tǒng)的驅動控制理論工程技術研究。

TM33

A

1008-9233(2016)05-0051-05