高容錯性模塊化定子開關磁阻電機

陳小元， 鄧智泉， 連廣坤， 范娜， 許培林

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前，研發新一代的多電以及全電飛機已成為航空領域里一個炙手可熱的課題［1］，而多電及全電飛機系統的關鍵技術之一就是電力作動系統設計［1－2］，由于電力作動系統廣泛應用于飛機剎車、舵面控制及油泵等關鍵電力傳動系統中，因此電力作動系統必須具備很強的安全可靠性和容錯性，而驅動電機是電力作動器的核心部分，因此設計一套具有容錯功能的電機系統成了電力作動器的關鍵技術［2］。

當前，航空電力作動系統驅動電機的研究主要集中在永磁無刷電機［3－4］和開關磁阻電機［5－7］(switched reluctance motor，SRM)方面。雖然永磁電機的功率密度較高，但繞組故障時不能滅磁，高溫振動等惡劣環境下易退磁等缺點限制了其在先進飛機電力作動系統上的應用［8］。而SRM結構簡單堅固，轉子無永磁體，具有高溫和高速適應性等優點，且其相間電磁耦合弱，當一相繞組發生斷路或短路故障，或一相功率變換器發生故障時，電機仍能缺相運行［9－11］，因此 SRM 的容錯能力強。

但由于普通SRM的定子為一整體，各繞組集中地繞在定子的各個齒上，各相的磁通均經過定子軛及相內各定子齒，穿過氣隙進入轉子形成回路，所以很難做到相間及相內各繞組磁的隔離，熱隔離效果亦不佳。為了進一步增加SRM磁熱的隔離從而增加電機的可靠性及容錯性能，近年來，國際上開展了模塊化定子SRM的研究［12－14］，此種結構的SRM的定子不再是一個整體定子，而是由若干個結構相同的模塊(分塊)組成，使得相間及相內的電磁熱隔離能力增強，大大增加了電機的可靠性及容錯性，因此非常適用于多電以及全電飛機的電力作動系統。

文獻［12］介紹了兩相“E”形 SRM，定子由兩個“E”形的塊組成，且為大小齒結構，繞組繞在“E”形的定子塊的兩個小齒上，此種結構使得兩個“E”形的塊間電磁隔離，而且其較短的磁路可以大大減小電機的鐵心損耗，但較多的轉子齒數使得該電機不適合高速運轉。文獻［13］提出了“U”形模塊化定子SRM，繞組繞在插入非導磁的框架中的“U”形模塊化定子上，轉子在“U”形模塊化定子兩磁極間轉動，此種結構可對稱性的增加“U”形磁極以提高電機的轉矩輸出，“U”形磁極在電氣上和磁性上與相臨磁極隔離，整個電機的容錯性能好，“C”形磁極以模塊方式制造，電機制造維護成本低。文獻［14］研究了一種“C”形模塊化定子雙轉子SRM，此種電機定子由模塊化的“C”形磁極組成，繞組繞在“C”形磁極的軛上，相間在電氣、磁性上隔離，但相內各繞組的磁通耦合，使得若一個定子模塊上的繞組短路時，相內的另一定子模塊上繞組導通時，此短路繞組中講感應較大的反電動勢，從而在短路繞組中有較大的電流產生，因此其容錯性能受到了一定限制，同時此種結構電機必須安裝上下兩個轉子，磁路經過上下轉子形成回路，使得電機的磁路比較長，從而增加了電機的鐵心損耗。

本文提出了“C”形模塊化定子SRM、“E”形模塊化定子SRM和混合氣隙模塊化SRM三種新型結構模塊化定子SRM，結合結構示意圖和磁路圖對其基本工作原理分別進行了敘述，并總結對比了各種結構的優劣點。

1 “C”形模塊化定子SRM

提出的“C”型模塊化定子SRM可為三相6/4、四相8/6或三相12/8等結構，基本工作原理相同，下面僅以6/4結構的“C”型模塊化定子SRM，闡述其工作原理。

如圖1所示為6/4結構的“C”形模塊化定子SRM示意圖，包括模塊化的定子鐵心塊、定子繞組和轉子。轉子結構同普通SRM。模塊化的定子鐵心塊呈“C”形，共6個，沿轉子徑向相間60°放置。定子繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊的軛上。每個模塊化的定子鐵心塊的軛上纏繞一個定子繞組，共6個定子繞組，相對的兩個模塊化的定子鐵心塊上的兩個定子繞組串聯或并聯為一相，共三相繞組。各相繞組通過不對稱半橋外電路連接并在各相繞組的自感上升期通以電流，如圖2所示，每相磁通依次經過定子鐵心塊的軛、定子鐵心塊的上齒，定子鐵心塊與轉子鐵心塊間上氣隙，轉子鐵心塊，定子鐵心塊與轉子鐵心塊間下氣隙及定子鐵心塊的下齒，形成獨立的回路，“C”形定子的上下兩齒對電機轉子產生作用力，拖動電機轉子運轉，驅動負載運行。

圖1 6/4結構“C”形模塊化定子SRM三維示意圖Fig.1 Construction of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

圖2 6/4結構“C”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.2 Flux path of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

從圖2所示磁路圖可以看出，其轉子部分的磁路只經過轉子齒，而不經過轉子軛，即各個定子磁極間磁路獨立。所以轉子可以設計為非凹凸的圓柱形結構，即分塊的轉子鐵心塊沿徑向相間90°嵌入在不導磁的轉子套中，如圖3所示，這種轉子在高速運轉時風(油)阻可以大大減小，且可減少鐵心材料用量。

圖3 6/4結構“C”形模塊化定子分塊轉子SRMFig.3 Constructin of 6/4 SRM with C-shaped modular stators and segmental rotors

“C”形模塊化定子SRM的主要優點有:

1)定子繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊的軛上，繞組繞線空間大，較多的繞線匝數可以提高電機的磁動勢;

2)每個模塊化的定子鐵心塊可以單獨繞組，繞線操作易于自動化，且能保證電機每個繞組的一致性并提高槽滿率，從而保障電機的性能;

3)省去了普通SRM徑向定子的軛部分，即圖4中的虛線所示部分，所以鐵心材料用量少，且定子鐵心塊模塊化，整個電機制造成本低;

4)相間及相內各定子磁極在結構、磁路和電路均幾乎完全獨立，所以熱隔離、磁隔離以及電氣隔離的能力強，容錯性能非常好。當一定子磁極發生故障時，對其他磁極幾乎沒有影響，電機仍能缺相容錯運行但故障磁極不再出力，其他磁極正常工作，在激勵條件不變時，電機在缺一磁極時的輸出平均轉矩約為正常工作時的(m－1)/m，其中m為SRM的磁極數。

圖4 6/4結構“C”形模塊化定子SRM俯視圖Fig.4 Top view of 6/4 SRM with C-shaped modular stators

但“C”形模塊化定子SRM由于繞組凸出在定子外，實際上增加了電機的外徑，且當電機的軸向長度較大時，“C”形模塊化定子SRM僅定子模塊的上下兩齒對轉子產生作用力，使得整個電機的軸向利用率不高。

2 “E”型模塊化定子SRM

當電機的軸向長度比較長時，為了增加電機的軸向利用率，可以把上述的模塊化SRM的“C”形定子變為“E”形定子即可。下面仍然以6/4結構SRM為例子闡釋“E”形模塊化定子SRM的工作原理。

“E”型模塊化定子SRM按繞組繞制方式可分為雙線包SRM和單線包SRM。圖5所示為雙線包“E”形模塊化定子SRM結構示意圖，包括模塊化的定子鐵心塊、定子繞組和轉子。模塊化的定子鐵心呈“E”狀，共6個，沿轉子徑向相間60°放置。兩個定子線包分別纏繞在每個模塊化的定子鐵心塊的上軛和下軛上，串聯或并聯為一個定子繞組，故稱為雙線包“E”形模塊化定子SSRM。各相繞組通過不對稱半橋外電路連接并在各相繞組的自感上升期通以電流，如圖6所示，磁通依次經過定子鐵心塊的上(下)軛、定子鐵心塊的上(下)齒極，定子鐵心塊與轉子鐵心塊間上(下)氣隙，轉子鐵心塊，定子鐵心塊與轉子鐵心塊間中氣隙及定子鐵心塊的中齒極，形成回路，“E”定子的上中下三個齒對電機轉子產生作用力，拖動電機轉子運轉，驅動負載運行。根據其磁路特點，其模塊化定子的中間大齒軸向厚約為上(下)齒的兩倍。

圖5 6/4結構雙線包“E”形模塊化定子SRM示意圖Fig.5 Construction of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

圖6 6/4結構雙線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.6 Flux path of 6/4 double-windings SRM with E-shaped modular stators

圖7所示為三相6/4結構單繞組“E”形模塊化定子SRM，其結構和工作原理同雙繞組“E”形模塊化定子SRM，只是每個模塊化定子上只有一個線包，且該線包纏繞在定子鐵心塊的中間的大齒上，故稱該電機為單繞組“E”形模塊化定子SRM。圖8所示為6/4結構單線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖，其磁路同雙線包“E”形模塊化定子SRM。同“C”形模塊化定子SRM，E形模塊化定子SRM的轉子部分的磁路只經過轉子齒，而不經過轉子軛，即各個磁極間磁路獨立。所以為了減小高速運轉時風(油)阻，轉子亦可設計成非凹凸的圓柱形結構。

“E”形模塊化定子SRM除具有“C”形模塊化定子SRM的高容錯性能等優點外，還具有以下優點:

1)定子繞組放置位置靈活，可纏繞在“E”形模塊化的定子鐵心塊的軛或中間的齒上。當繞組纏繞在“E”形模化塊的定子鐵心塊的軛時，電機的繞組雖然凸出在定子外，但每個模塊化定子上纏繞兩個線包，使得一相繞組的接線方式靈活，同時也增加了電機的繞組故障時的容錯性能。當繞組纏繞在模塊化的定子鐵心塊中間的齒上時，繞組不再凸出在定子外徑外，使得電機的徑向尺寸較小。

2)定子鐵心塊呈“E”形，繞組產生的主磁通經過“E”形定子鐵心的三個齒，穿過定子鐵心塊與轉子鐵心塊間的氣隙和轉子鐵心塊，對轉子產生作用力，故當電機的軸向長度較大時，“E”形模塊化定子SRM較“C”形模塊化定子SRM的軸向利用率高。

圖7 6/4結構單線包“E”形模塊化定子SRM示意圖Fig.7 Construction of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

圖8 6/4結構單線包“E”形模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.8 Flux path of 6/4 single-windings SRM with E-shaped modular stators

3 混合氣隙模塊化定子SRM

上述“C”形和“E”形模塊化定子SRM雖然為徑向氣隙，但由于其磁路必須經過轉子的軸向，所以上述兩種模塊化定子SRM很難適用于轉子軸向長度比較小甚至薄片狀時的情形。

但可以把定子的上下兩齒從軸向上正對轉子齒，如圖9所示為6/4結構單線包混合氣隙模塊化定子SRM三維示意圖，定子的上下兩齒與轉子形成軸向氣隙，定子的中間齒在徑向上正對轉子，從而形成徑向氣隙，所以稱此種電機為混合氣隙模塊化SRM。

圖9 6/4結構混合氣隙模塊化定子SRM三維示意圖Fig.9 Construction of 6/4 axial-radial air gap SRM with modular statorsp

圖10為混合氣隙模塊化定子SRM軸向截面磁路圖，此電機的模塊化定子的3個磁極對轉子產生吸力，其中上下磁極對轉子的吸力，其徑向分量為有效部分，和徑向的定子磁極對轉子吸力的切向分量相互疊加一起拖動轉子運轉，上下磁極對轉子的吸力的軸向分量相互平衡，所以此種結構消除了傳統軸向氣隙電機單邊磁拉力不平衡的缺點。

圖10 6/4結構混合氣隙模塊化定子SRM軸向截面磁路圖Fig.10 Flux path of 6/4 axial-radial air gap SRM with E-shaped modular stators

同“C”形模塊化定子SRM和“E”形模塊化定子SRM，混合氣隙模塊化定子SRM省去了普通SRM徑向定子的軛部分，所以鐵心材料用量少，整個電機制造成本低，同時由于其每個磁極間在電氣、磁路及結構上均隔離，所以容錯性能非常好。

由于該電機的轉子軸向長度比較短，電機轉子成片狀，所以轉子的轉動慣量比較小，同時由于有三個磁極同時作用于轉子，電機的出力較大，所以該電機的起動容易。

4 結語

本文在總結了現有的各型模塊化定子開關磁阻電機的結構特性基礎上，提出“C”形模塊化定子SRM、“E”形模塊化定子SRM和混合氣隙模塊化定子SRM三種新型結構的模塊化定子SRM，由于采用模塊化定子結構，且其磁路在轉子上不耦合，使得每個磁極在結構、磁路和電路上均幾乎完全獨立，所以磁隔離、熱隔離以及電氣隔離的能力強，容錯性能非常好。

本文只是限于以上3種新型結構模塊化定子SRM的概念的提出及結構原理的分析，具體的電機設計及性能如轉矩脈動、鐵心損耗及電磁噪聲等有待進一步的研究。但以上新結構模塊化定子SRM的提出，特別是其優越的容錯性能，特別適用于對容錯性能要求高的航空航天等領域的電力執行器的驅動系統要求。

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