郭 維， 賀 敏

(1. 海軍裝備部，北京 100036； 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

近年，多相整流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、多相容錯(cuò)異步電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、交直流混合同步發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)等在飛機(jī)、船舶等獨(dú)立電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。這些領(lǐng)域?qū)Χ嘞嚯姍C(jī)可靠運(yùn)行的要求非常嚴(yán)格，使得故障容錯(cuò)技術(shù)日益得到重視，容錯(cuò)電機(jī)研究成為熱點(diǎn)問題。永磁電機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星、航天飛船等對電機(jī)性能、體積和重量有特殊要求的領(lǐng)域。綜合兩者的優(yōu)勢，研究發(fā)展多相永磁電機(jī)的余度設(shè)計(jì)技術(shù)、容錯(cuò)控制技術(shù)、故障重構(gòu)技術(shù)具有重要意義。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)由于器件特性變化、絕緣老化以及電磁干擾等原因，常會使系統(tǒng)發(fā)生電機(jī)和主功率變換器的電氣故障。電機(jī)內(nèi)部絕緣老化等也會造成電氣故障(如繞組斷路、繞組匝間短路和相間短路故障)。電機(jī)的故障容錯(cuò)是指電機(jī)發(fā)生某些故障后，電機(jī)通過自身的故障保護(hù)和抑制功能，依舊能保持與正常狀態(tài)相近的工作性能，防止故障惡化和蔓延以至于產(chǎn)生致命的危害[1]。通常容錯(cuò)電機(jī)有兩個(gè)典型特點(diǎn): (1) 電機(jī)采用多相繞組的結(jié)構(gòu)；(2) 具備故障隔離能力，即電機(jī)繞組發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)，故障相繞組不影響其他正常相繞組的正常工作。因而對容錯(cuò)永磁電機(jī)提出的設(shè)計(jì)要求是電機(jī)的相繞組之間應(yīng)具有電隔離、物理隔離、磁隔離和熱隔離的特征[2]。

國內(nèi)已有諸多學(xué)者研究了多相永磁容錯(cuò)電機(jī)。任元等研究了四相六極永磁容錯(cuò)電機(jī)的SVPWM控制[3]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍等研究了電動(dòng)汽車用六相永磁容錯(cuò)電機(jī)的分析和設(shè)計(jì)，提出了一種新的極槽配合方案，通過抑制一對極電樞磁場諧波降低永磁體中的渦流損耗[4]；南京航空航天大學(xué)郝振洋等對電力作動(dòng)器中使用的六相十極永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究，并對控制系統(tǒng)及策略加以闡述[5]。

本文討論4個(gè)對稱三相繞組構(gòu)成的十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)的極對數(shù)與十二相繞組空間分布的各種方式，結(jié)合有限元分析，仿真計(jì)算不同方案下定子繞組的自感與互感，以互感和自感的比較表示繞組之間磁耦合的緊密程度，從而說明其容錯(cuò)性能，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)奠定基礎(chǔ)。

1 十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)極對數(shù)與繞組分布

為了實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)，十二相永磁電機(jī)的任何一相繞組發(fā)生短路或者斷路，都不應(yīng)影響其他相繞組的運(yùn)行，故定子繞組各相之間在槽內(nèi)以及端部的直接接觸都應(yīng)當(dāng)避免。此外，某一相繞組的短路故障電流不應(yīng)在其他相中感應(yīng)大的電動(dòng)勢，影響其他相的運(yùn)行。因此十二相容錯(cuò)電機(jī)各繞組之間應(yīng)具備物理隔離和電磁隔離的特征。

為了實(shí)現(xiàn)電磁隔離和物理隔離，每相繞組均采用單層集中繞組。每相繞組只由一個(gè)線圈構(gòu)成，繞在一個(gè)齒上，繞組間由齒隔開。以4對極十二相永磁同步電機(jī)為例，發(fā)電機(jī)截面如圖1所示。電機(jī)由4個(gè)三相繞組構(gòu)成。第1個(gè)三相繞組a1、b1、c1互相緊鄰，相鄰兩繞組之間由一小齒隔開，每三相繞組所占空間角度為1對極，即360°電角度。每相繞組占空間120°電角度。以a1相繞組為例，集中繞制在一個(gè)定子大齒上，與相鄰相繞組b1、c4之間分別隔著一個(gè)小齒。大小齒的結(jié)構(gòu)可提高繞組的利用率。其他三相繞組依次順序排列，每個(gè)三相繞組占據(jù)360°電角度的空間，因此圖1中的相繞組a1、a2、a3、a4電動(dòng)勢相位相同，這時(shí)電機(jī)為三相電機(jī)。

圖1 發(fā)電機(jī)截面圖

4對極十二相容錯(cuò)電機(jī)只需改變定子繞組的編號，就能得到a1、a2、a3、a4繞組相電壓之間有相移的十二相電機(jī)。前提是保證其中任意一套三相繞組均勻分布，相繞組間的電壓互差120°或240°電角度。若將圖1中的編號c1相改為b1相，a1、c2相仍舊保持，將原來的b1相改為a2相，b2相改為c1相，a2相改為b2相，其余繞組以此類推。此時(shí)對于第1套三相繞組而言，a1相超前b1相240°電角度，b1相超前c1相240°電角度，相序變?yōu)閍1、c1、b1，三相仍對稱。改變c1和b1標(biāo)號可以改變相序，這里為表述方便，不關(guān)注相序，只要求三相對稱性，故不做此改變。此時(shí)a1相與a2相之間存在120°的相移，a2相與a3相的關(guān)系也類似。上述做法a1相與b1相之間增加a2相作為間隔，改變了十二相電機(jī)相電動(dòng)勢星形相量圖的分布。同理，按照類似的修改編號的方式，可以得到多種星形相量圖的4對極十二相容錯(cuò)電機(jī)。可見，同樣的電機(jī)的槽數(shù)可以布置成不同的繞組形式。

圖1中的十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用表貼式永磁體的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。因?yàn)橛来朋w具有與空氣相近的磁導(dǎo)率，使得等效氣隙長度增大，電樞反應(yīng)的影響較小。

2 極對數(shù)和繞組分布的分析

通過改變電機(jī)的極對數(shù)可以得到更多的定子繞組分布方式。比如: 采用2對極電機(jī)，此時(shí)每相繞組占60°電角度，在圖1中編號c1相改為b1相；b2相改為c1相；a1相仍舊保持，其余繞組以此類推。此時(shí)對于第1套三相繞組而言，a1相超前b1相120°電角度，b1相超前c1相120°電角度，三相繞組仍對稱。對于相同電壓和頻率的同步電機(jī)，極對數(shù)越少則轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。

表1 十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)極對數(shù)可能性

表1中的編號1對應(yīng)于圖1所示的4對極十二相電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子繞組分布方式，編號2對應(yīng)于第1節(jié)中闡述的更改相繞組編號后的4對極電機(jī)，a1相超前b1相240°電角度，且a1相與b1相之間布置有a2相。

在轉(zhuǎn)子極對數(shù)和轉(zhuǎn)速相同的情況下，整距繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢大于短距的繞組。為獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，充分利用相繞組所占的空間電角度，當(dāng)相繞組所占的電角度α>180°且繞組間的各齒也具有足夠?qū)挾葧r(shí)，繞組可設(shè)置為整距，即相繞組的節(jié)距為跨一個(gè)極?？紤]削弱諧波電動(dòng)勢時(shí)，繞組可選擇合適的節(jié)距。對于表1中的前4種情況，α<180°時(shí)定子相繞組只能采用短距。由表1可見，十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)可選擇的較合理的極對數(shù)為4、5、7、8、10或11對極，與極對數(shù)相對應(yīng)的定子繞組分布均如圖1所示。定子繞組的節(jié)距和編號可以靈活調(diào)整，滿足工程需求。

表1中的極對數(shù)還可以取得更多，可視電機(jī)直徑?jīng)Q定。如果電機(jī)直徑較小，極數(shù)多會導(dǎo)致極距減小，當(dāng)極距與氣隙長度的比值較小時(shí)，永磁體之間的漏磁會增大，導(dǎo)致永磁體利用率下降，本文只考慮到11對極。

3 繞組磁鏈計(jì)算與容錯(cuò)性能分析

仍以表1中的編號1表示的4對極十二相永磁同步電機(jī)為例(如圖1所示): 定子繞組a1與b1相之間相差的空間電角度α=120°；由于n=1，即a1與b1相之間沒有其他定子相繞組；而k=0，m=1表示a1與b1相在一對極360°范圍內(nèi)。假設(shè)定子相繞組的節(jié)距為90°電角度，定子槽占15°電角度，定子小齒占15°電角度。據(jù)此可以列出以空間電角度表示的12個(gè)相繞組各自所占的范圍，如表2所示。根據(jù)工程需要，可以調(diào)節(jié)定子繞組節(jié)距的跨度。

表2 各相繞組在空間電角度上所占的位置

仿真分析用的電機(jī)的定子外徑為0.098m，定子內(nèi)徑為0.0616m，轉(zhuǎn)子外徑為0.006m，每相繞組線圈共20匝，永磁體厚度為0.004m，等效氣隙長度為0.0048m。

其中一相繞組通電，采用靜態(tài)場求解，得到其余各相繞組中的磁鏈，繼而求出各相繞組的自感和互感。依次循環(huán)可以得到十二相繞組的互感系數(shù)矩陣。其中某相繞組通電結(jié)果如圖2所示。

由有限元仿真計(jì)算得到a1相繞組自感以及與各相繞組互感系數(shù)如表3所示。

由表3可知，該4對極十二相永磁同步電機(jī)相繞組的自感系數(shù)約是相繞組間互感系數(shù)的50倍，即某相繞組通電時(shí)，其因互感在其他繞組中產(chǎn)生的電動(dòng)勢比其他繞組自身通電產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢小50倍，相繞組之間的耦合程度較低，具有磁隔離的作用。相繞組短路產(chǎn)生的短路電流通過互感在其余正常繞組上產(chǎn)生的電動(dòng)勢也很小。

圖2 一相繞組通電的仿真結(jié)果

相繞組a1b1c1a2b2c2a3b3c3a4b4c4a10.0037960.0000980.0000730.0000720.0000710.0000710.000070.0000710.0000710.0000720.0000730.000097

對該電機(jī)的空載狀態(tài)進(jìn)行了仿真。永磁體材料的剩余磁密為1.05T，矯頑力為750kA/m，相對磁導(dǎo)率1.1。計(jì)算的轉(zhuǎn)子在某個(gè)位置時(shí)的空載靜態(tài)場仿真結(jié)果如圖3所示，其中一相繞組空載磁鏈波形如圖4所示。

圖3 電機(jī)空載仿真結(jié)果

圖4 一相繞組空載磁鏈波形

永磁體產(chǎn)生的相繞組磁鏈峰值約為0.21Wb，而相繞組通額定電流時(shí)產(chǎn)生的自感磁鏈約為0.027Wb， 約為永磁體產(chǎn)生空載磁鏈的1/8。產(chǎn)生的互感磁鏈約為0.0005Wb，約為永磁體產(chǎn)生空載磁鏈的1/420。繞組通電時(shí)產(chǎn)生的自感或互感電動(dòng)勢遠(yuǎn)小于永磁體產(chǎn)生的空載電動(dòng)勢，該布置方式滿足電機(jī)故障容錯(cuò)和電磁隔離的要求。

定子繞組的自感、互感系數(shù)主要由永磁體厚度、氣隙長度以及繞組的節(jié)距決定。永磁體厚度越小、氣隙長度越小、定子繞組節(jié)距越接近整距則繞組的自感和互感系數(shù)都會越大，互感系數(shù)還與兩個(gè)繞組之間的位置有關(guān)。

十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮如下問題: (1) 空載電動(dòng)勢大小能否達(dá)到工程要求；(2) 定子開槽空間是否足夠大，以滿足布置一定匝數(shù)的線圈并使熱負(fù)荷在允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)討論了十二相永磁容錯(cuò)電機(jī)的極對數(shù)和定子繞組分布方式存在的多種可能性，采用有限元分析軟件仿真計(jì)算得出了該十二相容錯(cuò)電機(jī)定子繞組的自感系數(shù)遠(yuǎn)大于互感系數(shù)，并且各相繞組因自感產(chǎn)生的電動(dòng)勢遠(yuǎn)小于永磁體產(chǎn)生的空載電動(dòng)勢，滿足故障容錯(cuò)電機(jī)電隔離、物理隔離、磁隔離和熱隔離等特點(diǎn)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] REFAIEA L M．Fault-tolerant permanent magnet machines: a review[J]．IEE Proceedings on Power Application, 2011,5(1): 59-74．

[2] 朱景偉,刁亮,任寶珠,等.具有冗余特性的永磁容錯(cuò)電機(jī)短路故障分析與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013(3): 80-86.

[3] 任元,孫玉坤,朱紀(jì)洪.四相永磁容錯(cuò)電機(jī)的SVPWM控制[J]. 航空學(xué)報(bào),2009(8): 1490-1496.

[4] 鄭萍,雷雨,吳帆,等.電動(dòng)汽車用六相永磁容錯(cuò)電機(jī)的分析和設(shè)計(jì)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013(6): 29-36.

[5] 郝振洋, 胡育文, 黃文新.電力作動(dòng)器中永磁容錯(cuò)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào),2008,29(1): 65-74.