李 雨，張洪巖，寧劍建，宋振民，于慧敏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

為確保航天飛行任務(wù)的成功，航天器平臺(tái)及有效載荷均要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。電機(jī)作為平臺(tái)及有效載荷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵元件，一旦失效將直接影響整機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，因此針對(duì)電機(jī)本身及其控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，需要對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法有2種，一種是采用2套單繞組電機(jī)及雙驅(qū)動(dòng)器方式，該設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)重量顯著增加；另一種方法是采用一套雙繞組電機(jī)及雙驅(qū)動(dòng)器的冗余形式，雙繞組電機(jī)設(shè)計(jì)如圖1所示。

A-a為A相主繞組，A′-a′為A相備份繞組

由圖1可知，因主備份繞組共用磁路，當(dāng)主份繞組通過(guò)電流時(shí)，備份繞組則與之直接耦合，在備份繞組上的感應(yīng)電勢(shì)如下：

式中:M為電機(jī)主、備繞組互感;為電機(jī)主繞組電流。感應(yīng)電勢(shì)由2部分組成：前一部分為互感變壓器電勢(shì)，后一部分為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)。當(dāng)主繞組工作時(shí)，備份繞組上產(chǎn)生的變壓器電勢(shì)將對(duì)備份驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)可擊穿備份驅(qū)動(dòng)器功率器件，降低了備份驅(qū)動(dòng)器可靠性。目前解決辦法是在備份繞組和備份驅(qū)動(dòng)器之間加繼電器斷開(kāi)，但是帶來(lái)系統(tǒng)重量增加的問(wèn)題。本文通過(guò)研究一種新型冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即去耦冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將主備份繞組之間的耦合電勢(shì)消除，使其能夠不通過(guò)繼電器直接與備份驅(qū)動(dòng)器連接。本文以航天步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行闡述，但不局限于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)理念可引申到其它航天電機(jī)的冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 國(guó)外冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

俄羅斯采用機(jī)械備份的方法，即用2個(gè)獨(dú)立的電機(jī)軸系串聯(lián)起來(lái)，如圖2所示。這種冗余形式的優(yōu)、缺點(diǎn)如表1所示。

圖2 俄羅斯主、備份電機(jī)串聯(lián)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)主電機(jī)斷路，備份電機(jī)可不間斷工作；主、備份電機(jī)之間無(wú)電、磁耦合問(wèn)題。 軸向尺寸大大增大；一旦主電機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障(軸承失效，定、轉(zhuǎn)子變形或因多余物卡死等)，備份電機(jī)也將無(wú)法正常運(yùn)行。

美國(guó)采用2種冗余形式：一種如圖3所示，主、備份2套繞組同時(shí)繞在一個(gè)鐵心上。這種冗余形式的優(yōu)、缺點(diǎn)如表2所示。我國(guó)航天步進(jìn)電動(dòng)機(jī)普遍采用這種冗余形式。

(a) 主、備份繞組繞在同一鐵心上

(b) 繞組接線示意圖

表2 美國(guó)冗余形式的優(yōu)、缺點(diǎn)

另一種是Schaeffer公司提出的一種主、備份繞組鐵心隔離的冗余形式，原理圖如圖4所示。這種冗余形式的優(yōu)、缺點(diǎn)如表3所示。

(a) 備份原理示意圖

(b) 繞組備份形式示意圖

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)主份繞組斷路，備份繞組可以不間斷的替代工作；主、備繞組之間無(wú)直接電、磁耦合問(wèn)題。 電機(jī)鐵心一半工作，空間不對(duì)稱，會(huì)形成單邊磁拉力，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲等；定子一分為二，空間利用率低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。

圖4中，A-a為A相主繞組，B-b為B相主繞組，A′-a′為A相備份繞組,B′-b′為B相備份繞組。

2 去耦冗余設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本去耦冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先在繞組備份方式上進(jìn)行創(chuàng)新，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)使主、備份繞組不共磁極，且既可以解決電機(jī)主繞組局部溫

(a)

(b)

升過(guò)高導(dǎo)致備份繞組斷路問(wèn)題，又沒(méi)有主、備份繞組直接耦合的感應(yīng)電勢(shì)問(wèn)題，明顯地提高了電機(jī)的可靠性。與美國(guó)Schaeffer公司的冗余設(shè)計(jì)形式相比，本冗余結(jié)構(gòu)電機(jī)的電磁力徑向?qū)ΨQ，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。在電機(jī)沖片槽形不變(槽面積S)的情況下，該設(shè)計(jì)使得電機(jī)運(yùn)行時(shí)同時(shí)作用的極數(shù)減半，但通過(guò)繞組參數(shù)調(diào)整，可確保電機(jī)力矩。傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和本結(jié)構(gòu)繞組設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比如表4所示。

表4 傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和本去耦冗余設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

其次，本去耦冗余結(jié)構(gòu)的定子鐵心不同于傳統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它由兩段定子鐵心拼接而成,如圖6所示。兩鐵心之間采用隔磁片，實(shí)現(xiàn)了主備份繞組磁路完全物理隔離。

(a) 定子鐵心1

(b)定子鐵心2

(c)兩段定子鐵心拼接示意圖

(d)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)上述繞組冗余設(shè)計(jì)和定子鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除了電機(jī)主備份繞組的直接磁耦合，提高了控制可靠性。樣機(jī)耦合度的測(cè)試是按照主繞組通電運(yùn)行，通過(guò)測(cè)試備份繞組感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算所得。由于樣機(jī)消除了備份繞組產(chǎn)生的變壓器電勢(shì)，其耦合度實(shí)為電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)電勢(shì)計(jì)算結(jié)果。研制樣機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示,可滿足工程實(shí)際需要。

表5 去耦冗余結(jié)構(gòu)樣機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

該去耦冗余結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)相比，在電機(jī)功耗、體積均不增加的情況下，輸出力矩相當(dāng)，重量沒(méi)有顯著增加。但通過(guò)該新型去耦冗余結(jié)構(gòu)的繞組設(shè)計(jì)和定子鐵心設(shè)計(jì)，消除了主備份繞組的磁路耦合，降低了電機(jī)主繞組工作時(shí)，備份繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，提高了航天電機(jī)自身及驅(qū)動(dòng)器的可靠性；同時(shí)，該結(jié)構(gòu)無(wú)需采用繼電器斷開(kāi)備份繞組與驅(qū)動(dòng)器的連接，從而減輕了系統(tǒng)重量，具有工程實(shí)用價(jià)值。

[1] 王宗培,孔昌平.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)(增量運(yùn)動(dòng)控制之二)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1984.