趙 靜，楊 柳，劉向東

(北京理工大學(xué) 復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·北京·100081)

0 引 言

衛(wèi)星在科學(xué)研究、國防建設(shè)和國民生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，功能強(qiáng)大、技術(shù)復(fù)雜的大型衛(wèi)星雖然在一定程度上滿足了應(yīng)用需求，但也存在投資大、風(fēng)險(xiǎn)高以及研制周期長等問題。相比于傳統(tǒng)意義上的大衛(wèi)星，現(xiàn)代小衛(wèi)星具有質(zhì)量小、體積小、功能密度高、研制周期短、發(fā)射靈活、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小、抗毀性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，同時(shí)微小衛(wèi)星的研制毋需大型系統(tǒng)設(shè)施支撐，可分散于大學(xué)、科研院所的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，從整體上有利于降低研發(fā)成本。自20世紀(jì)80年代中期以來，微小衛(wèi)星的研制熱潮在世界范圍內(nèi)迅速興起，成為世界各國爭相研究的熱點(diǎn)。微小衛(wèi)星在通信、遙感、軍事、行星探測、工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，具有潛在的戰(zhàn)略價(jià)值和市場前景[3-4]。但是，微小衛(wèi)星的任務(wù)執(zhí)行能力與其姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制精度和性能有著直接的關(guān)系。飛輪具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、壽命長、無污染、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5-6]。以飛輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零動(dòng)量三軸姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)是現(xiàn)代高精度衛(wèi)星姿態(tài)的主要控制方式[7-8]。

與其他類型電機(jī)相比，永磁無刷直流電機(jī)雖然成本較高，但是因具有更高的效率和更小的尺寸、更快速的響應(yīng)和可以軟啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，仍然得到了各大行業(yè)的認(rèn)可。作為飛輪系統(tǒng)核心部件的飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，國內(nèi)外普遍采用這種響應(yīng)快、效率高、控制性能好的永磁無刷直流電機(jī)。同時(shí)，復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，使得定子無鐵心電機(jī)成為了可能，由于定子全部或局部取消了具有磁飽和特性的導(dǎo)磁鐵心介質(zhì)，定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)具有效率更高、過載能力更強(qiáng)、無齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子損耗更低等顯著優(yōu)勢[9-11]。磁懸浮軸承技術(shù)(主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式)的發(fā)展，使得進(jìn)一步提高飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速成為可能[12-18]。

本文主要針對定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)，總結(jié)了目前飛輪用定子無鐵心高速永磁無刷直流電機(jī)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從電機(jī)結(jié)構(gòu)上分析了電機(jī)的性能，歸納了國內(nèi)外相關(guān)研究成果和發(fā)展趨勢。從基本的機(jī)構(gòu)原理出發(fā)對該類型電機(jī)進(jìn)行了分類，梳理了定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

1 飛輪姿控原理簡述

簡言之，飛輪的姿態(tài)控制符合動(dòng)量矩定理，也就是說質(zhì)點(diǎn)對空間某定點(diǎn)的動(dòng)量矩相對于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，等于作用力對同一點(diǎn)的力矩。飛輪系統(tǒng)和小衛(wèi)星星體之間就是通過動(dòng)量矩的交換實(shí)現(xiàn)對星體姿態(tài)的穩(wěn)定和控制。

圖1所示為單自由度剛體系統(tǒng)做單自由度平面轉(zhuǎn)動(dòng)的原理圖。當(dāng)空間外來干擾力矩Md作用于衛(wèi)星上時(shí)，在空間坐標(biāo)系中，系統(tǒng)相對于參考軸會(huì)產(chǎn)生一定的姿態(tài)角度偏差，星上姿態(tài)敏感器測量姿態(tài)角的變化，并將偏差傳遞給控制系統(tǒng)。飛輪控制系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)定好的控制指令改變飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度Ω，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的干擾力矩的控制力矩Mc，可以充分吸收干擾力矩Md對星體的姿態(tài)產(chǎn)生的影響，從而實(shí)現(xiàn)星體姿態(tài)偏差的糾正和姿態(tài)角度的穩(wěn)定，消除干擾力矩對衛(wèi)星星體的影響。

圖1 飛輪姿控控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of the flywheel attitude control

飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過與之相連的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，換言之，也就是通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的剛性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。基于牛頓第三定律的作用力和反作用力原理，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子和飛輪系統(tǒng)的殼體連接，然后通過相應(yīng)的機(jī)械接口與星體相連。這樣，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)作用力矩都有一個(gè)數(shù)值相等、方向相反的反作用力矩作用于星體上，從而讓小衛(wèi)星向與飛輪轉(zhuǎn)子加速度相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。目前飛輪與電機(jī)的連接方式主要分為串行連接和并行連接，如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)對星體3個(gè)方向上的姿態(tài)調(diào)控和姿態(tài)角度的確定，往往在控制小衛(wèi)星滾動(dòng)、俯仰、偏航3個(gè)運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)參考軸上安裝反作用飛輪和姿態(tài)敏感器，以此構(gòu)成3個(gè)相互獨(dú)立的姿態(tài)控制系統(tǒng)。姿控飛輪實(shí)質(zhì)上就是具有一定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)。因此，發(fā)展高性能、高效率、小體積、輕量型、高可靠性的姿控飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對小衛(wèi)星發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

圖2 飛輪與電機(jī)排布示意圖Fig.2 The layout diagram of the flywheel and motor

2 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 徑向磁場型

徑向磁場型電機(jī)技術(shù)相對更為成熟，在姿控飛輪系統(tǒng)中應(yīng)用較多。如圖3所示，定子無鐵心徑向磁場永磁無刷直流電機(jī)主要分為外轉(zhuǎn)子定子無鐵心結(jié)構(gòu)[19-20]、外轉(zhuǎn)子且有背鐵的定子無鐵心結(jié)構(gòu)[9]和雙轉(zhuǎn)子定子無鐵心結(jié)構(gòu)[21]3種形式。

相較于定子有鐵心永磁無刷直流電機(jī)，定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)消除了齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)由于定子無鐵心，也消除了定子鐵心損耗，一定程度上提高了電機(jī)的功率密度。但是，由于定子采用非導(dǎo)磁材料，在相同的條件下，定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相對較低。外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機(jī)能夠提供較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且能夠提供更好的機(jī)械接口。定子采用無鐵心材料，導(dǎo)致定子繞組不再受到定子齒槽的約束，繞組的設(shè)計(jì)和安裝更加靈活，受力繞組的支撐部件一般選用非導(dǎo)磁、非導(dǎo)電的高強(qiáng)度材料。定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致主磁路路徑磁阻增大，定子繞組電感極小，控制過程中產(chǎn)生較大的電流脈動(dòng)，三相六狀態(tài)控制中的電流換向也會(huì)導(dǎo)致較大的換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對較大。

圖3(a)所示的外轉(zhuǎn)子定子無鐵心電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征決定了該類型電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，適合作為飛輪電機(jī)，文獻(xiàn) [22]、文獻(xiàn) [23]對飛輪電機(jī)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。圖3(c)所示為雙轉(zhuǎn)子定子無鐵心結(jié)構(gòu)電機(jī)，其最大的優(yōu)勢是定子區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度在徑向方向相差較小，繞組內(nèi)部的環(huán)流現(xiàn)象得到了有效抑制;但是，雙轉(zhuǎn)子上永磁體之間的吸引力給轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)帶來較大考驗(yàn)。同等尺寸、同等材料條件下，雙轉(zhuǎn)子定子無鐵心結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜但性能最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率密度最高。因此，在很多特殊場合 (如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、航空航天伺服系統(tǒng))中具有很大的應(yīng)用前景[24-26]。

圖3 定子無鐵心徑向磁通無刷直流電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The sketch map of the radial flux statorironless brushless DC motor topologies

美國國家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA)一直是現(xiàn)代飛輪技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)者[27-28]，NASA戈達(dá)德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center，GSFC)最早于1996年研制了適用于小衛(wèi)星的GSC-13649-1型飛輪，結(jié)構(gòu)如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用徑向磁場型結(jié)構(gòu)，整個(gè)飛輪系統(tǒng)采用執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制器一體化設(shè)計(jì)，滿足了體積小和質(zhì)量小的設(shè)計(jì)要求。

德國的Teldix公司是歐洲飛輪技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先者，對飛輪系統(tǒng)的研究始于1967年，在當(dāng)時(shí)大衛(wèi)星的發(fā)展熱潮下，Teldix將研究重點(diǎn)放在了高速大慣量磁懸浮姿控/儲(chǔ)能一體化飛輪技術(shù)上。1978年，Teldix提出了定子無鐵心環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)的磁懸浮飛輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用徑向磁場結(jié)構(gòu)，其所生產(chǎn)的RSI-01和RSI-04動(dòng)量輪如圖5所示[29]。

圖4 NASA研制的GSC-13649-1飛輪Fig.4 GSC-13649-1 flywheel developed by NASA

圖5 TELDIX公司的RSI-01和RSI-04飛輪Fig.5 RSI-01 and RSI-04 flywheel of TELDIX Corp.

縱觀國外徑向磁場型小衛(wèi)星姿控飛輪電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，體積小、質(zhì)量小、低功耗和高集成度是現(xiàn)代小衛(wèi)星姿控飛輪發(fā)展的主要研究方向，相關(guān)產(chǎn)品具有較高的技術(shù)成熟度和可靠性，并在工程應(yīng)用中積累了豐富的在軌經(jīng)驗(yàn)，代表了現(xiàn)代小動(dòng)量飛輪產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展水平。

國內(nèi)的飛輪研究工作始于20世紀(jì)70年代末，為了適應(yīng)現(xiàn)代空間技術(shù)的發(fā)展，先后根據(jù)衛(wèi)星的控制方式與控制性能研制了一系列大動(dòng)量矩飛輪產(chǎn)品，并已成功應(yīng)用于風(fēng)云 (FY)系列衛(wèi)星上[30-31]。20世紀(jì)80年代中后期，小衛(wèi)星及其關(guān)鍵技術(shù)研究被列為 “九五”、國家技術(shù)航天領(lǐng)域(863-2)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (973)的重點(diǎn)攻關(guān)課題。主要研制單位有中國航天科技集團(tuán)有限公司下屬的803所和502所。

此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、洛陽軸承研究所和中科院長春光機(jī)所等單位也都進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要研究了姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)的高精度控制技術(shù)[32];北京航空航天大學(xué)則主要開展了以主動(dòng)磁軸承為支撐的磁懸浮姿控飛輪技術(shù)的研究，并重點(diǎn)解決了其工程化應(yīng)用的問題[33-35];北京理工大學(xué)研制的衛(wèi)星姿控飛輪，采用徑向磁場無鐵心永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并已投入使用[36-38]。洛陽軸承研究所在飛輪軸承潤滑技術(shù)上取得了較好的成果，所研制的飛輪具有長壽命和低功耗的特點(diǎn)[39];中科院長春光機(jī)所則主要集中于飛輪摩擦、潤滑和微型化等方面的研究[40-41];“十一五”期間開展了飛輪系統(tǒng)高精度控制和硬件小型化技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了±1r/min的高精度控制[42-43]。

2.2 軸向磁場型

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和機(jī)械加工水平的發(fā)展，限制軸向磁通電機(jī)發(fā)展的技術(shù)瓶頸逐步被破除，相較于徑向磁場型電機(jī)，軸向磁場永磁電機(jī) (Axial Flux Pm Machine，AFPM)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn)[44]。

定子無鐵心軸向磁場型永磁無刷直流電機(jī)，根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)目可分為如圖6所示的4種結(jié)構(gòu)[45-48]:單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及多定子多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。而且，為了提高電機(jī)的效率，增加單位體積輸出功率，減小質(zhì)量和降低噪聲，定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)大多采用了Halbach磁體結(jié)構(gòu)[49-51]。

如圖6(a)所示的單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的盤式單機(jī)存在較大的單邊磁拉力，嚴(yán)重影響電機(jī)的電磁特性以及轉(zhuǎn)矩輸出特性[52-55]。文獻(xiàn) [52]指出，分?jǐn)?shù)槽盤式電機(jī)的單邊磁拉力較為嚴(yán)重，尤其是在電負(fù)荷較大的情況下。因此，單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)盤式電機(jī)很少在實(shí)際中應(yīng)用。

圖6 定子無鐵心軸向磁通永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The sketch map of the axial flux stator-ironless brushless DC motor topologies

為了消除電機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的單邊磁拉力問題，出現(xiàn)了圖6(b)、圖6(c)所示的定子對稱或轉(zhuǎn)子對稱分布結(jié)構(gòu)，以及圖6(d)所示的多定子多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn) [56]對一種雙轉(zhuǎn)子中間定子結(jié)構(gòu)的軸向磁通電機(jī) (如圖7所示)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究，計(jì)算并分析了空載并聯(lián)支路環(huán)流、作用于轉(zhuǎn)子上的應(yīng)力、電磁力以及彎曲力矩等，發(fā)現(xiàn)只有在較大的誤差下才會(huì)存在較大環(huán)流。轉(zhuǎn)子盤傾斜導(dǎo)致的合成力矩可能會(huì)導(dǎo)致軸承和轉(zhuǎn)子軸的疲勞運(yùn)行，縮短使用壽命，該類型結(jié)構(gòu)無鐵心電機(jī)只需要將定子鐵心換成環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺等非金屬材料即可。

圖7 雙轉(zhuǎn)中間定子結(jié)構(gòu)盤式電機(jī)示意圖Fig.7 AFPM motor with double rotor and single stator

文獻(xiàn) [57]研究了一種定子無鐵心多定子多轉(zhuǎn)子軸向磁通盤式電機(jī) (如圖8所示)，闡述了對轉(zhuǎn)子盤綜合的機(jī)械強(qiáng)度分析和該類型盤式電機(jī)在初始設(shè)計(jì)中的重要性。

圖8 模塊化無鐵心軸向磁通盤式電機(jī)示意圖Fig.8 View of modular air-cored AFPM motor

文獻(xiàn) [58]針對一種定子無鐵心雙定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)進(jìn)行了研究，對比了疊繞組、集中繞組等繞組形式的電磁特性。結(jié)果表明，集中繞組(如圖9所示)與正常的疊繞組有相似的電磁特性，但是集中繞組的用銅量更少。

圖9 集中繞組無鐵心軸向磁通電機(jī)定子組件Fig.9 Air-cored AFPM machine stator with concentrated winding

盡管軸向磁通永磁盤式電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，但是該類型盤式電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中仍然較少，這主要是因?yàn)樵擃愋碗姍C(jī)特殊的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致其運(yùn)行過程中機(jī)械強(qiáng)度不夠，存在較大的不平衡磁拉力，以及永磁磁鋼對鐵心較大的軸向拉力，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子盤的偏心或傾斜等，都對電機(jī)的電磁特性有很大的影響。因此，目前在小衛(wèi)星姿控飛輪系統(tǒng)中很少采用軸向磁場永磁盤式電機(jī)。

3 電磁與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

取消了定子鐵心，繞組直接暴露在磁場中，失去了鐵心的定位和保護(hù)，設(shè)計(jì)方法和制造工藝完全改變。繞組的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、損耗與振動(dòng)等都是定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵。

3.1 定子繞組設(shè)計(jì)

繞組的設(shè)計(jì)直接影響到繞組因數(shù)和反電勢波形，也決定了繞組的端部長度和占據(jù)的空間大小，同時(shí)對定子繞組的成型方法和工藝也有一定的影響。

徑向磁場的定子繞組形狀主要有棱形、圓形、六邊形、橢圓形等，圖10所示為3種不同形狀的徑向磁場型定子繞組的機(jī)構(gòu)。軸向磁場型電機(jī)的繞組形狀總體上呈平面狀，基本的繞組線圈形狀有梯形、菱形、多邊形和圓形，如圖11所示。

圖10 徑向磁場定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)定子繞組線圈結(jié)構(gòu)Fig.10 Coil shapes of stator windings for radial flux ironless-stator PM BLDC motor

圖11 軸向磁場定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)定子繞組線圈形狀Fig.11 Coil shape of stator windings for axial flux ironless-stator PM BDLC motor

文獻(xiàn) [59]分析了軸向磁通無鐵心電機(jī)的疊繞組和集中繞組2種繞組形式，集中繞組比疊繞組具有更高的轉(zhuǎn)矩輸出，在極數(shù)較高時(shí)更為明顯。從導(dǎo)出的繞組因數(shù)出發(fā)，確定了不同集中繞組的最佳的極槽配合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集中繞組比疊繞組少用近15%的銅，且反電動(dòng)勢波形更加正弦。文獻(xiàn)[60]采用三維有限元法分析了梯形、矩形、圓形永磁體和梯形、菱形、六角形、圓形線圈對無鐵心電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、銅耗的影響，同時(shí)還考慮了邊端效應(yīng)。結(jié)果表明:當(dāng)采用圓形永磁體和圓形線圈，且極距等于線圈徑向長度時(shí)，電機(jī)性能最佳。文獻(xiàn) [61]對高速的無鐵心軸向磁通電機(jī)進(jìn)行了研究，電機(jī)的永磁體和線圈的形狀均為圓形，利用三維有限元法分析了不同極槽組合對電機(jī)性能的影響。

3.2 轉(zhuǎn)子與永磁體

近年來，Halbach結(jié)構(gòu)因其特別的充磁方式，可產(chǎn)生一個(gè)單邊分布的磁場，并可在一定程度上增加氣隙磁密 (意味著在相同轉(zhuǎn)矩條件下，可減小輸入電流，從而提高電機(jī)效率)，因而在姿控飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)中被廣泛采用[26，62-63]。

圖12(a)、圖12(b)所示為徑向磁場內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子永磁體Halbach陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖13所示為軸向磁場的Halbach陣列永磁體的展開示意圖。

圖12 徑向磁場Halbach永磁陣列Fig.12 Halbach PM array for radial flux BLDC motor

圖13 軸向磁場Halbach永磁陣列Fig.13 Halbach PM array for axial flux BLDC motor

對于外轉(zhuǎn)子電機(jī)可采用定子無鐵心結(jié)構(gòu)，以此消除高速電機(jī)的空載鐵耗和不平衡磁拉力，且具有較高的氣隙磁密，保證了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度[21，26，64]。

傳統(tǒng)的飛輪系統(tǒng)多以徑向磁通電機(jī)為主，較大的軸向尺寸和分散的結(jié)構(gòu)是制約其小型化設(shè)計(jì)的重要因素。然而，軸向磁通電機(jī)可有效提高飛輪系統(tǒng)的集成度。對于定子有槽的永磁無刷直流電機(jī)而言，齒槽轉(zhuǎn)矩的存在對轉(zhuǎn)矩輸出質(zhì)量有較大影響，文獻(xiàn) [65]采用準(zhǔn)3-D解析法研究了不同永磁體形狀 (如圖14所示)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

圖14 軸向磁通電機(jī)不同永磁體形狀Fig.14 Different PM shapes of axial flux machines

3.3 磁懸浮軸承技術(shù)

磁懸浮軸承由于無機(jī)械接觸、維護(hù)少、噪聲低、功耗低、可高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[66]。根據(jù)懸浮力產(chǎn)生機(jī)理，磁懸浮軸承可分為主動(dòng)式、混合式和被動(dòng)式。

如圖15所示，主動(dòng)式磁懸浮軸承是在定轉(zhuǎn)子中安裝相應(yīng)的勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生各自的磁場，分別控制線圈中的勵(lì)磁電流的大小以調(diào)節(jié)所產(chǎn)生磁場的大小，但是該主動(dòng)式磁懸浮軸承系統(tǒng)需要多個(gè)位置傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及對懸浮力進(jìn)行控制，而且需要額外的供電系統(tǒng)，占用空間大，費(fèi)用較高[67]。

圖15 主動(dòng)式磁懸浮軸承工作示意圖Fig.15 Operation sketch of active magnetic bearing

文獻(xiàn) [68]給出了一種具有代表性的混合式磁懸浮軸承系統(tǒng)，如圖16所示，該軸承系統(tǒng)兼有被動(dòng)式和滾珠式軸承，穩(wěn)定性好、可控性高，適合于如航空航天、飛輪儲(chǔ)能等有特殊要求的場合。

圖16 混合式磁懸浮軸承系統(tǒng)Fig.16 Hybrid magnetic bearing system

被動(dòng)式磁懸浮軸承(Passive Magnetic Bearing，PMB)可實(shí)現(xiàn)懸浮而不需要控制懸浮力，電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定性依靠被動(dòng)式軸承以及永磁轉(zhuǎn)子軸向位移產(chǎn)生的軸向力來實(shí)現(xiàn)。但是電機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向懸浮力，需要通過對被動(dòng)式磁力軸承永磁環(huán)以及永磁無刷直流電機(jī)氣隙、永磁體徑向厚度和軸向長度的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)[69]。因此，該類型軸承雖然成本低，但是在每次使用前都需要進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和優(yōu)化程序，通用性差。

圖17所示為沈陽工業(yè)大學(xué)研制的一種具有被動(dòng)式磁力軸承的永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。從圖17中可以看出，被動(dòng)式軸承不需要額外的電源供電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單;轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)磁懸浮而不需要電機(jī)氣隙的動(dòng)態(tài)檢測和懸浮力的實(shí)時(shí)控制;轉(zhuǎn)矩控制也不需要轉(zhuǎn)子位置檢測，而采用無位置傳感器的永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。

圖17 被動(dòng)式磁力軸承無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Structure of the PM BLDC motor with PMB

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一種能與磁懸浮飛輪緊密配合的電機(jī)，如圖18所示。該電機(jī)轉(zhuǎn)子部分由稀土永磁磁鋼、鋁合金固定架和導(dǎo)磁良好的低碳鋼導(dǎo)磁環(huán)組成。磁鋼塊嵌裝在固定架內(nèi)，然后緊貼著導(dǎo)磁環(huán)安裝在其外緣內(nèi)側(cè)，再將整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分固定在飛輪轉(zhuǎn)子的輪緣內(nèi)側(cè)，以此將電機(jī)轉(zhuǎn)子與磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子有機(jī)地結(jié)合在一起[70]。

圖18 磁懸浮飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)體示意圖Fig.18 Entity sketch of magnetic suspension drive flywheel motor

3.4 電磁損耗

微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子處于真空環(huán)境內(nèi)，轉(zhuǎn)子散熱困難，轉(zhuǎn)子渦流損耗和整機(jī)溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)[71]。定子無鐵心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取消了導(dǎo)磁硅鋼片，完全消除了定子鐵心損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩，非常適合于高速運(yùn)行[21]。在無鐵心永磁電機(jī)中，主要存在轉(zhuǎn)子鐵損和永磁體渦流損耗、銅損、軸承摩擦損耗、風(fēng)磨損耗等。軸承摩擦損耗可通過采用合適的潤滑措施，盡量降低滾珠與滑道之間的摩擦，或采用超導(dǎo)磁懸浮軸承解決。而風(fēng)磨損耗可通過盡量保持姿控飛輪電機(jī)工作環(huán)境的真空度來解決。

定子繞組采用不導(dǎo)磁材料，使得繞組直接暴露在磁場中，在高速旋轉(zhuǎn)下基波頻率較高 (可達(dá)1k Hz以上)，定子繞組的集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和渦流效應(yīng)產(chǎn)生的附加銅損，可通過采用細(xì)導(dǎo)線并繞的方法抑制[72-74]。文獻(xiàn) [38]研究了由機(jī)加工誤差導(dǎo)致的線包在空間位置分布不均引起的環(huán)流的影響，定量分析了機(jī)加工誤差與環(huán)流數(shù)值之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[75]指出在定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)中，采用Halbach陣列永磁體，可有效提高氣隙磁密并獲得均勻分布的磁場，消除了定子繞組環(huán)流的影響，進(jìn)而提高了功率密度和彌補(bǔ)了由于采用定子無鐵心材料所降低的轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[76]通過2D有限元切片法對定子無鐵心軸向磁通永磁電機(jī)繞組渦流損耗進(jìn)行了仿真研究，指出當(dāng)電機(jī)在相對高速運(yùn)行時(shí)，渦流效應(yīng)會(huì)顯著增大繞組損耗，而這種情況在并聯(lián)支路中存在環(huán)流的情況下將會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)特性。文獻(xiàn) [77]指出，定子無鐵心永磁電機(jī)定子上只有繞組和非導(dǎo)磁、非導(dǎo)電支撐材料，因此，繞組上的散熱方式一般都采用空氣自然冷卻或強(qiáng)迫冷卻。

3.5 電磁振動(dòng)

姿控飛輪電機(jī)通過改變轉(zhuǎn)速對小衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在姿態(tài)調(diào)整的過程中，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較快的響應(yīng)度，并且需要電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的變化勢必引起飛輪的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致姿控飛輪系統(tǒng)的損壞，使其無法正常工作，并對小衛(wèi)星的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，研究小衛(wèi)星姿控飛輪電機(jī)的振動(dòng)發(fā)生機(jī)理以及振動(dòng)抑制措施，也是姿控飛輪系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[78-79]。研究降低永磁電機(jī)電磁振動(dòng)的方法，對提高小衛(wèi)星姿控飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性具有積極作用。

在永磁電機(jī)中存在的徑向或軸向電磁力會(huì)引起電機(jī)相應(yīng)部件的機(jī)械變形和振動(dòng)。對于小功率永磁無刷電機(jī)而言，電磁振動(dòng)主要來自于徑向電磁力，文獻(xiàn) [80]分析研究了低階模態(tài)徑向力諧波對振動(dòng)的影響，研究表明，低階徑向力諧波更容易引起較大振動(dòng)，尤其是對于分?jǐn)?shù)槽永磁無刷電機(jī)。文獻(xiàn) [81]分析比較了在不同極槽配合下，外轉(zhuǎn)子永磁無刷電機(jī)頻率的空間分布特性。

4 結(jié)論與展望

定子無鐵心永磁無刷直流電機(jī)具有效率高、過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩-電流特性好等突出特點(diǎn)，在小衛(wèi)星姿控飛輪系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文從磁場產(chǎn)生的基本原理出發(fā)，將定子無鐵心永磁無刷直流飛輪電機(jī)分為徑向磁場型和軸向磁場型。對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，包括定子繞組設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子和永磁體技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)等。同時(shí)，對姿控飛輪電機(jī)的電磁損耗和電磁振動(dòng)進(jìn)行了說明。

由于小衛(wèi)星受限于質(zhì)量、體積和功耗，相關(guān)技術(shù)并不適用于現(xiàn)代小衛(wèi)星，導(dǎo)致小型化、輕量化和低功耗的飛輪產(chǎn)品仍處于研究和試驗(yàn)階段，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代航天技術(shù)發(fā)展的需要，并在總體性能上與國外產(chǎn)品存在較大差距。小衛(wèi)星用姿控飛輪電機(jī)的發(fā)展對小衛(wèi)星的發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用，有必要研發(fā)低功耗、高可靠性、高集成度的系列化小衛(wèi)星姿控飛輪產(chǎn)品。