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| 双余度无刷直流电机电枢绕组结构对比（zxj） |
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摘要：建立了双余度无刷直流电机的数学模型，初步确定了定子绕组采用半球缠绕结构和隔槽嵌放结构情况F电机余度之间的耦合关系。在Anson Maxwe儿环境下针对两种结构的双余度无刷直流电机余度间耦合情况做了进一步分析验证，证明两种结构下余度问耦合程度的一致性。另外，通过对两种结构样机的实际测试和对比，证明了两种结构双余度无刷直流电机机械特性的一致性。两种结构具有栩同的余度^日J耦合程度以及相I司的机械特性，在部分对功率密度以及磁热耦合要求较低的场合具有通用性。
关键词：双余度；无刷直流电机；磁热耦合O 引 言F1前，电力作动器以其简单可靠、成本低、易于控制等特性引起了人们的广泛注意和深入研究，并且得到了广泛的应用。许多无人机中均采用电力作动器，并向高速小型化方向发展。双余度无刷直流电机功率大、体积小，具备很强的可靠性和容错性，冈而，无人机电力作动器的核心部分驱动电机往往采用双余度无刷直流电机的形式。双余度无刷直流电机定子中嵌放两套独立绕组，当一个电气余度发生故障，另一个余度仍能继续工作，系统可靠性大为提高。
本文建立了双余度无刷直流电机的数学模型，并根据电机内感与相间互感的公式，得出了双余度无刷直流电机定子绕组半球缠绕和隔槽嵌放两种情况下的电感系数矩阵，分析和总结了两种结构下各电气余度之间的耦合关系，并在Ans曲Maxweu环境下，对不同结构下电气余度的耦合情况作了有限元(FEA)仿真，验证了电机数学模型以及电感系数矩阵的有效性，对比了两种结构下不同余度之问的耦合程度。同时，通过对两种结构样机的试验测试，得出r两种样机的机械特性，为双余度无刷直流电机绕组结构选择提供了理论和试验依据。
1双余度无刷直流电机数学模型
1．1 半球缠绕’隋况的数学模型样机定子为6槽结构，两套三相集中绕组Al、Bl、Cl和A2、B2、c2采用半球缠绕固定在定子槽中，两个余度均为星形接法，绕组分布如图1所示。
由文献[3]，可得到双余度无刷直流电机的电压平衡方程式：
式中，R为电阻矩阵；u、I、E分别代表电压、电流、电势的相变量矩阵；L为电感系数矩阵，z为相绕组自感，m为两相绕组之问的互感。元素下标al、b1、cl和a2、b2、c2分别代表第一个余度的三相绕组A1、Bl、c1和第二个余度的三相绕组A2、B2、C2。
由于两个余度均采用无中线星形接法且三相绕组对称，所以有：
另外，根据文献[2]：A2相绕组与A1相绕组轴线重合时，Al和A2的互感m与绕组自感l相等，达到****；当两者相互垂直时，m=0，达到最小值。可见，电机绕组自感与互感在空间随相间位置角θ呈如下线性关系：
对照图l所示定子绕组分布图，根据式(1)、式(2)以及式(3)，可以得到半球缠绕情况下简化的电感系数矩阵L：
简化的电感系数矩阵L1显示：Al相和A2相、B1相和B2相、c1相和c2相具有较强的相问藕合关系。所以，在第一个余度A1相发生短路故障时，独立供电的第二个余度A2相同样会受到较大的影响，不利于两个余度的容错运行。
1．2隔槽嵌放情况的数学模型采用隔槽嵌放结构时，样机定子仍为6槽结构，两套三相集中绕组A1、B1、c1和A2、B2、c2所构成的两个余度均为星形接法，绕组分布如图2所示；隔槽嵌放结构和半球缠绕结构的电压平衡方程、电感系数矩阵结构、绕组自感与互感关系都具有一致性；另外，由于隔槽嵌放情况下两个余度同样是无中线三相星形结构，即式(2)仍然成立，因而可以得到隔槽嵌放结构简化的电感系数矩阵L2。
简化的电感系数矩阵，L2显示：A1相和B2丰日、B1相和c2相、c1相和A2相具有较强的相间耦合关系。与半球缠绕结构的电感系数矩阵L1相比，两个余度的耦合程度基本是一致的，仅是互相耦合的相发生变化而已。
2耦合情况的有限元仿真分析
所研究的两种样机均为6槽4板结构的双余度无刷直流电机，两种样机仅在定子绕组排布方式上有所区别。上文推导得m了样机定子绕组分别采用半球缠绕和隔槽嵌放时的电感系数矩阵，并根据简化的电感系数矩阵对两个余度的耦合情况作了简要分析。
双余度无刷直流电机的两个余度主要运行于热备份状态，当其中一个余度发生故障时，另一个余度可以正常工作以保证系统的正常运行。电机绕组匝间短路故障是常见的内部故障，下文以第一个余度A1相发生匝问短路故障为例分析两个余度之间的耦合关系。为了获得两种结构下不同余度之问更为直观准确的耦合对照数据，使用Ansoft Maxwell对两种结构的模型分别作有限元分析。
图3～图8是定子绕组采用半球缠绕、在Al相发，t匝间短路前后各相感应电势谐波含量的变化；图9～图14是定子绕组采用隔槽嵌放、在A1相发生匝间短路前后各相感应电势谐波含量的变化。
图3～幽8显示：在A1相发生匝问短路故障时，A1、刚、c1和A2、B2、c2各相感应电势基波含量均有不同程度的下降，其中A1和A2，B1和B2，cI和c2变化情况基奉一致，与由电感系数矩阵得出的分析结果相吻合；同样，图9～图14显示：
样机定子绕组采用隔槽嵌放结构时，在A1相发生匝间短路故障的情况下，Al、Bl、cl和A2、B2、c2各相感应电势基波含量同样有不同程度的下降，其中Al和B2，B1和c2，cl和A2变化情况基本一致，与山电感系数矩阵得出的分析结果相吻合。
3 两种结构原型机的实验测试图15为样机测试平台，样机两个余度分别由独立的逆变器供电。定子绕组采用半球缠绕结构的样机与采用隔槽嵌放结构的样机除了电枢结构的区别外，在外形尺寸、材料以及转子结构等方面完全一致，图15所示的样机为定子绕组采用半球缠绕结构。 |
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