新型航天電機去耦冗余結構設計探討

李 雨，張洪巖，寧劍建，宋振民，于慧敏

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

為確保航天飛行任務的成功，航天器平臺及有效載荷均要進行可靠性設計。電機作為平臺及有效載荷執行機構的關鍵元件，一旦失效將直接影響整機功能的實現，因此針對電機本身及其控制系統的可靠性設計就顯得尤為重要，需要對電機及驅動器進行冗余設計。設計方法有2種，一種是采用2套單繞組電機及雙驅動器方式，該設計使得系統重量顯著增加；另一種方法是采用一套雙繞組電機及雙驅動器的冗余形式，雙繞組電機設計如圖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，當主份繞組通過電流時，備份繞組則與之直接耦合，在備份繞組上的感應電勢如下：

式中:M為電機主、備繞組互感;為電機主繞組電流。感應電勢由2部分組成：前一部分為互感變壓器電勢，后一部分為運動電勢。當主繞組工作時，備份繞組上產生的變壓器電勢將對備份驅動器產生沖擊，嚴重時可擊穿備份驅動器功率器件，降低了備份驅動器可靠性。目前解決辦法是在備份繞組和備份驅動器之間加繼電器斷開，但是帶來系統重量增加的問題。本文通過研究一種新型冗余結構設計，即去耦冗余結構設計，將主備份繞組之間的耦合電勢消除，使其能夠不通過繼電器直接與備份驅動器連接。本文以航天步進電動機為例進行闡述，但不局限于步進電動機，其設計理念可引申到其它航天電機的冗余結構設計。

1 國外冗余設計結構

俄羅斯采用機械備份的方法，即用2個獨立的電機軸系串聯起來，如圖2所示。這種冗余形式的優、缺點如表1所示。

圖2 俄羅斯主、備份電機串聯

優點缺點主電機斷路，備份電機可不間斷工作；主、備份電機之間無電、磁耦合問題。 軸向尺寸大大增大；一旦主電機出現機械故障(軸承失效，定、轉子變形或因多余物卡死等)，備份電機也將無法正常運行。

美國采用2種冗余形式：一種如圖3所示，主、備份2套繞組同時繞在一個鐵心上。這種冗余形式的優、缺點如表2所示。我國航天步進電動機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 美國冗余形式的優、缺點

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、缺點如表3所示。

(a) 備份原理示意圖

(b) 繞組備份形式示意圖

優點缺點主份繞組斷路，備份繞組可以不間斷的替代工作；主、備繞組之間無直接電、磁耦合問題。 電機鐵心一半工作，空間不對稱，會形成單邊磁拉力，產生振動、噪聲等；定子一分為二，空間利用率低，結構強度差。

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 去耦冗余設計結構

本去耦冗余結構設計，首先在繞組備份方式上進行創新，具體設計如圖5所示。這種結構使主、備份繞組不共磁極，且既可以解決電機主繞組局部溫

(a)

(b)

升過高導致備份繞組斷路問題，又沒有主、備份繞組直接耦合的感應電勢問題，明顯地提高了電機的可靠性。與美國Schaeffer公司的冗余設計形式相比，本冗余結構電機的電磁力徑向對稱，電機運行平穩。在電機沖片槽形不變(槽面積S)的情況下，該設計使得電機運行時同時作用的極數減半，但通過繞組參數調整，可確保電機力矩。傳統步進電動機和本結構繞組設計參數對比如表4所示。

表4 傳統步進電動機和本去耦冗余設計參數對比

其次，本去耦冗余結構的定子鐵心不同于傳統步進電動機，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，實現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)電機結構圖

3 試驗結果及分析

通過上述繞組冗余設計和定子鐵心結構設計，消除了電機主備份繞組的直接磁耦合，提高了控制可靠性。樣機耦合度的測試是按照主繞組通電運行，通過測試備份繞組感應電勢計算所得。由于樣機消除了備份繞組產生的變壓器電勢，其耦合度實為電機旋轉產生的運動電勢計算結果。研制樣機性能測試數據如表5所示,可滿足工程實際需要。

表5 去耦冗余結構樣機性能參數

4 結 語

該去耦冗余結構與傳統冗余結構相比，在電機功耗、體積均不增加的情況下，輸出力矩相當，重量沒有顯著增加。但通過該新型去耦冗余結構的繞組設計和定子鐵心設計，消除了主備份繞組的磁路耦合，降低了電機主繞組工作時，備份繞組產生的感應電勢，提高了航天電機自身及驅動器的可靠性；同時，該結構無需采用繼電器斷開備份繞組與驅動器的連接，從而減輕了系統重量，具有工程實用價值。

[1] 王宗培,孔昌平.步進電動機及其控制系統(增量運動控制之二)[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1984.