衛星姿控用無鐵心永磁無刷飛輪電機綜述*

趙 靜，楊 柳，劉向東

(北京理工大學 復雜系統智能控制與決策重點實驗室·北京·100081)

0 引 言

衛星在科學研究、國防建設和國民生產等領域發揮著重要作用。隨著航天技術的發展，功能強大、技術復雜的大型衛星雖然在一定程度上滿足了應用需求，但也存在投資大、風險高以及研制周期長等問題。相比于傳統意義上的大衛星，現代小衛星具有質量小、體積小、功能密度高、研制周期短、發射靈活、風險系數小、抗毀性能強等諸多優點[1-2]，同時微小衛星的研制毋需大型系統設施支撐，可分散于大學、科研院所的實驗室中進行，從整體上有利于降低研發成本。自20世紀80年代中期以來，微小衛星的研制熱潮在世界范圍內迅速興起，成為世界各國爭相研究的熱點。微小衛星在通信、遙感、軍事、行星探測、工程技術實驗等領域發揮著重要作用，具有潛在的戰略價值和市場前景[3-4]。但是，微小衛星的任務執行能力與其姿態控制系統的控制精度和性能有著直接的關系。飛輪具有結構簡單、控制精度高、壽命長、無污染、可靠性高等優點，是衛星姿態控制系統中常用的執行機構[5-6]。以飛輪作為執行機構的零動量三軸姿態穩定系統是現代高精度衛星姿態的主要控制方式[7-8]。

與其他類型電機相比，永磁無刷直流電機雖然成本較高，但是因具有更高的效率和更小的尺寸、更快速的響應和可以軟啟動等優點，仍然得到了各大行業的認可。作為飛輪系統核心部件的飛輪驅動電機，國內外普遍采用這種響應快、效率高、控制性能好的永磁無刷直流電機。同時，復合材料技術的發展，使得定子無鐵心電機成為了可能，由于定子全部或局部取消了具有磁飽和特性的導磁鐵心介質，定子無鐵心永磁無刷直流電機具有效率更高、過載能力更強、無齒槽轉矩、轉子損耗更低等顯著優勢[9-11]。磁懸浮軸承技術(主動式、被動式和混合式)的發展，使得進一步提高飛輪電機的轉速成為可能[12-18]。

本文主要針對定子無鐵心永磁無刷直流電機技術，總結了目前飛輪用定子無鐵心高速永磁無刷直流電機的主要拓撲結構，從電機結構上分析了電機的性能，歸納了國內外相關研究成果和發展趨勢。從基本的機構原理出發對該類型電機進行了分類，梳理了定子無鐵心永磁無刷直流電機的主要特點和關鍵技術。

1 飛輪姿控原理簡述

簡言之，飛輪的姿態控制符合動量矩定理，也就是說質點對空間某定點的動量矩相對于時間的導數，等于作用力對同一點的力矩。飛輪系統和小衛星星體之間就是通過動量矩的交換實現對星體姿態的穩定和控制。

圖1所示為單自由度剛體系統做單自由度平面轉動的原理圖。當空間外來干擾力矩Md作用于衛星上時，在空間坐標系中，系統相對于參考軸會產生一定的姿態角度偏差，星上姿態敏感器測量姿態角的變化，并將偏差傳遞給控制系統。飛輪控制系統依照預先設定好的控制指令改變飛輪轉動的角速度Ω，進而產生相應的干擾力矩的控制力矩Mc，可以充分吸收干擾力矩Md對星體的姿態產生的影響，從而實現星體姿態偏差的糾正和姿態角度的穩定，消除干擾力矩對衛星星體的影響。

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

飛輪的旋轉運動通過與之相連的電機來實現，換言之，也就是通過電機來驅動具有一定轉動慣量的剛性轉子旋轉。基于牛頓第三定律的作用力和反作用力原理，驅動電機的定子和飛輪系統的殼體連接，然后通過相應的機械接口與星體相連。這樣，轉子旋轉的每一個作用力矩都有一個數值相等、方向相反的反作用力矩作用于星體上，從而讓小衛星向與飛輪轉子加速度相反的方向轉動。目前飛輪與電機的連接方式主要分為串行連接和并行連接，如圖2所示。

為了實現對星體3個方向上的姿態調控和姿態角度的確定，往往在控制小衛星滾動、俯仰、偏航3個運動的相應參考軸上安裝反作用飛輪和姿態敏感器，以此構成3個相互獨立的姿態控制系統。姿控飛輪實質上就是具有一定轉動慣量的高速旋轉電機。因此，發展高性能、高效率、小體積、輕量型、高可靠性的姿控飛輪驅動電機，對小衛星發展起著至關重要的作用。

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

2 基本拓撲結構

2.1 徑向磁場型

徑向磁場型電機技術相對更為成熟，在姿控飛輪系統中應用較多。如圖3所示，定子無鐵心徑向磁場永磁無刷直流電機主要分為外轉子定子無鐵心結構[19-20]、外轉子且有背鐵的定子無鐵心結構[9]和雙轉子定子無鐵心結構[21]3種形式。

相較于定子有鐵心永磁無刷直流電機，定子無鐵心永磁無刷直流電機消除了齒槽轉矩，同時由于定子無鐵心，也消除了定子鐵心損耗，一定程度上提高了電機的功率密度。但是，由于定子采用非導磁材料，在相同的條件下，定子無鐵心永磁無刷直流電機的轉矩相對較低。外轉子永磁無刷直流電機能夠提供較大的轉動慣量，且能夠提供更好的機械接口。定子采用無鐵心材料，導致定子繞組不再受到定子齒槽的約束，繞組的設計和安裝更加靈活，受力繞組的支撐部件一般選用非導磁、非導電的高強度材料。定子無鐵心永磁無刷直流電機拓撲結構導致主磁路路徑磁阻增大，定子繞組電感極小，控制過程中產生較大的電流脈動，三相六狀態控制中的電流換向也會導致較大的換向轉矩波動。在實際應用中，永磁無刷直流電機轉矩脈動相對較大。

圖3(a)所示的外轉子定子無鐵心電機的結構特征決定了該類型電機轉子轉動慣量大，適合作為飛輪電機，文獻 [22]、文獻 [23]對飛輪電機的一些關鍵技術進行了研究。圖3(c)所示為雙轉子定子無鐵心結構電機，其最大的優勢是定子區域內磁場強度在徑向方向相差較小，繞組內部的環流現象得到了有效抑制;但是，雙轉子上永磁體之間的吸引力給轉子的結構強度設計帶來較大考驗。同等尺寸、同等材料條件下，雙轉子定子無鐵心結構是最復雜但性能最優的拓撲結構，功率密度最高。因此，在很多特殊場合 (如飛輪儲能系統、航空航天伺服系統)中具有很大的應用前景[24-26]。

圖3 定子無鐵心徑向磁通無刷直流電動機拓撲結構示意圖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)一直是現代飛輪技術發展的推動者[27-28]，NASA戈達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center，GSFC)最早于1996年研制了適用于小衛星的GSC-13649-1型飛輪，結構如圖4所示，驅動電機采用徑向磁場型結構，整個飛輪系統采用執行機構和控制器一體化設計，滿足了體積小和質量小的設計要求。

德國的Teldix公司是歐洲飛輪技術發展的領先者，對飛輪系統的研究始于1967年，在當時大衛星的發展熱潮下，Teldix將研究重點放在了高速大慣量磁懸浮姿控/儲能一體化飛輪技術上。1978年，Teldix提出了定子無鐵心環氧樹脂結構的磁懸浮飛輪，驅動電機采用徑向磁場結構，其所生產的RSI-01和RSI-04動量輪如圖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星姿控飛輪電機技術的發展，體積小、質量小、低功耗和高集成度是現代小衛星姿控飛輪發展的主要研究方向，相關產品具有較高的技術成熟度和可靠性，并在工程應用中積累了豐富的在軌經驗，代表了現代小動量飛輪產品的技術發展水平。

國內的飛輪研究工作始于20世紀70年代末，為了適應現代空間技術的發展，先后根據衛星的控制方式與控制性能研制了一系列大動量矩飛輪產品，并已成功應用于風云 (FY)系列衛星上[30-31]。20世紀80年代中后期，小衛星及其關鍵技術研究被列為 “九五”、國家技術航天領域(863-2)、國家重點基礎研究發展規劃 (973)的重點攻關課題。主要研制單位有中國航天科技集團有限公司下屬的803所和502所。

此外，哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、北京理工大學、國防科技大學、洛陽軸承研究所和中科院長春光機所等單位也都進行了相關技術的研究。哈爾濱工業大學主要研究了姿態控制飛輪系統的高精度控制技術[32];北京航空航天大學則主要開展了以主動磁軸承為支撐的磁懸浮姿控飛輪技術的研究，并重點解決了其工程化應用的問題[33-35];北京理工大學研制的衛星姿控飛輪，采用徑向磁場無鐵心永磁無刷直流電機驅動，并已投入使用[36-38]。洛陽軸承研究所在飛輪軸承潤滑技術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[39];中科院長春光機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高精度控制和硬件小型化技術的研究，實現了±1r/min的高精度控制[42-43]。

2.2 軸向磁場型

隨著現代計算機技術、微電子技術和機械加工水平的發展，限制軸向磁通電機發展的技術瓶頸逐步被破除，相較于徑向磁場型電機，軸向磁場永磁電機 (Axial Flux Pm Machine，AFPM)具有結構緊湊、效率高、體積小、質量小等特點[44]。

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

如圖6(a)所示的單定子單轉子結構的盤式單機存在較大的單邊磁拉力，嚴重影響電機的電磁特性以及轉矩輸出特性[52-55]。文獻 [52]指出，分數槽盤式電機的單邊磁拉力較為嚴重，尤其是在電負荷較大的情況下。因此，單定子單轉子結構盤式電機很少在實際中應用。

圖6 定子無鐵心軸向磁通永磁電機拓撲結構示意圖Fig.6 The sketch map of the axial flux stator-ironless brushless DC motor topologies

為了消除電機機械機構導致的單邊磁拉力問題，出現了圖6(b)、圖6(c)所示的定子對稱或轉子對稱分布結構，以及圖6(d)所示的多定子多轉子結構。文獻 [56]對一種雙轉子中間定子結構的軸向磁通電機 (如圖7所示)各結構參數對電磁性能的影響進行了詳細的研究，計算并分析了空載并聯支路環流、作用于轉子上的應力、電磁力以及彎曲力矩等，發現只有在較大的誤差下才會存在較大環流。轉子盤傾斜導致的合成力矩可能會導致軸承和轉子軸的疲勞運行，縮短使用壽命，該類型結構無鐵心電機只需要將定子鐵心換成環氧樹脂或聚酰亞胺等非金屬材料即可。

圖7 雙轉中間定子結構盤式電機示意圖Fig.7 AFPM motor with double rotor and single stator

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

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

文獻 [58]針對一種定子無鐵心雙定子單轉子盤式電機進行了研究，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具有結構緊湊、質量小、功率密度大等優點，但是該類型盤式電機在實際應用中仍然較少，這主要是因為該類型電機特殊的結構形式，導致其運行過程中機械強度不夠，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，導致定轉子盤的偏心或傾斜等，都對電機的電磁特性有很大的影響。因此，目前在小衛星姿控飛輪系統中很少采用軸向磁場永磁盤式電機。

3 電磁與結構設計關鍵技術

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，設計方法和制造工藝完全改變。繞組的設計、轉子結構的設計、損耗與振動等都是定子無鐵心永磁無刷直流電機的關鍵。

3.1 定子繞組設計

繞組的設計直接影響到繞組因數和反電勢波形，也決定了繞組的端部長度和占據的空間大小，同時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構。軸向磁場型電機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定子繞組線圈結構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 [59]分析了軸向磁通無鐵心電機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矩輸出，在極數較高時更為明顯。從導出的繞組因數出發，確定了不同集中繞組的最佳的極槽配合。實驗結果表明，集中繞組比疊繞組少用近15%的銅，且反電動勢波形更加正弦。文獻[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的轉矩、銅耗的影響，同時還考慮了邊端效應。結果表明:當采用圓形永磁體和圓形線圈，且極距等于線圈徑向長度時，電機性能最佳。文獻 [61]對高速的無鐵心軸向磁通電機進行了研究，電機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性能的影響。

3.2 轉子與永磁體

近年來，Halbach結構因其特別的充磁方式，可產生一個單邊分布的磁場，并可在一定程度上增加氣隙磁密 (意味著在相同轉矩條件下，可減小輸入電流，從而提高電機效率)，因而在姿控飛輪驅動電機設計中被廣泛采用[26，62-63]。

圖12(a)、圖12(b)所示為徑向磁場內轉子和外轉子永磁體Halbach陣列結構示意圖。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

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

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

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

3.3 磁懸浮軸承技術

磁懸浮軸承由于無機械接觸、維護少、噪聲低、功耗低、可高速運轉等優點，被廣泛應用于航空航天領域[66]。根據懸浮力產生機理，磁懸浮軸承可分為主動式、混合式和被動式。

如圖15所示，主動式磁懸浮軸承是在定轉子中安裝相應的勵磁線圈，產生各自的磁場，分別控制線圈中的勵磁電流的大小以調節所產生磁場的大小，但是該主動式磁懸浮軸承系統需要多個位置傳感器進行動態監測以及對懸浮力進行控制，而且需要額外的供電系統，占用空間大，費用較高[67]。

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

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

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

被動式磁懸浮軸承(Passive Magnetic Bearing，PMB)可實現懸浮而不需要控制懸浮力，電機轉子的軸向穩定性依靠被動式軸承以及永磁轉子軸向位移產生的軸向力來實現。但是電機轉子的徑向懸浮力，需要通過對被動式磁力軸承永磁環以及永磁無刷直流電機氣隙、永磁體徑向厚度和軸向長度的優化設計來實現[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行嚴格的設計和優化程序，通用性差。

圖17所示為沈陽工業大學研制的一種具有被動式磁力軸承的永磁無刷直流電機結構示意圖。從圖17中可以看出，被動式軸承不需要額外的電源供電系統，結構簡單;轉子可實現磁懸浮而不需要電機氣隙的動態檢測和懸浮力的實時控制;轉矩控制也不需要轉子位置檢測，而采用無位置傳感器的永磁無刷直流電機調速控制系統。

圖17 被動式磁力軸承無刷直流電機結構圖Fig.17 Structure of the PM BLDC motor with PMB

國防科學技術大學研制了一種能與磁懸浮飛輪緊密配合的電機，如圖18所示。該電機轉子部分由稀土永磁磁鋼、鋁合金固定架和導磁良好的低碳鋼導磁環組成。磁鋼塊嵌裝在固定架內，然后緊貼著導磁環安裝在其外緣內側，再將整個電機轉子部分固定在飛輪轉子的輪緣內側，以此將電機轉子與磁懸浮飛輪轉子有機地結合在一起[70]。

圖18 磁懸浮飛輪驅動電機實體示意圖Fig.18 Entity sketch of magnetic suspension drive flywheel motor

3.4 電磁損耗

微小衛星姿控系統的飛輪電機轉子處于真空環境內，轉子散熱困難，轉子渦流損耗和整機溫升是電機設計中的難點[71]。定子無鐵心結構的設計取消了導磁硅鋼片，完全消除了定子鐵心損耗和齒槽轉矩，非常適合于高速運行[21]。在無鐵心永磁電機中，主要存在轉子鐵損和永磁體渦流損耗、銅損、軸承摩擦損耗、風磨損耗等。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，或采用超導磁懸浮軸承解決。而風磨損耗可通過盡量保持姿控飛輪電機工作環境的真空度來解決。

定子繞組采用不導磁材料，使得繞組直接暴露在磁場中，在高速旋轉下基波頻率較高 (可達1k Hz以上)，定子繞組的集膚效應、臨近效應和渦流效應產生的附加銅損，可通過采用細導線并繞的方法抑制[72-74]。文獻 [38]研究了由機加工誤差導致的線包在空間位置分布不均引起的環流的影響，定量分析了機加工誤差與環流數值之間的關系。文獻[75]指出在定子無鐵心永磁無刷直流電機中，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，消除了定子繞組環流的影響，進而提高了功率密度和彌補了由于采用定子無鐵心材料所降低的轉矩。文獻[76]通過2D有限元切片法對定子無鐵心軸向磁通永磁電機繞組渦流損耗進行了仿真研究，指出當電機在相對高速運行時，渦流效應會顯著增大繞組損耗，而這種情況在并聯支路中存在環流的情況下將會嚴重影響電機特性。文獻 [77]指出，定子無鐵心永磁電機定子上只有繞組和非導磁、非導電支撐材料，因此，繞組上的散熱方式一般都采用空氣自然冷卻或強迫冷卻。

3.5 電磁振動

姿控飛輪電機通過改變轉速對小衛星姿態進行調整，在姿態調整的過程中，要求驅動電機具有較快的響應度，并且需要電機在很短的時間內達到所需轉速，轉速的變化勢必引起飛輪的振動，嚴重時可能導致姿控飛輪系統的損壞，使其無法正常工作，并對小衛星的穩定性產生不利影響。因此，研究小衛星姿控飛輪電機的振動發生機理以及振動抑制措施，也是姿控飛輪系統初始設計的一個重要環節[78-79]。研究降低永磁電機電磁振動的方法，對提高小衛星姿控飛輪驅動電機的可靠性和運行穩定性具有積極作用。

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

4 結論與展望

定子無鐵心永磁無刷直流電機具有效率高、過載能力強、轉矩-電流特性好等突出特點，在小衛星姿控飛輪系統中得到了廣泛的應用。本文從磁場產生的基本原理出發，將定子無鐵心永磁無刷直流飛輪電機分為徑向磁場型和軸向磁場型。對不同拓撲結構的主要特征和關鍵技術進行了總結和歸納，包括定子繞組設計、轉子和永磁體技術、磁懸浮軸承技術等。同時，對姿控飛輪電機的電磁損耗和電磁振動進行了說明。

由于小衛星受限于質量、體積和功耗，相關技術并不適用于現代小衛星，導致小型化、輕量化和低功耗的飛輪產品仍處于研究和試驗階段，遠不能滿足現代航天技術發展的需要，并在總體性能上與國外產品存在較大差距。小衛星用姿控飛輪電機的發展對小衛星的發展有著積極的促進作用，有必要研發低功耗、高可靠性、高集成度的系列化小衛星姿控飛輪產品。