摘要:研究了绕组短路故障对直接驱动作动器(DDA)用电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机 (BLDCTM)性能的影响。基于电气/机械混合四余度BLDCTM的数学模型,分析了短路故障对电机电气参数造成的影响,并且建立了绕组匝间短路和相间短路这两种短路形式下的等效电路模型。电机系统的仿真结果表明,本文所采用的低转速电气/机械混合四余度BLDCTM某一相绕组出现匝间短路或某余度的两相绕组出现相间短路时,DDA系统依然可以正常运行。电气/机械混合四余度BLDCTM完全可以克服绕组短路故障的影响,提高了DDA系统的可靠性。

    关键词:无刷直流电动机;冗余;作动器;匝间短路;相间短路 　　

    针对航空直接驱动作动器(Direct Drive Ac- tuator,DDA)而设计的电气/机械混合四余度无刷直流力矩电动机(Brushless Direct Circuit Torque Motor,BLDCTM)通过采用冗余结构提高了电机系统整体的可靠性。1次、2次故障发生时,电气/机械混合四余度BLDCTM可以保证 DDA系统正常运行;3次故障时,在对电机性能要求降级的情况下,保证DDA系统安全。普通BLDCM中最严重的绕组短路故障在电气/机械混合四余度BLDCTM中依然不可避免。故障发生时,短路绕组中会产生较大的故障电流,可能会造成永磁体的退磁并且该电流会产生一个制动电磁转矩,对电机造成冲击,影响电机的性能。由于绕组短路的危害严重,为了保证DDA 系统的安全,电气/机械混合四余度BLDCTM系统必须能够克服该故障对系统带来的影响。

    以往的绕组短路故障研究主要是针对其过渡过程和故障诊断这两个方面。许多文献通过建立电机绕组短路时的等效模型或者是基于有限元分析,对绕组短路后的绕组电流、磁链,特别是电机电磁转矩的变化进行了深入的计算分析,同时也有相当多的文献把研究的重点集中到电机绕组短路故障的检测和诊断方法上。本文根据电气/机械混合四余度BLDCTM 绕组短路时的数学模型,建立了整个电机系统的仿真模型,通过仿真研究绕组短路故障对DDA 建立了电气/机械混合四余度BLDCTM的数学模型;然后,分别根据匝间短路和相间短路对电机电气参数的影响,建立了两种绕组短路形式的等效电路模型;

    此外还根据DDA系统的负载模型和驱动控制系统的模型,建立了整个电机系统的仿真模型。在位置环加电流环这种控制方式下, 通过仿真研究DDA系统中绕组短路故障的影响和电机系统性能的变化。系统模型电气/机械混合四余度BLDCTM系统模型由电机模型、负载模型、驱动电路模型和控制系统模型组成,其输入、输出代表了实际系统的物理特性。电机模型电气/机械混合四余度BLDCTM是同轴两段式结构,两段定、转子同轴共机壳构成了机械余度,每一段定子中隔槽嵌放两套绕组,构成电气双余度,从而整体上构成了电气/机械混合四余度。

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