目前广泛在航线运营的民用客机襟缝翼系统采用的都是集中式结构的布局方式, 即使用单一的液压马达作为动力驱动操纵面同步运动。这种布局方式虽然控制简单, 但是其缺陷也很突出, 如果一块襟翼或缝翼操纵面发生故障, 其余的襟翼或缝翼操纵面都将被系统锁定在发生故障时的位置上, 不能继续运动。
针对传统的集中式布局方式, 众多的国内外学者提出了分布式布局方式的概念, 并研究其关键技术[1]。本文以襟缝翼系统分布式结构布局为背景, 来研究该布局方式下电作动器中的电机的拓扑结构选择问题。本文以襟翼的电作动器电机为例来描述其拓扑结构。
1 电机的容错机理
襟翼系统电作动器的原理结构如图1所示。驱动电机的容错结构设计是关键技术之一。永磁电机是一个可以在高磁性负载下运行的电机, 且具有可靠性高、容错能力强的特性, 通过特殊的结构设计实现容错目的[2]。
为获得更高的容错性, 采用永磁电机作为研究对象。电机在一个相位发生故障时, 不能影响电机额定转矩的输出。本文采用模块化设计思想对电机进行配置, 即模块内部由一相绕组组成或由三相绕组组成。假定电机由n+1个模块构成, 如果其中的1个模块出现了故障, 电机仍能正常运转并输出全部额定功率, 那么需要余下的n个模块必须能够保证电机输出全部额定功率。本文将以n+1相驱动和3n+3相驱动为对象来进行分析计算。
n+1相驱动:2+1, 3+1等;
3n+3相驱动:3+3, 2×3+3等。
2 容错电机的拓扑结构分析
襟翼在运动过程中, 驱动电机输出的峰值转矩会随着襟翼位置的变化而变化的。决定襟翼驱动布局的关键因素之一就是要求电机的输出转矩必须在襟翼系统以任意速度运动到任意指令位置的情况下都能够满足襟翼系统运动所需的转矩要求。驱动电机的故障分为机械故障和电气故障, 本文只考虑电气故障。电气故障中绕组短路是电机最为严重的故障, 包括绕组匝间短路和相间短路等。如果电机内部的一个模块发生绕组短路, 故障模块会因短路电流产生阻转矩而严重影响整个驱动系统的输出转矩。为应对该种故障情况, 须将每个模块的峰值输入功率设定为其额定输出转矩。
本文将对驱动电机在以下三种不同的工况条件下的输出功率进行计算。
2.1 电机在高速工况下的输出功率
在容错电机系统设计中, 必须防止因为单个模块短路而产生的故障电流值大于其额定电流值。因此在电机设计过程中, 应保证模块的感应电压等于其反电势。绕组短路故障的损失为电抗与电流的乘积。此处电抗等于绕组单位电阻。
对于一个设计合理的容错电机而言, 在其高速运转的情况下, 若单个模块发生故障停止向外部输出转矩, 由于模块导致的转矩损失仅占电机总输出转矩非常小的比例, 因此该模块产生的拖动转矩可以忽略不计。如果该容错电机的驱动惯量足够大, 完全可以抵消掉电机输出轴上微小的转矩脉动。
综上所述, 电机单相的额定输出功率由剩余正常模块的平均转矩值决定, 见图2。图2表明模块的输出功率随着其数量的增加而在减小。
2.2 电机在低速工况下的输出功率
尽管带有短路故障的模块在电机高速运转情况下, 不会产生显著的拖动转矩。但是在电机低速运转情况下, 由于相电抗会限制故障模块的短路电流, 因此故障模块将产生显著的拖动转矩, 即对电机产生明显的制动效应。随着电机运转速度的下降, 如果绕组电感 (随着速度降低) 明显大于绕组电阻, 短路故障电流值就会保持恒定。因此故障模块的输出转矩损失也趋于恒定, 但产生的拖动转矩会随着电机运转速度的降低而增大。由此可见, 故障模块的拖动转矩与电机运转速度是反比例关系。
电机低速运转情况下, 如果一相发生短路故障, 会产生峰值拖动转矩, 则余下正常模块的输出转矩应该等于各模块的额定输出转矩和加上短路故障模块产生的刹车转矩。因此, 低速情况下的电机输出功率的设定值比高速情况下的设定值要大, 见图3。
2.3 电机在极低速工况下的输出功率
电机应能够在所有转子位置时输出额定转矩, 当单个模块发生故障后, 就不再输出转矩。由于转子在不同的转动位置角所对应的转矩输出损失是不相同的, 因此就会出现转矩脉动现象。电机在较高速工况下运行, 如果内部模块能够满足平均输出转矩要求, 那么电机的转动惯量和输出载荷可以保证电机继续平稳运转, 则转矩脉动可以忽略不计。但是当电机从静止到启动的过程中或以极低的转速运行时, 转矩脉动就会十分显著。因此为保证电机在故障条件下仍具有正常启动的能力, 必须使电机在所有转动位置角上都可以输出额定转矩。
3n+3相电机可以在所有转子转动位置角上产生恒定转矩。如果三相绕组中的一相故障, 那么电机就无法正常工作, 但不会出现转矩脉动现象。而对于n+1相的电机, 如果一相发生故障, 就会出现相位不平衡、转矩脉动的现象, 为了消除转矩脉动, 必须使其余的正常相能够弥补故障相引起的转矩损失。由此, 可以通过增大输入电流, 重新整合分配, 增大各相额定转矩的输出来实现, 见图4。从图4可知, 3n+3相是较好的构型。
2.4 电机拓扑结构的选定
根据上述三种工况条件下电机的功率计算, 它们之间的差异比较见图5。由图5可知, 随着模块数量增加, 输出功率减少, 同时功率变换器的开关数量增加。
从整体看, 三相模块组比单相模块组在极低速操纵情况下的输出功率小, 因为转矩脉动效应对前者影响相对较小。但是三相模块组在低速操纵情况下, 如果其中一个模块发生故障, 该电机将产生较大的拖动转矩, 因为故障模块占整个模块组输出功率的比例较大。
从单相模块组看, 2+1单相组与3+1单相组相比, 输出功率差异不大, 但与之配套的开关器件数量却是3+1单相组的75%。这可能是在极低速操纵情况下, 相数较少, 转矩脉动也较小的原因。从输出功率和开关器件数量两方面考虑, 单相桥电路驱动的2+1或4+1单相模块组是最佳的。前者的开关器件数量是后者的60%, 前者功率输出比后者多40%。因为2+1单相模块组构成电机体积约比后者大33%, 由此电机体积增大而导致重量增加, 将对飞机减重产生的不良后果, 所以4+1单相模块组是最佳选择。
3 结语
本文研究襟缝翼系统分布式布局情况下的电作动器拓扑结构选择问题。选用永磁容错电机作为驱动本体, 还采用了以相位为基本单位的电机模块化拓扑结构。通过对电机在高速、低速和极低速情况下输出功率、及其使用的配套电子器件数量、构建电机体积等方面的权衡, 得到了电机的最佳拓扑结构。
摘要：提出了确定电作动器容错电机拓扑选择的方法。首先分析了电作动器的容错机理, 提出了使用永磁容错电机的原因。对电机的拓扑结构研究中引入失效概率分析, 然后对电机在高速、低速和极低速三种工况下的输出功率进行计算, 通过对电机配套的电力电子器件数量、输出功率和体积等多方面因素的综合考虑, 得到了电机的最优拓扑结构。
关键词：电作动器,永磁电机,拓扑结构
参考文献
[1] 齐蓉, 林辉, 周素莹.多电飞机电气系统关键技术研究[J].航空计算技术, 2004, 34 (1) :97～101.
[2] 焦文娟, 王有林, 余健鹏, 等.一种新型永磁容错电机设计的研究[J].微电机, 2010, 43 (9) :30～33.