轴向磁场开关磁阻电机系统的故障分析*

李 洋， 王德明， 张广明， 梅 磊

(南京工业大学，江苏 南京 211816)

*基金项目： 国家自然科学基金项目(51277092)

0 引 言

轴向磁场开关磁阻电机也称盘式开关磁阻电机。将普通开关磁阻电机与盘式电机相结合,即构成了轴向磁场盘式开关磁阻电机。普通的开关磁阻电机是指目前各种设备上广泛采用的开关磁阻径向磁场旋转电机，具有结构简单、成本低、控制灵活、起动电流小等特点,在工业调速系统中的应用也越来越广泛。轴向磁场开关磁阻电机综合了盘式电机的结构优势和普通开关磁阻电机的性能优势，非常适合于低速、大转矩的应用场合,具有很好的应用前景。

典型的开关磁阻电机系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器及检测电路等组成。开关磁阻电机系统结构如图1所示。

图1 开关磁阻电机系统结构

图1中SRM为普通的径向磁场开关磁阻电机，可以换成轴向磁场开关磁阻电机，以实现轴向磁场开关磁阻电机的优点。该电机系统中任一环节出了故障问题都会使电机系统无法运行，故要对电机本体及系统中其他容易发生故障的环节进行研究。

功率变换器是开关磁阻电机系统中故障高发的环节。它是系统的核心机构，负责绕组与电源的导通、关断切换。功率变换器发生故障将无法为电机运行提供电能。电机绕组是轴向磁场开关磁阻电机本体上最薄弱的环节，任一相绕组出现故障都将破坏电机各相对称性，影响电机正常运行。因此，有必要对电机绕组故障和功率变换器故障进行研究，以便及时检测和发现故障并及时采取适当的容错方法。

1 轴向磁场开关磁阻电机的机构

轴向盘式开关磁阻电机继承了普通开关磁阻电机的双凸极结构。不同的是开关磁阻电机的转子位于定子上方，形成轴向结构。以三相6/4极结构为例，其结构示意图如图2所示。定子由定子盘和6个黏附在盘面上的铁心组成。在铁心上绕线圈构成励磁磁极，定子齿采用平行槽结构，转子由转子盘和4个转子齿构成，转子上无绕组。

图2 6/4结构轴向盘式开关磁阻电机

轴向磁场开关磁阻电机的工作原理与普通开关磁阻电机相同，均遵守磁阻最小原则，即磁通总是沿着磁阻最小路径闭合产生磁拉力进而形成转矩。

2 电机绕组故障分析

轴向磁场开关磁阻电机绕组的故障有很多，为了能够直观的说明绕组故障，利用开关S1、S2、S3、S4、S5断开(开路)和闭合(短路)的方式来表示故障。轴向磁场开关磁阻电机绕组故障电路图如图3所示。当S5断开(其余4个开关处于正常断开状态)，绕组发生开路故障。当只有开关S3、S5闭合时，绕组正负端短接形成短路故障。当只有S2、S5闭合时，发生某一相内的绕组匝间短路故障。当只有S1、S5闭合时，发生相邻绕组短路故障。当只有S4、S5闭合时，发生绕组接地故障。这些故障主要是由于电机内部绕组品质变化而引起的。由于长期运行或过载运行，尤其是频繁地起动和反向，过电流产生的热温使绕线绝缘系统发生质变，起初会造成局部的匝间短路或对地短路，严重时，甚至会烧毁电机。在上述几种故障中，绕组开路、绕组正负端短路、绕组匝间短路是最可能发生的故障类型。

图3 轴向磁场开关磁阻电机绕组故障电路图

2.1 绕组正负端短路

开关磁阻电机系统在运行时有绕组励磁阶段和续流阶段。所以，在某相绕组短路分为两种情况： (1) 在绕组励磁阶段，该相绕组的正端与负端短接(S3、S5闭合)，导致该相绕组短路。(2) 在续流阶段，绕组正端与负端短接(S3、S5闭合)，导致短路。如果在励磁阶段发生绕组短路，电流会迅速增大，可能会烧毁功率开关管。这时短路相绕组由于有反电动势存在而产生短路电流,通过该相绕组回路衰减,如果短路电流较大，则有可能烧毁该相绕组。

2.2 绕组开路

绕组开路是由绕组的一端或者两端断开造成的，例如S5断开。一旦发生开路，该相电流为零，相应的转矩输出也为零，造成总输出转矩减小，导致整个系统的性能降低，控制器将增大励磁电压，提高其余正常相的电流，从而维持系统的稳定输出。由于开关磁阻电机的各相之间耦合较小，缺相故障对其他相造成的影响也小，因此系统可以缺相运行。

2.3 绕组匝间短路

如图3所示，当S2、S5闭合时，发生绕组匝间短路。匝间故障的发生一般由于电机经常处于潮湿、腐蚀等恶劣环境中，绕组绝缘层长期受到碰磨、老化、过热的影响，从而破损，造成故障。短路故障的严重程度取决于短路的匝数，轻微的匝间短路故障不会造成太大的影响，但是短路匝间产生的短路电流会导致局部温度升高，引起周围绝缘损坏，发展成更大故障。匝间短路发生时，绕组的电感会降低。当电机其他参数给定后，电感值和短路的匝数有一定的函数关系。因此可以通过改变匝数值来改变电感值，即可仿真匝间短路故障。

3 功率变换器故障分析

开关磁阻电机系统中，不对称半桥式功率变换器电路的使用最为广泛。因为该电路的容错能力较强，各相控制具有独立性，某相发生故障对其他相几乎没有影响。其主电路结构如图4所示，每相桥臂均由两个功率开关管和两个续流二极管构成。以A相桥臂为例说明其工作原理： 当两只功率开关VT1、VT2同时导通时，电源向电机相绕组A供电。当VT1、VT2关断时，相电流经续流二极管VD1和VD2续流，续流就是将磁能转化为电能回馈给电源。

图4 三相不对称半桥功率变换器电路

功率变换器有功率开关管开路、短路以及续流二极管开路、短路4种主要故障类型。过压、过流及工作温度过高都会损坏功率开关器件，造成功率开关管的开路和短路故障。由于开关磁阻电机A、B、C三相绕组之间无电气连接，而且三相不对称半桥功率变换器各桥臂独立工作，每一相桥臂中的故障表现形式相似，因此只需对一个桥臂中的故障状态进行分析并加以推广就能涵盖整个功率变换器的故障状态。以A相桥臂为研究对象，该桥臂上的故障类型如图5所示。

图5 A相桥臂故障类型示意图

3.1 功率开关管开路

功率开关管在闭合时为绕组励磁阶段，在断开时为绕组续流阶段，所以功率开关管开路时主要影响的是绕组的励磁。功率开关管开路故障分为上管开路、下管开路和双管开路3种情况。无论是相桥臂上的上管开路或是下管开或是双管开路，这几种开路故障最终对系统所造成的影响一样，都将导致该故障相停止工作。该相电流及输出转矩为零，但是剩余相可以继续工作，系统整体的输出转矩会下降。以上开关管开路为例，当上开关管VT1管开路，则VT1管所控制的A相绕组与励磁电源断开，绕组无电流通过，对应的A相输出转矩为零，但B、C相可以继续运行并且输出功率转矩，电机整体的输出功率会有所下降。

3.2 功率开关管短路

功率开关管短路故障也可分为上管短路、下管短路、双管短路。由于短路电流过大，容易烧毁其他器件，于是在电机各相绕组中串联快速熔断器，快速熔断器的反时延特性可以对电机系统起到保护作用。当过载电流在一定范围内，熔断器不会熔断，可以继续使用。过载电流较大时，熔断器熔断。本文以功率开关管上管短路故障为例进行分析。

上管短路故障后，故障所在相的绕组励磁回路与正常情况下相同。当下管关断后，绕组开始续流。正常状态下的续流回路如图6所示箭头路径指向，而上管短路后的续流回路如图7所示箭头路径指向，续流时绕组两端电压不再反向，而是为零。由于续流回路不经过VD2和负载，因此励磁阶段获得的能量，全部供给绕组，而绕组的阻值很小，所以绕组电流增大，一直到下一周期功率开关管开通时续流仍然存在，随着绕组获得的能量不断增加，绕组电流也不断增大。当绕组电流超过安全电流限值时，熔断器熔断，将功率变换器与绕组断开，此时上管短路故障转变为缺相故障。

图6 正常状态下续流回路

图7 上管短路的续流回路

因为上管与下管是串联在同一桥臂上的，下管短路的情况与上管短路基本相同。此时续流回路路径有所改变，续流回路不经过VD1和负载。与上管短路类似，绕组电流迅速增大。由于过流，熔断器熔断，下管短路故障也转变为缺相故障。当两个功率开关管VT1、VT2同时短路时，相当于电源两端直接与绕组相连，此时续流回路也不存在，绕组持续励磁，电流持续增大，熔断器会迅速熔断，双管短路故障转变为缺相故障。

3.3 续流二极管开路

在励磁阶段，只有功率开关管工作，此时二极管中无电流通过。在续流阶段，功率开关管断开，二极管开始输出工作。仍然以A相桥臂为研究对象，当上管VD1管开路时，励磁回路正常工作，但续流回路不存在，在功率开关管关断的一瞬间，绕组两端会产生反向高压，使得功率开关管VT1过压毁坏，则二极管开路故障转换为缺相故障。同理，下管开路或者双管开路与上管开路的故障情况一致，都将转变成缺相故障。

3.4 续流二极管短路

二极管的上管短路与下管短路表现形式相同。当二极管上管VD1短路，功率开关管VT2开通后，VD1、VT2相当于导线，电源被短路，起动过流保护。当双管都短路时，有两种情况： (1) 功率开关管开通时，电源被短路，过流使熔断器熔断。(2) 功率开关管关断时，相当于在绕组两端施加反向励磁电压，绕组中出现反向电流，并且电流增大越来越快。

4 故障容错技术的研究展望

目前，很多学者对开关磁阻电机故障模式进行分析研究并取得了一定的成果。文献[8]阐述了电机运行时绕组开路和短路等故障以及故障对输出转矩造成的影响。文献[9]重点分析了绕组在短路故障下对系统转矩输出的影响。文献[10]研究了开关磁阻发电机在各类不同故障条件下的励磁需求问题以及故障与开关磁阻发电机励磁条件之间的关系，并通过仿真给出详细的分析。文献[11]介绍了功率变换器的几种故障对开关磁阻电机的转矩输出和电流的影响。文献[12]利用MATLAB对开关磁阻电机模型进行仿真，并分析了电机在各种故障模式下的输出特性。

很多学者在对开关磁阻电机系统故障研究的同时，也对开关磁阻电机故障情况下的容错控制展开了研究。文献[13]给出了在绕组开路故障下，通过设计模糊自适应控制器，调节正常相的开通关断角来实现容错控制。文献[14]分析了开关磁阻电机在单相绕组发生开路和短路条件下的输出特性，并提出了一种新的基于功率变换器拓扑结构的容错方法。文献[15]提出了“C”形和“E”形两种新型模块化定子开关磁阻电机，通过改变电机的设计方式，进一步提高了开关磁阻电机的容错能力。

综合以上研究的基础，针对开关磁阻电机的主要故障，提出以下几种容错控制方法： (1) 设计新型的、带有容错功能的功率变换器的电路拓扑结构，使得电机在故障发生时依然能够达到输出标准。(2) 改变电机本体结构，设计容错性比较高的开关磁阻电机。(3) 针对故障设计容错控制器，当故障发生时，控制器可以改变电机的控制方式，保证电机在故障状态下能够输出较好的特性。

5 结 语

本文首先介绍了轴向磁场开关磁阻的结构，相比普通开关磁阻电机，轴向磁场磁阻电机具有转动惯量比高、轴向长度短、体积小等优点，还可以用于一些特殊应用场合。其次详细分析了在轴向磁场开关磁阻电机系统中两类重要性的故障： 功率变换器故障和电机本体故障。最后针对开关磁阻电机的故障提出了三种容错控制方法，大大减少开关磁阻电机故障的发生。但是，目前对容错控制的研究主要是简单的容错控制，研究不够深入，因此在开关磁阻电机的故障和容错控制方面的研究还需要更多更深的探讨。

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