軸向磁場開關磁阻電機系統的故障分析*

李 洋， 王德明， 張廣明， 梅 磊

(南京工業大學，江蘇 南京 211816)

*基金項目： 國家自然科學基金項目(51277092)

0 引 言

軸向磁場開關磁阻電機也稱盤式開關磁阻電機。將普通開關磁阻電機與盤式電機相結合,即構成了軸向磁場盤式開關磁阻電機。普通的開關磁阻電機是指目前各種設備上廣泛采用的開關磁阻徑向磁場旋轉電機，具有結構簡單、成本低、控制靈活、起動電流小等特點,在工業調速系統中的應用也越來越廣泛。軸向磁場開關磁阻電機綜合了盤式電機的結構優勢和普通開關磁阻電機的性能優勢，非常適合于低速、大轉矩的應用場合,具有很好的應用前景。

典型的開關磁阻電機系統主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器及檢測電路等組成。開關磁阻電機系統結構如圖1所示。

圖1 開關磁阻電機系統結構

圖1中SRM為普通的徑向磁場開關磁阻電機，可以換成軸向磁場開關磁阻電機，以實現軸向磁場開關磁阻電機的優點。該電機系統中任一環節出了故障問題都會使電機系統無法運行，故要對電機本體及系統中其他容易發生故障的環節進行研究。

功率變換器是開關磁阻電機系統中故障高發的環節。它是系統的核心機構，負責繞組與電源的導通、關斷切換。功率變換器發生故障將無法為電機運行提供電能。電機繞組是軸向磁場開關磁阻電機本體上最薄弱的環節，任一相繞組出現故障都將破壞電機各相對稱性，影響電機正常運行。因此，有必要對電機繞組故障和功率變換器故障進行研究，以便及時檢測和發現故障并及時采取適當的容錯方法。

1 軸向磁場開關磁阻電機的機構

軸向盤式開關磁阻電機繼承了普通開關磁阻電機的雙凸極結構。不同的是開關磁阻電機的轉子位于定子上方，形成軸向結構。以三相6/4極結構為例，其結構示意圖如圖2所示。定子由定子盤和6個黏附在盤面上的鐵心組成。在鐵心上繞線圈構成勵磁磁極，定子齒采用平行槽結構，轉子由轉子盤和4個轉子齒構成，轉子上無繞組。

圖2 6/4結構軸向盤式開關磁阻電機

軸向磁場開關磁阻電機的工作原理與普通開關磁阻電機相同，均遵守磁阻最小原則，即磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合產生磁拉力進而形成轉矩。

2 電機繞組故障分析

軸向磁場開關磁阻電機繞組的故障有很多，為了能夠直觀的說明繞組故障，利用開關S1、S2、S3、S4、S5斷開(開路)和閉合(短路)的方式來表示故障。軸向磁場開關磁阻電機繞組故障電路圖如圖3所示。當S5斷開(其余4個開關處于正常斷開狀態)，繞組發生開路故障。當只有開關S3、S5閉合時，繞組正負端短接形成短路故障。當只有S2、S5閉合時，發生某一相內的繞組匝間短路故障。當只有S1、S5閉合時，發生相鄰繞組短路故障。當只有S4、S5閉合時，發生繞組接地故障。這些故障主要是由于電機內部繞組品質變化而引起的。由于長期運行或過載運行，尤其是頻繁地起動和反向，過電流產生的熱溫使繞線絕緣系統發生質變，起初會造成局部的匝間短路或對地短路，嚴重時，甚至會燒毀電機。在上述幾種故障中，繞組開路、繞組正負端短路、繞組匝間短路是最可能發生的故障類型。

圖3 軸向磁場開關磁阻電機繞組故障電路圖

2.1 繞組正負端短路

開關磁阻電機系統在運行時有繞組勵磁階段和續流階段。所以，在某相繞組短路分為兩種情況： (1) 在繞組勵磁階段，該相繞組的正端與負端短接(S3、S5閉合)，導致該相繞組短路。(2) 在續流階段，繞組正端與負端短接(S3、S5閉合)，導致短路。如果在勵磁階段發生繞組短路，電流會迅速增大，可能會燒毀功率開關管。這時短路相繞組由于有反電動勢存在而產生短路電流,通過該相繞組回路衰減,如果短路電流較大，則有可能燒毀該相繞組。

2.2 繞組開路

繞組開路是由繞組的一端或者兩端斷開造成的，例如S5斷開。一旦發生開路，該相電流為零，相應的轉矩輸出也為零，造成總輸出轉矩減小，導致整個系統的性能降低，控制器將增大勵磁電壓，提高其余正常相的電流，從而維持系統的穩定輸出。由于開關磁阻電機的各相之間耦合較小，缺相故障對其他相造成的影響也小，因此系統可以缺相運行。

2.3 繞組匝間短路

如圖3所示，當S2、S5閉合時，發生繞組匝間短路。匝間故障的發生一般由于電機經常處于潮濕、腐蝕等惡劣環境中，繞組絕緣層長期受到碰磨、老化、過熱的影響，從而破損，造成故障。短路故障的嚴重程度取決于短路的匝數，輕微的匝間短路故障不會造成太大的影響，但是短路匝間產生的短路電流會導致局部溫度升高，引起周圍絕緣損壞，發展成更大故障。匝間短路發生時，繞組的電感會降低。當電機其他參數給定后，電感值和短路的匝數有一定的函數關系。因此可以通過改變匝數值來改變電感值，即可仿真匝間短路故障。

3 功率變換器故障分析

開關磁阻電機系統中，不對稱半橋式功率變換器電路的使用最為廣泛。因為該電路的容錯能力較強，各相控制具有獨立性，某相發生故障對其他相幾乎沒有影響。其主電路結構如圖4所示，每相橋臂均由兩個功率開關管和兩個續流二極管構成。以A相橋臂為例說明其工作原理： 當兩只功率開關VT1、VT2同時導通時，電源向電機相繞組A供電。當VT1、VT2關斷時，相電流經續流二極管VD1和VD2續流，續流就是將磁能轉化為電能回饋給電源。

圖4 三相不對稱半橋功率變換器電路

功率變換器有功率開關管開路、短路以及續流二極管開路、短路4種主要故障類型。過壓、過流及工作溫度過高都會損壞功率開關器件，造成功率開關管的開路和短路故障。由于開關磁阻電機A、B、C三相繞組之間無電氣連接，而且三相不對稱半橋功率變換器各橋臂獨立工作，每一相橋臂中的故障表現形式相似，因此只需對一個橋臂中的故障狀態進行分析并加以推廣就能涵蓋整個功率變換器的故障狀態。以A相橋臂為研究對象，該橋臂上的故障類型如圖5所示。

圖5 A相橋臂故障類型示意圖

3.1 功率開關管開路

功率開關管在閉合時為繞組勵磁階段，在斷開時為繞組續流階段，所以功率開關管開路時主要影響的是繞組的勵磁。功率開關管開路故障分為上管開路、下管開路和雙管開路3種情況。無論是相橋臂上的上管開路或是下管開或是雙管開路，這幾種開路故障最終對系統所造成的影響一樣，都將導致該故障相停止工作。該相電流及輸出轉矩為零，但是剩余相可以繼續工作，系統整體的輸出轉矩會下降。以上開關管開路為例，當上開關管VT1管開路，則VT1管所控制的A相繞組與勵磁電源斷開，繞組無電流通過，對應的A相輸出轉矩為零，但B、C相可以繼續運行并且輸出功率轉矩，電機整體的輸出功率會有所下降。

3.2 功率開關管短路

功率開關管短路故障也可分為上管短路、下管短路、雙管短路。由于短路電流過大，容易燒毀其他器件，于是在電機各相繞組中串聯快速熔斷器，快速熔斷器的反時延特性可以對電機系統起到保護作用。當過載電流在一定范圍內，熔斷器不會熔斷，可以繼續使用。過載電流較大時，熔斷器熔斷。本文以功率開關管上管短路故障為例進行分析。

上管短路故障后，故障所在相的繞組勵磁回路與正常情況下相同。當下管關斷后，繞組開始續流。正常狀態下的續流回路如圖6所示箭頭路徑指向，而上管短路后的續流回路如圖7所示箭頭路徑指向，續流時繞組兩端電壓不再反向，而是為零。由于續流回路不經過VD2和負載，因此勵磁階段獲得的能量，全部供給繞組，而繞組的阻值很小，所以繞組電流增大，一直到下一周期功率開關管開通時續流仍然存在，隨著繞組獲得的能量不斷增加，繞組電流也不斷增大。當繞組電流超過安全電流限值時，熔斷器熔斷，將功率變換器與繞組斷開，此時上管短路故障轉變為缺相故障。

圖6 正常狀態下續流回路

圖7 上管短路的續流回路

因為上管與下管是串聯在同一橋臂上的，下管短路的情況與上管短路基本相同。此時續流回路路徑有所改變，續流回路不經過VD1和負載。與上管短路類似，繞組電流迅速增大。由于過流，熔斷器熔斷，下管短路故障也轉變為缺相故障。當兩個功率開關管VT1、VT2同時短路時，相當于電源兩端直接與繞組相連，此時續流回路也不存在，繞組持續勵磁，電流持續增大，熔斷器會迅速熔斷，雙管短路故障轉變為缺相故障。

3.3 續流二極管開路

在勵磁階段，只有功率開關管工作，此時二極管中無電流通過。在續流階段，功率開關管斷開，二極管開始輸出工作。仍然以A相橋臂為研究對象，當上管VD1管開路時，勵磁回路正常工作，但續流回路不存在，在功率開關管關斷的一瞬間，繞組兩端會產生反向高壓，使得功率開關管VT1過壓毀壞，則二極管開路故障轉換為缺相故障。同理，下管開路或者雙管開路與上管開路的故障情況一致，都將轉變成缺相故障。

3.4 續流二極管短路

二極管的上管短路與下管短路表現形式相同。當二極管上管VD1短路，功率開關管VT2開通后，VD1、VT2相當于導線，電源被短路，起動過流保護。當雙管都短路時，有兩種情況： (1) 功率開關管開通時，電源被短路，過流使熔斷器熔斷。(2) 功率開關管關斷時，相當于在繞組兩端施加反向勵磁電壓，繞組中出現反向電流，并且電流增大越來越快。

4 故障容錯技術的研究展望

目前，很多學者對開關磁阻電機故障模式進行分析研究并取得了一定的成果。文獻[8]闡述了電機運行時繞組開路和短路等故障以及故障對輸出轉矩造成的影響。文獻[9]重點分析了繞組在短路故障下對系統轉矩輸出的影響。文獻[10]研究了開關磁阻發電機在各類不同故障條件下的勵磁需求問題以及故障與開關磁阻發電機勵磁條件之間的關系，并通過仿真給出詳細的分析。文獻[11]介紹了功率變換器的幾種故障對開關磁阻電機的轉矩輸出和電流的影響。文獻[12]利用MATLAB對開關磁阻電機模型進行仿真，并分析了電機在各種故障模式下的輸出特性。

很多學者在對開關磁阻電機系統故障研究的同時，也對開關磁阻電機故障情況下的容錯控制展開了研究。文獻[13]給出了在繞組開路故障下，通過設計模糊自適應控制器，調節正常相的開通關斷角來實現容錯控制。文獻[14]分析了開關磁阻電機在單相繞組發生開路和短路條件下的輸出特性，并提出了一種新的基于功率變換器拓撲結構的容錯方法。文獻[15]提出了“C”形和“E”形兩種新型模塊化定子開關磁阻電機，通過改變電機的設計方式，進一步提高了開關磁阻電機的容錯能力。

綜合以上研究的基礎，針對開關磁阻電機的主要故障，提出以下幾種容錯控制方法： (1) 設計新型的、帶有容錯功能的功率變換器的電路拓撲結構，使得電機在故障發生時依然能夠達到輸出標準。(2) 改變電機本體結構，設計容錯性比較高的開關磁阻電機。(3) 針對故障設計容錯控制器，當故障發生時，控制器可以改變電機的控制方式，保證電機在故障狀態下能夠輸出較好的特性。

5 結 語

本文首先介紹了軸向磁場開關磁阻的結構，相比普通開關磁阻電機，軸向磁場磁阻電機具有轉動慣量比高、軸向長度短、體積小等優點，還可以用于一些特殊應用場合。其次詳細分析了在軸向磁場開關磁阻電機系統中兩類重要性的故障： 功率變換器故障和電機本體故障。最后針對開關磁阻電機的故障提出了三種容錯控制方法，大大減少開關磁阻電機故障的發生。但是，目前對容錯控制的研究主要是簡單的容錯控制，研究不夠深入，因此在開關磁阻電機的故障和容錯控制方面的研究還需要更多更深的探討。

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