知网论文查重摘  要

电励磁双凸极电机是一种新型的无刷直流电动机，基本结构与开关磁阻电机类似，具有结构简单，可靠性高等优点。在其定子槽中嵌有励磁绕组，所以励磁电流可控，起动控制易于实现。电励磁双凸极电机可以运用于航空领域，因此开展关于电励磁双凸极电机的课题研究有重要意义。

在航空领域内，由于电动机处于高温高压的工作环境，功率变换器易发生故障。为了提高系统的可靠性，电机需要容错处理。航空电机发生开路故障后，如何及时切除故障桥臂，切换至容错拓扑结构，是亟待解决的一个难题。所以故障诊断和容错课题的展开是十分重要的，本文致力于研究四相容错型电励磁双凸极电机开路诊断技术研究。

首先介绍电励磁双凸极电机的基本结构和工作原理。其次在分析磁路特性的基础上，建立其数学模型，并在MATLAB平台实现仿真。先分析电机的起动控制原理，研究电机的控制策略，使电机起动并正常运行，再模拟开路故障，对故障类型进行诊断，是本文主要的研究内容。

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第一章  绪  论

1.1  电励磁双凸极电机的发展历程与研究现状

电机的发展追溯于直流电机。直流电机具有良好的起动性能和调速性能，但是其换向片和电刷的存在，增加了其电机重量，减小了其输出功率。不适用于航空领域的大功率工作需求。

由于电力电子技术的飞速发展，出现了可实现电流逆变的功率变换器拓扑结构，电流换向不需要机械装置。电机结构中电刷和换向片的革除，大大减小了本体重量，提高了输出功率，从此无刷电机得到航空领域的广泛运用^[1-5]。

上个世界80年代，开关磁阻电机问世，得到航空领域的广泛发展与运用。开关磁阻电机特点是定、转子槽都是凸极槽结构，转子槽不嵌绕组，所以转子的损耗很小，因此输出效率高，易于高速运行^[6-11]。

双凸极电机是由开关磁阻电机衍生的一种新型无刷直流电机，其继承了开关磁阻电机的基本结构^[12]。双凸极电机与开关磁阻电机主要不同的是，开关磁阻电机主要通过功率变换器中功率管开通和关断来实现励磁，除定子槽本身嵌的绕组外，不需要其他的励磁回路，所以是一种自励电机。而双凸极电机附加了永磁体，或励磁绕组。励磁部分与功率变换器分开，所以是一种他励电机，两者的控制模式差异很大。

美国电机专家T.A.Lipo于1995年提出一种新型永磁双凸极电机的结构模型，并进行了初步的理论和实验研究，奠定双凸极电机发展的基础^[13]。永磁电机的特点是永磁体产生的磁通密度高，输出转矩大，适用于高速运行的场合。但是定子槽里嵌有的永磁体，造成了气隙磁场无法调节缺点，随之带来换相消磁和故障灭磁的问题，所以不适用于航空领域^[14-17]。

为了实现电机气隙磁场可控，1998年南京航空航天大学开展了用励磁绕组代替永磁体建立磁场的有关电励磁双凸极电机的研究^[18]。电励磁双凸极电机相比于永磁双凸极电机，励磁部分易于控制，且断开励磁回路，可实现故障灭磁。，电励磁双凸极电机容错性能良好，在航空领域内具有广泛的运用前景^[19-23]。

综上所述，电励磁双凸极电机具有如下特点：

1、结构简单。类似于开关磁阻电机，由凸极齿槽构成，转子不嵌绕组。

2、励磁可控。励磁磁场由定子槽内嵌有的励磁绕组产生。随着电机的旋转，相绕组周围磁通发生变化，感应出反电动势，产生转矩使电机转动。

3、控制简单。电枢电流大小恒定，电动特性与无刷直流电机相近。所以，无刷直流电机的起动控制策略同样适用于双凸极电机。

1.2  电励磁双凸极电机开路故障诊断技术的意义^[24-30]

故障诊断技术是指利用计算机技术和信号处理技术等一系列学科方法，检测系统是否发生存在的故障。并利用数学模型，逻辑判断出故障的所在位置，即故障定位。故障定位之后，及时进行故障隔离，则实现系统容错控制。

当已知系统的结构，精确得知系统的参数，可以建立系统可控的数学模型。利用采集到的被控对象的信号，进行信号处理。并利用该学科的经验知识，分析信号的状态与参数意义，来判断故障的发生类型。

本文研究的电励磁双凸极电机，实际电机本体很难发生故障，故障主要发生在控制部分。功率变换器在系统中发生的故障率最高。根据过去经验分析，功率管发生开路故障的可能性最高。功率管故障开路会导致电流不均匀、出力不均匀等一系列降低系统可靠性的问题。所以如何快速准确地进行功率管开路故障诊断是提高系统可靠性的一大难题。

目前，针对功率变换器的故障诊断方法有两种：检测相绕组电压，即桥臂下管两端电压的变化以实现故障诊断，此种方法增加电压传感器即可实现，但是影响相绕组电压的因素很多，检测和处理的精度要求较高，硬件成本太大；另一种方法是采样故障电流值与正常电流进行比较，主要通过程序实现故障诊断，虽然降低了硬件方面的要求，但是这种方法在程序运行上有一定的延时性，不能实现快速诊断。所以，利用功率变换器拓扑结构的特殊性，综合考虑硬件诊断方式和软件诊断方式的优缺点，提出一种开路故障诊断的优化方案，是本文研究的主要内容。

1.3  本课题研究目的与意义

在航空电源与电机控制领域中，航空供电系统向航空电动机传输电能，使电机起动并输出机械功率，带动飞机的各个机械装置稳定运行。若电机出现开路故障，电机将会故障运行，造成电机出力不均匀，严重影响各个机械装置的工作情况，所以故障运行是十分危险的。为了提高系统运行的可靠性，必须对电机进行容错处理，增加电机的容错拓扑结构，使电机在发生开路故障时，能迅速切除故障，切换至容错拓扑结构，使电机容错运行。然而，航空系统是十分复杂的，容易出现开路故障的部件较多。若不能第一时间对故障进行准确判断，电机的容错将无法实现，可能会带来严重的事故后果。所以故障诊断是容错控制的前提。

1.4  本文的研究内容

本课题主要研究四相容错型电励磁双凸极电机开路故障诊断技术。主要实现电机功率变换器部分功率管开路故障的诊断。文章内容如下：

• ：介绍电励磁双凸极电机的发展历程与研究现状、故障诊断技术的意义、电励磁双凸极电机开路故障诊断技术的意义以及本课题研究目的与意义、本文的研究内容。
• ：介绍电励磁双凸极电机的基本结构，并主要介绍四相容错型电励磁电机的基本结构和工作原理。
• ：介绍四相容错型电励磁双凸极电动机MATLAB建模与仿真，介绍系统各部分仿真模型，以及展示系统正常起动运行下的仿真结果。
• ：重点研究电机开路故障的诊断技术，将功率变换器开路故障进行分类。并通过对电机正常运行到故障状态的动态切换，分析哪些功率管可能存在故障，并提出一种检测故障管的诊断方案，进行相应的仿真与分析。

第五章：总结全文的工作及创新点，并对下一阶段工作进行展望。