论文总字数：36058字

摘 要

随着电动汽车和航空航天的迅猛发展，功率密度高、可靠性良好、体积更加微型化的电机得到了无数电机设计厂商和研究人员的青睐。永磁无刷电机使用高性能永磁材料取代了传统电机的励磁部分，不需要机械式电刷和换向器，而稀土磁性材料的性能的提高，使得永磁无刷电机得到了更加广泛的市场应用。磁通切换型永磁电机作为一种结构新型的永磁无刷电机，因其永磁体固定在定子侧，能更加方便的利用水冷等冷却系统，电枢反应磁场与永磁磁场并联，使得永磁材料不容易发生退磁，这使得该电机的可靠性得到了进一步提高。本文研究了12/10极磁通切换型电机在匝间短路情况电压、电流、电磁转矩的表现形式，为后续的匝间短路故障诊断、定位以及容错算法奠定一定的理论基础。

本文首先根据相关统计资料介绍了电机故障的分类和占比，并指出匝间短路故障往往是导致其它电气故障产生的诱因，说明了对匝间短路诊断的实际意义。其次对比该电机正常运行时的电磁关系方程，运用多回路理论计算得到在不同匝间短路情况下的电感矩阵与电磁方程，并用MATLAB建立了基于模块模型和数值计算模型并进行仿真，得到了不同短路比情况下故障相电流波形，理论上表明了通过分析电流幅值对匝间短路故障进行诊断的可行性。

关键词：磁通切换型电机，匝间短路故障，多回路理论，MATLAB仿真

ABSTRACT

The high power density and high reliability motor is becoming a main topic for the researchers owe to the rapid development of aerospace and electric vehicle. Permanent magnet brushless machine has a higher power density and smaller volume compare to traditional induction machine and dc-machine. FSPM(Flux-Swithing Permanent Machine) as a novel brushless machine having magnets in the stator, which is convenience for us to cool the magnet, at the same time, the magnets is more reliability for the magnets field is in parallel to the winding field. In this dissertation, by researching the FSPM machine under single phase inter-turn situation, it can provide a theory foundation for later fault diagnosis with its voltage, current, electromagnetic torque.

In the beginning, there is a brief induction about varies machine faults and their respective proportion, and then emphasizing the importance of single phase inter-turn because it always results in other serious machine faults. Then according to the normal mathematic model to deduce the fault mathematic model under single phase inter-turn based on the multi-loop theory. Based on the mathematic fault model, a simulation model is established in MATLAB, analyzing the current, voltage, torque under different fault conditions. A conclusion is drawn that it is feasibility to diagnose different single phase inter-turn with the magnitude of fault phase current.

Key words: single phase inter-turn, FSPM, multi-loop theory, MATLAB simulation

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2电机电气故障 2

1.3故障诊断的方法 3

1.4绕组匝间短路 4

1.5论文的提纲 4

第二章 FSPM电机与多回路理论 7

2.1引言 7

2.2FSPM电机的结构和工作原理 7

2.3磁通切换原理 8

2.4FSPM电机的数学模型 9

2.4.1定子坐标系下的方程 9

2.4.2电压方程 9

2.4.3磁链方程 10

2.4.4转矩方程 11

2.4.5机械运动方程 11

2.5多回路理论 12

2.5.1支路选取、线圈的编号与正方向的规定 12

2.5.2定子绕组匝间短路支路方程 13

2.5.3定子绕组匝间短路外部约束条件 14

2.5.4方程求解 15

第三章 定子匝间短路故障仿真 17

3.1绕组A1匝间短路模型 17

3.2绕组A1匝间短路时的机械运动方程 18

3.3Simulink模型搭建 19

3.3.1电机模型 19

3.3.2功率变换器子系统 22

3.3.3控制及驱动系统 22

3.4控制系统的仿真结果 25

第四章 总结和展望 31

致 谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1研究背景

电力电子技术和新材料的发展使得许多新型电机结构在电力交通、新能源汽车、航空航天等领域已经被提出并研究^[1-5]。与传统的电机相比较，这些新型电机有如下优点，比如高功率密度、灵活的控制能力、高效率等^[6-8]。总的来说，新型电机被分为许多种类，如磁阻电机、永磁无刷电机、记忆电机等其他电机模型^[9-18]。磁通切换型电机作为一种新型的定子永磁型无刷电机，该电机在1996年由法国学者提出^[19]，是双凸极电机（Doubly-Salient Permanent Magnet Motor）^[20]和磁通反向电机（Flux Reversal Machine）^[21]的进一步发展，具有转子结构简单，反电动势高度正弦，不易退磁等优点。

设备诊断技术之所以产生是因为在一些特殊的场合，如巨大的机械设备内部出现故障也不容易察觉，工人很难进行定期维护。在月球等太空领域进行探索时，投资者从实际的经济效益考量定期维护花费巨大的金钱是不可取的，此时针对电压信号、电流信号、温度、磁场、电场等系统测量信号为基础的数据分析，也就是预测和诊断故障的概念被提了出来。当然，在人类科学文明的发展使上也有诊断技术不到位而造成的血的教训，如美国挑战者航天飞机失事便造成了巨大的人力和财产损失，这仅仅是这其中的个例，还有很多未曾查明的安全事故也与没有得到及时诊断相关。

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