文献综述（或调研报告）：
自1997年法国学者提出经典的12/10永磁磁通切换(Flux Switching Permanent Magnet, FSPM)电机以来[1]，磁通切换电机吸引了国内外学者的广泛关注和研究[2][3][4]。传统永磁电机大多采用转子永磁型，为克服高速运转时磁极受到的离心力，转子上需要加装特别的防护措施，因而引起散热困难、限制电机出力、降低功率密度等问题。磁通切换型永磁电机是一种新型结构的定子永磁型无刷电机，具有转子结构简单、磁场聚合、功率密度大等特点，同时每相永磁磁链和反电动势接近正弦波，有较好的应用前景[1][2]
图 1为一台六相24/22极FSPM电机示意图，定子和转子均为凸极结构，转子上无绕组和永磁体，结构简单。每个U型导磁铁心围成的槽中并排放置了两个集中绕组线圈，24 个线圈共分成了六组，每四个串连组成一相，每个线圈绕组横跨在两个定子齿上，中间嵌有一块永磁体。这种设计可以使转子齿在与同一线圈下的不同定子齿对齐时，绕组里的磁链极性相反。集中绕组的采用也可以大大缩短端部长度，减少了用铜量和铜耗。
图 1 六相24/22极FSPM电机结构示意图
磁通切换电机，是指绕组里匝链的磁通（磁链）会根据转子的不同位置切换方向和数量，即改变正负极性和数值大小。在一个转子极距范围内，对应着电机的一个电周期，磁通的数量会从最大变到最小，方向从进入绕组到穿出绕组（或从穿出绕组到进入组）。
根据磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合这一原理，在图 2所示的转子位置时，永磁体产生的磁通会沿着图示箭头的路径穿出定子齿而进入与之相对齐的转子极。对于开路的定子绕组来说，其两端会感应出一定的反电动势。而当转子运动到图 3的位置时，永磁磁通在数量上保持不变但穿行的路径对绕组来说恰好反向，为穿出转子极而进入定子齿。显然，两种情况下的感应反电动势数值相同但极性相反。正是基于这个原理，当转子在上述两个位置之间连续运动时，绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化，根据法拉第定律，绕组两端就会产生幅值和相位交变的反电动势（back-Electro-Motive-Force），这个过程就被称之为“磁通切换”，这也是该类型电机名称的由来。
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图 2 磁通穿出绕组 |
图 3 磁通进入绕组 |
如果忽略谐波分量和局部饱和效应的影响，可假设FSPM电机的每相理想空载永磁磁链成双极性正弦分布。实际上在经过转子齿宽（转子极弧系数)的优化设计后，采用直槽转子和集中绕组的三相FSPM电机确实可以获得谐波分量非常小(小于5％)的正弦反电动势，这也正是该种电机的显著优点之一[2]。因此，该类型电机完全可以采用交直轴理论建立数学模型。 要使电机驱动具备容错能力必须解决以下两个问题：第一，故障相对其它正常相的影响要最小化，从而避免故障相的传染；第二，要采用合适的容错控制策略，保证故障后的电机输出性能满足负载要求。为了解决第一个问题，容错电机必须具备物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔离和抑制短路电流能力[5]。在传统的永磁同步电机驱动系统中，各相绕组采用星型连接方式和全桥拓扑结构。当电机驱动系统出现故障时，故障相的电流或者母线电压会通过中心点耦合到其它正常相绕组，使得系统不能正常工作。为了消除绕组间的电气耦合，永磁容错电机的各相绕组可以采用的功率变换器拓扑有多相全桥变换器和多相独立H桥变换器等，以实现绕组间的电气隔离。当发生短路或断路故障时，对于多相全桥变换器，需要对剩余相的零序电流加以控制，并且中线电流可能会引起直流侧串联电容电压的不平衡；而独立H桥变换器各相之间独立，可靠性高，但需要两倍的开关器件，如图 4所示。
图 4 六相H桥变换器
为了实现物理隔离，FSPM电机的每个定子槽中仅有一相绕组的线圈边，各相绕组间不存在线圈接触，避免了相间短路故障的发生。同时，由于电机各相绕组间不存在物理接触，而每相绕组主要通过定子表面散热，使得故障相产生的热量很难传递到相邻或者其它正常相绕组的线圈边， 从而实现了绕组间的热隔离。有学者在针对传统三相12/10及其衍生拓扑结构的FSPM电机的研究中，发现可以通过单层绕组、每个定子槽中只放一个绕线线圈、去除没有绕组的定子齿上的永磁体、改变定转子齿数及定子齿模块气隙等方式降低电机的互感自感比，从而达到更好的磁隔离效果[6]，如图 5所示。
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图 5 具有更优化的自感互感比的FSPM电机拓扑结构
要使驱动系统具备容错能力，一般容错控制方案都要求事先诊断出系统发生了什么故障，这样才能“对症下药”， 因此故障诊断是容错系统的关键技术之一。 故障诊断的目的主要有三个：首先利用故障诊断信息切除故障相，避免故障传染；其次利用故障诊断信号重构硬件、切换控制算法，实现系统容错；最后给上位机故障信息，便于维修。由此可见，电机驱动系统的故障诊断包括两方面内容：一方面要诊断出发生故障的类型，即断路故障还是短路故障；另一方面要诊断出故障源，即电机绕组故障还是功率管故障，以及相应的故障相。
容错控制的FSPM电机每套绕组单独采用H桥驱动，H桥驱动电路电气故障分布如图 6所示，可分为两大类：H桥电路故障和电机绕组故障[7]。电路故障包括母线故障、开关管和二极管故障以及它们的组合，故障分布于图 6的①~⑧和⑪处。母线故障分为输入电源线断路故障和正负极短路故障。绕组故障又分为绕组断路、绕组端部短路和匝间短路三种，故障分布在图 6中的⑨、⑩两处。H桥逆变器电路故障类型繁多，其故障诊断的复杂性大，有学者对此提出了双电流传感器检测法和单电流传感器检测法[8]。
图 6 H桥驱动电路电气故障分布
电机绕组故障诊断方法主要有两种：一种基于硬件电路，利用采样电阻或者电流霍尔的电流信号进行故障诊断，另一种主要采用智能控制算法（如模糊算法、神经元算法以及小波分析等）进行在线故障诊断。
容错控制策略的目标是要保证电机在故障状态下仍能输出满足要求的转矩，现有的文献从磁动势不变或瞬时转矩不变的角度出发，其目标均是保证转矩的平滑。文献[9]根据故障前后旋转磁动势不变，得到容错补偿电流，但是均只考虑了开路缺相故障情况，未涉及短路故障容错。文献[10][11][12]的故障补偿策略均以瞬时转矩不变作为出发点：最优转矩控制策略[10]结合拉格朗日乘数法等数学优化手段，达到转矩平滑输出且铜耗最小的目的，但是需要在线迭代计算；文献[11]针对绕组开路故障，将转矩分解为基波转矩和谐波转矩，在容错运行中施加补偿电流保证谐波转矩为零，从而保证瞬时转矩不变；最优电流控制策略[12]根据瞬时转矩不变得到瞬时电流幅值，在实现转矩无脉动输出的同时，保证铜耗最小。对于正弦波磁场电机，在不考虑空间谐波的情况下，根据磁动势不变得到的补偿电流仍为正弦，仅在相位和幅值上相应调整，而最优转矩控制、最优电流控制等方法的补偿电流中均含有大量谐波，增大了电机铁耗[13]。
参考文献
- Emmanuel Hoang, Hamid Ben Ahmed, Jean Lucidarme. Switching flux permanent magnet polyphased synchronous machines. EPE 97, Sep 1997, Trondheim, Norway. lt;hal-00533004gt;
- 花为. (2007). 新型磁通切换型永磁电机的分析、设计与控制. 东南大学.
- Zhu Z Q, Pang Y, Howe D, et al. Analysis of electromagnetic performance of flux-switching permanent-magnet machines by nonlinear adaptive lumped parameter magnetic circuit model[J]. Magnetics, IEEE Transactions on, 2005, 41(11): 4277-4287.
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- 吴一丰, 邓智泉, 王宇, 等. 六相永磁容错磁通切换电机及其单相故障的容错控制[J]. 电工技术学报, 2013, 28(3): 71-79.
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文献综述（或调研报告）：
自1997年法国学者提出经典的12/10永磁磁通切换(Flux Switching Permanent Magnet, FSPM)电机以来[1]，磁通切换电机吸引了国内外学者的广泛关注和研究[2][3][4]。传统永磁电机大多采用转子永磁型，为克服高速运转时磁极受到的离心力，转子上需要加装特别的防护措施，因而引起散热困难、限制电机出力、降低功率密度等问题。磁通切换型永磁电机是一种新型结构的定子永磁型无刷电机，具有转子结构简单、磁场聚合、功率密度大等特点，同时每相永磁磁链和反电动势接近正弦波，有较好的应用前景[1][2]
图 1为一台六相24/22极FSPM电机示意图，定子和转子均为凸极结构，转子上无绕组和永磁体，结构简单。每个U型导磁铁心围成的槽中并排放置了两个集中绕组线圈，24 个线圈共分成了六组，每四个串连组成一相，每个线圈绕组横跨在两个定子齿上，中间嵌有一块永磁体。这种设计可以使转子齿在与同一线圈下的不同定子齿对齐时，绕组里的磁链极性相反。集中绕组的采用也可以大大缩短端部长度，减少了用铜量和铜耗。
图 1 六相24/22极FSPM电机结构示意图
磁通切换电机，是指绕组里匝链的磁通（磁链）会根据转子的不同位置切换方向和数量，即改变正负极性和数值大小。在一个转子极距范围内，对应着电机的一个电周期，磁通的数量会从最大变到最小，方向从进入绕组到穿出绕组（或从穿出绕组到进入组）。
根据磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合这一原理，在图 2所示的转子位置时，永磁体产生的磁通会沿着图示箭头的路径穿出定子齿而进入与之相对齐的转子极。对于开路的定子绕组来说，其两端会感应出一定的反电动势。而当转子运动到图 3的位置时，永磁磁通在数量上保持不变但穿行的路径对绕组来说恰好反向，为穿出转子极而进入定子齿。显然，两种情况下的感应反电动势数值相同但极性相反。正是基于这个原理，当转子在上述两个位置之间连续运动时，绕组里匝链的永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化，根据法拉第定律，绕组两端就会产生幅值和相位交变的反电动势（back-Electro-Motive-Force），这个过程就被称之为“磁通切换”，这也是该类型电机名称的由来。
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