楊 敏，麻建中，何志瞧，胡凱波，趙力航，盧琴芬

(1. 浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311121;2. 浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121;3. 浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 金華 321110;4. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場合需要直驅(qū)永磁電機，因為傳統(tǒng)非直驅(qū)方式需要中間傳動環(huán)節(jié)，限制了系統(tǒng)的精度與效率。直驅(qū)永磁電機直接驅(qū)動負載，其運行的可靠性對系統(tǒng)的安全非常重要，繞組匝間短路故障是其中一種重要的影響因素。因為直驅(qū)永磁電機為了提高力密度通常運行于高電磁負荷狀態(tài)，該故障會導(dǎo)致過大的短路環(huán)電流與三相不對稱，從而會影響電機的性能。

直驅(qū)永磁電機包括旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與直線結(jié)構(gòu)，兩者近年來都成為了研究熱點，尤其是后者，因為其能夠為應(yīng)用設(shè)備提供精確快速的直線運動，不僅克服了傳統(tǒng)方式的不足，而且具有高推力密度、高速、高加速度與高精度的優(yōu)點，成為高檔數(shù)控機床、半導(dǎo)體加工設(shè)備、高速物流與無繩電梯等設(shè)備的關(guān)鍵驅(qū)動部件[1]。

直驅(qū)永磁直線電機(PMLM)為了獲得高推力密度，一般初級都采用有鐵芯結(jié)構(gòu)來獲得盡可能大的氣隙磁場，該結(jié)構(gòu)也是目前的研究熱點。研究的主要內(nèi)容包括極槽配合、拓撲結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計、驅(qū)動控制、故障分析等。極槽配合主要研究的是近槽配合對平均推力與推力波動的影響，其采用端部非重疊繞組，具有高容錯性[2]；拓撲結(jié)構(gòu)研究除了常規(guī)的結(jié)構(gòu)，還有雙邊型結(jié)構(gòu)、橫向磁通結(jié)構(gòu)、多相結(jié)構(gòu)等，其中雙邊型結(jié)構(gòu)是常見提高推力密度的方式[3]；優(yōu)化設(shè)計的主要目標是平均推力、推力波動等，采用的優(yōu)化方法有深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)克里金、粒子群等[4-7]；驅(qū)動控制主要研究抑制推力波動的高性能控制策略[8]；故障分析較多的是退磁故障、相繞組開路與短路故障[9-11]，目前針對初級繞組匝間短路故障的研究還較少。

本文以一種單邊型高推力密度直驅(qū)PMLM為研究對象來研究直驅(qū)永磁電機的匝間短路故障?；谟邢拊椒ǎ⒘嗽验g短路故障仿真模型，分析了額定速度時初級繞組不同短路匝數(shù)、不同短路位置時的電機性能，包括平均推力、推力波動、三相電流與短路環(huán)電流。研究結(jié)論將為直驅(qū)PMLM的故障診斷與容錯控制提供理論支持。

1 PMLM結(jié)構(gòu)

圖1顯示了高推力密度單邊型PMLM的結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 高推力密度PMLM的結(jié)構(gòu)示意圖

初級采用端部非重疊繞組，各個繞組互相獨立，次級是面貼式永磁體。為了提高系統(tǒng)的推力密度，獲得高磁負荷，該PMLM氣隙長度很小。額定連續(xù)電流設(shè)計值為20 A，此時推力密度(單位氣隙面積的推力)為2.6 N/cm2。

表1 單邊型PMLM結(jié)構(gòu)參數(shù)

PMLM橫向邊端效應(yīng)比較小，因此采用2D有限元模型就可以計算其磁場與性能，如圖2所示?；谠撃Ｐ停涂梢杂嬎愕玫娇蛰d氣隙磁密，在圖2位置下初級長度范圍內(nèi)的空載氣隙磁密幅值如圖3所示，其平均值為0.7925 T。顯然，該電機的平均氣隙磁密較高，但是兩端的氣隙磁密較小，中間部分也較小，前者是端部效應(yīng)的影響，后者受到齒槽效應(yīng)的影響。

圖2 高推力密度PMLM的2D有限元模型

圖3 初級長度范圍內(nèi)的空載氣隙磁密波形

如果有某一個線圈發(fā)生匝間短路故障，則該線圈中有部分線圈就直接短路，稱為短路環(huán)，剩余部分仍然能夠輸入電流產(chǎn)生推力。短路環(huán)會產(chǎn)生短路電流，其值由氣隙磁場作用下的感應(yīng)電動勢與漏阻抗來決定，前者與短路環(huán)匝數(shù)成正比，后者的漏電抗與短路環(huán)匝數(shù)平方成正比。該電機中氣隙磁密高，所以感應(yīng)電動勢大，可以推斷在短路環(huán)匝數(shù)少時短路環(huán)電流會很大，將大大超過額定電流，同時短路相的相電流也隨之增大，從而會導(dǎo)致電機的溫升增加，三相不對稱也會惡化電機的力性能?？梢酝茰y，該影響與短路匝數(shù)、短路位置相關(guān)，其影響程度需要通過有限元計算來分析。

2 故障仿真模型

PMLM匝間短路的有限元模型可以在圖2正常運行模型的基礎(chǔ)進行修改。由表1可知，每個線圈匝數(shù)是48，當(dāng)匝間短路匝數(shù)是M時，仍然能正常工作的匝數(shù)是48-M。在仿真模型中，當(dāng)M<48時，發(fā)生短路故障的這個線圈分成兩部分，M匝構(gòu)成短路環(huán)，同時為其設(shè)置電阻與端部漏感值；剩余正常工作線圈是(48-M)匝。當(dāng)M=48時，該線圈直接設(shè)置成短路環(huán)，此時該相繞組就少了一個線圈。

圖4顯示了匝間短路故障時候的有限元模型，繞組從左到右的排列方式為ACBACB。圖中顯示了A相繞組左端第一個線圈發(fā)生匝間短路故障。模型中，初級為定子，繞組采用Y接，輸入額定頻率的三相對稱電壓，磁極為動子，運行速度為2.4 m/s。如果初級繞組匝間短路匝數(shù)不同或者發(fā)生在其他線圈，只需要在圖4的模型中修改短路線圈的位置與匝數(shù)就可以。

在故障分析時，在匝間短路故障前后保持三相輸入電壓不變。由于縱向端部效應(yīng)的影響，正常條件下PMLM的三相電流存在輕微的不對稱，而發(fā)生匝間短路故障后，三相電流的不對稱將變得更明顯。

圖4 A相繞組匝間短路故障的2D有限元模型

3 A相匝間短路的性能

圖5顯示了A相繞組1匝短路故障時的推力、三相電流與短路環(huán)電流。

由圖可見，端部A相繞組1匝出現(xiàn)匝間短路故障時，起動推力略微上升，但增加幅度很小，這是因為A相電流比正常情況下略有增加，但是由于短路匝數(shù)在總匝數(shù)中的比例很小，A相電流增加幅度不大，該結(jié)論可以由圖5(b)來驗證。B相電流與C相電流基本沒有變化，短路環(huán)電流則非常的大，其基本與A相電流反向，大小超過A相電流的20倍。因此，此時雖然推力略有增加，但是電機的損耗增大，會增大電機的溫升，尤其是短路環(huán)部分的溫升，惡化電機的性能。

圖5 A相端部繞組1匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

當(dāng)A相繞組左端的第一個線圈一半繞組(24匝)出現(xiàn)匝間短路故障時，在圖4模型中發(fā)生短路故障的線圈占原有線圈的一半，即短路線圈匝數(shù)與剩余線圈都是24，其分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 A相端部繞組24匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

由圖可見，端部A相繞組24匝出現(xiàn)匝間短路故障時，變化的規(guī)律與前面的1匝情況基本相同，但是變化幅度比1匝情況下更明顯。對推力而言，平均推力增大，推力波動也增大。對電流而言，不僅A相電流電流增大的比較大，而且B相與C相也出現(xiàn)了變化。具體來說，B相在相位上出現(xiàn)變化，C相在幅度上增大。短路環(huán)電流比1匝時大幅度減小，但是仍然大于額定電流，超過2倍以上。綜合來說，此時電機的損耗更大，推力波動越明顯。

當(dāng)A相繞組左端的第一個線圈47匝出現(xiàn)匝間短路故障時，此時該線圈就一匝仍然能夠正常工作，而短路環(huán)匝數(shù)是47匝，其分析結(jié)果如圖7所示。

由圖可見，平均推力已經(jīng)比24匝短路時由所下降，但是電流三相不對稱性更明顯，電路環(huán)電流只比相電流略大。

圖7 A相端部繞組47匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

可以推測，隨著短路匝數(shù)增加，推力先增大而后減小，電流三相不對性越來越明顯，不僅A相電流增大，C相電流也跟隨增大，但是短路環(huán)電流會逐漸降低。故障后繞組的銅耗增大，如果要維持繞組銅耗不變，則此時需要降低電源電壓，這樣起動推力就會降低，從而小于正常情況下的推力。

4 B相匝間短路的性能

位于初級左端的是A相繞組，而位于初級右端的是B相繞組。

圖8顯示了最右端B相繞組1匝短路故障時的推力、三相電流與短路環(huán)電流。由圖可見，出現(xiàn)故障的B相電流只略微增大，A相與C相電流基本保持不變，短路環(huán)電流基本是相電流的20倍。與前述A相繞組故障相比，影響比A相繞組故障時候要小。

圖9顯示了最右端B相繞組24匝短路故障時的推力、三相電流與短路環(huán)電流。此時，推力增大明顯，推力波動也變得明顯。A相與B相電流都增大。與A相繞組匝間短路時相比，短路環(huán)電流基本相同，平均推力則略微下降。

圖8 B相端部繞組1匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

圖9 B相端部繞組24匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

圖10顯示了最右端B相繞組47匝短路故障時的推力、三相電流與短路環(huán)電流。此時，平均推力略微增大，而推力波動也增大，但小于前述24匝的情況。A相與B相電流明顯增大，而短路環(huán)電流基本接近于相電流。

圖10 B相端部繞組47匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

端部的A相與B相繞組發(fā)生匝間短路故障時，雖然位置不同，但變化規(guī)律基本相同。相比較來說，B相繞組故障時影響略小。

5 C相匝間短路的性能

與A相、B相繞組不同，C相位于中間位置。圖11顯示了中間相C相繞組一個線圈出現(xiàn)1匝短路故障的推力、三相電流與短路環(huán)電流。由圖可見，此時的影響跟端部繞組故障基本相同。

圖11 C相端部繞組1匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

圖12、圖13顯示了中間相C相繞組一個線圈出現(xiàn)24匝、47匝短路故障的推力、三相電流與短路環(huán)電流。顯然此時跟端部繞組故障時出現(xiàn)了不同，此時平均推力增加，但推力波動基本沒有變化，短路環(huán)電流也增大了。

圖12 C相端部繞組24匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

圖13 C相端部繞組47匝故障時的力性能與短路環(huán)電流

6 結(jié) 論

本文基于有限元方法分析了直驅(qū)永磁直線電機(PMLM)的繞組匝間短路故障，分析表明：

(1)在短路匝數(shù)小時，短路環(huán)電流很大，最大時候超過相電流的20倍，這是因為PMLM的氣隙磁密高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大。隨著短路匝數(shù)增加，環(huán)路環(huán)電流將逐漸降低，這樣因為短路環(huán)感應(yīng)電動勢與匝數(shù)成正比，漏電抗與匝數(shù)平方成正比。

(2)短路故障導(dǎo)致三相電流不對稱，隨著短路匝數(shù)增加，不僅故障相電流增加，另外兩相也將出現(xiàn)大小或相位的變化。

(3)隨著短路匝數(shù)的增加，平均推力先增大，然后再減小，先增大是因為阻抗減小導(dǎo)致相電流增大；后減小是短路環(huán)電流與三相不對稱性電流產(chǎn)生的阻力增大。

(4)短路故障位置對電機性能會產(chǎn)生影響，中間相繞組與端部繞組相比，平均推力增大略多．推力波動小，其基本跟正常情況下相同。