基于Maxwell 2D 的UUV 容錯推進電機匝間短路故障研究

張 明

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，宜昌443003)

0 引 言

水下無人航行器(以下簡稱UUV)現已廣泛采用全電推進系統，UUV 電力推進系統必須具備很強的安全可靠性和容錯性，其中的容錯推進電機又是UUV 整個推進系統的核心部分，因此，在實際使用中要求容錯電機具有快速切斷故障相、保證系統在一定時間內繼續運行的能力。

系統對容錯電機故障做出及時準確的響應是建立在對電機故障的準確檢測基礎上的。電機的內部故障同外部故障相比，外部故障一般比較明顯，而內部故障有時不易察覺［1］。電樞繞組匝間短路就是一種常見內部故障，而且在短路匝數很少的情況下，其外部征更是非常微弱［2］。

對這類故障的分析方法大致可以歸結為以下三種:解析法、實驗法和有限元法。實驗法直觀準確，但是代價高、周期長，在實際工程應用中很少采用;解析法由于自身的限制，僅適用于相對較為簡單的系統的計算和建模，對于復雜系統精確計算和建模實現難度較大;有限元法雖然對計算機性能有一定的要求，但和前兩種方法相比具有明顯的經濟性、靈活性和方便性等優勢，在電氣工程方面的應用十分廣泛。

本文采用有限元法(FEA)，基于Ansoft 公司專業電磁計算軟件Maxwell 2D，首先建立了UUV 容錯推進電機電樞繞組無故障情況下以及發生匝間短路故障情況下的兩種有限元模型，然后仿真和分析了水下無人航行器(UUV)容錯推進電機在故障狀態和無故障狀態兩種情況下內部磁場的變化情況，最后，使用快速傅里葉變換(FFT)對有限元仿真結果進行了處理和分析，為容錯推進電機匝間短路故障特征的提取以及容錯推進電機繞組切換提供了理論依據。

1 電機有限元分析(FEA)模型的建立

1.1 模型建立前提條件

(1)在模型建立過程中采用二維磁場模擬實際容錯電機磁場;

(2)使用二維磁場對電機進行模擬計算，電樞繞組的端部效應被作忽略處理;

(3)在建模過程中忽略電機外部磁場，將電樞鐵心外表面圓周作近似處理，設置為零矢位面。

(4)不計交變磁場的渦流效應。

1.2 電機幾何模型的生成

本文運用Ansoft Maxwell 2D 軟件對容錯電機進行有限元分析計算，該軟件支持2D 以及3D 畫圖，但是要求對軟件本身功能非常熟悉，對畫圖者要求較高，效率較低。常用的方法有兩種:一是利用Autocad 或者Solidworks 等繪圖軟件繪制出電機的幾何圖形，然后導入到Maxwell 2D;二是利用RMxprt 獲得電機的精確模型，然后再導入Maxwell 2D 進行FEM 計算。本文采用的是第二種方法。

本文中容錯電機樣機的主要參數如表1 所示。

表1 樣機主要參數

1.3 驅動電路模型

該容錯電機是無刷直流電動機的一種，因而需要采用逆變電路作為激勵源。另外，樣機的兩個余度是互為熱備份的，所以本文需要采用兩套獨立的逆變電路對其供電。場路耦合示意圖如圖1 所示。

圖1 場路耦合示意圖

2 容錯推進電機電樞繞組匝間短路故障模型的建立

在UUV 容錯推進電機電樞繞組發生匝間短路故障的情況下，電樞繞組阻抗必然由此產生相應的變化，因而UUV 容錯推進電機故障的程度可以通過容錯推進電機故障后的阻抗參數進行近似的計算和模擬。在無故障情況下容錯推進電機電樞繞組的相電阻可以表示:

式中:ρ 表示導線的電阻率;lav表示電樞繞組的線圈半匝平均長度;N 表示電樞繞組每相串聯匝數;a 表示每相繞組的并聯支路數;Nt表示繞組并繞根數;d表示電樞繞組漆包線的直徑。

在本文中取X 作為發生短路故障的線圈數目，在UUV 容錯推進電機電樞繞組的X 匝線圈發生匝間短路故障的情況下，由式(1)得到發生電樞繞組匝間短路故障后的電樞繞組故障相相電阻，可以表示:

由式(2)可知，UUV 容錯推進電機匝間短路的嚴重程度可以通過短路匝數X 進行間接反映，短路匝數X 越大則表示容錯推進電機匝間短路故障越嚴重，反之則表示容錯推進電機匝間短路故障較輕。在本模型中，繞組并繞根數Nt取1，發生短路的線圈數X 取2。

3 仿真結果及其分析

圖2、圖3 分別為正常情況下與A 相短路2 匝0.03 s 時的磁密分布云圖。由兩圖可知，正常情況下磁場峰值為1. 964 6 T，匝間短路故障時則為1.948 3 T，降低了0.83%。圖4、圖5 分別為正常情況下與A 相短路2 匝0.03 s 時的磁力線分布圖。故障情況下峰值磁密減小為正常情況下的98.48%。由此可知，UUV 容錯推進電機匝間短路故障發生后，電樞鐵心內部磁場被削弱的同時，電機氣隙磁場也在不同程度上被削弱。經過分析對比可以認為，鐵心內部磁場以及氣隙磁場的削弱主要歸結于推進電機電樞繞組的對稱狀態被打破，與無匝間短路故障的情況相比，推進電機內部磁場的諧波分量增強，最終使推進電機電樞鐵心磁場和氣隙磁場同時得到了削弱。

圖2 正常情況下0.03 s 時磁密分布云圖

圖3 A 相短路2 匝0.03 s 時磁密分布云圖

圖4 正常情況下0.03 s 時磁力線分布圖

圖5 A 相短路2 匝0.03 s 時時磁力線分布圖

容錯電機匝間短路故障是內部故障，故障發生時，其外部特征非常微弱，因而對這類故障的檢測分析具有較大的難度。本文針對匝間短路故障，運用FFT 頻譜分析，獲得了樣機各相感應電勢故障前后的諧波含量(其中所指的故障是:額定工況下A 相繞組2 匝短路，其余B，C 以及A1，B1，C1正常)，結果如圖6 ～圖11 所示。

圖6 A 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

圖7 B 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

圖8 C 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

圖9 A1 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

圖10 B1 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

圖11 C1 相感應電勢在故障發生前后諧波含量

對比上述頻譜分析結果可發現，匝間短路故障發生后A，B，C 各相感應電動勢基波分量所占比重明顯下降。2 匝短路故障發生后，樣機轉速變化只有0.003 5%，因而感應電動勢的減小主要是由電機磁場減弱引起的。

雖然A，B，C 和A1，B1，C1均以星形連接、互相獨立，但是樣機本身的結構造成了A 與A1，B 與B1，C 與C1間的強耦合，因而A，B，C 三相因短路故障造成感應電勢減小同時，由于A 與A1，B 與B1，C 與C1間的強耦合，A1，B1，C1三相的感應電動勢也出現了大致相同程度的減小。

4 結 語

UUV 容錯推進電機電樞繞組發生匝間短路故障后，在故障程度較輕的故障初期故障的診斷是較為困難的。這主要是由于容錯推進電機繞組匝間短路故障的外部特征相對一般故障而言比較隱蔽，難于觀察和檢測，另外，容錯推進電機繞組匝間短路故障的特征數據較為匱乏也是造成目前狀況的一方面因素。

本文采用有限元方法(FEA)、基于Ansoft 公司專業電磁計算軟件Maxwell 2D 對UUV 容錯推進電機正常工況和發生繞組匝間短路故障工況分別進行了有限元仿真和計算，有限元仿真計算的結果與相關文獻所述結果相吻合，一方面證明了本文模型的正確與有效，另一方面又為UUV 容錯推進電機電樞繞組匝間短路故障的分析和判斷提供了重要的特征量數據，為容錯電機早期的故障預測提供了依據。

［1］ 張敬，李穎暉，朱喜華.基于Maxwell 2D 的同步發電機定子繞組匝間短路故障研究［J］.微電機，2010，43(11):27 -31.

［2］ 張文敏，黃海，蔡憑.多相永磁電動機定子繞組短路故障動態分析［J］.防爆電機，2007，42(5):35 -40.

［3］ 趙小鵬，劉景林，付朝陽.冗余式高壓直流無刷電機建模及仿真［J］.微電機，2010，43(9):9 -12.

［4］ 武玉才，李永剛，萬書亭，等.汽輪發電機轉子匝間短路故障下的諧波檢測［J］.電網技術，2008，32(13):30 -34.

［5］ 周會軍，丁文，魚振民.基于Maxwell 2D 的開關磁阻電動機的仿真研究［J］.微特電機，2007，35(3):11 -12，16.

［6］ 付永領，肖琳琳，齊海濤，等.航空高速雙繞組無刷直流電機的建模仿真［J］.電機與控制應用，2010，34(3):7 -12.

［7］ 方紅偉，夏長亮，修杰. 定子繞組匝間短路時發電機電磁轉矩分析［J］.中國電機工程學報，2007，27(15):83 -87.

［8］ FU Zhao-yang，LIU Jing-lin，ZHAO Xiao-peng. Finite element analysis of novel dual-redundancy high voltage BLDCM［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2010，28(1):37 -41.

［9］ LIU Jing-lin，FU Zhao-yang，ZHAO Xiao-peng.Magnetic-thermal coupling analysis of Dual-redundancy BLDCM［C］//9th International Conference on Electronic Measurement＆Instruments.2009，2:802 -805.