高速磁浮列車長定子軌道幾種故障情況的分析

羅茹丹，吳峻，王智仁

高速磁浮列車長定子軌道幾種故障情況的分析

羅茹丹，吳峻，王智仁

(國防科技大學 智能科學學院，湖南 長沙 410073)

與輪軌交通不同，高速磁浮列車軌道是一種同步直線電機的長定子，其因長距離露天鋪設，有可能會出現定子電纜下掛、定子電纜絕緣層破損、鐵芯環氧層老化破裂以及定子段間大錯牙等故障情況，這些故障將直接影響列車的安全高效運行。為了實現上述故障的快速檢測，以磁場為研究對象，對高速磁浮長定子電機及其軌道進行建模，仿真分析上述故障情況下的行波磁場，探討主漏磁場與故障之間的規律，其中電纜下掛和鐵芯環氧層老化破裂故障對應行波磁場的減弱，極端情況下減弱程度為25%；繞組絕緣層破損造成三相短路故障對應行波磁場強度增大近5倍，5和7次諧波也更加明顯；軌道不同方向錯牙故障對應行波磁場幅值的不同大小變化，當上下偏移3 mm時，變化程度約為10%，這些規律為后續的軌道故障檢測工作提供理論依據。

高速磁浮列車；軌道故障檢測；行波主漏磁場；電磁場分析

高速磁浮列車是一種通過電磁懸浮方式沿軌道實現“零高度高速飛行”的交通工具，目前已有成熟的商業運營線，其中，包括懸浮導向系統在內的磁浮車輛技術已經成熟。但是，隨著進一步推廣和應用，高速磁浮線路軌道研究的重要性逐漸凸顯。與其他軌道交通相比，高速磁浮的線路軌道具有獨特性，它實際上是一種同步直線電機的長定子，在車輛的懸浮導向及其牽引系統中承擔著重要作用，它的狀態好壞直接影響車輛運行的穩定性、安全性以及舒適性。其中，長定子軌道的不平順、鐵芯表面的環氧層破裂、鐵芯片間短路故障以及牽引電纜破損或下掛直接關系到懸浮、牽引系統有效運行，在高速磁浮交通日常維護管理中需重點關注。目前對磁浮軌道的檢測和維護與輪軌列車軌道類似，由于軌道幾何參數是軌道檢測維護的基礎，大都比較關注軌道本身的線路幾何參數的檢測[1?3]，但高速磁浮軌道是同步直線電機的長定子，由鐵芯和鑲嵌其中的三相繞組構成，用于產生與懸浮電磁鐵作用而牽引磁浮列車平穩快速前進的行波磁場，所以高速磁浮軌道比普通輪軌軌道增加了電磁特性，只檢測軌道的幾何尺寸參數是不全面的，對高速磁浮軌道的故障檢測實際上應該是一種直線同步電機定子故障的檢測。直線同步電機定子故障大致分為疊片故障和定子繞組故障[4]。其中對定子繞組內部故障檢測的研究較多，通常采用繞組函數法或等效磁路法建立直線同步電機模型進行參數辨識而對故障進行診斷[5?7]，該方法對故障模型的要求較高。定子的疊片故障和繞組的老化故障一般表現為缺陷和絕緣層故障，通常采用環路磁通法、紅外熱成像法等進行檢測[8]，該方法只適用于離線的靜態檢測。除此之外，與旋轉電機類似，直線同步電機的故障檢測還可以是基于信號檢測的故障診斷[9?10]，該方法對電機初期故障的檢測比較有效，對維護電機免發生更大的事故有重要的意義。高速磁浮長定子軌道不同于常規直線電機定子，其繞組為單匝的高壓電纜，鑲嵌于定子鐵芯中，除繞組的內部故障外，還可能發生定子電纜下掛的故障；另外長定子鐵芯是360片0.5 mm厚的硅鋼片疊壓制成，鐵芯的老化可能會引發硅鋼片間短路故障；此外高速磁浮長定子軌道采用分段拼接式結構，會發生定子段之間的軌道大錯牙等故障。這些故障，尤其是電氣故障，會表現在由定子產生的行波磁場上，成為一種微弱磁信號，通過檢測這種微弱的磁信號可以實現對定子故障的檢測，近年來隨著虛擬儀器和電子器件的不斷發展，利用諧波小波等研究成果指導檢測微弱信號成為一種比較簡單的方法，且目前磁敏傳感器的發展比較迅速，常見的霍爾傳感器靈敏度可達8.3 mV/Gs，量程范圍0~10，精度可達10?6。所以利用高靈敏度的磁敏傳感器對故障造成的行波磁場微弱信號偏差進行檢測成為一種檢測軌道故障的可行方法，同時對行波磁場的檢測可以做到實時和非接觸，故基于行波磁場檢測的高速磁浮軌道故障診斷不失為一種高效的故障診斷方法。由于磁浮列車懸浮氣隙過小，氣隙中磁場環境又較為復雜，為了安全起見，多點檢測傳感器均布置在懸浮磁鐵之外，即利用檢測電機行波主漏磁場實現對故障的檢測。本文以行波主漏磁場為特征量進行分析，討論上述幾種故障情況下的行波主漏磁場情況，為后續基于行波磁場的長定子軌道的故障診斷提供理論依據，有助于彌補前文所述只研究軌道幾何參數的不足，更深層次的對軌道的檢測與維護進行研究。

1 行波主漏磁場計算分析

1.1 行波主漏磁場理論計算

如圖1所示，定子繞組產生的磁場分為2類：列車覆蓋區域的定子磁場參與能量轉換，它與勵磁磁極共同作用形成主磁場；而無列車覆蓋區域的定子磁場則不參與能量轉換，通過外部空氣形成閉合回路，僅與定子繞組相交鏈成為主漏磁場。主磁場中磁場情況比較復雜，其中的懸浮磁場對行波磁場的干擾最大，而主漏磁場中干擾較少，便于對行波磁場的檢測，僅以無列車覆蓋區域的主漏磁場進行分析。

圖1 定子磁場示意圖

圖2 等效計算模型

計算邊界條件為：

1) 鐵芯磁導率為無窮大，轉子的標量磁位為0；即圖2中=0時，=0。

式中：1為匝數；為定子電流；P為極對數。

根據磁場與磁位關系計算得定子表面處磁 場為

(為諧波次數)等效計算模型計算結果如圖3所示，行波磁場表現為其在和向分量上為幅值大小約為0.028、周期為2τ(2倍定子極距)的正弦波，且其因齒槽原因存在高次諧波[12]，其中第5和7次諧波較為明顯。

1.2 行波主漏磁場有限元仿真計算

長定子仿真模型如圖4所示，由鐵芯和三相繞組組成，鐵芯材料為硅鋼片，繞組材料為鋁，匝數為1匝，通入幅值為1 200 A，相位各相差120°的三相正弦交流電，設定電機同步速度為150 km/h，根據=2，需通入電流的頻率為80.75 Hz，選取2對磁極進行仿真，設定車輛的運行方向為軸正方向，軌道覆蓋區域是從=0 m到=1.032 m。根據高速磁浮列車懸浮間隙為10 mm，設距離定子齒下表面10 mm處(圖中=10 mm)為參考線，仿真模型的具體尺寸如表1所示。

圖3 行波磁場解析計算

圖4 長定子軌道仿真模型

表1 長定子軌道模型尺寸

磁通密度分布情況如圖5所示，行波主漏磁場在空氣和鐵芯中形成閉合回路，由于空氣與鐵芯磁導率相差很大，磁力線主要集中于鐵芯內部，而空氣中的磁場則表現較為發散，其分布區域幾乎是有動子磁極位置的4倍。

圖5 磁通密度分布

行波主漏磁場仿真結果如圖6所示，橫軸對應坐標，縱軸表示磁通密度向分量，與理論計算基本一致，行波磁場為周期性分布，周期為2倍定子極距，波形有比較明顯諧波分量，對其進行頻譜分析，5和7次諧波分量較大，其中5次諧波占比約60%。

圖6 行波主漏磁場仿真

2 定子電纜下掛故障分析

如圖7所示，長定子繞組由單匝的輸配電的高壓電纜構成。這種電纜結構的繞組在列車運行一段時間后可能會發生電纜下掛的現象，下掛的電纜會導致牽引系統效率的降低，嚴重時電纜與磁浮列車接觸發生刮擦而影響磁浮列車的運行安全。這種故障一般出現于高壓直線大電機中，目前沒有對此類故障進行檢測研究的文獻，在旋轉電機中，定子電纜下掛對應定子繞組導線發生偏移，但介于2種電機結構的不同，旋轉電機的定子繞組偏移故障檢測方法不具有參考性[13]。行波磁場由三相定子繞組直接產生，磁場波形包含了定子條件的全部信息，因此可以通過對行波磁場的連續監測來達到對此類故障檢測的目的。

圖7 同步直線電機的長定子

定子齒槽結構如圖8所示，電纜截面認為是圓形，則定子槽可以分為2部分，即電流域與無源域，因為只有電流域發揮作用產生磁場，所以定子電纜的下掛，對磁場的影響主要體現在槽中電流面域的減小。

圖8 定子齒槽示意圖

假設鐵芯磁導率為無窮大，忽略電纜繞組絕緣層厚度以及定子下掛漏出齒槽部分對磁場的影響，計算定子電纜下掛1 mm，則齒槽中的電流面域減小1.232 2×10?5m2，由于趨附效應，趨膚深度計算為9.42 mm，則電纜未下掛時有效電流面積為9.938×10?4m2，相當于減少電流10.48 A，根據1.1中的磁通密度計算公式，其值減少為原來的0.87%。定子電纜不同的下掛程度對磁場強度的影響如圖9 所示。

圖9 定子電纜下掛對磁場強度的影響

由圖9可知，磁場強度隨定子電纜下掛距離的增大而逐漸衰減，由于定子電纜下掛出的部分也會產生磁場，而理論計算是以忽略電纜下掛出的部分對磁場的影響為前提，所以當定子電纜下掛的距離較大時，其求解的值比仿真值要大一些。

3 定子絕緣層破損故障分析

定子繞組電纜結構如圖10所示，為電氣屏蔽和傳導接地電流，長定子電纜繞組中設計有金屬屏蔽層，而該屏蔽層中因通入三相交流電而產生渦流，且隨電流頻率的增大而迅速上升，這一特點導致因速度的提升而易導致金屬屏蔽層中渦流幅值增大進而產生較高的溫度致使繞組絕緣層的老化，絕緣層耐壓值也會隨著老化程度的加深而降低，尤其與定子槽接觸的部分渦流較大，容易發生破損故障，當繞組絕緣層發生破損時，電纜中的導芯將直接與鐵芯接觸發生單相接地故障[14]；單相接地故障比較容易產生弧光而導致發生三相繞組短路，定子繞組的三相短路對同步電機的運行是一種嚴重的威脅，所以對三相繞組的突然短路分析有重要的意義。

圖10 定子繞組電纜結構示意圖

三相繞組的短路問題可以利用疊加原理進行分析，即認為不是發生了短路，而是在原來穩態運行的定子端上加上了與原來電壓大小相等方向相反的三相電壓，若忽略電樞繞組中電阻的影響，短路發生后，三相短路電流產生純去磁磁勢，該磁勢在三相繞組中產生的磁鏈與主磁鏈大小相等，方向相反。定子三相繞組中磁鏈可表示為[15]：

式中：0為主磁鏈。

短路發生后，磁鏈可表示為：

式中：為衰減時間常數，由繞組的電阻和電感 決定。

未被磁極覆蓋的電樞繞組電感由自由空間的電樞反應電感、諧波漏感、定子槽漏感和端部漏感4項組成，可分別由式(3)進行計算得到[11]：

式中：為極對數；n為匝數；為鐵芯寬度；為槽比漏磁導；為端部比漏磁導。

等效端部繞組為半圓形，且導體截面積考慮截面積，則繞組電阻計算公式為[16]：

式中：為常溫下導體電阻率；01為導體截面積；b為定子鐵芯寬度；為極距。

長定子繞組采用分段式供電，定子長度取決于線路坡度、速度及加速度，平均約為1 200 m。其額定電壓(相)為4 250 V，額定電流(相)為1 200 A[14]，如圖11所示，采用電路和有限元區域耦合的方式仿真三相短路狀態電流情況，仿真結果如圖12所示，短路時刻為0.07 s，三相電流在0.075 s左右達到峰值電流，之后逐漸趨于穩定，其中最大短路電流可達到正常電流的10倍左右，最終穩態電流是正常電流的5倍左右。

圖11 有限元區域與電路的耦合

圖12 三相短路電流仿真

利用Maxwell有限元仿真三相繞組突然短路和之后穩態的磁場情況，如圖13所示，三相繞組發生短路故障，其行波磁場波形不變，幅值與繞組電流大小呈正相關而分別增大近10倍和5倍左右，相位不發生變化，由齒槽原因導致的高次諧波現象更加明顯。

圖13 三相繞組短路磁場分析

4 鐵芯老化故障分析

長定子鐵芯采用360片厚度為0.5 mm的硅鋼疊片疊壓制成，長期惡劣的工作環境會導致鐵芯發生老化故障，其通常表現為鐵芯絕緣層的破損而發生硅鋼片間短路故障，此時在交流磁通的作用下，發生短路的鐵芯部分比其他部分因為導體面積變大而使得電阻值降低進而導致產生比較大的渦流損耗降低電機的運行效率，嚴重時，鐵芯會發熱而發生局部融化。

硅鋼片間短路故障通常因片間絕緣層老化導致，而實踐證明，絕緣剩余壽命與運行時間并無明顯的線性關系，所以硅鋼片間短路故障的檢測需要定期的檢測與分析。硅鋼片間短路故障引起的鐵芯渦流幅值隨短路疊片的增加而不斷增加，一定幅值的鐵芯渦流會影響定子繞組產生的行波磁場，同時增大鐵芯損耗，減弱直線電機的推力。

在頻域下，磁性疊片的研究問題常利用Berotti損耗分離法，將總磁芯損耗分解為靜態磁滯損耗P，經典渦流損耗P和異常損耗P[17]：

式中：為激勵頻率；B為磁密的幅值；k為磁滯損耗系數；k為渦流損耗系數；k為異常損耗系數。

其中，渦流損耗系數公式為

式中：為電導率；為硅鋼片的厚度。所以硅鋼片發生片間短路，其厚度的增加將導致鐵芯渦流損耗的急劇增加。

假設標準正弦波磁場勵磁，則渦流損耗導致的磁場強度和磁滯磁場強度可由式(6)得出[18]：

忽略異常損耗導致的磁場強度部分，根據安培環路定理的微分方式可得[19]：

式中：0為真空磁導率，該式中雙旋度的時間微分項，避免刻畫渦流場的微觀結構，正確反映了硅鋼疊片材料中渦流效應對繞組磁化電流的抵消作用。

如圖14所示，建立一對極的三維長定子軌道的仿真模型，為仿真硅鋼片間短路情況，分別對鐵芯材料的電導率采用各項同性和各項異性設置[20]，其中各項同性電導率材料設置表示鐵芯為一個整體，模擬硅鋼片間短路情況，各項異性電導率材料設置表示正常的鐵芯疊片情況。以距離鐵芯定子齒下表面10 mm處中心線為參考線，仿真不同數量硅鋼片短路異常情況如圖15所示。

圖14 三維仿真模型

圖15 不同程度鐵芯片間短路異常情況的行波主漏磁場仿真

Fig. 15 Simulation of magnetic field with different degrees of short circuit between sheets

仿真結果顯示磁通密度隨發生短路情況的硅鋼片數量的增多而減小，對應前文分析所述硅鋼疊片材料中渦流效應對繞組磁化電流的抵消作用。

5 軌道錯牙故障分析

高速磁浮的長定子軌道采取拼接式的結構，這種結構易導致軌道發生定子段大錯牙故障，而由于無動子磁極的行波磁場比較發散，行波磁場的幅值大小與其位置到軌道齒下表面的距離密切相關，且隨距離的增大而變化梯度較為明顯，所以當發生軌道上下偏移故障時，由于行波磁場檢測裝置的位置不變，其與軌道齒的下表面距離發生變化，進而導致檢測到的行波磁場發生變化，其表現為軌道向上偏移，檢測位置行波磁場幅值變小，軌道向下偏移，檢測位置行波磁場幅值增大。

軌道不同偏移距離對應參考線位置磁場的表現仿真如表2所示。

表2 軌道不同偏移距離的磁場仿真結果

建立簡化單相繞組仿真模型，討論軌道發生左右偏移故障的磁場情況以及三相繞組因閉合而伸出軌道外部分對行波磁場的影響，如圖16所示，等效繞組伸出軌道部分為半圓形。參考面采用平行且距離鐵芯齒下表面10 mm的平面，仿真其磁通密度情況如圖17所示。

圖16 簡化版仿真模型

圖中虛線部分正對軌道下方，仿真結果顯示，參考面處虛線內的磁通密度的分布沿方向的變化不大，而伸出軌道外邊界外的磁場衰減比較大，其中當距離軌道外邊界10 mm處的參考面磁場與中間位置處磁場相比較衰減有52 Gs。由此可得出 結論：

1) 氣隙磁場主要集中于正對軌道下方，伸出軌道外邊界的繞組對氣隙磁場的影響較小；2) 軌道下方正對的磁通密度的分布沿方向的變化不大，所以利用等效二維模型對行波磁場的仿真是有效的；3) 當軌道發生左右位置偏移故障時，可以通過檢測沿方向上不同位置的磁敏傳感器來實現，即正常時，所有磁敏傳感器均處于軌道下方正對的氣隙磁場處，測量結果差距不大，而發生左右偏離故障時，處于邊緣與中間位置的磁敏傳感器的檢測數值差距較大。

圖17 參考面磁通密度仿真

6 結論

1) 定子電纜下掛故障導致行波磁場的幅值大小隨下掛距離的增大而減小，其中下掛距離4 mm時，行波磁場幅值減小18 Gs。

2) 定子繞組突然發生三相短路故障導致定子電流瞬時達到原電流10倍之后穩定于原電流5倍大小，行波磁場幅值大小與定子電流成正比變化。

3) 鐵芯老化導致的絕緣層破損而發生的硅鋼片片間短路故障導致短路處硅鋼片內感應渦流增大，渦流對繞組磁化電流具有抵消作用，仿真180 mm厚硅鋼片發生短路故障時行波磁場幅值減小約50 Gs。

4) 軌道發生上下偏移故障時，行波磁場幅值隨向上偏移距離的增大而減小，隨向下偏移距離的增大而增大，其中偏移3 mm時，行波磁場幅值變化25 Gs左右；軌道發生左右偏移故障時，正對軌道部分的行波磁場幅值變化較小，伸出軌道部分的磁場衰減較為嚴重，其中距離軌道外邊界10 mm處的行波磁場衰減約52 Gs。

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Analysis and research on several faults of high speed Maglev train long stator track

LUO Rudan, WU Jun, WANG Zhiren

(College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The track of the high-speed maglev train is a long stator of a synchronous linear motor system which is very different from the wheel-rail traffic. It is laid with a long distance in the open air. Due to various factors, there may be a stator cable under the suspension and a stator cable insulation. Various failure modes such as breakage, aging of the core and large faults between the stator segments, these faults will affect the safe operation of the train. In the long-distance orbital condition, in order to realize the rapid detection of the above faults, the magnetic field was taken as the object, the long stator motor of the high speed maglev train and its orbit were modeled. The performance of the traveling wave magnetic field under the above fault mode was simulated and analyzed. The law between the performance of the main leakage magnetic field and the fault was discussed. The failure of the cable hanging and the aging crack of the iron core layer corresponds to the weakening of the traveling wave magnetic field by 25%; the damage of the winding insulation layer causes the three-phase short- circuit fault to increase the intensity of the traveling wave magnetic field by nearly 5 times, and the 5th and 7th harmonics are also more obvious; the different magnitudes of the traveling magnetic field amplitude corresponds to the track malocclusion in different directions of the orbit. When the upper and lower offset is 3 mm, the degree of change is about 10%. These rules provide a theoretical basis for the subsequent detection of the track fault.

high-speed Maglev train; track fault detection; main leakage magnetic field of the traveling wave; electromagnetic field analysis

TM341

A

1672 ? 7029(2019)11? 2658 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.003

2019?03?03

“十三五”國家重點研發計劃資助項目(2016YFB1200602-40)

吳峻(1973?)，男，江西玉山人，研究員，博士，從事磁懸浮技術研究；E?mail：wujun2008@nudt.edu.cn

(編輯 蔣學東)