張 明

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(jiǎn)稱UUV)現(xiàn)已廣泛采用全電推進(jìn)系統(tǒng)，UUV 電力推進(jìn)系統(tǒng)必須具備很強(qiáng)的安全可靠性和容錯(cuò)性，其中的容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)又是UUV 整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的核心部分，因此，在實(shí)際使用中要求容錯(cuò)電機(jī)具有快速切斷故障相、保證系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行的能力。

系統(tǒng)對(duì)容錯(cuò)電機(jī)故障做出及時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)是建立在對(duì)電機(jī)故障的準(zhǔn)確檢測(cè)基礎(chǔ)上的。電機(jī)的內(nèi)部故障同外部故障相比，外部故障一般比較明顯，而內(nèi)部故障有時(shí)不易察覺［1］。電樞繞組匝間短路就是一種常見內(nèi)部故障，而且在短路匝數(shù)很少的情況下，其外部征更是非常微弱［2］。

對(duì)這類故障的分析方法大致可以歸結(jié)為以下三種:解析法、實(shí)驗(yàn)法和有限元法。實(shí)驗(yàn)法直觀準(zhǔn)確，但是代價(jià)高、周期長(zhǎng)，在實(shí)際工程應(yīng)用中很少采用;解析法由于自身的限制，僅適用于相對(duì)較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的計(jì)算和建模，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)精確計(jì)算和建模實(shí)現(xiàn)難度較大;有限元法雖然對(duì)計(jì)算機(jī)性能有一定的要求，但和前兩種方法相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和方便性等優(yōu)勢(shì)，在電氣工程方面的應(yīng)用十分廣泛。

本文采用有限元法(FEA)，基于Ansoft 公司專業(yè)電磁計(jì)算軟件Maxwell 2D，首先建立了UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組無故障情況下以及發(fā)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(cuò)推進(jìn)電機(jī)在故障狀態(tài)和無故障狀態(tài)兩種情況下內(nèi)部磁場(chǎng)的變化情況，最后，使用快速傅里葉變換(FFT)對(duì)有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了處理和分析，為容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)匝間短路故障特征的提取以及容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)繞組切換提供了理論依據(jù)。

1 電機(jī)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(chǎng)模擬實(shí)際容錯(cuò)電機(jī)磁場(chǎng);

(2)使用二維磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，電樞繞組的端部效應(yīng)被作忽略處理;

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

(4)不計(jì)交變磁場(chǎng)的渦流效應(yīng)。

1.2 電機(jī)幾何模型的生成

本文運(yùn)用Ansoft Maxwell 2D 軟件對(duì)容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，該軟件支持2D 以及3D 畫圖，但是要求對(duì)軟件本身功能非常熟悉，對(duì)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(jī)的幾何圖形，然后導(dǎo)入到Maxwell 2D;二是利用RMxprt 獲得電機(jī)的精確模型，然后再導(dǎo)入Maxwell 2D 進(jìn)行FEM 計(jì)算。本文采用的是第二種方法。

本文中容錯(cuò)電機(jī)樣機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 樣機(jī)主要參數(shù)

1.3 驅(qū)動(dòng)電路模型

該容錯(cuò)電機(jī)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的一種，因而需要采用逆變電路作為激勵(lì)源。另外，樣機(jī)的兩個(gè)余度是互為熱備份的，所以本文需要采用兩套獨(dú)立的逆變電路對(duì)其供電。場(chǎng)路耦合示意圖如圖1 所示。

圖1 場(chǎng)路耦合示意圖

2 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組匝間短路故障模型的建立

在UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組發(fā)生匝間短路故障的情況下，電樞繞組阻抗必然由此產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因而UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)故障的程度可以通過容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)故障后的阻抗參數(shù)進(jìn)行近似的計(jì)算和模擬。在無故障情況下容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組的相電阻可以表示:

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

在本文中取X 作為發(fā)生短路故障的線圈數(shù)目，在UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組的X 匝線圈發(fā)生匝間短路故障的情況下，由式(1)得到發(fā)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(cuò)推進(jìn)電機(jī)匝間短路的嚴(yán)重程度可以通過短路匝數(shù)X 進(jìn)行間接反映，短路匝數(shù)X 越大則表示容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)匝間短路故障越嚴(yán)重，反之則表示容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)匝間短路故障較輕。在本模型中，繞組并繞根數(shù)Nt取1，發(fā)生短路的線圈數(shù)X 取2。

3 仿真結(jié)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(shí)的磁密分布云圖。由兩圖可知，正常情況下磁場(chǎng)峰值為1. 964 6 T，匝間短路故障時(shí)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(shí)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(cuò)推進(jìn)電機(jī)匝間短路故障發(fā)生后，電樞鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)被削弱的同時(shí)，電機(jī)氣隙磁場(chǎng)也在不同程度上被削弱。經(jīng)過分析對(duì)比可以認(rèn)為，鐵心內(nèi)部磁場(chǎng)以及氣隙磁場(chǎng)的削弱主要?dú)w結(jié)于推進(jìn)電機(jī)電樞繞組的對(duì)稱狀態(tài)被打破，與無匝間短路故障的情況相比，推進(jìn)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的諧波分量增強(qiáng)，最終使推進(jìn)電機(jī)電樞鐵心磁場(chǎng)和氣隙磁場(chǎng)同時(shí)得到了削弱。

圖2 正常情況下0.03 s 時(shí)磁密分布云圖

圖3 A 相短路2 匝0.03 s 時(shí)磁密分布云圖

圖4 正常情況下0.03 s 時(shí)磁力線分布圖

圖5 A 相短路2 匝0.03 s 時(shí)時(shí)磁力線分布圖

容錯(cuò)電機(jī)匝間短路故障是內(nèi)部故障，故障發(fā)生時(shí)，其外部特征非常微弱，因而對(duì)這類故障的檢測(cè)分析具有較大的難度。本文針對(duì)匝間短路故障，運(yùn)用FFT 頻譜分析，獲得了樣機(jī)各相感應(yīng)電勢(shì)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(jié)果如圖6 ～圖11 所示。

圖6 A 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

圖7 B 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

圖8 C 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

圖9 A1 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

圖10 B1 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

圖11 C1 相感應(yīng)電勢(shì)在故障發(fā)生前后諧波含量

對(duì)比上述頻譜分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，匝間短路故障發(fā)生后A，B，C 各相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基波分量所占比重明顯下降。2 匝短路故障發(fā)生后，樣機(jī)轉(zhuǎn)速變化只有0.003 5%，因而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的減小主要是由電機(jī)磁場(chǎng)減弱引起的。

雖然A，B，C 和A1，B1，C1均以星形連接、互相獨(dú)立，但是樣機(jī)本身的結(jié)構(gòu)造成了A 與A1，B 與B1，C 與C1間的強(qiáng)耦合，因而A，B，C 三相因短路故障造成感應(yīng)電勢(shì)減小同時(shí)，由于A 與A1，B 與B1，C 與C1間的強(qiáng)耦合，A1，B1，C1三相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也出現(xiàn)了大致相同程度的減小。

4 結(jié) 語

UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)電樞繞組發(fā)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(cuò)推進(jìn)電機(jī)繞組匝間短路故障的外部特征相對(duì)一般故障而言比較隱蔽，難于觀察和檢測(cè)，另外，容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)繞組匝間短路故障的特征數(shù)據(jù)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(yè)電磁計(jì)算軟件Maxwell 2D 對(duì)UUV 容錯(cuò)推進(jìn)電機(jī)正常工況和發(fā)生繞組匝間短路故障工況分別進(jìn)行了有限元仿真和計(jì)算，有限元仿真計(jì)算的結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)所述結(jié)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(cuò)推進(jìn)電機(jī)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(shù)據(jù)，為容錯(cuò)電機(jī)早期的故障預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

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