羅茹丹，吳峻，張云洲

高速磁浮軌道長定子鐵心片間短路故障的研究

羅茹丹1, 2，吳峻1，張云洲1

(1. 國防科技大學 智能科學學院，湖南 長沙 410073；2. 寧波中車時代傳感技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315000)

針對搭載式高速磁浮軌道綜合檢測系統(tǒng)擬采用磁場檢測方法實現(xiàn)長定子鐵心片間短路故障檢測的需求，建立長定子與懸浮電磁鐵的二維和三維渦流場模型。綜合車輛運行姿態(tài)的變化，分析研究鐵心片間短路故障時長定子牽引行波主漏磁場的表現(xiàn)和規(guī)律。研究結(jié)果表明：片間短路造成的渦流既影響行波主漏磁場疊片方向分量的對稱性，也削弱行波主漏磁場垂向分量，其衰減約為20～300 Gs；電磁鐵的懸浮漏磁場沿車輛運行方向呈指數(shù)衰減，距離電磁鐵200 mm以外的行波主漏磁場不受影響；車輛懸浮與導向波動影響搭載式磁場檢測的結(jié)果，其變化范圍為±75 Gs，車輛側(cè)滾及俯仰變化對搭載式磁場檢測影響較小。這些結(jié)果為利用行波主漏磁場的變化實現(xiàn)非接觸地快速檢測定位鐵心片間短路故障提供了理論依據(jù)。

高速磁浮軌道；長定子鐵心；片間短路；電磁場分析；有限元

隨著高速磁浮列車的不斷推廣和應用，保障其安全運行的磁浮軌道檢測研究的重要性逐漸凸顯。由薄硅鋼片疊壓制成的高速磁浮軌道為長距離露天高架鋪設(shè)，與傳統(tǒng)輪軌交通的軌道明顯不同，它是一種同步直線牽引電機系統(tǒng)的長定子，主要由分段拼接的、環(huán)氧封裝的定子鐵心、定子電纜以及功能件組成，是磁浮牽引系統(tǒng)和運控系統(tǒng)的重要組成部分[1]。列車運行時，不可避免地存在磕碰、腐蝕以及老化，這些因素容易導致長定子鐵心的環(huán)氧包裹層出現(xiàn)破裂脫落，定子鐵心暴露在空氣和雨水中，硅鋼片間就會出現(xiàn)銹蝕短路故障，進一步的，在交變磁場作用下易感應出渦流，出現(xiàn)發(fā)熱、局部融化，導致短路情況進一步惡化，同時也破壞故障點附近定子繞組的絕緣，引發(fā)其他隱患，導致列車運行穩(wěn)定性和安全性出現(xiàn)問題。隱藏于長距離露天高架鋪設(shè)的磁浮軌道的定子鐵心故障非常細微，出現(xiàn)的可能性及數(shù)量也不明確，迫切需要一種有效、快速的檢測方法。旋轉(zhuǎn)電機定子鐵心短路故障檢測大多采用基于繞組信號處理手段，該方法無法適用于高速磁浮軌道長距離露天鋪設(shè)的特殊情況[2]。針對同步、異步直線電機匝間短路故障通常采用建立電機故障建模[3]，利用多模型匹配的方法實現(xiàn)故障檢測，也不適用于電磁系統(tǒng)復雜的高速磁浮軌道故障檢測。磁浮軌道長距離高架鋪設(shè)的特點也決定了傳統(tǒng)鐵損法、電磁感應法、導波成像法等靜態(tài)檢測方法[4?7]根本無法實施，必須設(shè)計搭載式測量設(shè)備，隨車運行，提取故障狀態(tài)時磁場的特征，據(jù)此進行快速故障診斷。如圖1所示，由于磁浮列車懸浮氣隙較小，安全起見，將動態(tài)檢測裝置安裝于列車尾部懸浮磁鐵端部之外，檢測該區(qū)域的磁場變化，該區(qū)域磁場為定子行波的漏磁場，將其定義為“行波主漏磁場”。端部懸浮電磁鐵勵磁產(chǎn)生的懸浮磁場，在無列車覆蓋區(qū)域會存在泄漏，對行波主漏磁場的檢測產(chǎn)生影響，將其定義為“懸浮漏磁場”。搭載式磁場檢測系統(tǒng)與懸浮電磁鐵端部固連，其檢測對象實質(zhì)是定子面下測量點的行波主漏磁場，其測量值的大小及沿疊壓方向的對稱性與定子的故障情況相關(guān)。行波主漏磁場的檢測還受端部懸浮漏磁場及車輛姿態(tài)變化的影響，包括懸浮波動、導向波動、側(cè)滾和俯仰。車輛姿態(tài)的變化改變了懸浮磁鐵、磁場采樣系統(tǒng)與長定子軌道之間的空間位置關(guān)系，會影響到懸浮漏磁場與行波主漏磁場的分布和變化，因此，除了分析發(fā)生故障后測量點行波主漏磁場的變化，還需考慮懸浮漏磁場及車輛姿態(tài)變化對磁場檢測的影響[8]。本文采用搭載式的磁敏傳感器陣列對行波主漏磁場進行測量，在解析計算的基礎(chǔ)上，對高速磁浮軌道長定子及端部懸浮電磁鐵建立了2D和3D綜合仿真模型，在相同激勵條件下對片間短路故障與正常情況測量點的行波主漏磁場的特征進行研究和干擾分析，為利用行波主漏磁場的變化實現(xiàn)非接觸地快速檢測定位該類型故障提供了理論依據(jù)。

圖1 搭載式動態(tài)檢測方法示意圖

1 長定子片間短路解析計算

高速磁浮牽引磁場是一種似穩(wěn)場，軌道片間短路故障區(qū)域，鐵心可等效成一整塊硅鋼片，由于故障區(qū)域的源電流為單一固定方向，且鐵心幾何、物理參數(shù)延電流方向均無變化，所以該區(qū)域的電磁場求解可轉(zhuǎn)化為二維渦流場問題的求解[9?10]。

選用矢量磁位作為未知函數(shù)，不考慮位移電流，假設(shè)定子電流方向為齒槽方向，且硅鋼片工作在線性區(qū)域，可得：

式中：J為源電流密度；J為渦流密度；為磁導率；為電導率，利用矢量磁位表示未知的渦流密度，則式(1)與(2)可統(tǒng)一寫成

其中，源電流密度可表示為[11]

為匝數(shù)；I為原定子電流的幅值；為極對數(shù)；為定子極距。

忽略定子繞組的集膚效應與渦流效應，聯(lián)立式(3)和式(4)得到鐵心渦流情況為[12]

根據(jù)式(1)，同時聯(lián)立式(4)～(5)，可得行波主漏磁場為：

圖2 不同程度故障下行波主漏磁場解析結(jié)果

2 長定子有限元分析模型建立

如圖3所示，建立高速磁浮長定子軌道2D和3D模型。根據(jù)磁浮列車實際懸浮要求，設(shè)置懸浮電磁鐵為25 A直流激勵，線圈匝數(shù)270匝，繞組材料為鋁；設(shè)置長定子1 200 A交流激勵，線圈匝數(shù)1匝，繞組材料為鋁，考慮集膚效應，繞組類型為solid，考慮長定子線纜的絕緣皮，線纜與定子并未完全接觸。根據(jù)150 km/h的軌檢速度，即電機同步速度，得到長定子需通入的電流頻率為80.75 Hz。高速磁浮列車正常的懸浮間隙為10 mm，選取處于長定子下方10 mm處為參考面，分析行波主漏磁場的特征。

2.1 長定子硅鋼片間短路故障的等效與簡化

(a) 不同尺寸故障仿真模型；(b) 懸浮電磁鐵及長定子綜合仿真模型

式中：，為定子鐵心軛部高度和鐵心的厚度；為鐵心硅鋼片的厚度；

圖4 等效模型示意圖

出現(xiàn)片間短路故障，相當于單硅鋼疊片厚度增加，單硅鋼片的電導率設(shè)置是各向同性的，故障模型如圖5所示，為故障的硅鋼片的厚度。

圖5 硅鋼片間短路故障模型

3 片間短路故障的仿真分析

3.1 不同尺寸短路故障特征分析

針對不同數(shù)量硅鋼片的故障情況，仿真分析得到參考面的磁場強度如圖6所示，隨著故障數(shù)量的不斷增加，故障位置對應的磁通密度被逐漸削弱，與解析結(jié)果一致。同時，故障位置的不對稱嚴重影響了磁通密度在參考面上的對稱規(guī)律，呈現(xiàn)從非故障區(qū)域到故障區(qū)逐漸減小的趨勢，如圖7，從向可以直觀的看到這種趨勢。當長定子硅鋼片全部發(fā)生短路故障時，參考面磁通密度恢復對稱性，其大小減小約300 Gs。

針對長定子硅鋼片短路時行波主漏磁場強度的變化及沿疊壓方向的對稱分布特征，可設(shè)計相應的故障檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對定子片間短路故障的檢測。

(a) 正常疊片；(b) 1 mm故障；(c) 5 mm故障；(d) 10 mm故障；(e) 50 mm故障；(f) 180 mm故障

圖7 硅鋼片1 mm短路故障仿真結(jié)果

此外，上述規(guī)律受定子電流激勵頻率的影響不大，在車輛運行速度范圍內(nèi)，以此為基礎(chǔ)的故障檢測系統(tǒng)都可適用。

3.2 懸浮漏磁場對片間短路故障檢測的影響

如圖8所示，隨磁場檢測系統(tǒng)逐漸遠離懸浮電磁鐵，懸浮漏磁場呈指數(shù)快速衰減，在200 mm外，懸浮漏磁場強度降至200 Gs左右，行波主漏磁場隨懸浮漏磁場的衰減逐漸穩(wěn)定在50～350 Gs之間。

除此之外，在懸浮漏磁場衰減過程中，定子齒槽的存在，使其產(chǎn)生了周期約86 mm的穩(wěn)定波動，幅值約20 Gs；相比2D模型，3D模型的仿真結(jié)果中，行波主漏磁場強度穩(wěn)定范圍有所增加，且存在明顯的尖峰特性，其來源于定子線纜與定子齒槽間縫隙。

(a) 2D模型懸浮漏磁場衰減情況；(b) 3D模型懸浮漏磁場衰減情況

根據(jù)懸浮漏磁場指數(shù)衰減特征，可將磁場檢測系統(tǒng)置于200 mm外，避免懸浮漏磁場的影響，采集較穩(wěn)定的行波主漏磁場，進行片間短路故障檢測。

3.3 車體姿態(tài)的變化對搭載式磁場檢測的影響

車體姿態(tài)的變化實質(zhì)上是懸浮電磁鐵與定子面相對位置的改變，分別針對8～12 mm的懸浮波動，6～14 mm的導向波動，0.6°側(cè)滾及1°俯仰進行仿真，結(jié)果如下。

如圖9和圖10所示，故障情況下測量點行波主漏磁場平穩(wěn)變化，無尖峰特性，在不同程度的懸浮、導向波動下，與正常狀態(tài)均有明顯的100 Gs幅值差，與解析結(jié)果一致，見圖2。

8～12 mm懸浮波動下，測量點行波主漏磁場幅值變化10 Gs以內(nèi)，峰值處變化范圍為±75 Gs。相比懸浮波動，導向波動引起的影響較小，約4 Gs，峰值處變化范圍為?50～0 Gs。

(a) 2D模型懸浮波動仿真結(jié)果(故障：556～731 mm)；(b) 3D模型懸浮波動仿真結(jié)果(故障：213～696 mm)

圖10 導向波動對行波主漏磁場檢測的影響

磁浮列車懸浮電磁鐵的側(cè)滾范圍為±0.6°，俯仰范圍為±1°。以懸浮間隙10 mm，導向間隙8 mm為標準位置，懸浮電磁鐵發(fā)生0.6°的側(cè)滾時，懸浮間隙波動為1.57 mm，導向波動為0.012 mm；發(fā)生1°俯仰時，導向無波動，懸浮間隙變化取決于磁場檢測系統(tǒng)的尺寸，假設(shè)磁敏陣列長500 mm，則俯仰導致的懸浮間隙波動為8.73 mm，綜合圖9～10可將懸浮電磁鐵側(cè)滾0.6°對行波主漏磁場沿行進方向的影響等效為±1.57 mm的懸浮波動影響，將俯仰1°對行波主漏磁場的影響等效為8.73 mm的懸浮波動影響。

(a) 無側(cè)滾；(b) 側(cè)滾0.6°

如圖11和圖12所示，懸浮電磁鐵的側(cè)滾對行波主漏磁場沿疊壓方向的對稱性影響較小，兩側(cè)幅值相差約4～43 Gs；俯仰主要影響行波主漏磁場測量點沿行進方向的幅值大小，約15～20 Gs。這二者均可通過懸浮間隙的監(jiān)測值進行修正，減小懸浮電磁鐵側(cè)滾和俯仰對測量結(jié)果造成的影響。

(a) 無俯仰；(b) 俯仰1°

4 結(jié)論

1) 硅鋼片間短路造成的渦流隨短路片數(shù)的增多而增大，大幅度減弱了測量點行波主漏磁場的幅值，影響約20～300 Gs；非全故障狀態(tài)磁場測量值沿疊片方向存在明顯的非對稱性，磁通密度從正常區(qū)域到故障區(qū)域呈遞減趨勢。

2) 懸浮漏磁場沿車輛運行方向快速衰減，可將磁場檢測系統(tǒng)設(shè)置于距離懸浮電磁鐵200 mm外，以減小對行波主漏磁場檢測的影響。

3) 車輛的懸浮、導向波動對測量點行波主漏磁場的幅值存在±75 Gs的影響，側(cè)滾和俯仰的影響相對較小，均可轉(zhuǎn)化為懸浮間隙波動影響。

綜上所述，可根據(jù)結(jié)論1，設(shè)計相應的磁場檢測系統(tǒng)，利用發(fā)生故障時行波主漏磁場測量值幅值大幅度下降的特點進行故障定位，再利用對稱檢測原理對發(fā)生短路疊片的數(shù)量進行估計，便于檢修；根據(jù)結(jié)論2和3，對磁場檢測系統(tǒng)進行合理性布局及抗干擾設(shè)計，實現(xiàn)利用行波主漏磁場的變化進行非接觸地快速檢測定位。

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Research on short circuit fault between long stator core pieces of high-speed maglev track

LUO Rudan1, 2, WU Jun1, ZHANG Yunzhou1

(1. College of Intelligent Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. Ningbo CRRC Times Transducer Technology Co., Ltd., Ningbo 315000, China)

Aiming at the requirement of the mounted high-speed maglev track comprehensive detection system to use magnetic field detection methods to detect short-circuit faults between long stator core pieces, two-dimensional and three-dimensional eddy current field models of long stators and suspended electromagnets were established to integrate changes in vehicle operating attitudes. The behavior and law of the main leaked magnetic field of the long stator traction traveling wave during the short-circuit fault between the core pieces were analyzed and studied. The simulation shows that the eddy current caused by the inter-chip short circuit not only affects the symmetry of the lamination direction component of the traveling wave main leaked magnetic field, but also weakens the vertical component of the traveling wave main leaked magnetic field, and its attenuation is about 20～300 Gs; The running direction of the vehicle is exponentially attenuated, and the main leaked magnetic field of the traveling wave 200 mm away from the electromagnet is not affected; the vehicle’s suspension and guidancefluctuations affect the result of the mounted magnetic field detection, and its variation range is ±75 Gs. The vehicle roll and pitch change have little influence on mounted magnetic field detection. These results provide a theoretical basis for the rapid non-contact detection and location of this type of faults using the change of the main leaked magnetic field of the traveling wave.

track for high-speed maglev; long stator core; inter-chip short circuit; electromagnetic field analysis; finite element

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200560

TM341

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0853 ? 08

2020?06?17

十三五國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB1200602-40)

吳峻(1973?)，男，江西玉山人，教授，博士，從事電磁懸浮與電磁彈射研究；E?mail：wujun2008@nudt.edu.cn

(編輯 蔣學東)