基于Maxwell 2D 的UUV 容错推进电机匝间短路故障研究

张 明

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，宜昌443003)

0 引 言

水下无人航行器(以下简称UUV)现已广泛采用全电推进系统，UUV 电力推进系统必须具备很强的安全可靠性和容错性，其中的容错推进电机又是UUV 整个推进系统的核心部分，因此，在实际使用中要求容错电机具有快速切断故障相、保证系统在一定时间内继续运行的能力。

系统对容错电机故障做出及时准确的响应是建立在对电机故障的准确检测基础上的。电机的内部故障同外部故障相比，外部故障一般比较明显，而内部故障有时不易察觉［1］。电枢绕组匝间短路就是一种常见内部故障，而且在短路匝数很少的情况下，其外部征更是非常微弱［2］。

对这类故障的分析方法大致可以归结为以下三种:解析法、实验法和有限元法。实验法直观准确，但是代价高、周期长，在实际工程应用中很少采用;解析法由于自身的限制，仅适用于相对较为简单的系统的计算和建模，对于复杂系统精确计算和建模实现难度较大;有限元法虽然对计算机性能有一定的要求，但和前两种方法相比具有明显的经济性、灵活性和方便性等优势，在电气工程方面的应用十分广泛。

本文采用有限元法(FEA)，基于Ansoft 公司专业电磁计算软件Maxwell 2D，首先建立了UUV 容错推进电机电枢绕组无故障情况下以及发生匝间短路故障情况下的两种有限元模型，然后仿真和分析了水下无人航行器(UUV)容错推进电机在故障状态和无故障状态两种情况下内部磁场的变化情况，最后，使用快速傅里叶变换(FFT)对有限元仿真结果进行了处理和分析，为容错推进电机匝间短路故障特征的提取以及容错推进电机绕组切换提供了理论依据。

1 电机有限元分析(FEA)模型的建立

1.1 模型建立前提条件

(1)在模型建立过程中采用二维磁场模拟实际容错电机磁场;

(2)使用二维磁场对电机进行模拟计算，电枢绕组的端部效应被作忽略处理;

(3)在建模过程中忽略电机外部磁场，将电枢铁心外表面圆周作近似处理，设置为零矢位面。

(4)不计交变磁场的涡流效应。

1.2 电机几何模型的生成

本文运用Ansoft Maxwell 2D 软件对容错电机进行有限元分析计算，该软件支持2D 以及3D 画图，但是要求对软件本身功能非常熟悉，对画图者要求较高，效率较低。常用的方法有两种:一是利用Autocad 或者Solidworks 等绘图软件绘制出电机的几何图形，然后导入到Maxwell 2D;二是利用RMxprt 获得电机的精确模型，然后再导入Maxwell 2D 进行FEM 计算。本文采用的是第二种方法。

本文中容错电机样机的主要参数如表1 所示。

表1 样机主要参数

1.3 驱动电路模型

该容错电机是无刷直流电动机的一种，因而需要采用逆变电路作为激励源。另外，样机的两个余度是互为热备份的，所以本文需要采用两套独立的逆变电路对其供电。场路耦合示意图如图1 所示。

图1 场路耦合示意图

2 容错推进电机电枢绕组匝间短路故障模型的建立

在UUV 容错推进电机电枢绕组发生匝间短路故障的情况下，电枢绕组阻抗必然由此产生相应的变化，因而UUV 容错推进电机故障的程度可以通过容错推进电机故障后的阻抗参数进行近似的计算和模拟。在无故障情况下容错推进电机电枢绕组的相电阻可以表示:

式中:ρ 表示导线的电阻率;lav表示电枢绕组的线圈半匝平均长度;N 表示电枢绕组每相串联匝数;a 表示每相绕组的并联支路数;Nt表示绕组并绕根数;d表示电枢绕组漆包线的直径。

在本文中取X 作为发生短路故障的线圈数目，在UUV 容错推进电机电枢绕组的X 匝线圈发生匝间短路故障的情况下，由式(1)得到发生电枢绕组匝间短路故障后的电枢绕组故障相相电阻，可以表示:

由式(2)可知，UUV 容错推进电机匝间短路的严重程度可以通过短路匝数X 进行间接反映，短路匝数X 越大则表示容错推进电机匝间短路故障越严重，反之则表示容错推进电机匝间短路故障较轻。在本模型中，绕组并绕根数Nt取1，发生短路的线圈数X 取2。

3 仿真结果及其分析

图2、图3 分别为正常情况下与A 相短路2 匝0.03 s 时的磁密分布云图。由两图可知，正常情况下磁场峰值为1. 964 6 T，匝间短路故障时则为1.948 3 T，降低了0.83%。图4、图5 分别为正常情况下与A 相短路2 匝0.03 s 时的磁力线分布图。故障情况下峰值磁密减小为正常情况下的98.48%。由此可知，UUV 容错推进电机匝间短路故障发生后，电枢铁心内部磁场被削弱的同时，电机气隙磁场也在不同程度上被削弱。经过分析对比可以认为，铁心内部磁场以及气隙磁场的削弱主要归结于推进电机电枢绕组的对称状态被打破，与无匝间短路故障的情况相比，推进电机内部磁场的谐波分量增强，最终使推进电机电枢铁心磁场和气隙磁场同时得到了削弱。

图2 正常情况下0.03 s 时磁密分布云图

图3 A 相短路2 匝0.03 s 时磁密分布云图

图4 正常情况下0.03 s 时磁力线分布图

图5 A 相短路2 匝0.03 s 时时磁力线分布图

容错电机匝间短路故障是内部故障，故障发生时，其外部特征非常微弱，因而对这类故障的检测分析具有较大的难度。本文针对匝间短路故障，运用FFT 频谱分析，获得了样机各相感应电势故障前后的谐波含量(其中所指的故障是:额定工况下A 相绕组2 匝短路，其余B，C 以及A1，B1，C1正常)，结果如图6 ～图11 所示。

图6 A 相感应电势在故障发生前后谐波含量

图7 B 相感应电势在故障发生前后谐波含量

图8 C 相感应电势在故障发生前后谐波含量

图9 A1 相感应电势在故障发生前后谐波含量

图10 B1 相感应电势在故障发生前后谐波含量

图11 C1 相感应电势在故障发生前后谐波含量

对比上述频谱分析结果可发现，匝间短路故障发生后A，B，C 各相感应电动势基波分量所占比重明显下降。2 匝短路故障发生后，样机转速变化只有0.003 5%，因而感应电动势的减小主要是由电机磁场减弱引起的。

虽然A，B，C 和A1，B1，C1均以星形连接、互相独立，但是样机本身的结构造成了A 与A1，B 与B1，C 与C1间的强耦合，因而A，B，C 三相因短路故障造成感应电势减小同时，由于A 与A1，B 与B1，C 与C1间的强耦合，A1，B1，C1三相的感应电动势也出现了大致相同程度的减小。

4 结 语

UUV 容错推进电机电枢绕组发生匝间短路故障后，在故障程度较轻的故障初期故障的诊断是较为困难的。这主要是由于容错推进电机绕组匝间短路故障的外部特征相对一般故障而言比较隐蔽，难于观察和检测，另外，容错推进电机绕组匝间短路故障的特征数据较为匮乏也是造成目前状况的一方面因素。

本文采用有限元方法(FEA)、基于Ansoft 公司专业电磁计算软件Maxwell 2D 对UUV 容错推进电机正常工况和发生绕组匝间短路故障工况分别进行了有限元仿真和计算，有限元仿真计算的结果与相关文献所述结果相吻合，一方面证明了本文模型的正确与有效，另一方面又为UUV 容错推进电机电枢绕组匝间短路故障的分析和判断提供了重要的特征量数据，为容错电机早期的故障预测提供了依据。

［1］ 张敬，李颖晖，朱喜华.基于Maxwell 2D 的同步发电机定子绕组匝间短路故障研究［J］.微电机，2010，43(11):27 -31.

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