高速磁浮轨道长定子铁心片间短路故障的研究

罗茹丹，吴峻，张云洲

高速磁浮轨道长定子铁心片间短路故障的研究

罗茹丹1, 2，吴峻1，张云洲1

(1. 国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073；2. 宁波中车时代传感技术有限公司，浙江 宁波 315000)

针对搭载式高速磁浮轨道综合检测系统拟采用磁场检测方法实现长定子铁心片间短路故障检测的需求，建立长定子与悬浮电磁铁的二维和三维涡流场模型。综合车辆运行姿态的变化，分析研究铁心片间短路故障时长定子牵引行波主漏磁场的表现和规律。研究结果表明：片间短路造成的涡流既影响行波主漏磁场叠片方向分量的对称性，也削弱行波主漏磁场垂向分量，其衰减约为20～300 Gs；电磁铁的悬浮漏磁场沿车辆运行方向呈指数衰减，距离电磁铁200 mm以外的行波主漏磁场不受影响；车辆悬浮与导向波动影响搭载式磁场检测的结果，其变化范围为±75 Gs，车辆侧滚及俯仰变化对搭载式磁场检测影响较小。这些结果为利用行波主漏磁场的变化实现非接触地快速检测定位铁心片间短路故障提供了理论依据。

高速磁浮轨道；长定子铁心；片间短路；电磁场分析；有限元

随着高速磁浮列车的不断推广和应用，保障其安全运行的磁浮轨道检测研究的重要性逐渐凸显。由薄硅钢片叠压制成的高速磁浮轨道为长距离露天高架铺设，与传统轮轨交通的轨道明显不同，它是一种同步直线牵引电机系统的长定子，主要由分段拼接的、环氧封装的定子铁心、定子电缆以及功能件组成，是磁浮牵引系统和运控系统的重要组成部分[1]。列车运行时，不可避免地存在磕碰、腐蚀以及老化，这些因素容易导致长定子铁心的环氧包裹层出现破裂脱落，定子铁心暴露在空气和雨水中，硅钢片间就会出现锈蚀短路故障，进一步的，在交变磁场作用下易感应出涡流，出现发热、局部融化，导致短路情况进一步恶化，同时也破坏故障点附近定子绕组的绝缘，引发其他隐患，导致列车运行稳定性和安全性出现问题。隐藏于长距离露天高架铺设的磁浮轨道的定子铁心故障非常细微，出现的可能性及数量也不明确，迫切需要一种有效、快速的检测方法。旋转电机定子铁心短路故障检测大多采用基于绕组信号处理手段，该方法无法适用于高速磁浮轨道长距离露天铺设的特殊情况[2]。针对同步、异步直线电机匝间短路故障通常采用建立电机故障建模[3]，利用多模型匹配的方法实现故障检测，也不适用于电磁系统复杂的高速磁浮轨道故障检测。磁浮轨道长距离高架铺设的特点也决定了传统铁损法、电磁感应法、导波成像法等静态检测方法[4−7]根本无法实施，必须设计搭载式测量设备，随车运行，提取故障状态时磁场的特征，据此进行快速故障诊断。如图1所示，由于磁浮列车悬浮气隙较小，安全起见，将动态检测装置安装于列车尾部悬浮磁铁端部之外，检测该区域的磁场变化，该区域磁场为定子行波的漏磁场，将其定义为“行波主漏磁场”。端部悬浮电磁铁励磁产生的悬浮磁场，在无列车覆盖区域会存在泄漏，对行波主漏磁场的检测产生影响，将其定义为“悬浮漏磁场”。搭载式磁场检测系统与悬浮电磁铁端部固连，其检测对象实质是定子面下测量点的行波主漏磁场，其测量值的大小及沿叠压方向的对称性与定子的故障情况相关。行波主漏磁场的检测还受端部悬浮漏磁场及车辆姿态变化的影响，包括悬浮波动、导向波动、侧滚和俯仰。车辆姿态的变化改变了悬浮磁铁、磁场采样系统与长定子轨道之间的空间位置关系，会影响到悬浮漏磁场与行波主漏磁场的分布和变化，因此，除了分析发生故障后测量点行波主漏磁场的变化，还需考虑悬浮漏磁场及车辆姿态变化对磁场检测的影响[8]。本文采用搭载式的磁敏传感器阵列对行波主漏磁场进行测量，在解析计算的基础上，对高速磁浮轨道长定子及端部悬浮电磁铁建立了2D和3D综合仿真模型，在相同激励条件下对片间短路故障与正常情况测量点的行波主漏磁场的特征进行研究和干扰分析，为利用行波主漏磁场的变化实现非接触地快速检测定位该类型故障提供了理论依据。

图1 搭载式动态检测方法示意图

1 长定子片间短路解析计算

高速磁浮牵引磁场是一种似稳场，轨道片间短路故障区域，铁心可等效成一整块硅钢片，由于故障区域的源电流为单一固定方向，且铁心几何、物理参数延电流方向均无变化，所以该区域的电磁场求解可转化为二维涡流场问题的求解[9−10]。

选用矢量磁位作为未知函数，不考虑位移电流，假设定子电流方向为齿槽方向，且硅钢片工作在线性区域，可得：

式中：J为源电流密度；J为涡流密度；为磁导率；为电导率，利用矢量磁位表示未知的涡流密度，则式(1)与(2)可统一写成

其中，源电流密度可表示为[11]

为匝数；I为原定子电流的幅值；为极对数；为定子极距。

忽略定子绕组的集肤效应与涡流效应，联立式(3)和式(4)得到铁心涡流情况为[12]

根据式(1)，同时联立式(4)～(5)，可得行波主漏磁场为：

图2 不同程度故障下行波主漏磁场解析结果

2 长定子有限元分析模型建立

如图3所示，建立高速磁浮长定子轨道2D和3D模型。根据磁浮列车实际悬浮要求，设置悬浮电磁铁为25 A直流激励，线圈匝数270匝，绕组材料为铝；设置长定子1 200 A交流激励，线圈匝数1匝，绕组材料为铝，考虑集肤效应，绕组类型为solid，考虑长定子线缆的绝缘皮，线缆与定子并未完全接触。根据150 km/h的轨检速度，即电机同步速度，得到长定子需通入的电流频率为80.75 Hz。高速磁浮列车正常的悬浮间隙为10 mm，选取处于长定子下方10 mm处为参考面，分析行波主漏磁场的特征。

2.1 长定子硅钢片间短路故障的等效与简化

(a) 不同尺寸故障仿真模型；(b) 悬浮电磁铁及长定子综合仿真模型

式中：，为定子铁心轭部高度和铁心的厚度；为铁心硅钢片的厚度；

图4 等效模型示意图

出现片间短路故障，相当于单硅钢叠片厚度增加，单硅钢片的电导率设置是各向同性的，故障模型如图5所示，为故障的硅钢片的厚度。

图5 硅钢片间短路故障模型

3 片间短路故障的仿真分析

3.1 不同尺寸短路故障特征分析

针对不同数量硅钢片的故障情况，仿真分析得到参考面的磁场强度如图6所示，随着故障数量的不断增加，故障位置对应的磁通密度被逐渐削弱，与解析结果一致。同时，故障位置的不对称严重影响了磁通密度在参考面上的对称规律，呈现从非故障区域到故障区逐渐减小的趋势，如图7，从向可以直观的看到这种趋势。当长定子硅钢片全部发生短路故障时，参考面磁通密度恢复对称性，其大小减小约300 Gs。

针对长定子硅钢片短路时行波主漏磁场强度的变化及沿叠压方向的对称分布特征，可设计相应的故障检测系统，实现对定子片间短路故障的检测。

(a) 正常叠片；(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

图7 硅钢片1 mm短路故障仿真结果

此外，上述规律受定子电流激励频率的影响不大，在车辆运行速度范围内，以此为基础的故障检测系统都可适用。

3.2 悬浮漏磁场对片间短路故障检测的影响

如图8所示，随磁场检测系统逐渐远离悬浮电磁铁，悬浮漏磁场呈指数快速衰减，在200 mm外，悬浮漏磁场强度降至200 Gs左右，行波主漏磁场随悬浮漏磁场的衰减逐渐稳定在50～350 Gs之间。

除此之外，在悬浮漏磁场衰减过程中，定子齿槽的存在，使其产生了周期约86 mm的稳定波动，幅值约20 Gs；相比2D模型，3D模型的仿真结果中，行波主漏磁场强度稳定范围有所增加，且存在明显的尖峰特性，其来源于定子线缆与定子齿槽间缝隙。

(a) 2D模型悬浮漏磁场衰减情况；(b) 3D模型悬浮漏磁场衰减情况

根据悬浮漏磁场指数衰减特征，可将磁场检测系统置于200 mm外，避免悬浮漏磁场的影响，采集较稳定的行波主漏磁场，进行片间短路故障检测。

3.3 车体姿态的变化对搭载式磁场检测的影响

车体姿态的变化实质上是悬浮电磁铁与定子面相对位置的改变，分别针对8～12 mm的悬浮波动，6～14 mm的导向波动，0.6°侧滚及1°俯仰进行仿真，结果如下。

如图9和图10所示，故障情况下测量点行波主漏磁场平稳变化，无尖峰特性，在不同程度的悬浮、导向波动下，与正常状态均有明显的100 Gs幅值差，与解析结果一致，见图2。

8～12 mm悬浮波动下，测量点行波主漏磁场幅值变化10 Gs以内，峰值处变化范围为±75 Gs。相比悬浮波动，导向波动引起的影响较小，约4 Gs，峰值处变化范围为−50～0 Gs。

(a) 2D模型悬浮波动仿真结果(故障：556～731 mm)；(b) 3D模型悬浮波动仿真结果(故障：213～696 mm)

图10 导向波动对行波主漏磁场检测的影响

磁浮列车悬浮电磁铁的侧滚范围为±0.6°，俯仰范围为±1°。以悬浮间隙10 mm，导向间隙8 mm为标准位置，悬浮电磁铁发生0.6°的侧滚时，悬浮间隙波动为1.57 mm，导向波动为0.012 mm；发生1°俯仰时，导向无波动，悬浮间隙变化取决于磁场检测系统的尺寸，假设磁敏阵列长500 mm，则俯仰导致的悬浮间隙波动为8.73 mm，综合图9～10可将悬浮电磁铁侧滚0.6°对行波主漏磁场沿行进方向的影响等效为±1.57 mm的悬浮波动影响，将俯仰1°对行波主漏磁场的影响等效为8.73 mm的悬浮波动影响。

(a) 无侧滚；(b) 侧滚0.6°

如图11和图12所示，悬浮电磁铁的侧滚对行波主漏磁场沿叠压方向的对称性影响较小，两侧幅值相差约4～43 Gs；俯仰主要影响行波主漏磁场测量点沿行进方向的幅值大小，约15～20 Gs。这二者均可通过悬浮间隙的监测值进行修正，减小悬浮电磁铁侧滚和俯仰对测量结果造成的影响。

(a) 无俯仰；(b) 俯仰1°

4 结论

1) 硅钢片间短路造成的涡流随短路片数的增多而增大，大幅度减弱了测量点行波主漏磁场的幅值，影响约20～300 Gs；非全故障状态磁场测量值沿叠片方向存在明显的非对称性，磁通密度从正常区域到故障区域呈递减趋势。

2) 悬浮漏磁场沿车辆运行方向快速衰减，可将磁场检测系统设置于距离悬浮电磁铁200 mm外，以减小对行波主漏磁场检测的影响。

3) 车辆的悬浮、导向波动对测量点行波主漏磁场的幅值存在±75 Gs的影响，侧滚和俯仰的影响相对较小，均可转化为悬浮间隙波动影响。

综上所述，可根据结论1，设计相应的磁场检测系统，利用发生故障时行波主漏磁场测量值幅值大幅度下降的特点进行故障定位，再利用对称检测原理对发生短路叠片的数量进行估计，便于检修；根据结论2和3，对磁场检测系统进行合理性布局及抗干扰设计，实现利用行波主漏磁场的变化进行非接触地快速检测定位。

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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

十三五国家重点研发计划项目(2016YFB1200602-40)

吴峻(1973−)，男，江西玉山人，教授，博士，从事电磁悬浮与电磁弹射研究；E−mail：wujun2008@nudt.edu.cn

(编辑 蒋学东)