直驱永磁电机绕组匝间短路故障研究

杨 敏，麻建中，何志瞧，胡凯波，赵力航，卢琴芬

(1. 浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 311121;2. 浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121;3. 浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321110;4. 浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)

0 引 言

随着工业的发展，越来越多的应用场合需要直驱永磁电机，因为传统非直驱方式需要中间传动环节，限制了系统的精度与效率。直驱永磁电机直接驱动负载，其运行的可靠性对系统的安全非常重要，绕组匝间短路故障是其中一种重要的影响因素。因为直驱永磁电机为了提高力密度通常运行于高电磁负荷状态，该故障会导致过大的短路环电流与三相不对称，从而会影响电机的性能。

直驱永磁电机包括旋转结构与直线结构，两者近年来都成为了研究热点，尤其是后者，因为其能够为应用设备提供精确快速的直线运动，不仅克服了传统方式的不足，而且具有高推力密度、高速、高加速度与高精度的优点，成为高档数控机床、半导体加工设备、高速物流与无绳电梯等设备的关键驱动部件[1]。

直驱永磁直线电机(PMLM)为了获得高推力密度，一般初级都采用有铁芯结构来获得尽可能大的气隙磁场，该结构也是目前的研究热点。研究的主要内容包括极槽配合、拓扑结构、优化设计、驱动控制、故障分析等。极槽配合主要研究的是近槽配合对平均推力与推力波动的影响，其采用端部非重叠绕组，具有高容错性[2]；拓扑结构研究除了常规的结构，还有双边型结构、横向磁通结构、多相结构等，其中双边型结构是常见提高推力密度的方式[3]；优化设计的主要目标是平均推力、推力波动等，采用的优化方法有深度神经网络、自适应克里金、粒子群等[4-7]；驱动控制主要研究抑制推力波动的高性能控制策略[8]；故障分析较多的是退磁故障、相绕组开路与短路故障[9-11]，目前针对初级绕组匝间短路故障的研究还较少。

本文以一种单边型高推力密度直驱PMLM为研究对象来研究直驱永磁电机的匝间短路故障。基于有限元方法，建立了匝间短路故障仿真模型，分析了额定速度时初级绕组不同短路匝数、不同短路位置时的电机性能，包括平均推力、推力波动、三相电流与短路环电流。研究结论将为直驱PMLM的故障诊断与容错控制提供理论支持。

1 PMLM结构

图1显示了高推力密度单边型PMLM的结构示意图，具体结构参数如表1所示。

图1 高推力密度PMLM的结构示意图

初级采用端部非重叠绕组，各个绕组互相独立，次级是面贴式永磁体。为了提高系统的推力密度，获得高磁负荷，该PMLM气隙长度很小。额定连续电流设计值为20 A，此时推力密度(单位气隙面积的推力)为2.6 N/cm2。

表1 单边型PMLM结构参数

PMLM横向边端效应比较小，因此采用2D有限元模型就可以计算其磁场与性能，如图2所示。基于该模型，就可以计算得到空载气隙磁密，在图2位置下初级长度范围内的空载气隙磁密幅值如图3所示，其平均值为0.7925 T。显然，该电机的平均气隙磁密较高，但是两端的气隙磁密较小，中间部分也较小，前者是端部效应的影响，后者受到齿槽效应的影响。

图2 高推力密度PMLM的2D有限元模型

图3 初级长度范围内的空载气隙磁密波形

如果有某一个线圈发生匝间短路故障，则该线圈中有部分线圈就直接短路，称为短路环，剩余部分仍然能够输入电流产生推力。短路环会产生短路电流，其值由气隙磁场作用下的感应电动势与漏阻抗来决定，前者与短路环匝数成正比，后者的漏电抗与短路环匝数平方成正比。该电机中气隙磁密高，所以感应电动势大，可以推断在短路环匝数少时短路环电流会很大，将大大超过额定电流，同时短路相的相电流也随之增大，从而会导致电机的温升增加，三相不对称也会恶化电机的力性能。可以推测，该影响与短路匝数、短路位置相关，其影响程度需要通过有限元计算来分析。

2 故障仿真模型

PMLM匝间短路的有限元模型可以在图2正常运行模型的基础进行修改。由表1可知，每个线圈匝数是48，当匝间短路匝数是M时，仍然能正常工作的匝数是48-M。在仿真模型中，当M<48时，发生短路故障的这个线圈分成两部分，M匝构成短路环，同时为其设置电阻与端部漏感值；剩余正常工作线圈是(48-M)匝。当M=48时，该线圈直接设置成短路环，此时该相绕组就少了一个线圈。

图4显示了匝间短路故障时候的有限元模型，绕组从左到右的排列方式为ACBACB。图中显示了A相绕组左端第一个线圈发生匝间短路故障。模型中，初级为定子，绕组采用Y接，输入额定频率的三相对称电压，磁极为动子，运行速度为2.4 m/s。如果初级绕组匝间短路匝数不同或者发生在其他线圈，只需要在图4的模型中修改短路线圈的位置与匝数就可以。

在故障分析时，在匝间短路故障前后保持三相输入电压不变。由于纵向端部效应的影响，正常条件下PMLM的三相电流存在轻微的不对称，而发生匝间短路故障后，三相电流的不对称将变得更明显。

图4 A相绕组匝间短路故障的2D有限元模型

3 A相匝间短路的性能

图5显示了A相绕组1匝短路故障时的推力、三相电流与短路环电流。

由图可见，端部A相绕组1匝出现匝间短路故障时，起动推力略微上升，但增加幅度很小，这是因为A相电流比正常情况下略有增加，但是由于短路匝数在总匝数中的比例很小，A相电流增加幅度不大，该结论可以由图5(b)来验证。B相电流与C相电流基本没有变化，短路环电流则非常的大，其基本与A相电流反向，大小超过A相电流的20倍。因此，此时虽然推力略有增加，但是电机的损耗增大，会增大电机的温升，尤其是短路环部分的温升，恶化电机的性能。

图5 A相端部绕组1匝故障时的力性能与短路环电流

当A相绕组左端的第一个线圈一半绕组(24匝)出现匝间短路故障时，在图4模型中发生短路故障的线圈占原有线圈的一半，即短路线圈匝数与剩余线圈都是24，其分析结果如图6所示。

图6 A相端部绕组24匝故障时的力性能与短路环电流

由图可见，端部A相绕组24匝出现匝间短路故障时，变化的规律与前面的1匝情况基本相同，但是变化幅度比1匝情况下更明显。对推力而言，平均推力增大，推力波动也增大。对电流而言，不仅A相电流电流增大的比较大，而且B相与C相也出现了变化。具体来说，B相在相位上出现变化，C相在幅度上增大。短路环电流比1匝时大幅度减小，但是仍然大于额定电流，超过2倍以上。综合来说，此时电机的损耗更大，推力波动越明显。

当A相绕组左端的第一个线圈47匝出现匝间短路故障时，此时该线圈就一匝仍然能够正常工作，而短路环匝数是47匝，其分析结果如图7所示。

由图可见，平均推力已经比24匝短路时由所下降，但是电流三相不对称性更明显，电路环电流只比相电流略大。

图7 A相端部绕组47匝故障时的力性能与短路环电流

可以推测，随着短路匝数增加，推力先增大而后减小，电流三相不对性越来越明显，不仅A相电流增大，C相电流也跟随增大，但是短路环电流会逐渐降低。故障后绕组的铜耗增大，如果要维持绕组铜耗不变，则此时需要降低电源电压，这样起动推力就会降低，从而小于正常情况下的推力。

4 B相匝间短路的性能

位于初级左端的是A相绕组，而位于初级右端的是B相绕组。

图8显示了最右端B相绕组1匝短路故障时的推力、三相电流与短路环电流。由图可见，出现故障的B相电流只略微增大，A相与C相电流基本保持不变，短路环电流基本是相电流的20倍。与前述A相绕组故障相比，影响比A相绕组故障时候要小。

图9显示了最右端B相绕组24匝短路故障时的推力、三相电流与短路环电流。此时，推力增大明显，推力波动也变得明显。A相与B相电流都增大。与A相绕组匝间短路时相比，短路环电流基本相同，平均推力则略微下降。

图8 B相端部绕组1匝故障时的力性能与短路环电流

图9 B相端部绕组24匝故障时的力性能与短路环电流

图10显示了最右端B相绕组47匝短路故障时的推力、三相电流与短路环电流。此时，平均推力略微增大，而推力波动也增大，但小于前述24匝的情况。A相与B相电流明显增大，而短路环电流基本接近于相电流。

图10 B相端部绕组47匝故障时的力性能与短路环电流

端部的A相与B相绕组发生匝间短路故障时，虽然位置不同，但变化规律基本相同。相比较来说，B相绕组故障时影响略小。

5 C相匝间短路的性能

与A相、B相绕组不同，C相位于中间位置。图11显示了中间相C相绕组一个线圈出现1匝短路故障的推力、三相电流与短路环电流。由图可见，此时的影响跟端部绕组故障基本相同。

图11 C相端部绕组1匝故障时的力性能与短路环电流

图12、图13显示了中间相C相绕组一个线圈出现24匝、47匝短路故障的推力、三相电流与短路环电流。显然此时跟端部绕组故障时出现了不同，此时平均推力增加，但推力波动基本没有变化，短路环电流也增大了。

图12 C相端部绕组24匝故障时的力性能与短路环电流

图13 C相端部绕组47匝故障时的力性能与短路环电流

6 结 论

本文基于有限元方法分析了直驱永磁直线电机(PMLM)的绕组匝间短路故障，分析表明：

(1)在短路匝数小时，短路环电流很大，最大时候超过相电流的20倍，这是因为PMLM的气隙磁密高，产生的感应电动势大。随着短路匝数增加，环路环电流将逐渐降低，这样因为短路环感应电动势与匝数成正比，漏电抗与匝数平方成正比。

(2)短路故障导致三相电流不对称，随着短路匝数增加，不仅故障相电流增加，另外两相也将出现大小或相位的变化。

(3)随着短路匝数的增加，平均推力先增大，然后再减小，先增大是因为阻抗减小导致相电流增大；后减小是短路环电流与三相不对称性电流产生的阻力增大。

(4)短路故障位置对电机性能会产生影响，中间相绕组与端部绕组相比，平均推力增大略多．推力波动小，其基本跟正常情况下相同。