四相双电枢绕组分布电励磁双凸极电机短路故障研究

倪海涛，赵 耀，滕登辉，陆佳煜，邓丽娜

(上海电力大学 电气工程学院，上海 200090)

0 引 言

作为定子励磁型双馈电机的代表，电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Machine，DSEM)因简单的结构，灵活调节的磁场，可靠性高等优势而适用于航空航天[1-2]、风力发电[3]以及电动汽车[4]等高可靠性和特殊应用场合。近些年来，随着上述领域的快速发展，对电机可靠性的要求也越来越高，对电机容错性能的研究也越来越多。电机容错有两方面的含义，一是在故障状态下，电机能够保持正常或者相对良好的表现，比如采用两个或者两个以上的备份的方式；二是故障不对电机产生严重的危害，甚至损坏设备[5]。

文献[6]研究了DSEM在直流输出端短路和三相电枢绕组短路情况下的运行规律。文献[7] 研究了电励磁双凸极发电机在并联桥发电时，单相绕组端部短路和二极管短路故障下的输出特性。文献[8]对比了三相12/8极双绕组DSEM和五相20/16极单绕组DSEM的容错性能，表明三相12/8极双绕组DSEM具有更好的容错性、更低的电压脉动和更高的功率密度。文献[9]提出了一种针对开关管开路故障的容错控制策略，并用特定的PWM模式来抑制反电动势电流以提高输出转矩。文献[10]针对多端口双定子DSEM驱动提出了一种具有容错性能的拓扑结构，在逆变器发生单相开路或者短路故障时仍可保持输出性能。五相容错电机在外接单相桥条件下，二极管发生短路故障不会造成系统崩溃，负载运行时仍有较好容错能[11]。

由此可见大多数研究都是针对功率变换器与控制方法的研究，从本体的角度研究绕组短路故障对电机运行的影响较少。DSEM可在短路发生时降低励磁电流来减小短路电流，使得电机可以在故障时继续运行，降低故障对电机系统的危害。

本文以四相12/9极双电枢绕组分布电励磁双凸极电机(Dual Armature-winding Doubly Salient Electro-magnetic Machine with Distributed Magnetomotive Forces，DAW-DSEM-DF)为研究对象，进行短路状态下的理论、仿真与实验研究。首先对DAW-DSEM-DF结构与工作原理进行了分析，在此基础上研究其在短路故障下电枢绕组电流、磁链和端电压等电磁特性，电枢反应对各相绕组的影响，以及不同励磁电流下的功率特性。最后，研制了一台四相12/9极DAW-DSEM-DF样机，进行了绕组短路故障实验研究，对理论分析进行实验验证。

1 电机结构及工作原理

1.1 电机结构

图1是四相12/9极DAW-DSEM-DF电机结构图。每相由三个定子极构成，定子采用径向极结构，每个定子槽都置有一套励磁绕组和上下排列分布的电枢绕组1(Armature winding 1)，简称AW1，和电枢绕组2(Armature winding 2)，简称AW2，共产生6对磁极, 文献[12]为四相DSEM的设计与优化提供了参考。相对于集中励磁结构，该电机每个定子极上都有一套励磁绕组，分布式励磁方式各相电感对称。励磁绕组采用分布式励磁，各相电感对称，反电势谐波含量少，输出电压脉动小。

图1 四相12/9 DAW-DSEM-DF结构图

四相12/9 DAW-DSEM-DF主要结构参数如表1所示。

表1 四相12/9 DAW-DSEM-DF主要参数

1.2 工作原理

转子转动时，同一时刻四个绕组磁链增加、四个绕组磁链减少，产生感生电动势。由于采用分布式励磁，每个槽内都有励磁绕组，磁链计算时不仅要考虑自感磁链、与励磁绕组互感产生的磁链，也要考虑同相两套电枢绕组间以及不同相绕组的互感所产生的磁链。

电机的磁链方程为

[ψ]=[L][I]

(1)

式中，[ψ]为四相电枢绕组磁链以及励磁绕组磁链矩阵，[L]为电感矩阵，包括相自感、相互感以及相绕组与励磁绕组的互感电感矩阵，[I]为电流矩阵，包括电机各相绕组以及励磁绕组电流。

空载磁密与磁力线图如图2所示。磁路主要从与其相邻两相定子极通过，磁路较短，降低了损耗。

图2 空载磁密与磁力线

电机系统所采用的混合半波整流器如图3所示，为了降低二极管损耗，向负载输出低压大电流的电能，两套电枢绕组分别采用不同的二极管连接方式，转子在转入和转出时都能向负载输出能量。图3中A1绕组所加电流表与电压表分别测得A1绕组输出电流与端电压。

图3 混合半波整流器

发电运行时，以A相为例，当转子转出A相定子极时，A1绕组匝链的磁链逐渐减少而产生感应电动势，DA1管导通；当转子转入A相定子极时，A2绕组匝链的磁链逐渐增加，DA2管导通。转入时电枢反应为去磁，转出时电枢反应为增磁。相绕组的感应电势在电势分别在负半周和正半周经整流向负载供电，输出电压UO可以表示为

(2)

式中,UA1、UB1、UC1、UD1、UA2、UB2、UC2、UD2代表各绕组端电压。

图4为电机的电磁特性，正常工作时四相轮流导通，由于两套绕组采用不同的整流方式，同相的两套绕组的导通角相差180°。由于同一时间有多相绕组同时导通，可提高系统故障时的输出能力，如A1绕组发生单绕组故障时，此时C2绕组继续向负载供电，减小故障对输出功率的影响。同时其他正常工作绕组不会因A1绕组单绕组的影响而停止工作。本文仿真是在励磁电流为10 A，负载电阻为1 Ω，电机转速为1000 r/min条件下进行。

图4 正常运行时电磁特性

正常工作状态下，以[t1，t2]区间为例，D2、B1、C2、A1四个绕组供电，在D2、B1电流达到最大值附近时，A1磁链从最小值上升，C2磁链从最大值下降，C2、A1开始导通。每个绕组的输出电压主要与励磁产生的电势和同时供电的其他绕组的互感有关，其状态方程为

io=iD2+iB1+iC2+iA1

(3)

(4)

式中,UO为输出电压，同时导通的各绕组输出电压相同。P1和P2代表绕组名称，efP1为励磁绕组与P1绕组产生的感应电势，iP1为P1绕组相电流，rP1为P1绕组内阻，LP1为P1绕组自感，LP1P2为P1与P2绕组互感。正常工作时，同一时刻有四套绕组在向负载供电，其他区间工作原理与此类似，不再赘述。

2 短路故障运行分析

常见的短路故障最易发生在一个定子极上的电枢绕组间，本文为了和实验一致，选择研究的短路为最严重的情况——电枢绕组端部短路。而实际电机运行时容易发生的是绕在一个定子极上的绕组发生短路故障。正常工作时各绕组电流仅占半个电周期，当发生短路故障时，短路电流在一个电周期持续存在，且短路电流值较大。

单绕组短路电流表达式为

(5)

式中,isc为短路绕组电流，eP1为P1绕组反电势。

两绕组短路电流表达式为

(6)

式中,ifaw为故障绕组输出电流。短路发生在同一套绕组间取“-”，不同套绕组间取“+”。

绕组发生短路故障时，不仅对其自身有影响，而且要考虑其短路电流对正常工作绕组的影响。本文短路电流正负所表示的电流方向与AW1电流方向一致。正常运行时，AW1电流为正，产生的磁场方向与励磁磁场方向相反，与相邻定子槽励磁磁场方向相反。以A1单绕组短路为例，如图5(a)所示，短路电流为正时对本相和相邻相产生去磁电枢反应，对非相邻相产生增磁电枢反应。如图5(b)所示，短路电流为负时，电枢反应对气隙磁密的影响与AW1短路电流为正时相反。

图5 气隙磁密分布

不同的短路类型其电路电流的大小和相位不同，并且绕组的位置也不同，会产生不同的电枢反应，因此要分别分析。本文选取了同一槽内绕组短路故障进行研究，包括单绕组短路和绕组间短路两类故障。以A、B两相所在的槽为例，两种故障混合半波整流短路电路如图6所示，虚线表示发生了短路故障。

图6 混合半波整流短路电路

2.1 单绕组短路故障分析

以A1单绕组短路为例，在短路状态下，A1绕组中短路电流始终存在，其短路电流通过与其他绕组的互感对电机的输出产生影响。图7为单绕组短路电磁特性。

A1短路时，以[t1，t2]区间为例，其状态方程为

io=iD2+iB1+iC2

(7)

(8)

图7 单绕组短路电磁特性

A1绕组短路时，转入时，短路电流电枢反应为去磁，A相绕组磁链最大值下降；转出时，短路电流电枢反应为增磁，A相绕组最小值上升，其反电势因此低于正常工作时，无法继续向负载供电。

A1绕组采用滑入发电方式，当短路电流为负时，与A相定子极上励磁绕组磁场方向一致；当短路电流为正时，与A相定子极上励磁绕组磁场方向相反。t1时刻，C1开始转入定子极，[t1，t2]区间，负载由D2、B1、C2三个绕组供电。A1绕组短路电流为负，与D相励磁磁场一致，对D相起增磁作用，D2绕组输出电流较正常情况有所增加，但缺少了A1绕组相负载供电，此时总功率下降。

[t3，t5]区间，由于A1与A2绕组绕制在同一定子极上，A1其短路电流在此区间对A2绕组的去磁作用最为严重，A2绕组较正常工作时功率下降。

短路情况下，A1绕组的短路电流在 [t1，t3]区间对D2与B2绕组都产生增磁作用。另一方面，由于A1绕组发生短路，无法继续向负载供电，与其相邻的互补绕组B1与D1代替其相负载供电，工作时间增加，但无法完全弥补A1绕组的功率缺额。

2.2 双绕组短路故障分析

由于A1与A2绕组在同一定子极上，短路时电枢反应强烈，磁链明显变化，A1和A2绕组均无法向负载供电，每个工作区间只有三个绕组供电。由于相邻相互感大于非相邻相，短路电流对相邻相的影响程度要大于非相邻相。各绕组端电压负半周幅值都有所增加，B2与D2绕组更为明显。图8为A1与A2绕组间短路电磁特性。

图8 A1与A2绕组间短路电磁特性

对于A相与C相，电枢反应在转入时主要表现为去磁，转出时主要表现为增磁，导致A相与C相磁链变化范围减小，A相反电势降低，无法向负载供电。短路电流电枢反应的强弱与短路电流大小有关，t3时刻短路电流达到最小值附近，其对C相去磁作用最大，C相磁链最大值下降。

由于A1与A2绕组无法向负载供电，在A1与A2绕组电流正常工作时达到最大值的t2和t4时刻，功率下降较多，与其具有工作重合的B1、D1和B2、D2绕组供电功率提高，工作时间增加。

2.3 各短路情况下短路电流与功率特性

由式(5)、式(6)得，短路电流主要与反电势与绕组内阻有关。由于单绕组短路时，反电势产生的电流仅作用在该绕组上，短路电流值大于A1A2绕组短路故障时。励磁电流与短路电流关系曲线图，如图9所示，两者基本成线性关系当发生短路故障时，可以通过调节励磁电流来降低短路电流，降低短路电流过大对电机造成损坏的可能性，同时电机可以维持运行。

图9 励磁电流与短路电流关系

正常和故障运行时功率特性曲线图，如图10所示。随着励磁电流的增大，输出功率不断增加，但是磁场饱和后功率的增加量明显减少，最大功率点对应的输出电流增加。如图10(a)所示，励磁电流为10 A时，磁场还未达到饱和，励磁电流对AW1的去磁作用较弱，两套绕组功率差别较小，此时两套绕组间短路故障时功率下降较多。如图10(b)所示，励磁电流为20 A时，励磁电流增大同时也会引起短路电流的增加，且A1A2短路电流更大，从而加重去磁电枢反应，部分绕组输出功率有所下降。并且A1A2绕组短路时，A1与A2绕组无法向负载供电，A1和A2绕组短路相当于缺相运行，A1与A2绕组间短路输出功率明显下降。

图10 正常和故障运行时功率特性曲线

3 实验验证

为验证上述分析，设计并制造了一台四相12/9极DAW-DSEM-DF样机。本部分实验条件与前文仿真条件保持一致，在励磁电流为10 A，负载电阻为1 Ω，转速为1000 r/min条件下进行，实验测试平台如图11所示。

图11 实验测试平台

单绕组短路实验波形如图12所示，与仿真图7吻合度较高。

图12 单绕组短路实验波形

图13为A1A2短路实验波形。由图8仿真结果显示，输出电压平均值为12.2 V；由图14(a)实验结果显示，输出电压平均值为11.9 V，输出电压在一个周期内出现两次较大脉动。

图13 A1A2短路实验波形

励磁电流为10 A时，正常与故障运行时功率特性如图14所示，正常和短路故障时变化趋势与规律与仿真结果图10(a)基本一致。

图14 正常与故障运行时功率特性

4 结 论

本文研究了四相12/9极DAW-DSEM-DF的正常和两种短路故障下的电磁特性以及功率特性，得出以下结论：

(1)四相12/9极DAW-DSEM-DF因其励磁磁场可灵活调整而具有良好的容错能力，且短路故障发生时不需要通过断开励磁电流就能够达到容错目的。故障绕组的短路电流幅值大于AW1正常工作时电流幅值，而小于AW2正常工作时电流幅值。

(2)该电机同时具备相数冗余和通道冗余，故障时相邻相输出功率提高，同相绕组可以继续工作。由于同相两套绕组绕制在同一定子极上，互感较大，发生短路故障时对同相绕组影响更为明显。

(3)当AW1短路电流为正时，它对相邻相产生增磁作用，磁链上升速率提高，下降速率降低。非相邻相产生去磁作用，磁链上升速率降低，下降速率提高；当AW1短路电流为负时，它对相邻相产生去磁作用，非相邻相产生增磁作用。短路电流具备去磁的电枢反应，进一步降低了短路故障对电机系统的影响。

(4)降低励磁电流后磁场饱和程度降低，短路故障对功率特性影响降低。在输出电流较小时，故障功率特性差别较小。