羅茹丹，吳峻，王智仁

高速磁浮列車長(zhǎng)定子軌道幾種故障情況的分析

羅茹丹，吳峻，王智仁

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

與輪軌交通不同，高速磁浮列車軌道是一種同步直線電機(jī)的長(zhǎng)定子，其因長(zhǎng)距離露天鋪設(shè)，有可能會(huì)出現(xiàn)定子電纜下掛、定子電纜絕緣層破損、鐵芯環(huán)氧層老化破裂以及定子段間大錯(cuò)牙等故障情況，這些故障將直接影響列車的安全高效運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)上述故障的快速檢測(cè)，以磁場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)高速磁浮長(zhǎng)定子電機(jī)及其軌道進(jìn)行建模，仿真分析上述故障情況下的行波磁場(chǎng)，探討主漏磁場(chǎng)與故障之間的規(guī)律，其中電纜下掛和鐵芯環(huán)氧層老化破裂故障對(duì)應(yīng)行波磁場(chǎng)的減弱，極端情況下減弱程度為25%；繞組絕緣層破損造成三相短路故障對(duì)應(yīng)行波磁場(chǎng)強(qiáng)度增大近5倍，5和7次諧波也更加明顯；軌道不同方向錯(cuò)牙故障對(duì)應(yīng)行波磁場(chǎng)幅值的不同大小變化，當(dāng)上下偏移3 mm時(shí)，變化程度約為10%，這些規(guī)律為后續(xù)的軌道故障檢測(cè)工作提供理論依據(jù)。

高速磁浮列車；軌道故障檢測(cè)；行波主漏磁場(chǎng)；電磁場(chǎng)分析

高速磁浮列車是一種通過(guò)電磁懸浮方式沿軌道實(shí)現(xiàn)“零高度高速飛行”的交通工具，目前已有成熟的商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，其中，包括懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)在內(nèi)的磁浮車輛技術(shù)已經(jīng)成熟。但是，隨著進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，高速磁浮線路軌道研究的重要性逐漸凸顯。與其他軌道交通相比，高速磁浮的線路軌道具有獨(dú)特性，它實(shí)際上是一種同步直線電機(jī)的長(zhǎng)定子，在車輛的懸浮導(dǎo)向及其牽引系統(tǒng)中承擔(dān)著重要作用，它的狀態(tài)好壞直接影響車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性以及舒適性。其中，長(zhǎng)定子軌道的不平順、鐵芯表面的環(huán)氧層破裂、鐵芯片間短路故障以及牽引電纜破損或下掛直接關(guān)系到懸浮、牽引系統(tǒng)有效運(yùn)行，在高速磁浮交通日常維護(hù)管理中需重點(diǎn)關(guān)注。目前對(duì)磁浮軌道的檢測(cè)和維護(hù)與輪軌列車軌道類似，由于軌道幾何參數(shù)是軌道檢測(cè)維護(hù)的基礎(chǔ)，大都比較關(guān)注軌道本身的線路幾何參數(shù)的檢測(cè)[1?3]，但高速磁浮軌道是同步直線電機(jī)的長(zhǎng)定子，由鐵芯和鑲嵌其中的三相繞組構(gòu)成，用于產(chǎn)生與懸浮電磁鐵作用而牽引磁浮列車平穩(wěn)快速前進(jìn)的行波磁場(chǎng)，所以高速磁浮軌道比普通輪軌軌道增加了電磁特性，只檢測(cè)軌道的幾何尺寸參數(shù)是不全面的，對(duì)高速磁浮軌道的故障檢測(cè)實(shí)際上應(yīng)該是一種直線同步電機(jī)定子故障的檢測(cè)。直線同步電機(jī)定子故障大致分為疊片故障和定子繞組故障[4]。其中對(duì)定子繞組內(nèi)部故障檢測(cè)的研究較多，通常采用繞組函數(shù)法或等效磁路法建立直線同步電機(jī)模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而對(duì)故障進(jìn)行診斷[5?7]，該方法對(duì)故障模型的要求較高。定子的疊片故障和繞組的老化故障一般表現(xiàn)為缺陷和絕緣層故障，通常采用環(huán)路磁通法、紅外熱成像法等進(jìn)行檢測(cè)[8]，該方法只適用于離線的靜態(tài)檢測(cè)。除此之外，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，直線同步電機(jī)的故障檢測(cè)還可以是基于信號(hào)檢測(cè)的故障診斷[9?10]，該方法對(duì)電機(jī)初期故障的檢測(cè)比較有效，對(duì)維護(hù)電機(jī)免發(fā)生更大的事故有重要的意義。高速磁浮長(zhǎng)定子軌道不同于常規(guī)直線電機(jī)定子，其繞組為單匝的高壓電纜，鑲嵌于定子鐵芯中，除繞組的內(nèi)部故障外，還可能發(fā)生定子電纜下掛的故障；另外長(zhǎng)定子鐵芯是360片0.5 mm厚的硅鋼片疊壓制成，鐵芯的老化可能會(huì)引發(fā)硅鋼片間短路故障；此外高速磁浮長(zhǎng)定子軌道采用分段拼接式結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)生定子段之間的軌道大錯(cuò)牙等故障。這些故障，尤其是電氣故障，會(huì)表現(xiàn)在由定子產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)上，成為一種微弱磁信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)這種微弱的磁信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定子故障的檢測(cè)，近年來(lái)隨著虛擬儀器和電子器件的不斷發(fā)展，利用諧波小波等研究成果指導(dǎo)檢測(cè)微弱信號(hào)成為一種比較簡(jiǎn)單的方法，且目前磁敏傳感器的發(fā)展比較迅速，常見的霍爾傳感器靈敏度可達(dá)8.3 mV/Gs，量程范圍0~10，精度可達(dá)10?6。所以利用高靈敏度的磁敏傳感器對(duì)故障造成的行波磁場(chǎng)微弱信號(hào)偏差進(jìn)行檢測(cè)成為一種檢測(cè)軌道故障的可行方法，同時(shí)對(duì)行波磁場(chǎng)的檢測(cè)可以做到實(shí)時(shí)和非接觸，故基于行波磁場(chǎng)檢測(cè)的高速磁浮軌道故障診斷不失為一種高效的故障診斷方法。由于磁浮列車懸浮氣隙過(guò)小，氣隙中磁場(chǎng)環(huán)境又較為復(fù)雜，為了安全起見，多點(diǎn)檢測(cè)傳感器均布置在懸浮磁鐵之外，即利用檢測(cè)電機(jī)行波主漏磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)。本文以行波主漏磁場(chǎng)為特征量進(jìn)行分析，討論上述幾種故障情況下的行波主漏磁場(chǎng)情況，為后續(xù)基于行波磁場(chǎng)的長(zhǎng)定子軌道的故障診斷提供理論依據(jù)，有助于彌補(bǔ)前文所述只研究軌道幾何參數(shù)的不足，更深層次的對(duì)軌道的檢測(cè)與維護(hù)進(jìn)行研究。

1 行波主漏磁場(chǎng)計(jì)算分析

1.1 行波主漏磁場(chǎng)理論計(jì)算

如圖1所示，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)分為2類：列車覆蓋區(qū)域的定子磁場(chǎng)參與能量轉(zhuǎn)換，它與勵(lì)磁磁極共同作用形成主磁場(chǎng)；而無(wú)列車覆蓋區(qū)域的定子磁場(chǎng)則不參與能量轉(zhuǎn)換，通過(guò)外部空氣形成閉合回路，僅與定子繞組相交鏈成為主漏磁場(chǎng)。主磁場(chǎng)中磁場(chǎng)情況比較復(fù)雜，其中的懸浮磁場(chǎng)對(duì)行波磁場(chǎng)的干擾最大，而主漏磁場(chǎng)中干擾較少，便于對(duì)行波磁場(chǎng)的檢測(cè)，僅以無(wú)列車覆蓋區(qū)域的主漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖1 定子磁場(chǎng)示意圖

圖2 等效計(jì)算模型

計(jì)算邊界條件為：

1) 鐵芯磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，轉(zhuǎn)子的標(biāo)量磁位為0；即圖2中=0時(shí)，=0。

式中：1為匝數(shù)；為定子電流；P為極對(duì)數(shù)。

根據(jù)磁場(chǎng)與磁位關(guān)系計(jì)算得定子表面處磁 場(chǎng)為

(為諧波次數(shù))等效計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果如圖3所示，行波磁場(chǎng)表現(xiàn)為其在和向分量上為幅值大小約為0.028、周期為2τ(2倍定子極距)的正弦波，且其因齒槽原因存在高次諧波[12]，其中第5和7次諧波較為明顯。

1.2 行波主漏磁場(chǎng)有限元仿真計(jì)算

長(zhǎng)定子仿真模型如圖4所示，由鐵芯和三相繞組組成，鐵芯材料為硅鋼片，繞組材料為鋁，匝數(shù)為1匝，通入幅值為1 200 A，相位各相差120°的三相正弦交流電，設(shè)定電機(jī)同步速度為150 km/h，根據(jù)=2，需通入電流的頻率為80.75 Hz，選取2對(duì)磁極進(jìn)行仿真，設(shè)定車輛的運(yùn)行方向?yàn)檩S正方向，軌道覆蓋區(qū)域是從=0 m到=1.032 m。根據(jù)高速磁浮列車懸浮間隙為10 mm，設(shè)距離定子齒下表面10 mm處(圖中=10 mm)為參考線，仿真模型的具體尺寸如表1所示。

圖3 行波磁場(chǎng)解析計(jì)算

圖4 長(zhǎng)定子軌道仿真模型

表1 長(zhǎng)定子軌道模型尺寸

磁通密度分布情況如圖5所示，行波主漏磁場(chǎng)在空氣和鐵芯中形成閉合回路，由于空氣與鐵芯磁導(dǎo)率相差很大，磁力線主要集中于鐵芯內(nèi)部，而空氣中的磁場(chǎng)則表現(xiàn)較為發(fā)散，其分布區(qū)域幾乎是有動(dòng)子磁極位置的4倍。

圖5 磁通密度分布

行波主漏磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示，橫軸對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，縱軸表示磁通密度向分量，與理論計(jì)算基本一致，行波磁場(chǎng)為周期性分布，周期為2倍定子極距，波形有比較明顯諧波分量，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，5和7次諧波分量較大，其中5次諧波占比約60%。

圖6 行波主漏磁場(chǎng)仿真

2 定子電纜下掛故障分析

如圖7所示，長(zhǎng)定子繞組由單匝的輸配電的高壓電纜構(gòu)成。這種電纜結(jié)構(gòu)的繞組在列車運(yùn)行一段時(shí)間后可能會(huì)發(fā)生電纜下掛的現(xiàn)象，下掛的電纜會(huì)導(dǎo)致牽引系統(tǒng)效率的降低，嚴(yán)重時(shí)電纜與磁浮列車接觸發(fā)生刮擦而影響磁浮列車的運(yùn)行安全。這種故障一般出現(xiàn)于高壓直線大電機(jī)中，目前沒有對(duì)此類故障進(jìn)行檢測(cè)研究的文獻(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，定子電纜下掛對(duì)應(yīng)定子繞組導(dǎo)線發(fā)生偏移，但介于2種電機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子繞組偏移故障檢測(cè)方法不具有參考性[13]。行波磁場(chǎng)由三相定子繞組直接產(chǎn)生，磁場(chǎng)波形包含了定子條件的全部信息，因此可以通過(guò)對(duì)行波磁場(chǎng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)達(dá)到對(duì)此類故障檢測(cè)的目的。

圖7 同步直線電機(jī)的長(zhǎng)定子

定子齒槽結(jié)構(gòu)如圖8所示，電纜截面認(rèn)為是圓形，則定子槽可以分為2部分，即電流域與無(wú)源域，因?yàn)橹挥须娏饔虬l(fā)揮作用產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以定子電纜的下掛，對(duì)磁場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在槽中電流面域的減小。

圖8 定子齒槽示意圖

假設(shè)鐵芯磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，忽略電纜繞組絕緣層厚度以及定子下掛漏出齒槽部分對(duì)磁場(chǎng)的影響，計(jì)算定子電纜下掛1 mm，則齒槽中的電流面域減小1.232 2×10?5m2，由于趨附效應(yīng)，趨膚深度計(jì)算為9.42 mm，則電纜未下掛時(shí)有效電流面積為9.938×10?4m2，相當(dāng)于減少電流10.48 A，根據(jù)1.1中的磁通密度計(jì)算公式，其值減少為原來(lái)的0.87%。定子電纜不同的下掛程度對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響如圖9 所示。

圖9 定子電纜下掛對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

由圖9可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨定子電纜下掛距離的增大而逐漸衰減，由于定子電纜下掛出的部分也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而理論計(jì)算是以忽略電纜下掛出的部分對(duì)磁場(chǎng)的影響為前提，所以當(dāng)定子電纜下掛的距離較大時(shí)，其求解的值比仿真值要大一些。

3 定子絕緣層破損故障分析

定子繞組電纜結(jié)構(gòu)如圖10所示，為電氣屏蔽和傳導(dǎo)接地電流，長(zhǎng)定子電纜繞組中設(shè)計(jì)有金屬屏蔽層，而該屏蔽層中因通入三相交流電而產(chǎn)生渦流，且隨電流頻率的增大而迅速上升，這一特點(diǎn)導(dǎo)致因速度的提升而易導(dǎo)致金屬屏蔽層中渦流幅值增大進(jìn)而產(chǎn)生較高的溫度致使繞組絕緣層的老化，絕緣層耐壓值也會(huì)隨著老化程度的加深而降低，尤其與定子槽接觸的部分渦流較大，容易發(fā)生破損故障，當(dāng)繞組絕緣層發(fā)生破損時(shí)，電纜中的導(dǎo)芯將直接與鐵芯接觸發(fā)生單相接地故障[14]；單相接地故障比較容易產(chǎn)生弧光而導(dǎo)致發(fā)生三相繞組短路，定子繞組的三相短路對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行是一種嚴(yán)重的威脅，所以對(duì)三相繞組的突然短路分析有重要的意義。

圖10 定子繞組電纜結(jié)構(gòu)示意圖

三相繞組的短路問(wèn)題可以利用疊加原理進(jìn)行分析，即認(rèn)為不是發(fā)生了短路，而是在原來(lái)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的定子端上加上了與原來(lái)電壓大小相等方向相反的三相電壓，若忽略電樞繞組中電阻的影響，短路發(fā)生后，三相短路電流產(chǎn)生純?nèi)ゴ糯艅?shì)，該磁勢(shì)在三相繞組中產(chǎn)生的磁鏈與主磁鏈大小相等，方向相反。定子三相繞組中磁鏈可表示為[15]：

式中：0為主磁鏈。

短路發(fā)生后，磁鏈可表示為：

式中：為衰減時(shí)間常數(shù)，由繞組的電阻和電感 決定。

未被磁極覆蓋的電樞繞組電感由自由空間的電樞反應(yīng)電感、諧波漏感、定子槽漏感和端部漏感4項(xiàng)組成，可分別由式(3)進(jìn)行計(jì)算得到[11]：

式中：為極對(duì)數(shù)；n為匝數(shù)；為鐵芯寬度；為槽比漏磁導(dǎo)；為端部比漏磁導(dǎo)。

等效端部繞組為半圓形，且導(dǎo)體截面積考慮截面積，則繞組電阻計(jì)算公式為[16]：

式中：為常溫下導(dǎo)體電阻率；01為導(dǎo)體截面積；b為定子鐵芯寬度；為極距。

長(zhǎng)定子繞組采用分段式供電，定子長(zhǎng)度取決于線路坡度、速度及加速度，平均約為1 200 m。其額定電壓(相)為4 250 V，額定電流(相)為1 200 A[14]，如圖11所示，采用電路和有限元區(qū)域耦合的方式仿真三相短路狀態(tài)電流情況，仿真結(jié)果如圖12所示，短路時(shí)刻為0.07 s，三相電流在0.075 s左右達(dá)到峰值電流，之后逐漸趨于穩(wěn)定，其中最大短路電流可達(dá)到正常電流的10倍左右，最終穩(wěn)態(tài)電流是正常電流的5倍左右。

圖11 有限元區(qū)域與電路的耦合

圖12 三相短路電流仿真

利用Maxwell有限元仿真三相繞組突然短路和之后穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)情況，如圖13所示，三相繞組發(fā)生短路故障，其行波磁場(chǎng)波形不變，幅值與繞組電流大小呈正相關(guān)而分別增大近10倍和5倍左右，相位不發(fā)生變化，由齒槽原因?qū)е碌母叽沃C波現(xiàn)象更加明顯。

圖13 三相繞組短路磁場(chǎng)分析

4 鐵芯老化故障分析

長(zhǎng)定子鐵芯采用360片厚度為0.5 mm的硅鋼疊片疊壓制成，長(zhǎng)期惡劣的工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致鐵芯發(fā)生老化故障，其通常表現(xiàn)為鐵芯絕緣層的破損而發(fā)生硅鋼片間短路故障，此時(shí)在交流磁通的作用下，發(fā)生短路的鐵芯部分比其他部分因?yàn)閷?dǎo)體面積變大而使得電阻值降低進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生比較大的渦流損耗降低電機(jī)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)，鐵芯會(huì)發(fā)熱而發(fā)生局部融化。

硅鋼片間短路故障通常因片間絕緣層老化導(dǎo)致，而實(shí)踐證明，絕緣剩余壽命與運(yùn)行時(shí)間并無(wú)明顯的線性關(guān)系，所以硅鋼片間短路故障的檢測(cè)需要定期的檢測(cè)與分析。硅鋼片間短路故障引起的鐵芯渦流幅值隨短路疊片的增加而不斷增加，一定幅值的鐵芯渦流會(huì)影響定子繞組產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)，同時(shí)增大鐵芯損耗，減弱直線電機(jī)的推力。

在頻域下，磁性疊片的研究問(wèn)題常利用Berotti損耗分離法，將總磁芯損耗分解為靜態(tài)磁滯損耗P，經(jīng)典渦流損耗P和異常損耗P[17]：

式中：為激勵(lì)頻率；B為磁密的幅值；k為磁滯損耗系數(shù)；k為渦流損耗系數(shù)；k為異常損耗系數(shù)。

其中，渦流損耗系數(shù)公式為

式中：為電導(dǎo)率；為硅鋼片的厚度。所以硅鋼片發(fā)生片間短路，其厚度的增加將導(dǎo)致鐵芯渦流損耗的急劇增加。

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波磁場(chǎng)勵(lì)磁，則渦流損耗導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁滯磁場(chǎng)強(qiáng)度可由式(6)得出[18]：

忽略異常損耗導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度部分，根據(jù)安培環(huán)路定理的微分方式可得[19]：

式中：0為真空磁導(dǎo)率，該式中雙旋度的時(shí)間微分項(xiàng)，避免刻畫渦流場(chǎng)的微觀結(jié)構(gòu)，正確反映了硅鋼疊片材料中渦流效應(yīng)對(duì)繞組磁化電流的抵消作用。

如圖14所示，建立一對(duì)極的三維長(zhǎng)定子軌道的仿真模型，為仿真硅鋼片間短路情況，分別對(duì)鐵芯材料的電導(dǎo)率采用各項(xiàng)同性和各項(xiàng)異性設(shè)置[20]，其中各項(xiàng)同性電導(dǎo)率材料設(shè)置表示鐵芯為一個(gè)整體，模擬硅鋼片間短路情況，各項(xiàng)異性電導(dǎo)率材料設(shè)置表示正常的鐵芯疊片情況。以距離鐵芯定子齒下表面10 mm處中心線為參考線，仿真不同數(shù)量硅鋼片短路異常情況如圖15所示。

圖14 三維仿真模型

圖15 不同程度鐵芯片間短路異常情況的行波主漏磁場(chǎng)仿真

Fig. 15 Simulation of magnetic field with different degrees of short circuit between sheets

仿真結(jié)果顯示磁通密度隨發(fā)生短路情況的硅鋼片數(shù)量的增多而減小，對(duì)應(yīng)前文分析所述硅鋼疊片材料中渦流效應(yīng)對(duì)繞組磁化電流的抵消作用。

5 軌道錯(cuò)牙故障分析

高速磁浮的長(zhǎng)定子軌道采取拼接式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致軌道發(fā)生定子段大錯(cuò)牙故障，而由于無(wú)動(dòng)子磁極的行波磁場(chǎng)比較發(fā)散，行波磁場(chǎng)的幅值大小與其位置到軌道齒下表面的距離密切相關(guān)，且隨距離的增大而變化梯度較為明顯，所以當(dāng)發(fā)生軌道上下偏移故障時(shí)，由于行波磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的位置不變，其與軌道齒的下表面距離發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)到的行波磁場(chǎng)發(fā)生變化，其表現(xiàn)為軌道向上偏移，檢測(cè)位置行波磁場(chǎng)幅值變小，軌道向下偏移，檢測(cè)位置行波磁場(chǎng)幅值增大。

軌道不同偏移距離對(duì)應(yīng)參考線位置磁場(chǎng)的表現(xiàn)仿真如表2所示。

表2 軌道不同偏移距離的磁場(chǎng)仿真結(jié)果

建立簡(jiǎn)化單相繞組仿真模型，討論軌道發(fā)生左右偏移故障的磁場(chǎng)情況以及三相繞組因閉合而伸出軌道外部分對(duì)行波磁場(chǎng)的影響，如圖16所示，等效繞組伸出軌道部分為半圓形。參考面采用平行且距離鐵芯齒下表面10 mm的平面，仿真其磁通密度情況如圖17所示。

圖16 簡(jiǎn)化版仿真模型

圖中虛線部分正對(duì)軌道下方，仿真結(jié)果顯示，參考面處虛線內(nèi)的磁通密度的分布沿方向的變化不大，而伸出軌道外邊界外的磁場(chǎng)衰減比較大，其中當(dāng)距離軌道外邊界10 mm處的參考面磁場(chǎng)與中間位置處磁場(chǎng)相比較衰減有52 Gs。由此可得出 結(jié)論：

1) 氣隙磁場(chǎng)主要集中于正對(duì)軌道下方，伸出軌道外邊界的繞組對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響較小；2) 軌道下方正對(duì)的磁通密度的分布沿方向的變化不大，所以利用等效二維模型對(duì)行波磁場(chǎng)的仿真是有效的；3) 當(dāng)軌道發(fā)生左右位置偏移故障時(shí)，可以通過(guò)檢測(cè)沿方向上不同位置的磁敏傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即正常時(shí)，所有磁敏傳感器均處于軌道下方正對(duì)的氣隙磁場(chǎng)處，測(cè)量結(jié)果差距不大，而發(fā)生左右偏離故障時(shí)，處于邊緣與中間位置的磁敏傳感器的檢測(cè)數(shù)值差距較大。

圖17 參考面磁通密度仿真

6 結(jié)論

1) 定子電纜下掛故障導(dǎo)致行波磁場(chǎng)的幅值大小隨下掛距離的增大而減小，其中下掛距離4 mm時(shí)，行波磁場(chǎng)幅值減小18 Gs。

2) 定子繞組突然發(fā)生三相短路故障導(dǎo)致定子電流瞬時(shí)達(dá)到原電流10倍之后穩(wěn)定于原電流5倍大小，行波磁場(chǎng)幅值大小與定子電流成正比變化。

3) 鐵芯老化導(dǎo)致的絕緣層破損而發(fā)生的硅鋼片片間短路故障導(dǎo)致短路處硅鋼片內(nèi)感應(yīng)渦流增大，渦流對(duì)繞組磁化電流具有抵消作用，仿真180 mm厚硅鋼片發(fā)生短路故障時(shí)行波磁場(chǎng)幅值減小約50 Gs。

4) 軌道發(fā)生上下偏移故障時(shí)，行波磁場(chǎng)幅值隨向上偏移距離的增大而減小，隨向下偏移距離的增大而增大，其中偏移3 mm時(shí)，行波磁場(chǎng)幅值變化25 Gs左右；軌道發(fā)生左右偏移故障時(shí)，正對(duì)軌道部分的行波磁場(chǎng)幅值變化較小，伸出軌道部分的磁場(chǎng)衰減較為嚴(yán)重，其中距離軌道外邊界10 mm處的行波磁場(chǎng)衰減約52 Gs。

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Analysis and research on several faults of high speed Maglev train long stator track

LUO Rudan, WU Jun, WANG Zhiren

(College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The track of the high-speed maglev train is a long stator of a synchronous linear motor system which is very different from the wheel-rail traffic. It is laid with a long distance in the open air. Due to various factors, there may be a stator cable under the suspension and a stator cable insulation. Various failure modes such as breakage, aging of the core and large faults between the stator segments, these faults will affect the safe operation of the train. In the long-distance orbital condition, in order to realize the rapid detection of the above faults, the magnetic field was taken as the object, the long stator motor of the high speed maglev train and its orbit were modeled. The performance of the traveling wave magnetic field under the above fault mode was simulated and analyzed. The law between the performance of the main leakage magnetic field and the fault was discussed. The failure of the cable hanging and the aging crack of the iron core layer corresponds to the weakening of the traveling wave magnetic field by 25%; the damage of the winding insulation layer causes the three-phase short- circuit fault to increase the intensity of the traveling wave magnetic field by nearly 5 times, and the 5th and 7th harmonics are also more obvious; the different magnitudes of the traveling magnetic field amplitude corresponds to the track malocclusion in different directions of the orbit. When the upper and lower offset is 3 mm, the degree of change is about 10%. These rules provide a theoretical basis for the subsequent detection of the track fault.

high-speed Maglev train; track fault detection; main leakage magnetic field of the traveling wave; electromagnetic field analysis

TM341

A

1672 ? 7029(2019)11? 2658 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.003

2019?03?03

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB1200602-40)

吳峻(1973?)，男，江西玉山人，研究員，博士，從事磁懸浮技術(shù)研究；E?mail：wujun2008@nudt.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)