一種新型抗短路發(fā)電機的設計方案

1.引言

永磁發(fā)電機由于其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高等特點廣泛運用于航空裝備中，但隨著航空發(fā)動機機載全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)對抗短路、寬轉(zhuǎn)速、高可靠性發(fā)電機電源系統(tǒng)的需求，研制具備雙繞組或多繞組冗余、耐長時間短路工作等特性的發(fā)電機必然成為當務之急。

目前的發(fā)電機雖然也有部分產(chǎn)品擁有兩套繞組，也允許短時間短路工況，但卻不能實現(xiàn)真正的冗余，即當一套繞組出現(xiàn)短路或缺相等故障時，直接影響另一套繞組的工作性能;即使其中某套繞組能耐短時間短路，但其短路電流很大，將達到額定電流的幾十倍、幾百倍甚至上千倍，產(chǎn)生的高熱量會直接影響另一套繞組受損傷。常規(guī)設計的發(fā)電機通常難耐接近200℃的高溫工作環(huán)境，高溫、短路工況工況甚至引起轉(zhuǎn)子永磁體的不可逆退磁，從而給數(shù)控系統(tǒng)帶來毀滅性的災難，嚴重影響發(fā)動機系統(tǒng)的可靠性。

本文從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子繞組形式等方面給出了一種新型抗短路發(fā)電機的設計方案，通過Ansoft仿真分析和對比研制產(chǎn)品的實測結(jié)果，表明設計方案可行，研制的發(fā)電機抗短路特性好、耐高溫、耐寬轉(zhuǎn)速，具備真正的冗余能力。

2.抗短路發(fā)電機的設計

2.1 系統(tǒng)對發(fā)電機的要求

發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)要求發(fā)電機耐寬轉(zhuǎn)速范圍2000r/min~25000r/min,全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)壓為28.5V±0.5VDC,耐160℃高溫運行工作環(huán)境(短時180℃)，耐長時間短路工況，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)極限功率需求不低于250W,3000r/min~25000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)極限功率需求不低于280W,45%轉(zhuǎn)速時任缺一相工況不影響另一通道正常工作，雙通道允許長時間短路而不影響系統(tǒng)其他附件設備。

系統(tǒng)要求發(fā)電機重量≤3.5kg,外形φ113mm×125mm(不含安裝法蘭外圓)，具有良好氣密封性、互換性、維修性、可靠性、安全性、環(huán)境適應性，滿足適航要求等。

2.2 設計思想

結(jié)合系統(tǒng)對發(fā)電機的各項性能指標需求，設計的發(fā)電機要滿足寬轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速、高功率密度等的要求，永磁轉(zhuǎn)子成為首選設計方案;要滿足單一通道缺相故障時具備的冗余功能，常規(guī)繞組設計思想不可行，必須采用新型抗短路繞組方案。

轉(zhuǎn)子設計方面根據(jù)寬轉(zhuǎn)速、抗短路特性等要求，選擇切向磁路結(jié)構(gòu)、多對級型式;定子設計方面重點在新型繞組的設計上，理論上增加發(fā)電機的繞組匝數(shù)能減小發(fā)電機的短路電流倍數(shù)，但實際設計中由于受外形結(jié)構(gòu)、出力需求等的限制而不可行，設計中考慮保持總匝數(shù)不變，采用 減少線圈個數(shù)、增加單個線圈匝數(shù)從而增加漏抗的方案來改善發(fā)電機短路電流，采用獨立繞組設計型式來實現(xiàn)通道真正冗余功能。

2.3 仿真分析

按設計思想建立發(fā)電機的仿真模型，采用Ansoft進行仿真優(yōu)化設計，該發(fā)電機內(nèi)部磁密特性如圖1所示，磁鋼和磁軛交接處頂端局部點磁密偏高，其他轉(zhuǎn)子和定子部位磁密低于1.3T.

對該發(fā)電機進行低速雙通道同時帶載的仿真結(jié)果見圖2~圖5,仿真結(jié)果表明，雙通道輸出能保證經(jīng)穩(wěn)壓裝置后輸出功率均高于250W,且雙通道(A通道、B通道)的輸出一致性完全滿足要求。

單一通道任缺一相，另一通道正常帶載的仿真結(jié)果見圖6和圖7所示。

正常通道的輸出功率為471W,經(jīng)過穩(wěn)壓裝置后能滿足輸出功率高于280W;雙通道同時短路的仿真結(jié)果見圖8和圖9,低轉(zhuǎn)速下雙通道短路電流均為13.37A,高轉(zhuǎn)速下雙通道短路電流均為13.46A,而發(fā)電機額定工況下帶載能力最大為10.5A,短路電流不到額定負載的1.3倍，發(fā)電機不會因短路工況出現(xiàn)溫升過高的現(xiàn)象。

3.研制結(jié)果

以仿真優(yōu)化為指導，研制生產(chǎn)出的產(chǎn)品實物見圖10.對產(chǎn)品的實測結(jié)果見表1所示。仿真輸出功率高于實測功率是由于仿真時只考慮發(fā)電機整流后的輸出，而實際測試發(fā)電機產(chǎn)品與配套的控制器一起工作，控制器除了整流裝置外還集成良好穩(wěn)壓裝置，穩(wěn)壓存在一定的損耗，且只有特別設計的穩(wěn)壓裝置才滿足寬轉(zhuǎn)速范圍的各項輸出特性，仿真結(jié)果符合實際產(chǎn)品測試情況。

實際測試中還對160℃環(huán)境下發(fā)電機工作穩(wěn)定殼溫進行測試，測試值為103.8℃;短路工況下發(fā)電機穩(wěn)定殼溫89.3℃，發(fā)電機具備良好抗短路特性。

4.結(jié)論

本文主要介紹了一種抗短路發(fā)電機的設計方案，該方案以Ansoft的仿真優(yōu)化設計為指導依據(jù)，研制生產(chǎn)出的產(chǎn)品具備良好的抗短路能力和冗余能力，驗證了該設計方案的可行性和可靠性。