一種新型抗短路發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　1.引言

　　永磁發(fā)電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高等特點(diǎn)廣泛運(yùn)用于航空裝備中，但隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)電源系統(tǒng)的需求，研制具備雙繞組或多繞組冗余、耐長時(shí)間短路工作等特性的發(fā)電機(jī)必然成為當(dāng)務(wù)之急。

　　目前的發(fā)電機(jī)雖然也有部分產(chǎn)品擁有兩套繞組，也允許短時(shí)間短路工況，但卻不能實(shí)現(xiàn)真正的冗余，即當(dāng)一套繞組出現(xiàn)短路或缺相等故障時(shí)，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(shí)間短路，但其短路電流很大，將達(dá)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(huì)直接影響另一套繞組受損傷。常規(guī)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)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(zāi)難，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)方案，通過Ansoft仿真分析和對比研制產(chǎn)品的實(shí)測結(jié)果，表明設(shè)計(jì)方案可行，研制的發(fā)電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的要求

　　發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)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(yùn)行工作環(huán)境（短時(shí)180℃），耐長時(shí)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(shí)任缺一相工況不影響另一通道正常工作，雙通道允許長時(shí)間短路而不影響系統(tǒng)其他附件設(shè)備。

　　系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)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(yīng)性，滿足適航要求等。

　　2.2 設(shè)計(jì)思想

　　結(jié)合系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)需求，設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)方案；要滿足單一通道缺相故障時(shí)具備的冗余功能，常規(guī)繞組設(shè)計(jì)思想不可行，必須采用新型抗短路繞組方案。

　　轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(jí)型式；定子設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)在新型繞組的設(shè)計(jì)上，理論上增加發(fā)電機(jī)的繞組匝數(shù)能減小發(fā)電機(jī)的短路電流倍數(shù)，但實(shí)際設(shè)計(jì)中由于受外形結(jié)構(gòu)、出力需求等的限制而不可行，設(shè)計(jì)中考慮保持總匝數(shù)不變，采用 減少線圈個(gè)數(shù)、增加單個(gè)線圈匝數(shù)從而增加漏抗的方案來改善發(fā)電機(jī)短路電流，采用獨(dú)立繞組設(shè)計(jì)型式來實(shí)現(xiàn)通道真正冗余功能。

　　2.3 仿真分析

　　按設(shè)計(jì)思想建立發(fā)電機(jī)的仿真模型，采用Ansoft進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，該發(fā)電機(jī)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(diǎn)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(jī)進(jìn)行低速雙通道同時(shí)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(shí)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(jī)額定工況下帶載能力最大為10.5A，短路電流不到額定負(fù)載的1.3倍，發(fā)電機(jī)不會(huì)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(dǎo)，研制生產(chǎn)出的產(chǎn)品實(shí)物見圖10.對產(chǎn)品的實(shí)測結(jié)果見表1所示。仿真輸出功率高于實(shí)測功率是由于仿真時(shí)只考慮發(fā)電機(jī)整流后的輸出，而實(shí)際測試發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)的穩(wěn)壓裝置才滿足寬轉(zhuǎn)速范圍的各項(xiàng)輸出特性，仿真結(jié)果符合實(shí)際產(chǎn)品測試情況。

　　實(shí)際測試中還對160℃環(huán)境下發(fā)電機(jī)工作穩(wěn)定殼溫進(jìn)行測試，測試值為103.8℃；短路工況下發(fā)電機(jī)穩(wěn)定殼溫89.3℃，發(fā)電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)方案，該方案以Ansoft的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)為指導(dǎo)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(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。