一種新型抗短路發(fā)電機的設計方案

　　1.引言

　　永磁發(fā)電機由于其結構簡(jiǎn)單、功率密度高等特點(diǎn)廣泛運用于航空裝備中，但隨著(zhù)航空發(fā)動(dòng)機機載全權限數字電子控制系統對抗短路、寬轉速、高可靠性發(fā)電機電源系統的需求，研制具備雙繞組或多繞組冗余、耐長(cháng)時(shí)間短路工作等特性的發(fā)電機必然成為當務(wù)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(shí)間短路工況，但卻不能實(shí)現真正的冗余，即當一套繞組出現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子永磁體的不可逆退磁，從而給數控系統帶來(lái)毀滅性的災難，嚴重影響發(fā)動(dòng)機系統的可靠性。

　　本文從轉子結構、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(guò)Ansoft仿真分析和對比研制產(chǎn)品的實(shí)測結果，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 系統對發(fā)電機的要求

　　發(fā)動(dòng)機數控系統要求發(fā)電機耐寬轉速范圍2000r/min~25000r/min，全轉速范圍內穩壓為28.5V±0.5VDC，耐160℃高溫運行工作環(huán)境（短時(shí)180℃），耐長(cháng)時(shí)間短路工況，全轉速范圍內極限功率需求不低于 250W，3000r/min~25000r/min轉速范圍內極限功率需求不低于280W，45%轉速時(shí)任缺一相工況不影響另一通道正常工作，雙通道允許長(cháng)時(shí)間短路而不影響系統其他附件設備。

　　系統要求發(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(mǎn)足適航要求等。

　　2.2 設計思想

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

　　轉子設計方面根據寬轉速、抗短路特性等要求，選擇切向磁路結構、多對級型式；定子設計方面重點(diǎn)在新型繞組的設計上，理論上增加發(fā)電機的繞組匝數能減小發(fā)電機的短路電流倍數，但實(shí)際設計中由于受外形結構、出力需求等的限制而不可行，設計中考慮保持總匝數不變，采用 減少線(xiàn)圈個(gè)數、增加單個(gè)線(xiàn)圈匝數從而增加漏抗的方案來(lái)改善發(fā)電機短路電流，采用獨立繞組設計型式來(lái)實(shí)現通道真正冗余功能。

　　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(jìn)行仿真優(yōu)化設計，該發(fā)電機內部磁密特性如圖1所示，磁鋼和磁軛交接處頂端局部點(diǎn)磁密偏高，其他轉子和定子部位磁密低于1.3T.

　　　　對該發(fā)電機進(jìn)行低速雙通道同時(shí)帶載的仿真結果見(jiàn)圖2~圖5，仿真結果表明，雙通道輸出能保證經(jīng)穩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(mǎn)足要求。

　　單一通道任缺一相，另一通道正常帶載的仿真結果見(jiàn)圖6和圖7所示。

　　正常通道的輸出功率為471W，經(jīng)過(guò)穩壓裝置后能滿(mǎn)足輸出功率高于280W;雙通道同時(shí)短路的仿真結果見(jiàn)圖8和圖9，低轉速下雙通道短路電流均為13.37A，高轉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(huì )因短路工況出現溫升過(guò)高的現象。

　　3.研制結果

　　以仿真優(yōu)化為指導，研制生產(chǎn)出的產(chǎn)品實(shí)物見(jiàn)圖10.對產(chǎn)品的實(shí)測結果見(jiàn)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)電機整流后的輸出，而實(shí)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壓裝置，穩壓存在一定的損耗，且只有特別設計的穩壓裝置才滿(mǎn)足寬轉速范圍的各項輸出特性，仿真結果符合實(shí)際產(chǎn)品測試情況。

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

　　4.結論

　　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