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某新型抗短路发电机设计方案解析
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2017-11-17
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1.引言
永磁发电机由于其结构简单、功率密度高等特点广泛运用于航空装备中，但随着航空发动机机载全权限数字电子控制系统对抗短路、宽转速、高可靠性发电机电源系统的需求，研制具备双绕组或多绕组冗余、耐长时间短路工作等特性的发电机必然成为当务之急。
目前的发电机虽然也有部分产品拥有两套绕组，也允许短时间短路工况，但却不能实现真正的冗余，即当一套绕组出现短路或缺相等故障时，直接影响另一套绕组的工作性能；即使其中某套绕组能耐短时间短路，但其短路电流很大，将达到额定电流的几十倍、几百倍甚至上千倍，产生的高热量会直接影响另一套绕组受损伤。常规设计的发电机通常难耐接近200℃的高温工作环境，高温、短路工况工况甚至引起转子永磁体的不可逆退磁，从而给数控系统带来毁灭性的灾难，严重影响发动机系统的可靠性。
本文从转子结构、定子绕组形式等方面给出了一种新型抗短路发电机的设计方案，通过Ansoft仿真分析和对比研制产品的实测结果，表明设计方案可行，研制的发电机抗短路特性好、耐高温、耐宽转速，具备真正的冗余能力。
2.抗短路发电机的设计
2.1系统对发电机的要求
发动机数控系统要求发电机耐宽转速范围2000r/min~25000r/min，全转速范围内稳压为28.5V±0.5VDC，耐160℃高温运行工作环境（短时180℃），耐长时间短路工况，全转速范围内极限功率需求不低于250W，3000r/min~25000r/min转速范围内极限功率需求不低于280W，45%转速时任缺一相工况不影响另一通道正常工作，双通道允许长时间短路而不影响系统其他附件设备。
系统要求发电机重量≤3.5kg，外形φ113mm×125mm（不含安装法兰外圆），具有良好气密封性、互换性、维修性、可靠性、安全性、环境适应性，满足适航要求等。
2.2设计思想
结合系统对发电机的各项性能指标需求，设计的发电机要满足宽转速、高转速、高功率密度等的要求，永磁转子成为首选设计方案；要满足单一通道缺相故障时具备的冗余功能，常规绕组设计思想不可行，必须采用新型抗短路绕组方案。
转子设计方面根据宽转速、抗短路特性等要求，选择切向磁路结构、多对级型式；定子设计方面重点在新型绕组的设计上，理论上增加发电机的绕组匝数能减小发电机的短路电流倍数，但实际设计中由于受外形结构、出力需求等的限制而不可行，设计中考虑保持总匝数不变，采用减少线圈个数、增加单个线圈匝数从而增加漏抗的方案来改善发电机短路电流，采用独立绕组设计型式来实现通道真正冗余功能。
2.3仿真分析
按设计思想建立发电机的仿真模型，采用Ansoft进行仿真优化设计，该发电机内部磁密特性如图1所示，磁钢和磁轭交接处顶端局部点磁密偏高，其他转子和定子部位磁密低于1.3T.
对该发电机进行低速双通道同时带载的仿真结果见图2~图5，仿真结果表明，双通道输出能保证经稳压装置后输出功率均高于250W，且双通道（A通道、B通道）的输出一致性完全满足要求。
永磁发电机由于其结构简单、功率密度高等特点广泛运用于航空装备中，但随着航空发动机机载全权限数字电子控制系统对抗短路、宽转速、高可靠性发电机电源系统的需求，研制具备双绕组或多绕组冗余、耐长时间短路工作等特性的发电机必然成为当务之急。
目前的发电机虽然也有部分产品拥有两套绕组，也允许短时间短路工况，但却不能实现真正的冗余，即当一套绕组出现短路或缺相等故障时，直接影响另一套绕组的工作性能；即使其中某套绕组能耐短时间短路，但其短路电流很大，将达到额定电流的几十倍、几百倍甚至上千倍，产生的高热量会直接影响另一套绕组受损伤。常规设计的发电机通常难耐接近200℃的高温工作环境，高温、短路工况工况甚至引起转子永磁体的不可逆退磁，从而给数控系统带来毁灭性的灾难，严重影响发动机系统的可靠性。
本文从转子结构、定子绕组形式等方面给出了一种新型抗短路发电机的设计方案，通过Ansoft仿真分析和对比研制产品的实测结果，表明设计方案可行，研制的发电机抗短路特性好、耐高温、耐宽转速，具备真正的冗余能力。
2.抗短路发电机的设计
2.1系统对发电机的要求
发动机数控系统要求发电机耐宽转速范围2000r/min~25000r/min，全转速范围内稳压为28.5V±0.5VDC，耐160℃高温运行工作环境（短时180℃），耐长时间短路工况，全转速范围内极限功率需求不低于250W，3000r/min~25000r/min转速范围内极限功率需求不低于280W，45%转速时任缺一相工况不影响另一通道正常工作，双通道允许长时间短路而不影响系统其他附件设备。
系统要求发电机重量≤3.5kg，外形φ113mm×125mm（不含安装法兰外圆），具有良好气密封性、互换性、维修性、可靠性、安全性、环境适应性，满足适航要求等。
2.2设计思想
结合系统对发电机的各项性能指标需求，设计的发电机要满足宽转速、高转速、高功率密度等的要求，永磁转子成为首选设计方案；要满足单一通道缺相故障时具备的冗余功能，常规绕组设计思想不可行，必须采用新型抗短路绕组方案。
转子设计方面根据宽转速、抗短路特性等要求，选择切向磁路结构、多对级型式；定子设计方面重点在新型绕组的设计上，理论上增加发电机的绕组匝数能减小发电机的短路电流倍数，但实际设计中由于受外形结构、出力需求等的限制而不可行，设计中考虑保持总匝数不变，采用减少线圈个数、增加单个线圈匝数从而增加漏抗的方案来改善发电机短路电流，采用独立绕组设计型式来实现通道真正冗余功能。
2.3仿真分析
按设计思想建立发电机的仿真模型，采用Ansoft进行仿真优化设计，该发电机内部磁密特性如图1所示，磁钢和磁轭交接处顶端局部点磁密偏高，其他转子和定子部位磁密低于1.3T.
对该发电机进行低速双通道同时带载的仿真结果见图2~图5，仿真结果表明，双通道输出能保证经稳压装置后输出功率均高于250W，且双通道（A通道、B通道）的输出一致性完全满足要求。
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