资料介绍
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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