某新型抗短路發(fā)電機設計方案解析

　1.引言
　　永磁發(fā)電機由于其結構簡單、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)動機機載全權限數字電子控制系統(tǒng)對抗短路、寬轉速、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品擁有兩套繞組，也允許短時間短路工況，但卻不能實現真正的冗余，即當一套繞組出現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子永磁體的不可逆退磁，從而給數控系統(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Ansoft仿真分析和對比研制產品的實測結果，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(tǒng)對發(fā)電機的要求
　　發(fā)動機數控系統(tǒng)要求發(fā)電機耐寬轉速范圍2000r/min~25000r/min，全轉速范圍內穩(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，采用減少線圈個數、增加單個線圈匝數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果見圖2~圖5，仿真結果表明，雙通道輸出能保證經穩(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。