引言

小功率用電設(shè)備對用電質(zhì)量的要求較低,其電源可以用單相電代替三相電簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)可靠性和功率密度。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,對發(fā)電機的要求越來越高。為滿足某發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)用電需求,設(shè)計了一款發(fā)電機,它可以同時對外輸出3種電壓,同時為保證設(shè)備的安全運行,提高產(chǎn)品的可靠性,對發(fā)電機進行了抗短路設(shè)計,避免在短路情況下過高短路電流對用電設(shè)備造成損壞。

1短路電流分析

研究永磁同步發(fā)電機的短路時,主要研究其瞬態(tài)短路狀態(tài)以及穩(wěn)態(tài)短路狀態(tài)。為簡化運算,先對穩(wěn)態(tài)短路情況下的短路電流進行計算,然后以經(jīng)驗系數(shù)修正,得到瞬態(tài)狀態(tài)下的短路電流。

根據(jù)文獻[2],可得出式(I):

式中,E0為空載反電勢:/k為短路電流:/N為額定電流:Xad為直軸電樞反應(yīng)電抗:Xaq為交軸電樞反應(yīng)電抗:r0為繞組內(nèi)阻:L0為繞組電感。

從式(I)可知,增加定子漏抗可以減小短路電流。發(fā)電機定子漏抗包括定子槽漏抗、諧波漏抗以及端部漏抗。定子繞組漏抗可用式(2)表達:

式中,Xs為繞組漏抗:f為頻率:li為鐵芯長度:N為每相導(dǎo)體數(shù):入s為定子槽比漏磁導(dǎo):入e為定子端部比漏磁導(dǎo):入h為諧波比漏磁導(dǎo):p為極數(shù):g為每極每相槽數(shù)。

其中入s定子槽比漏磁導(dǎo)見式(3):

式中,hs0為沖片第一槽口高:hs1為沖片第二槽口高:bs0為沖片第一槽口寬:bs1為沖片第二槽口寬:8為定子繞組節(jié)距比。

入e定子端部比漏磁導(dǎo)見式(4):

中,m為電機相數(shù),r為電機極距。

入h諧波比漏磁導(dǎo)見式(5):

式中,s為氣隙長度:Ks為飽和系數(shù):Kdp為繞組因數(shù)。

根據(jù)式(2)~式(5),可以得出,增加定子漏抗可以采用的方法包括:

(1)優(yōu)化定子槽型,選擇窄而深的定子槽,優(yōu)化槽口尺寸,提高槽比漏磁導(dǎo):

(2)合理設(shè)計每相匝數(shù),選取高的串聯(lián)匝數(shù):

(3)增大繞組端部長度,減小長徑比,提高定子端部的比漏磁導(dǎo):

(4)減小氣隙長度,提高發(fā)電機中的諧波比漏磁導(dǎo)。

2發(fā)電機方案設(shè)計

2.1極槽配合的選取

為減小發(fā)電機繞組端部尺寸,優(yōu)先采用集中繞組的布置方式,集中繞組有利于提高發(fā)電機性能,減少發(fā)電機損耗,降低齒槽轉(zhuǎn)矩[4]。本發(fā)電機選擇I2極I8槽的極槽配合方式。2.2定子繞組設(shè)計

在本研究中,發(fā)電機分別提供3套獨立單相交流電壓,定子相數(shù)分配情況如圖I所示。wI繞組為93匝,w2繞組為599匝,w3繞組為244匝。

圖1定子繞組分配

3有限元仿真分析

在AnsoftMawe112D軟件中建立發(fā)電機模型,對發(fā)電機在21357r/min下分別進行空載仿真分析、帶載仿真分析和短路仿真分析。短路電流仿真波形如圖2所示,仿真結(jié)果如表1所示。

4實驗驗證

對樣機進行負載短路實驗,在2I357r/min轉(zhuǎn)速下,將3套繞組輸出端分別短路,對發(fā)電機進行試驗測試。實測結(jié)果如表2所示。

通過表1、表2仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比分析,發(fā)電機w1、w2、w3通道對外輸出性能仿真值與測試值偏差較小,所有誤差不超過8%。

5結(jié)語

本文從單相繞組抗短路的原理出發(fā),研究了發(fā)電機定子漏抗影響因數(shù),對發(fā)電機進行了抗短路設(shè)計,優(yōu)化了定子槽型,通過合理選擇定子匝數(shù)、長徑比以及氣隙長度,提高了定子漏抗,降低了發(fā)電機的短路電流。通過仿真與試驗驗證,證明了設(shè)計的合理性和仿真的準(zhǔn)確性,為高可靠性航空發(fā)電機的設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)。