高可靠性航空发电机的短路电流分析

引言

小功率用电设备对用电质量的要求较低,其电源可以用单相电代替三相电简化系统结构,提高系统可靠性和功率密度。随着航空航天技术的发展,对发电机的要求越来越高。为满足某发动机数控系统用电需求,设计了一款发电机,它可以同时对外输出3种电压,同时为保证设备的安全运行,提高产品的可靠性,对发电机进行了抗短路设计,避免在短路情况下过高短路电流对用电设备造成损坏。

1短路电流分析

研究永磁同步发电机的短路时,主要研究其瞬态短路状态以及稳态短路状态。为简化运算,先对稳态短路情况下的短路电流进行计算,然后以经验系数修正,得到瞬态状态下的短路电流。

根据文献[2],可得出式(I):

式中,E0为空载反电势:/k为短路电流:/N为额定电流:Xad为直轴电枢反应电抗:Xaq为交轴电枢反应电抗:r0为绕组内阻:L0为绕组电感。

从式(I)可知,增加定子漏抗可以减小短路电流。发电机定子漏抗包括定子槽漏抗、谐波漏抗以及端部漏抗。定子绕组漏抗可用式(2)表达:

式中,Xs为绕组漏抗:f为频率:li为铁芯长度:N为每相导体数:入s为定子槽比漏磁导:入e为定子端部比漏磁导:入h为谐波比漏磁导:p为极数:g为每极每相槽数。

其中入s定子槽比漏磁导见式(3):

式中,hs0为冲片第一槽口高:hs1为冲片第二槽口高:bs0为冲片第一槽口宽:bs1为冲片第二槽口宽:8为定子绕组节距比。

入e定子端部比漏磁导见式(4):

中,m为电机相数,r为电机极距。

入h谐波比漏磁导见式(5):

式中,s为气隙长度:Ks为饱和系数:Kdp为绕组因数。

根据式(2)~式(5),可以得出,增加定子漏抗可以采用的方法包括:

(1)优化定子槽型,选择窄而深的定子槽,优化槽口尺寸,提高槽比漏磁导:

(2)合理设计每相匝数,选取高的串联匝数:

(3)增大绕组端部长度,减小长径比,提高定子端部的比漏磁导:

(4)减小气隙长度,提高发电机中的谐波比漏磁导。

2发电机方案设计

2.1极槽配合的选取

为减小发电机绕组端部尺寸,优先采用集中绕组的布置方式,集中绕组有利于提高发电机性能,减少发电机损耗,降低齿槽转矩[4]。本发电机选择I2极I8槽的极槽配合方式。2.2定子绕组设计

在本研究中,发电机分别提供3套独立单相交流电压,定子相数分配情况如图I所示。wI绕组为93匝,w2绕组为599匝,w3绕组为244匝。

图1定子绕组分配

3有限元仿真分析

在AnsoftMawe112D软件中建立发电机模型,对发电机在21357r/min下分别进行空载仿真分析、带载仿真分析和短路仿真分析。短路电流仿真波形如图2所示,仿真结果如表1所示。

4实验验证

对样机进行负载短路实验,在2I357r/min转速下,将3套绕组输出端分别短路,对发电机进行试验测试。实测结果如表2所示。

通过表1、表2仿真数据与实测数据的对比分析,发电机w1、w2、w3通道对外输出性能仿真值与测试值偏差较小,所有误差不超过8%。

5结语

本文从单相绕组抗短路的原理出发,研究了发电机定子漏抗影响因数,对发电机进行了抗短路设计,优化了定子槽型,通过合理选择定子匝数、长径比以及气隙长度,提高了定子漏抗,降低了发电机的短路电流。通过仿真与试验验证,证明了设计的合理性和仿真的准确性,为高可靠性航空发电机的设计提供了重要的指导。