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探讨航空稀土永磁无刷直流起动发电机的设计特点 (范晶彦,陈顺利

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用于航空的起动发电机作为一台电机,首先是直流电源供电作电动机来起动航空发动机,然后等发动机点火发动后再来驱动它成为发电机作为飞机的主电源。目前,起动发电机正在从有刷向无刷发展。无刷起动发电机在性能要求上是无刷直流电动机与无刷直流发电机的综合。

1.刷直流发电机的结构特点

稀土永磁无刷直流起动发电机的结构如图1所示。转子配有稀土永磁体,结构形式为表面粘贴瓦片形稀土永磁体,永磁体外圆套有不锈钢钢套,防止高速旋转时磁钢飞出。转轴上装有无刷旋转变压器(转子位置传感器)。该结构具有交流电机结构简单的优点,通过电子控制实现无刷化,能适应高速、冲击、振动等恶劣环境。

低压大电流稀土永磁无刷直流起动发电机,定子采用普通三相交流电机的结构。由于电流很大,电机采用了余度技术。绕组采用2套星形接法,空间互移300电角度,2套绕组除互感在电气上的耦合外,相互独立。这种绕组形式有很多优点。首先可以减小整流管、斩波管或逆变器的电流;其次就绕组本身而言,提高了基波绕组系数,从而提高了电机有效材料利用率。

对稀土永磁无刷电机来说,由于磁钢在转子上,因此,既要保证机械强度要求,又要满足性能指标转子的结构设计相当要。在电机本体的结构中,装有同轴连接的无刷旋转变压器,它起到检测转于位置的作用在机本体的结构中,装有同轴联线的无刷能由计算结果和模报过速试验可以说明:内埋式结构的转 子强度十分安全, 但该转子结构的漏磁较大,致使在磁性能上明显不如表面突出式转子。转子采用表面突出式磁钢结构,如图2所示,外圆采用1Cr18Ni9Ti 不锈钢无缝钢管,将钢管压在磁钢表面,通过计算,强度十分好,工艺又简单,漏磁又减少许多。尽管气隙加大,但所使用的钐钴磁钢矫顽力很高,因此不会使磁钢工作点下移很多,即气隙磁密降低不多。內埋式永磁转子磁通小、力矩小,作为发电机运行时, 功率输出的潜力不大;表面式永磁转子磁通大、 漏磁小,功率输出的潜力大。 通过试验和仿 真可以得到这一结论。

2.刷直流起动发电机工作原理

稀土永磁无刷起动发电机一般采用方波驱动。|从电机结构上看,方波电机与正弦波电机没有多大差别, 但由于它们的运行原理不同, 使得其在转矩产生的方式、控制方法、输出转矩等方面均有很大差异。

永磁直流起动发电机就是台起动机与发电机的组合。从工作原理上首先作为电动机进行工作,工作时间较短,一般只有几十秒钟,作用是把发动机起动点火,其过程由启动控制器完成电机驱动过程,等发动机点火后,电动机状态基本完成。然后通过接触器的切换,电机将工作在发电机状态。发电状态属于长期连续工作状态,该整流调压过程由发电控制器完成稳压过程,给负载供电,并向蓄电池充电,达到双余度调节。双余度稀土永磁无刷直流起动发电机系统的工作原理框图如图3所示。

3.稀土永磁无刷直流起动发电机的设计特点

稀土永磁无刷直流起动发电机不是单独的电动机,也不是单独的发电机,而是两者的有机结合2]。因此在设计这种电机时,不能只考虑某一个状态,而是全面考虑,反复校核。一般情况下,需给出以下2种工作状态的性能指标要求。

(1)起动状态下的额定电压U.(DC)、空载转速n、额定转速Nam、额定力矩Man、额定电流han、工作状态为短时工作制。

(2)发电状态下的额定电压U%(DC)、工作转速范围、额定输出功率P、过载能力、稳压精度、工作状态为连续工作制。

根据用户的要求,有时也需要给出起动时间和发动机的起动力矩曲线以及外形尺寸要求等。根据用户给出的性能指标要求,首先可以分别估算2种状态下电机需要的体积V:V并取其中较大者v=|V,V2}作为该电机的估算体积, 然后进行发电 机状态计算。待发电机状态计算完成后,电机的各种电磁参数已经完全确定(如匝数、线径、磁钢大小、极数等),对起动状态只能进行校核计算。在校核过程中,如发现某一一个参数需要调整,则按起动状态所需参数进行调整,然后再校核发电机状态。如此反复校核,最终获得对两种状态都比较满意的计算结果。稀土永磁无刷直流起动发电机的设计流程如图4所示。

在起动发电机的设计过程中,要注意二者的匹配问题。在所有的参数中,磁钢和绕组匝数的选择十分重要。一股情况下,磁钢采用性能高的钐钻磁钢,这样不但可以提高电机的功率密度,还可以提高电机的耐温等级。匝数的选择也非常重要,对发电机来说,匝数多可以降低空载建压转速,但感抗会增大,会影响发电机的最大输出。在斩波稳压的电路中,一般发电机的最高转速与最低转速之比为2: 1,因此应当在最低转速时占空比为0.9左右,在最高转速时为0.5左右,这样效率较高。由此设计的发电机匝数Wp将减少,这对起动状态转速的升高有益处,也会减小起动状态时弱磁扩速的范围。

因此,在设计流程图中,调整参数时定注意匝数的影响,它对起动和发电两个状态的影响是十分重要的。另外,流程图中要进行两个体积估算,这是因为,起动和发电状态的转速不同,工作时间不同。起动是短时工作,没有通风,而发电是长期强迫通风工作,因此,不能认为发电机状态功率大就认为应按发电机状态来估算体积。本样机的起动发电机在记

算体积时,起动状态比发电要大。

另外稀土永磁无刷直流起动发电机要求定子绕组为集中整距绕组,因此,定子铁心硅钢片的槽数也就确定了。因为要求每极每相槽数q= Z/2mp=1,m=3,因此槽数Z=2 x3p=6p(1套绕组而言),当使用2套绕组时,槽数Z=4x3p=12p。这一点是与一般电机的不同之处。普通电机可以选择多种槽数,不定非要q=1

有的电机可以靠换相电抗起到自动限流的作用,例如广泛应用在汽车上的硅整流发电机就是最明显的例证。当然,由于换相电感的存在,三相绕组间的换相不能瞬时完成,出现三相同时导通,在换相期间相当于两相短路,产生换相压降,使相电压与线电压波形出现缺口,输出电压调整率降低。因此,在设计电机时,要特别注意定子漏抗对电机性能的影响。样机的主要尺寸:定子铁心外径: 15.8 cm,定子铁心内径: 11.4 cm,定子铁心槽数Z=36,定子铁心长度: 10 cm,极对数p=3,气隙长度0.2 cm

起动状态:电源电压48-56 V DC

空载转速no > 5000 r/min

负载力矩1M=5.0kgm

负载转速1 n >810 r/min

负载功率1 P =4.16 kW

负载力矩2 M2 =7.0 kgm

负载转速2 n2 > 1400 r/min

负载功率2 P,= 10. 084 kW

发电状态:转速范围4400 r/min~ 9000 r/min,取最低转速4400 r/ min

经稳压控制器处理后输出稳定直流电压30V额定功率15 kW

过载倍数为1.2倍额定功率,为18 kW

4样机的性能计算和实测对比

1和表2是所设计样机在电压分别值为48V45.6V的起动工作特性。   表3和表4对发电机的转速与负载整流电压以及电流的计算值和实测值进行了对比。


通过图表可以看出,整个起动和发电性能的计算结果与实测结果比较相符,说明计算方法基本正确。

5.结语

本文简要介绍了稀土永磁无刷直流起动发电机工作原理和基本结构,重点分析了它的设计特点,给出了稀土永磁无刷直流起动发电机的设计流程图。通过对样机计算值和实测值对比,说明了本文计算方法的正确性。总之,在稀土永磁无刷直流起动发电机设计过程中,一定要注意电动状态和发电状态的协调。另外,转子结构既要保证强度要求,又要保证磁性能要求。


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