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探討航空稀土永磁無刷直流起動發電機的設計特點 (范晶彥,陳順利

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用于航空的起動發電機作為一臺電機,首先是直流電源供電作電動機來起動航空發動機,然后等發動機點火發動后再來驅動它成為發電機作為飛機的主電源。目前,起動發電機正在從有刷向無刷發展。無刷起動發電機在性能要求上是無刷直流電動機與無刷直流發電機的綜合。

1.刷直流發電機的結構特點

稀土永磁無刷直流起動發電機的結構如圖1所示。轉子配有稀土永磁體,結構形式為表面粘貼瓦片形稀土永磁體,永磁體外圓套有不銹鋼鋼套,防止高速旋轉時磁鋼飛出。轉軸上裝有無刷旋轉變壓器(轉子位置傳感器)。該結構具有交流電機結構簡單的優點,通過電子控制實現無刷化,能適應高速、沖擊、振動等惡劣環境。

低壓大電流稀土永磁無刷直流起動發電機,定子采用普通三相交流電機的結構。由于電流很大,電機采用了余度技術。繞組采用2套星形接法,空間互移300電角度,2套繞組除互感在電氣上的耦合外,相互獨立。這種繞組形式有很多優點。首先可以減小整流管、斬波管或逆變器的電流;其次就繞組本身而言,提高了基波繞組系數,從而提高了電機有效材料利用率。

對稀土永磁無刷電機來說,由于磁鋼在轉子上,因此,既要保證機械強度要求,又要滿足性能指標轉子的結構設計相當要。在電機本體的結構中,裝有同軸連接的無刷旋轉變壓器,它起到檢測轉于位置的作用在機本體的結構中,裝有同軸聯線的無刷能。由計算結果和模報過速試驗可以說明:內埋式結構的轉 子強度十分安全, 但該轉子結構的漏磁較大,致使在磁性能上明顯不如表面突出式轉子。轉子采用表面突出式磁鋼結構,如圖2所示,外圓采用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼無縫鋼管,將鋼管壓在磁鋼表面,通過計算,強度十分好,工藝又簡單,漏磁又減少許多。盡管氣隙加大,但所使用的釤鈷磁鋼矯頑力很高,因此不會使磁鋼工作點下移很多,即氣隙磁密降低不多。內埋式永磁轉子磁通小、力矩小,作為發電機運行時, 功率輸出的潛力不大;表面式永磁轉子磁通大、 漏磁小,功率輸出的潛力大。 通過試驗和仿 真可以得到這一結論。

2.刷直流起動發電機工作原理

稀土永磁無刷起動發電機一般采用方波驅動。|從電機結構上看,方波電機與正弦波電機沒有多大差別, 但由于它們的運行原理不同, 使得其在轉矩產生的方式、控制方法、輸出轉矩等方面均有很大差異。

永磁直流起動發電機就是臺起動機與發電機的組合。從工作原理上首先作為電動機進行工作,工作時間較短,一般只有幾十秒鐘,作用是把發動機起動點火,其過程由啟動控制器完成電機驅動過程,等發動機點火后,電動機狀態基本完成。然后通過接觸器的切換,電機將工作在發電機狀態。發電狀態屬于長期連續工作狀態,該整流調壓過程由發電控制器完成穩壓過程,給負載供電,并向蓄電池充電,達到雙余度調節。雙余度稀土永磁無刷直流起動發電機系統的工作原理框圖如圖3所示。

3.稀土永磁無刷直流起動發電機的設計特點

稀土永磁無刷直流起動發電機不是單獨的電動機,也不是單獨的發電機,而是兩者的有機結合2]。因此在設計這種電機時,不能只考慮某一個狀態,而是全面考慮,反復校核。一般情況下,需給出以下2種工作狀態的性能指標要求。

(1)起動狀態下的額定電壓U.(DC)、空載轉速n、額定轉速Nam、額定力矩Man、額定電流han、工作狀態為短時工作制。

(2)發電狀態下的額定電壓U%(DC)、工作轉速范圍、額定輸出功率P、過載能力、穩壓精度、工作狀態為連續工作制。

根據用戶的要求,有時也需要給出起動時間和發動機的起動力矩曲線以及外形尺寸要求等。根據用戶給出的性能指標要求,首先可以分別估算2種狀態下電機需要的體積V:V并取其中較大者v=|V,V2}作為該電機的估算體積, 然后進行發電 機狀態計算。待發電機狀態計算完成后,電機的各種電磁參數已經完全確定(如匝數、線徑、磁鋼大小、極數等),對起動狀態只能進行校核計算。在校核過程中,如發現某一一個參數需要調整,則按起動狀態所需參數進行調整,然后再校核發電機狀態。如此反復校核,最終獲得對兩種狀態都比較滿意的計算結果。稀土永磁無刷直流起動發電機的設計流程如圖4所示。

在起動發電機的設計過程中,要注意二者的匹配問題。在所有的參數中,磁鋼和繞組匝數的選擇十分重要。一股情況下,磁鋼采用性能高的釤鉆磁鋼,這樣不但可以提高電機的功率密度,還可以提高電機的耐溫等級。匝數的選擇也非常重要,對發電機來說,匝數多可以降低空載建壓轉速,但感抗會增大,會影響發電機的最大輸出。在斬波穩壓的電路中,一般發電機的最高轉速與最低轉速之比為2: 1,因此應當在最低轉速時占空比為0.9左右,在最高轉速時為0.5左右,這樣效率較高。由此設計的發電機匝數Wp將減少,這對起動狀態轉速的升高有益處,也會減小起動狀態時弱磁擴速的范圍。

因此,在設計流程圖中,調整參數時定注意匝數的影響,它對起動和發電兩個狀態的影響是十分重要的。另外,流程圖中要進行兩個體積估算,這是因為,起動和發電狀態的轉速不同,工作時間不同。起動是短時工作,沒有通風,而發電是長期強迫通風工作,因此,不能認為發電機狀態功率大就認為應按發電機狀態來估算體積。本樣機的起動發電機在記

算體積時,起動狀態比發電要大。

另外稀土永磁無刷直流起動發電機要求定子繞組為集中整距繞組,因此,定子鐵心硅鋼片的槽數也就確定了。因為要求每極每相槽數q= Z/2mp=1,m=3,因此槽數Z=2 x3p=6p(1套繞組而言),當使用2套繞組時,槽數Z=4x3p=12p。這一點是與一般電機的不同之處。普通電機可以選擇多種槽數,不定非要q=1。

有的電機可以靠換相電抗起到自動限流的作用,例如廣泛應用在汽車上的硅整流發電機就是最明顯的例證。當然,由于換相電感的存在,三相繞組間的換相不能瞬時完成,出現三相同時導通,在換相期間相當于兩相短路,產生換相壓降,使相電壓與線電壓波形出現缺口,輸出電壓調整率降低。因此,在設計電機時,要特別注意定子漏抗對電機性能的影響。樣機的主要尺寸:定子鐵心外徑: 15.8 cm,定子鐵心內徑: 11.4 cm,定子鐵心槽數Z=36,定子鐵心長度: 10 cm,極對數p=3,氣隙長度0.2 cm。

起動狀態:電源電壓48-56 V DC

空載轉速no > 5000 r/min

負載力矩1M=5.0kgm

負載轉速1 n >810 r/min

負載功率1 P =4.16 kW

負載力矩2 M2 =7.0 kgm

負載轉速2 n2 > 1400 r/min

負載功率2 P,= 10. 084 kW

發電狀態:轉速范圍4400 r/min~ 9000 r/min,取最低轉速4400 r/ min

經穩壓控制器處理后輸出穩定直流電壓30V額定功率15 kW

過載倍數為1.2倍額定功率,為18 kW。

4樣機的性能計算和實測對比

1和表2是所設計樣機在電壓分別值為48V45.6V的起動工作特性。   表3和表4對發電機的轉速與負載整流電壓以及電流的計算值和實測值進行了對比。


通過圖表可以看出,整個起動和發電性能的計算結果與實測結果比較相符,說明計算方法基本正確。

5.結語

本文簡要介紹了稀土永磁無刷直流起動發電機工作原理和基本結構,重點分析了它的設計特點,給出了稀土永磁無刷直流起動發電機的設計流程圖。通過對樣機計算值和實測值對比,說明了本文計算方法的正確性。總之,在稀土永磁無刷直流起動發電機設計過程中,一定要注意電動狀態和發電狀態的協調。另外,轉子結構既要保證強度要求,又要保證磁性能要求。


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