摘 要:航空发电机对可靠性要求较高,为避免过高电流对用电设备造成损坏,需要限制发电机的短路电流,介绍了一款具有提供多通道输出单相电压的永磁同步发电机,对其进行了抗短路设计,分析了该发电机在短路情况下的运行情况,通过电机短路试验结果证明,满足设计要求,对单绕组抗短路发电机的设计具有重要意义。
关键词:高可靠性;发电机;短路电流
0 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[1]。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(1):
(1)
式中,E0为空载反电势;Ik为短路电流;IN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(1)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[3]。定子绕组漏抗可用式(2)表达:
(2)
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;λs为定子槽比漏磁导;λe为定子端部比漏磁导;λh为谐波比漏磁导;p为极数;q为每极每相槽数。
其中λs定子槽比漏磁导见式(3):
(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;β为定子绕组节距比。
λe定子端部比漏磁导见式(4):
(4)
式中,m为电机相数,τ为电机极距。
λh谐波比漏磁导见式(5):
(5)
式中,δ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12极18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1所示。W1绕组为93匝,W2绕组为599匝,W3绕组为244匝。
3 有限元仿真分析
在AnsoftMawell 2D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21357r/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。
[参考文献]
[1] 苏绍禹,高红霞.永磁发电机机理、设计及应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2015.
[2] 肖利,曹朝晖,卓亮.基于Ansoft的新型抗短路发电机的设计[J].电机技术,2013(5):8-10.
[3] 王春亮,何山,王维庆,等.直驱永磁风力发电机绕组短路保护研究[J].黑龙江电力,2017,39(2):114-119.
[4] 陈益广.分数槽集中绕组永磁同步发电机的电感计算[J].电工技术学报,2014,29(3):119-124.
基金项目:
多通道冗余抗短路发电机(项目编号:1707WZ0006)
作者简介
兰小兵(1987—),男,贵州瓮安人,工程师,主要从事抗短路发电机、高速永磁同步发电机的设计与研究工作。