王彥龍，趙 飛，卓 亮，夏 堃，彭輝燈，石宏順

(1.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表室，貴陽 550018；2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550081；3.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽 550081；4.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引 言

直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，它是現(xiàn)代飛機(jī)供電的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。飛機(jī)直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)既是發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)設(shè)備，又是飛機(jī)的主電源設(shè)備[3]。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通過地面電源或機(jī)上電源讓電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從零上升到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速；在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火完成后，由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直至達(dá)到發(fā)電轉(zhuǎn)速，起動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能為飛機(jī)用電設(shè)備供電，并同時(shí)向蓄電池充電[4]。

起動(dòng)發(fā)電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其發(fā)電性能直接影響飛機(jī)上用電設(shè)備的正常工作[5]。本文以某型直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)發(fā)電性能不足的問題，研究了主磁極倒角半徑及主磁極材料對(duì)發(fā)電性能的影響，為該型直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。最后樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性。

1 基本理論及外特性方程

1.1 工作原理

該型直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)激勵(lì)方式為并勵(lì)，起動(dòng)時(shí)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，起動(dòng)后為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其電氣原理如圖1所示。

圖1 電氣原理圖

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)模式的工作原理：電樞繞組、補(bǔ)償繞組、換向極繞組串聯(lián)連接，在B+、E-兩端給電樞繞組通入直流電，同時(shí)給并勵(lì)繞組通電產(chǎn)生主磁通，切割轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電磁力而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，換向器與電樞繞組相連給電樞電流換向，換向極繞組通過減小電抗電動(dòng)勢(shì)和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來改善電樞繞組換向，補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)補(bǔ)償電樞反應(yīng)，使氣隙磁密不發(fā)生畸變。

發(fā)電機(jī)模式的工作原理：與電動(dòng)原理相反，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，給并勵(lì)繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，電樞線圈切割磁場(chǎng)，感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，通過換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妷?，從B+、E-兩端輸出，由調(diào)壓器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而輸出穩(wěn)定電壓。

1.2 物理模型及基本假設(shè)

直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)的物理模型如圖2所示，為改善換向性能，其裝置了換向極繞組和補(bǔ)償繞組。

圖2 起動(dòng)發(fā)電機(jī)物理模型

為簡化分析過程，建立起動(dòng)發(fā)電機(jī)外特性方程前，首先假設(shè)所研究對(duì)象為理想發(fā)電機(jī)，采用以下簡化假設(shè)條件：

(1)忽略磁路飽和、磁滯等影響，假定電機(jī)鐵心部分導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)，即認(rèn)為電機(jī)鐵心工作在線性區(qū)域。

(2)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)于直軸和交軸而言，在結(jié)構(gòu)上分別對(duì)稱。

(3)補(bǔ)償繞組槽和轉(zhuǎn)子槽不影響補(bǔ)償繞組和轉(zhuǎn)子繞組電感，即認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子表面光滑。

1.3 發(fā)電狀態(tài)外特性方程推導(dǎo)

基于以上假設(shè)，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)的外特性方程，即是端電壓U與負(fù)載電流I的關(guān)系函數(shù):

U=f(I)

(1)

在發(fā)電狀態(tài)時(shí)為并勵(lì)勵(lì)磁，其電動(dòng)勢(shì)平衡方程為[6]

U=Ea-IaRa

(2)

式中,U為端電壓，Ea為反電動(dòng)勢(shì)，Ia為電樞回路電流，Ra為電樞回路中總的等效電阻(包括電樞繞組電阻和電刷接觸電阻)。

對(duì)于并聯(lián)勵(lì)磁回路，電流方程為

Ia=I+If

(3)

式中,If為激勵(lì)電流，I為負(fù)載電流。

發(fā)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)可表示為[7]

(4)

式中,p為極數(shù)，N為電樞繞組導(dǎo)體數(shù)，a電樞繞組支路對(duì)數(shù)，n為拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，Φ為總磁通量。

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)，則電機(jī)發(fā)電狀態(tài)外特性方程U=f(I)可寫為

(5)

2 起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電性能優(yōu)化分析

直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)指標(biāo)要求在拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為6250 r/min、勵(lì)磁電流為8 A時(shí)，電機(jī)輸出端電壓30 V，帶載325 A；實(shí)測(cè)樣機(jī)勵(lì)磁電流8 A時(shí)，電機(jī)輸出端電壓21.9 V，帶載318 A，不能滿足指標(biāo)要求。因此基于并勵(lì)發(fā)電機(jī)外特性方程(5)進(jìn)行優(yōu)化，在極數(shù)p、導(dǎo)體數(shù)N、支路對(duì)數(shù)a、拖動(dòng)速度n、激勵(lì)電流If不變的情況下，主要通過調(diào)整磁通量來優(yōu)化發(fā)電性能，而磁通與主磁極有著十分重要的關(guān)聯(lián)(磁通量Φ=Bavl，表示磁通密度Bav乘以一個(gè)主磁極面積l，l磁極有效長度，為極距)。故本文將從主磁極的結(jié)構(gòu)和材料對(duì)發(fā)電性能進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 主磁極倒角半徑對(duì)發(fā)電性能影響分析

發(fā)電性能可通過空載反電動(dòng)勢(shì)大小判斷，根據(jù)式(2)可知，當(dāng)端電壓U一定，反電動(dòng)勢(shì)Ea越大，發(fā)電性能也越好。

2.1.1 主磁極倒角對(duì)發(fā)電性能分析

主磁極結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，R1和R0為磁極上的倒角。直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)初始樣機(jī)主磁極倒角半徑R1和R0均取0.5 mm，材料為50WW310，為分析倒角尺寸對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)的影響，分別?。呵闆ra)R0=0.5 mm，R1分別取2 mm、3.5 mm、5 mm；情況b)：R1=0.5 mm時(shí)，R0分別取1 mm、2 mm、3 mm進(jìn)行空載反電動(dòng)勢(shì)仿真分析。當(dāng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為6250 r/min、勵(lì)磁電流8 A時(shí)其空載電動(dòng)勢(shì)仿真值分別如表1和表2所示。從表1、表2可以看出：當(dāng)R1增大時(shí)，空載反電動(dòng)勢(shì)也隨著增大，變化較為明顯；而當(dāng)R0增大時(shí)，空載反電動(dòng)勢(shì)變化較小。這是因?yàn)樵龃驲1時(shí)，倒角區(qū)域磁密降低如圖4所示，消除主磁極局部磁密飽和點(diǎn)，增大了磁通量，利于空載反電動(dòng)勢(shì)的增大，提升發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能。

圖3 主磁極尺寸參數(shù)示意圖

主磁極倒角半徑R1/mm空載反電動(dòng)勢(shì)/V0.530.816231.0153.531.265531.471

表2 不同R0值對(duì)應(yīng)的空載反電動(dòng)勢(shì)值

圖4 不同R1值對(duì)應(yīng)的磁密分布云圖

2.1.2 主磁極材料對(duì)發(fā)電性能影響分析

有刷直流電機(jī)主磁極磁場(chǎng)為單向磁場(chǎng)，故主磁極導(dǎo)磁材料可選用單向?qū)Т判阅芎玫挠腥∠蚬桎撈?，又因單向磁?chǎng)的渦流較小，故主磁極也可選用電阻值小的高導(dǎo)磁合金。起動(dòng)發(fā)電機(jī)原始樣機(jī)的主磁極材料為冷軋無取向硅鋼片50WW310，實(shí)測(cè)發(fā)電性能不能滿足發(fā)電性能要求。因此，分別選用三種材料與原始樣機(jī)材料進(jìn)行對(duì)比分析，三種材料分別為冷軋無取向硅鋼片50WW1300、冷軋有取向硅鋼片30QG105、高導(dǎo)磁合金1J22，其磁化曲線如圖5所示，圖中合金材料1J22的導(dǎo)磁性能最高，50WW310的導(dǎo)磁性能最低。分別仿真不同磁極材料對(duì)空載電動(dòng)勢(shì)影響，結(jié)果如圖6和表3所示。

表3 不同主磁極材料下的發(fā)電機(jī)空載特性數(shù)據(jù)表

圖5 主磁極所用不同材料的直流磁化曲線

圖6 不同主磁極材料下的發(fā)電機(jī)空載特性曲線

從表3可以看出，勵(lì)磁電流為1 A時(shí)，四種主磁極材料對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)相差不大，與原始樣機(jī)主磁極材料的空載電動(dòng)勢(shì)偏差在0.2 V以內(nèi)；當(dāng)勵(lì)磁電流為8 A時(shí)，1J22、30QG105和50WW1300對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)分別比樣機(jī)主磁極材料為50WW310的空載電動(dòng)勢(shì)高3.09 V、2.83 V和0.78 V，隨著勵(lì)磁電流越大，空載反電動(dòng)勢(shì)越大。分析結(jié)果表明，低勵(lì)磁電流時(shí)主磁極材料性能的對(duì)電機(jī)發(fā)電性能影響較小，高勵(lì)磁電流時(shí)主磁極材料導(dǎo)磁性能越好，空載電動(dòng)勢(shì)越大，發(fā)電性能越好。因此，選用導(dǎo)磁性能越好的材料，其磁飽和值越大，隨著勵(lì)磁電流增大、氣隙磁密增強(qiáng)，使得主磁極上磁通量越大，空載反電動(dòng)勢(shì)越大，更有利于提高電機(jī)發(fā)電性能。

3 起動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電樣機(jī)試驗(yàn)

通過優(yōu)化分析指導(dǎo)，將起動(dòng)發(fā)電機(jī)原始樣機(jī)主磁極材料改成1J22，主磁極結(jié)構(gòu)倒角R0取0.5 mm，R1取5 mm。優(yōu)化后發(fā)電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)如圖7所示，采用20 kW電機(jī)作為拖動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)為負(fù)載電機(jī)，出線端接負(fù)載電阻，勵(lì)磁繞組接勵(lì)磁電流。表4為樣機(jī)優(yōu)化前和優(yōu)化后的發(fā)電性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如所示，從表中可以看出，主磁極尺寸及材料更改后其發(fā)電性能提升明顯，試驗(yàn)結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

圖7 發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)

電流/A輸出電壓/V勵(lì)磁電流/A轉(zhuǎn)速/(r/min)技術(shù)指標(biāo)32530≤86250優(yōu)化前31821.986250優(yōu)化后3303086250

4 結(jié) 論

本文對(duì)直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)發(fā)電性能不足，從主磁極材料及倒角尺寸進(jìn)行優(yōu)化仿真分析，得出以下結(jié)論：增大主磁極倒角尺寸R1，消除局部磁密飽和點(diǎn)，有利于空載反電動(dòng)勢(shì)的增大，提升發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能；選用導(dǎo)磁性能越好的材料，其磁飽和值越大，隨著勵(lì)磁電流增大、氣隙磁密增強(qiáng)，使得主磁極上磁通量越大，空載反電動(dòng)勢(shì)越大，更有利于提高電機(jī)發(fā)電性能。最后通過優(yōu)化分析指導(dǎo)，對(duì)直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)樣機(jī)的主磁極倒角及材料進(jìn)行了更改，更改后通過發(fā)電試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了分析的正確性，提升了樣機(jī)的發(fā)電性能。