屈仁英

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008；2.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550008)

0 引言

航空直流起發(fā)電機一般安裝在發(fā)動機附件匣上，當發(fā)動機起動時，它作為電動機驅(qū)動發(fā)動機點火，發(fā)動機點火后，它又作為發(fā)電機向飛機網(wǎng)路供電[1-2]。航空直流起發(fā)電機由于特殊的應(yīng)用環(huán)境，其相較于地面使用的電機具有更高的電、熱、磁和機械負荷。目前，我國采用的系列航空直流起發(fā)電機在發(fā)電過程中，由于為低壓大電流體制，電機額定電流最高可達600 A。在起動過程中，由于起動開始階段電機轉(zhuǎn)速低、電樞電流大，再加上起動過程效率較低、冷卻條件差、電機溫升高，導(dǎo)致?lián)Q向過程極其惡劣，如果存在大的電樞反應(yīng)，會增加電機的起動電流、降低電機的起動性能，使得一次起動的蓄電池電容量消耗增大，在發(fā)電狀態(tài)下會降低發(fā)電效率，同時會導(dǎo)致?lián)Q向條件惡劣、換向火花等級大甚至產(chǎn)生環(huán)火，縮短電刷壽命，降低換向可靠性[3-4]。

綜上，航空直流起發(fā)電機換向性能優(yōu)化設(shè)計對減小換向火花、增強電機起動和發(fā)電性能、增加電機的壽命和可靠性具有重要意義，本文將基于經(jīng)典換向理論，通過對換向極繞組匝數(shù)、電刷寬度等進行優(yōu)化設(shè)計，改善航空直流起發(fā)電機的換向性能。

1 換向性能的改善措施

基于經(jīng)典換向理論，換向過程中，存在復(fù)雜的電磁過程，在換向元件中會產(chǎn)生電抗電動勢er[2]：

(1)

其中，β—電刷覆蓋換向器片數(shù)；bb—電刷寬度，mm；u′—同槽中并列元件邊數(shù)平均值；Ls—為電樞線部長度，mm；λs—端部繞組漏磁導(dǎo)系數(shù)。

通過減小電抗電動勢er可減小換向火花，改善換向。由式(1)可知，由于λs對主磁場的影響通過電樞反應(yīng)來反映的，故可通過減小電樞反應(yīng)來減小電抗電動勢er。同時當其他參數(shù)確定后，可通過調(diào)整電刷寬度減小電抗電動勢er。

1.1 換向極設(shè)計

換向極要在換向區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生換向磁場，一方面抵消交軸電樞反應(yīng)的作用，另一方面建立換向區(qū)氣隙磁場[3]，即換向極需要與電樞繞組串聯(lián)，當并聯(lián)支路數(shù)與補償繞組相等時，換向極繞組的截面積一般與補償繞組相當。

抵消交軸電樞反應(yīng)所需換向極繞組匝數(shù)為：

(2)

其中：N—電樞導(dǎo)體數(shù)；p—極對數(shù)；Wa—每元件匝數(shù)；εk—電樞繞組節(jié)距縮短系數(shù)；u—每槽元件數(shù)；Z—電樞槽數(shù)；a—并聯(lián)支路對數(shù)。

建立換向區(qū)氣隙磁場所需換向極繞組匝數(shù)為：

(3)

其中，Bk—換向極氣隙磁通密度，T；δk—換向極氣隙長度，mm；Kδk—換向極氣隙系數(shù)；ak—換向極繞組并聯(lián)支路數(shù)。

則換向極每極匝數(shù)為：

Wk=Wqd+Wi-Wb

(4)

其中，Wb—補償繞組匝數(shù)。

換向極氣隙應(yīng)選擇為主氣隙的1.3～1.6倍，對于超大功率的航空直流起發(fā)電機(如額定發(fā)電功率12 kW、18 kW)和運行條件很惡劣的情況下，可通過調(diào)整換向極附加氣隙來修正由于簡化假設(shè)引起的計算誤差，可通過在換向極與機殼貼合面墊不同片的銅箔實現(xiàn)[5]。

1.2 電刷尺寸

選擇合適的電刷尺寸可優(yōu)化換向性能。根據(jù)式(1)，當其他參數(shù)確定后，電刷寬度的設(shè)計應(yīng)注意：

a)電刷寬度bb較小時，則電刷長度較長，需要增加換向器的長度；

b)電刷寬度bb較大時，可以減小換向器長度，同時降低電抗電動勢，改善換向；

c)電刷寬度bb增大有限，bb增加后，β值隨之增加，當β過大時，電抗電動勢er反而增加；

d)電刷寬度bb過大時，β值過大，被電刷短路的元件增加，則電機產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會減小，導(dǎo)致電動狀態(tài)下電樞電流增大；同時電刷作用下的感應(yīng)電動勢總和(火花電壓)會增加，過大的火花電壓會引起電刷火花。

2 仿真優(yōu)化分析

為減少工藝復(fù)雜性，可通過計算機有限元精確計算電機在大負載下的換向特性。通過對電機相關(guān)參數(shù)的估算得到初始參數(shù)，再通過有限元仿真分析來優(yōu)化各相關(guān)參數(shù)。本文以某型9 kW航空直流起發(fā)電機為例，對電機的換向極繞組匝數(shù)、電刷寬度進行有限元仿真分析，以優(yōu)化電機的換向性能。電機的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

2.1 有限元模型

按照實際使用情況，在仿真分析中，發(fā)電狀態(tài)仿真環(huán)境溫度設(shè)置為65 ℃，電動狀態(tài)環(huán)境溫度設(shè)置為70 ℃。在有限元中建立如圖1所示的電機二維模型。

圖1 仿真模型

2.2 換向極繞組匝數(shù)參數(shù)優(yōu)化

分別對換向極繞組匝數(shù)為4、5、6匝的額定發(fā)電性能進行仿真，其電機換向電流的變化如圖2、圖3和圖4所示。從圖中可以看出，過少和過多的換向極繞組匝數(shù)會導(dǎo)致欠補償和過補償，分別造成延遲換向和超前換向，當繞組匝數(shù)為5時，電機接近直線換向，換向性最佳。

圖2 繞組匝數(shù)為4時換向電流波形

圖3 繞組匝數(shù)為6時換向電流波形

圖4 繞組匝數(shù)為5時換向電流波形

2.3 電刷寬度參數(shù)優(yōu)化

分別對電刷寬度(10.6 mm、12.6 mm)的電動性能、發(fā)電性能進行仿真。電動狀態(tài)下，定轉(zhuǎn)速設(shè)置為1350 r/min，輸入電壓為16.5 V。電動性能仿真電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯娝挾葹?0.6 mm(β=1.87)時電樞電流為782.3 A，電刷寬度為12.6 mm(β=2.18)時電樞電流為802.4 A，電流增加20.1 A，同時電刷寬度為12.6 mm時電磁轉(zhuǎn)矩增加約0.4 N·m。

圖5 不同電刷寬度下電磁轉(zhuǎn)矩

圖6 不同電刷寬度下電樞電流

兩種不同電刷寬度的空載反電勢仿真結(jié)果如圖7所示，負載反電勢仿真結(jié)果如圖8所示，其中轉(zhuǎn)速均為6500 r/min，勵磁電流均為8 A，負載電阻0.1 Ω(以下仿真電刷壓降、電刷傾斜角度設(shè)置均一致)。從圖7可以看出，電刷寬度為10.6 mm時空載反電勢為35.30 V，電刷寬度為12.6 mm時空載反電勢為35.23 V。從圖8可以看出，電刷寬度為10.6 mm時負載反電勢為29.15 V，電刷寬度為12.6 mm時負載反電勢為29.22 V。整體來看，電刷寬度對電機發(fā)電的影響不明顯。

圖7 不同電刷寬度下空載感應(yīng)電動勢

圖8 不同電刷寬度下負載感應(yīng)電動勢

對于該起發(fā)電機，電刷寬度從10.6 mm增加到12.6 mm時，對發(fā)電性能的影響可忽略不計，其主要影響為電動狀態(tài)相同轉(zhuǎn)速下電樞電流增加，但均在額定范圍內(nèi)，且電磁轉(zhuǎn)矩有略微提升，通過優(yōu)化電刷寬度，實現(xiàn)了對電機換向性能的優(yōu)化。

3 試驗驗證

為了驗證參數(shù)優(yōu)化對提高電機換向性能的有效性，對優(yōu)化后方案的起發(fā)電機進行起動和發(fā)電性能試驗，并觀察電機的換向火花。

通過對優(yōu)化后的兩臺電機在額定電壓16.5 V、轉(zhuǎn)矩36.5 N·m的電動性能試驗和6500 r/min的額定功率發(fā)電性能試驗進行換向火花觀察，兩臺電機在起動和發(fā)電過程中肉眼均未觀察到換向火花，電機的換向性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

通過減小電樞反應(yīng)及合理的電刷設(shè)計，可減小電機的換向電抗電動勢，從而提高電機的換向性能。本文對換向極設(shè)計和電刷寬度選取對電機換向性能的優(yōu)化方法進行了詳細介紹，并通過有限元分析優(yōu)選了電機的換向極繞組匝數(shù)和電刷寬度參數(shù)，最后對制造的兩臺電機進行起動和發(fā)電性能測試，試驗過程中未觀察到電機的換向火花，驗證了方法和措施對提高電機換向性能的有效性。