航空直流起發(fā)電機(jī)換向性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

屈仁英

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

0 引言

航空直流起發(fā)電機(jī)一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附件匣上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，它又作為發(fā)電機(jī)向飛機(jī)網(wǎng)路供電[1-2]。航空直流起發(fā)電機(jī)由于特殊的應(yīng)用環(huán)境，其相較于地面使用的電機(jī)具有更高的電、熱、磁和機(jī)械負(fù)荷。目前，我國(guó)采用的系列航空直流起發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中，由于為低壓大電流體制，電機(jī)額定電流最高可達(dá)600 A。在起動(dòng)過(guò)程中，由于起動(dòng)開始階段電機(jī)轉(zhuǎn)速低、電樞電流大，再加上起動(dòng)過(guò)程效率較低、冷卻條件差、電機(jī)溫升高，導(dǎo)致?lián)Q向過(guò)程極其惡劣，如果存在大的電樞反應(yīng)，會(huì)增加電機(jī)的起動(dòng)電流、降低電機(jī)的起動(dòng)性能，使得一次起動(dòng)的蓄電池電容量消耗增大，在發(fā)電狀態(tài)下會(huì)降低發(fā)電效率，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向條件惡劣、換向火花等級(jí)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(jī)換向性能優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)減小換向火花、增強(qiáng)電機(jī)起動(dòng)和發(fā)電性能、增加電機(jī)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(guò)對(duì)換向極繞組匝數(shù)、電刷寬度等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善航空直流起發(fā)電機(jī)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(guò)程中，存在復(fù)雜的電磁過(guò)程，在換向元件中會(huì)產(chǎn)生電抗電動(dòng)勢(shì)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(zhǎng)度，mm；λs—端部繞組漏磁導(dǎo)系數(shù)。

通過(guò)減小電抗電動(dòng)勢(shì)er可減小換向火花，改善換向。由式(1)可知，由于λs對(duì)主磁場(chǎng)的影響通過(guò)電樞反應(yīng)來(lái)反映的，故可通過(guò)減小電樞反應(yīng)來(lái)減小電抗電動(dòng)勢(shì)er。同時(shí)當(dāng)其他參數(shù)確定后，可通過(guò)調(diào)整電刷寬度減小電抗電動(dòng)勢(shì)er。

1.1 換向極設(shè)計(jì)

換向極要在換向區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生換向磁場(chǎng)，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(chǎng)[3]，即換向極需要與電樞繞組串聯(lián)，當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)與補(bǔ)償繞組相等時(shí)，換向極繞組的截面積一般與補(bǔ)償繞組相當(dāng)。

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(duì)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(duì)數(shù)。

建立換向區(qū)氣隙磁場(chǎng)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(zhǎng)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(bǔ)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(duì)于超大功率的航空直流起發(fā)電機(jī)(如額定發(fā)電功率12 kW、18 kW)和運(yùn)行條件很惡劣的情況下，可通過(guò)調(diào)整換向極附加氣隙來(lái)修正由于簡(jiǎn)化假設(shè)引起的計(jì)算誤差，可通過(guò)在換向極與機(jī)殼貼合面墊不同片的銅箔實(shí)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(dāng)其他參數(shù)確定后，電刷寬度的設(shè)計(jì)應(yīng)注意：

a)電刷寬度bb較小時(shí)，則電刷長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要增加換向器的長(zhǎng)度；

b)電刷寬度bb較大時(shí)，可以減小換向器長(zhǎng)度，同時(shí)降低電抗電動(dòng)勢(shì)，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(dāng)β過(guò)大時(shí)，電抗電動(dòng)勢(shì)er反而增加；

d)電刷寬度bb過(guò)大時(shí)，β值過(guò)大，被電刷短路的元件增加，則電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小，導(dǎo)致電動(dòng)狀態(tài)下電樞電流增大；同時(shí)電刷作用下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)總和(火花電壓)會(huì)增加，過(guò)大的火花電壓會(huì)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(guò)計(jì)算機(jī)有限元精確計(jì)算電機(jī)在大負(fù)載下的換向特性。通過(guò)對(duì)電機(jī)相關(guān)參數(shù)的估算得到初始參數(shù)，再通過(guò)有限元仿真分析來(lái)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(jī)為例，對(duì)電機(jī)的換向極繞組匝數(shù)、電刷寬度進(jìn)行有限元仿真分析，以優(yōu)化電機(jī)的換向性能。電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

2.1 有限元模型

按照實(shí)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(dòng)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(jī)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(duì)換向極繞組匝數(shù)為4、5、6匝的額定發(fā)電性能進(jìn)行仿真，其電機(jī)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(guò)少和過(guò)多的換向極繞組匝數(shù)會(huì)導(dǎo)致欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償，分別造成延遲換向和超前換向，當(dāng)繞組匝數(shù)為5時(shí)，電機(jī)接近直線換向，換向性最佳。

圖2 繞組匝數(shù)為4時(shí)換向電流波形

圖3 繞組匝數(shù)為6時(shí)換向電流波形

圖4 繞組匝數(shù)為5時(shí)換向電流波形

2.3 電刷寬度參數(shù)優(yōu)化

分別對(duì)電刷寬度(10.6 mm、12.6 mm)的電動(dòng)性能、發(fā)電性能進(jìn)行仿真。電動(dòng)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(dòng)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。可以看出，電刷寬度為10.6 mm(β=1.87)時(shí)電樞電流為782.3 A，電刷寬度為12.6 mm(β=2.18)時(shí)電樞電流為802.4 A，電流增加20.1 A，同時(shí)電刷寬度為12.6 mm時(shí)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(shì)仿真結(jié)果如圖7所示，負(fù)載反電勢(shì)仿真結(jié)果如圖8所示，其中轉(zhuǎn)速均為6500 r/min，勵(lì)磁電流均為8 A，負(fù)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(shí)空載反電勢(shì)為35.30 V，電刷寬度為12.6 mm時(shí)空載反電勢(shì)為35.23 V。從圖8可以看出，電刷寬度為10.6 mm時(shí)負(fù)載反電勢(shì)為29.15 V，電刷寬度為12.6 mm時(shí)負(fù)載反電勢(shì)為29.22 V。整體來(lái)看，電刷寬度對(duì)電機(jī)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(dòng)勢(shì)

圖8 不同電刷寬度下負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

對(duì)于該起發(fā)電機(jī)，電刷寬度從10.6 mm增加到12.6 mm時(shí)，對(duì)發(fā)電性能的影響可忽略不計(jì)，其主要影響為電動(dòng)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(guò)優(yōu)化電刷寬度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)換向性能的優(yōu)化。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化對(duì)提高電機(jī)換向性能的有效性，對(duì)優(yōu)化后方案的起發(fā)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)和發(fā)電性能試驗(yàn)，并觀察電機(jī)的換向火花。

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的兩臺(tái)電機(jī)在額定電壓16.5 V、轉(zhuǎn)矩36.5 N·m的電動(dòng)性能試驗(yàn)和6500 r/min的額定功率發(fā)電性能試驗(yàn)進(jìn)行換向火花觀察，兩臺(tái)電機(jī)在起動(dòng)和發(fā)電過(guò)程中肉眼均未觀察到換向火花，電機(jī)的換向性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

通過(guò)減小電樞反應(yīng)及合理的電刷設(shè)計(jì)，可減小電機(jī)的換向電抗電動(dòng)勢(shì)，從而提高電機(jī)的換向性能。本文對(duì)換向極設(shè)計(jì)和電刷寬度選取對(duì)電機(jī)換向性能的優(yōu)化方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過(guò)有限元分析優(yōu)選了電機(jī)的換向極繞組匝數(shù)和電刷寬度參數(shù)，最后對(duì)制造的兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)和發(fā)電性能測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中未觀察到電機(jī)的換向火花，驗(yàn)證了方法和措施對(duì)提高電機(jī)換向性能的有效性。