開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

宋科璞，陳衛(wèi)東，劉元度

(飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安710065)

0 引 言

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，270 V高壓直流電源正逐步應(yīng)用到新一代多/全電飛機(jī)中。開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變控制參數(shù)能方便地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和發(fā)電模式轉(zhuǎn)換，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以起動(dòng)機(jī)模式來(lái)起動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī);直到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功之后，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式。目前，開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SR S/G)系統(tǒng)是多/全電飛機(jī)電源系統(tǒng)的一個(gè)研究熱門。

圖1 多電發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

SR S/G是電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的結(jié)合體，該電機(jī)的設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧了電動(dòng)性能和發(fā)電性能。SR S/G整個(gè)工作過(guò)程可分為起動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。起動(dòng)狀態(tài)歷時(shí)短，發(fā)電狀態(tài)歷時(shí)長(zhǎng)，在起動(dòng)時(shí)僅要求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等參數(shù)滿足要求，發(fā)電狀態(tài)為長(zhǎng)期工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)要求參數(shù)較多且電機(jī)性能優(yōu)劣主要以發(fā)電性能為主。所以在電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，本文提出以發(fā)電性能為主，兼顧起動(dòng)性能的設(shè)計(jì)原則。

由于開關(guān)磁阻電機(jī)的磁路飽和嚴(yán)重，存在嚴(yán)重的非線性，工作原理和結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)電機(jī)。因此，開關(guān)磁阻電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)不能照搬經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的方法。本文提出了一種將經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)與有限元電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。其中經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)方法是在文獻(xiàn)［1］提出的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，按照開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)而得出的;有限元電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)采用有限元軟件Ansoft Maxwell 2D建模仿真實(shí)現(xiàn)。本文提出的SR S/G設(shè)計(jì)方法同時(shí)具備了傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法的快速性以及有限元設(shè)計(jì)方法的精確性，在電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域是一個(gè)突破［1－2，5］。

1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)計(jì)算

電機(jī)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)，能量以電磁能的方式通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)行傳遞。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)發(fā)電過(guò)程分勵(lì)磁和續(xù)流兩個(gè)階段，由于勵(lì)磁功率并不包含在電磁功率中，電磁功率:

電樞繞組電流有效值:

式中:im為電流峰值;ki為峰值電流系數(shù)。

將電樞電流等效為方波電流，方波電流幅值為 Im，如圖 2所示。

圖2 電樞電流等效方波圖

電機(jī)電負(fù)荷:

式中:N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù);Dr為電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑。

電機(jī)磁負(fù)荷:

電機(jī)每極磁鏈的最大值:

綜合以上，整理得:

另外，圖1中方波電流有效值:

1.1 主要尺寸預(yù)計(jì)算

(1)確定電機(jī)相數(shù)m，電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)Ns、Nr。

且系數(shù)E隨h的增大而減小。

(3)電機(jī)細(xì)長(zhǎng)比:

(4)確定轉(zhuǎn)子外徑Dr:預(yù)取電磁負(fù)荷A*，設(shè)則 TN=，Dr=

(5)電機(jī)鐵心實(shí)際長(zhǎng)度:

(7)確定氣隙寬度g。

(8)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子極弧角度βs、βr。

(10)確定軸徑Di。

(11)電樞匝數(shù)計(jì)算［1］:

1.2 假設(shè)參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)上面預(yù)取的電機(jī)尺寸，在有限元電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D中建立二維仿真模型，并利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驅(qū)動(dòng)電路，選取開關(guān)管的開通、關(guān)斷角。可以得出電樞電流、電感、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等波形。

(1)電負(fù)荷A驗(yàn)證

根據(jù)仿真得到的電流波形，利用軟件后處理功能可計(jì)算出電樞電流有效值，則可計(jì)算出電機(jī)電負(fù)荷:

(2)磁負(fù)荷Bδ驗(yàn)證

根據(jù)磁鏈波形可以得到最大磁鏈出現(xiàn)的時(shí)刻，及此時(shí)刻的最大磁鏈值Ψm，由此可以計(jì)算出電機(jī)磁負(fù)荷:

(3)電動(dòng)性能校核

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路開通角、關(guān)斷角的調(diào)節(jié)，SR S/G可以在電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間切換。所以改變驅(qū)動(dòng)電路的控制參數(shù)，電機(jī)即可工作在電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)可以通過(guò)軟件仿真出SR S/G的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電樞電流等起動(dòng)性能參數(shù)。

由以上分析可知，首先假設(shè)電磁負(fù)荷預(yù)算電機(jī)尺寸，然后結(jié)合有限元軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，通過(guò)軟件仿真結(jié)果可以計(jì)算出電機(jī)的電磁負(fù)荷以及起動(dòng)狀態(tài)的性能參數(shù)，通過(guò)與假設(shè)值的比較分析，若誤差在允許范圍內(nèi)則設(shè)計(jì)通過(guò);若由仿真計(jì)算值與假設(shè)值差別較大，則重新選取電磁負(fù)荷值并重新計(jì)算電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

綜上，SR S/G設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 SR S/G設(shè)計(jì)流程圖

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 性能指標(biāo)要求

額定輸出電壓270 V;起動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩3.6 N·m(0～12 000 r/min);額定輸出功率10 kW(14 000～24 000 r/min);系統(tǒng)效率≥80%(24 000 r/min);過(guò)載能力1.5倍，15 kW;電機(jī)溫升≤180℃。

2.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)計(jì)算

電機(jī)采用四相8/6極結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁電壓與輸出電壓均為270 V;導(dǎo)磁材料選取1J22，0.15 mm;冷卻方式采用定子外循油冷卻方式;預(yù)選電磁負(fù)荷30 000 A/m，0.45 T。

通過(guò)前述公式可以計(jì)算得出電機(jī)尺寸如表1所示。

轉(zhuǎn)子外徑D/mm 87 轉(zhuǎn)子極寬br/mm 17.3定子外徑Ds/mm 158 定子軛高h(yuǎn)s/mm 10.4氣隙g/mm 0.5 轉(zhuǎn)子軛高h(yuǎn)r/mm 35定轉(zhuǎn)子極弧角度 βr、βs 21°、23° 每相繞組匝數(shù)N/匝12.1鐵心長(zhǎng)度la/mm 104 軸徑Di/mm 28定子極寬bs/mm 16.0

2.3 假設(shè)參數(shù)驗(yàn)證及性能校核

根據(jù)上面預(yù)取的電機(jī)尺寸，在有限元電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D中建立仿真模型如圖4所示，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分如圖5所示。利用Ansoft Maxwell Circuit Editor搭建驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，選取開關(guān)管的開通關(guān)斷角 θon=18°、θoff=42°，可以得出電樞電流、電感、磁鏈、力矩波形。

圖4 電機(jī)模型

圖5 網(wǎng)格剖分

圖6 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

(1)電負(fù)荷A驗(yàn)證

圖7 電機(jī)－磁鏈電流曲線

圖8 A相電樞感應(yīng)電流波形圖

圖10 A相磁鏈波形圖

(2)磁負(fù)荷Bδ驗(yàn)證

最大磁鏈出現(xiàn)在θoff時(shí)刻，所以:

(3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證

電機(jī)起動(dòng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路采取電流斬波方式控制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示，由仿真結(jié)果可知，起動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)3.6 N·m恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。

圖11 轉(zhuǎn)矩波形圖

以上由有限元仿真結(jié)果計(jì)算出的電磁負(fù)荷與假設(shè)值均差別不大，且起動(dòng)狀態(tài)力矩可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

基于以上SR S/G電磁結(jié)構(gòu)尺寸，利用電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)多場(chǎng)聯(lián)合有限元仿真方法分析了電機(jī)的損耗及溫度場(chǎng)分布，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出表貼式循油冷卻結(jié)構(gòu)。試制了數(shù)臺(tái)10 kW油冷開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)，實(shí)驗(yàn)證明，電機(jī)電動(dòng)及發(fā)電性能均滿足設(shè)計(jì)要求且溫升控制在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語(yǔ)

SR S/G是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)合體，設(shè)計(jì)方法完全不同于傳統(tǒng)電機(jī)。因?yàn)槠饎?dòng)/發(fā)電機(jī)只有在開始階段作電動(dòng)機(jī)用，后續(xù)穩(wěn)定工作后完全是發(fā)電機(jī)，所以本文提出的設(shè)計(jì)方法采取以發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為主，綜合考察起動(dòng)性能的設(shè)計(jì)理念。在尺寸計(jì)算方面采取傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)與最新有限元設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，這種方法具備了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的快捷，簡(jiǎn)便與有限元設(shè)計(jì)方法的精確、直觀等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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