直流起动发电机发电性能优化分析

王彦龙，赵 飞，卓 亮，夏 堃，彭辉灯，石宏顺

(1.海军驻贵阳地区军事代表室，贵阳 550018；2.贵州航天林泉电机有限公司，贵阳 550081；3.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵阳 550081；4.上海航天控制技术研究所，上海 201109)

0 引 言

直流起动发电机广泛应用于航空领域，它是现代飞机供电的主要发展趋势之一，是飞机发动机电气系统的重要组成部分[1-2]。飞机直流起动发电机既是发动机的起动设备，又是飞机的主电源设备[3]。在发动机起动时通过地面电源或机上电源让电机工作在电动机状态，拖动发动机转速从零上升到点火转速；在发动机点火完成后，由发动机驱动其转速继续上升，直至达到发电转速，起动发电机将机械能转换为电能为飞机用电设备供电，并同时向蓄电池充电[4]。

起动发电机作发电机运行时，其发电性能直接影响飞机上用电设备的正常工作[5]。本文以某型直流起动发电机样机发电性能不足的问题，研究了主磁极倒角半径及主磁极材料对发电性能的影响，为该型直流起动发电机发电性能的优化设计提供参考依据。最后样机试验验证优化设计结果的有效性。

1 基本理论及外特性方程

1.1 工作原理

该型直流起动发电机样机激励方式为并励，起动时为电动机状态，起动后为发电机状态，其电气原理如图1所示。

图1 电气原理图

电动机状态模式的工作原理：电枢绕组、补偿绕组、换向极绕组串联连接，在B+、E-两端给电枢绕组通入直流电，同时给并励绕组通电产生主磁通，切割转子绕组产生电磁力而使转子转动，换向器与电枢绕组相连给电枢电流换向，换向极绕组通过减小电抗电动势和电枢反应电动势来改善电枢绕组换向，补偿绕组与电枢绕组串联补偿电枢反应，使气隙磁密不发生畸变。

发电机模式的工作原理：与电动原理相反，原动机拖动电机旋转，给并励绕组通电产生磁场，电枢线圈切割磁场，感应产生交变电动势，通过换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电压，从B+、E-两端输出，由调压器调节励磁电流，从而输出稳定电压。

1.2 物理模型及基本假设

直流起动发电机的物理模型如图2所示，为改善换向性能，其装置了换向极绕组和补偿绕组。

图2 起动发电机物理模型

为简化分析过程，建立起动发电机外特性方程前，首先假设所研究对象为理想发电机，采用以下简化假设条件：

(1)忽略磁路饱和、磁滞等影响，假定电机铁心部分导磁系数为常数，即认为电机铁心工作在线性区域。

(2)电机转子对于直轴和交轴而言，在结构上分别对称。

(3)补偿绕组槽和转子槽不影响补偿绕组和转子绕组电感，即认为电机转子表面光滑。

1.3 发电状态外特性方程推导

基于以上假设，并励直流发电机发电状态的外特性方程，即是端电压U与负载电流I的关系函数:

U=f(I)

(1)

在发电状态时为并励励磁，其电动势平衡方程为[6]

U=Ea-IaRa

(2)

式中,U为端电压，Ea为反电动势，Ia为电枢回路电流，Ra为电枢回路中总的等效电阻(包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻)。

对于并联励磁回路，电流方程为

Ia=I+If

(3)

式中,If为激励电流，I为负载电流。

发电机反电动势可表示为[7]

(4)

式中,p为极数，N为电枢绕组导体数，a电枢绕组支路对数，n为拖动转速，Φ为总磁通量。

联立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)，则电机发电状态外特性方程U=f(I)可写为

(5)

2 起动发电机发电性能优化分析

直流起动发电机样机指标要求在拖动转速为6250 r/min、励磁电流为8 A时，电机输出端电压30 V，带载325 A；实测样机励磁电流8 A时，电机输出端电压21.9 V，带载318 A，不能满足指标要求。因此基于并励发电机外特性方程(5)进行优化，在极数p、导体数N、支路对数a、拖动速度n、激励电流If不变的情况下，主要通过调整磁通量来优化发电性能，而磁通与主磁极有着十分重要的关联(磁通量Φ=Bavl，表示磁通密度Bav乘以一个主磁极面积l，l磁极有效长度，为极距)。故本文将从主磁极的结构和材料对发电性能进行优化分析。

2.1 主磁极倒角半径对发电性能影响分析

发电性能可通过空载反电动势大小判断，根据式(2)可知，当端电压U一定，反电动势Ea越大，发电性能也越好。

2.1.1 主磁极倒角对发电性能分析

主磁极结构尺寸如图3所示，R1和R0为磁极上的倒角。直流起动发电机初始样机主磁极倒角半径R1和R0均取0.5 mm，材料为50WW310，为分析倒角尺寸对空载反电动势的影响，分别取：情况a)R0=0.5 mm，R1分别取2 mm、3.5 mm、5 mm；情况b)：R1=0.5 mm时，R0分别取1 mm、2 mm、3 mm进行空载反电动势仿真分析。当拖动转速为6250 r/min、励磁电流8 A时其空载电动势仿真值分别如表1和表2所示。从表1、表2可以看出：当R1增大时，空载反电动势也随着增大，变化较为明显；而当R0增大时，空载反电动势变化较小。这是因为增大R1时，倒角区域磁密降低如图4所示，消除主磁极局部磁密饱和点，增大了磁通量，利于空载反电动势的增大，提升发电机的发电性能。

图3 主磁极尺寸参数示意图

主磁极倒角半径R1/mm空载反电动势/V0.530.816231.0153.531.265531.471

表2 不同R0值对应的空载反电动势值

图4 不同R1值对应的磁密分布云图

2.1.2 主磁极材料对发电性能影响分析

有刷直流电机主磁极磁场为单向磁场，故主磁极导磁材料可选用单向导磁性能好的有取向硅钢片，又因单向磁场的涡流较小，故主磁极也可选用电阻值小的高导磁合金。起动发电机原始样机的主磁极材料为冷轧无取向硅钢片50WW310，实测发电性能不能满足发电性能要求。因此，分别选用三种材料与原始样机材料进行对比分析，三种材料分别为冷轧无取向硅钢片50WW1300、冷轧有取向硅钢片30QG105、高导磁合金1J22，其磁化曲线如图5所示，图中合金材料1J22的导磁性能最高，50WW310的导磁性能最低。分别仿真不同磁极材料对空载电动势影响，结果如图6和表3所示。

表3 不同主磁极材料下的发电机空载特性数据表

图5 主磁极所用不同材料的直流磁化曲线

图6 不同主磁极材料下的发电机空载特性曲线

从表3可以看出，励磁电流为1 A时，四种主磁极材料对应发电机的空载电动势相差不大，与原始样机主磁极材料的空载电动势偏差在0.2 V以内；当励磁电流为8 A时，1J22、30QG105和50WW1300对应的发电机的空载电动势分别比样机主磁极材料为50WW310的空载电动势高3.09 V、2.83 V和0.78 V，随着励磁电流越大，空载反电动势越大。分析结果表明，低励磁电流时主磁极材料性能的对电机发电性能影响较小，高励磁电流时主磁极材料导磁性能越好，空载电动势越大，发电性能越好。因此，选用导磁性能越好的材料，其磁饱和值越大，随着励磁电流增大、气隙磁密增强，使得主磁极上磁通量越大，空载反电动势越大，更有利于提高电机发电性能。

3 起动发电机发电样机试验

通过优化分析指导，将起动发电机原始样机主磁极材料改成1J22，主磁极结构倒角R0取0.5 mm，R1取5 mm。优化后发电机样机进行发电试验如图7所示，采用20 kW电机作为拖动电机，起动发电机为负载电机，出线端接负载电阻，励磁绕组接励磁电流。表4为样机优化前和优化后的发电性能试验结果对比如所示，从表中可以看出，主磁极尺寸及材料更改后其发电性能提升明显，试验结果满足指标要求。

图7 发电试验平台

电流/A输出电压/V励磁电流/A转速/(r/min)技术指标32530≤86250优化前31821.986250优化后3303086250

4 结 论

本文对直流起动发电机样机发电性能不足，从主磁极材料及倒角尺寸进行优化仿真分析，得出以下结论：增大主磁极倒角尺寸R1，消除局部磁密饱和点，有利于空载反电动势的增大，提升发电机的发电性能；选用导磁性能越好的材料，其磁饱和值越大，随着励磁电流增大、气隙磁密增强，使得主磁极上磁通量越大，空载反电动势越大，更有利于提高电机发电性能。最后通过优化分析指导，对直流起动发电机样机的主磁极倒角及材料进行了更改，更改后通过发电试验对比验证了分析的正确性，提升了样机的发电性能。