周競(jìng)捷，邱梁駿，袁 梅，潘正源，沈 潔

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司，江陰 214400)

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新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)容錯(cuò)性能研究

周競(jìng)捷1，邱梁駿1，袁 梅1，潘正源1，沈 潔2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.江蘇長(zhǎng)電科技股份有限公司，江陰 214400)

闡述了新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，系統(tǒng)分析了該無刷直流發(fā)電機(jī)的相繞組開路故障工作模式和容錯(cuò)特性。建立了永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的有限元仿真模型，并完成場(chǎng)路耦合分析。先對(duì)容錯(cuò)特性的工作和故障狀態(tài)進(jìn)行理論分析，再通過建模仿真和原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)具有較強(qiáng)的相繞組開路故障容錯(cuò)特性。

永磁電機(jī);十二相整流電路;無刷直流發(fā)電機(jī)；場(chǎng)路耦合分析;容錯(cuò)特性

0 引 言

隨著航空電源系統(tǒng)在多電飛機(jī)和全電飛機(jī)中對(duì)于性能要求的不斷提高,發(fā)電系統(tǒng)的可靠性成為了關(guān)鍵因素。容錯(cuò)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，系統(tǒng)只需要一套相應(yīng)的控制器，相對(duì)簡(jiǎn)單。容錯(cuò)電機(jī)一般設(shè)計(jì)為多相繞組電機(jī),在發(fā)生一相或多相繞組出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作[8]。

本文提及的新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)是十二相永磁同步電機(jī)結(jié)合新型十二相零式整流電路形成一種新型的永磁無刷直流發(fā)電機(jī)。永磁無刷電機(jī)既具有永磁電機(jī)效率高、功率密度高和體積重量小的優(yōu)點(diǎn)，又避免了有刷電機(jī)電刷易磨損和換向火花等缺點(diǎn)，高空性能和可靠性大大提高。本文重點(diǎn)對(duì)具有缺相運(yùn)行能力的新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)在幾種典型開路故障下的工作特性進(jìn)行分析，建立發(fā)電機(jī)的場(chǎng)路耦合仿真模型，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

新型十二相無刷直流發(fā)電機(jī)是由4對(duì)極48槽切向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)和新型十二相零式整流電路兩部分組成的。

切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的定子主要由定子鐵心和電樞繞組組成，轉(zhuǎn)子主要由非磁性護(hù)環(huán)、永磁磁鋼、NS極靴、非導(dǎo)磁襯套和轉(zhuǎn)軸組成，如圖1所示。轉(zhuǎn)子嵌入的永磁磁鐵是切向磁化的，有兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的永磁體截面對(duì)氣隙提供每極磁通,因此電機(jī)的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度能得到有效的提高。

圖1 切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)截面圖

圖2為新型十二相零式整流電路。將永磁同步電機(jī)的十二相電樞繞組的輸出端并聯(lián)連接于一公共端，12個(gè)整流二極管共陽極連接，十二相繞組的另一輸出端分別與12個(gè)整流二極管的陰極相連，十二相電樞繞組公共端為輸出電壓的高電位端(正極)，而整流二極管公共點(diǎn)電位為零，為輸出電壓的低電位端(負(fù)極)[9]。

圖2 十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 容錯(cuò)特性理論分析

2.1 正常工作狀態(tài)

假設(shè)理想情況下，相繞組電勢(shì)波形為頂寬120°的梯形波，并且忽略二極管的開通和關(guān)斷時(shí)間。為分析每個(gè)整流二極管在一個(gè)電周期內(nèi)的導(dǎo)通狀態(tài)，將一個(gè)電周期均分為12個(gè)工作區(qū)間0～t12，每個(gè)工作區(qū)間為30°(電角度)。如圖3所示，每個(gè)工作區(qū)間下均有4個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通。0～t1段：B1，B2，X1，X2相對(duì)應(yīng)整流二極管VD5，VD6，VD3，VD4導(dǎo)通；t1～t2段：B2，X1，X2，C1相對(duì)應(yīng)整流二極管VD6，VD3，VD4，VD9導(dǎo)通；其他工作區(qū)間類同。

圖3 正常工作時(shí)導(dǎo)通情況

2.2 故障狀態(tài)

通過對(duì)正常工作狀態(tài)的分析可知，每一工作區(qū)間下都由相鄰的四相電樞繞組并聯(lián)輸出。因此，當(dāng)其中一相、相鄰兩相甚至相鄰三相發(fā)生開路故障時(shí)，至少剩下一相電樞繞組的相電勢(shì)位于梯形波的波頂處，這樣仍然保證電機(jī)正常輸出；當(dāng)相鄰四相或四相以上電樞繞組發(fā)生開路故障時(shí)，至少有一個(gè)工作區(qū)間下原來并聯(lián)的四相電樞繞組全部開路，此時(shí)導(dǎo)通相的相電勢(shì)不在梯形波的波頂處，電機(jī)輸出發(fā)生變化；存在一種極限情況即互差120°電角度的三相導(dǎo)通，其他相全部發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)整流電路類似于三相半波整流電路，電機(jī)仍然可以正常工作。圖4為一相、相鄰兩相和相鄰三相開路時(shí)發(fā)電機(jī)工作示意圖。

圖4 各種開路故障時(shí)導(dǎo)通情況

限于篇幅，僅對(duì)Y2A1A2三相開路的情況加以分析，和正常工作情況下的導(dǎo)通情況相比，Y2A1A2相開路導(dǎo)致t4～t10段內(nèi)6個(gè)工作區(qū)間下的并聯(lián)輸出的相數(shù)減少，t4～t5和t9～t10段三相并聯(lián)輸出，t5～t6和t8～t9段兩相并聯(lián)輸出，t6～t8段只有一相向外輸出，其他工作區(qū)間內(nèi)導(dǎo)通相不變。正常工作時(shí)均由四相并聯(lián)輸出，因此，當(dāng)少于四相并聯(lián)輸出時(shí)我們稱之為非正常工作，期間Y2的前三相和A2的后三相處于非正常工作狀態(tài)，非正常導(dǎo)通的時(shí)間如表1所示(以電角度計(jì))。非正常導(dǎo)通意味著并聯(lián)輸出的相數(shù)的減小，而輸出電壓和負(fù)載基本不變，這勢(shì)必會(huì)引起相電流的增加。從表中數(shù)據(jù)可以看出離Y2A1A2較近的Y2Z1相非正常導(dǎo)通的時(shí)間較長(zhǎng)，其相電流所受影響較大，而C1B1非正常導(dǎo)通的時(shí)間較短，其相電流所受影響較小。表1給出了A2開路、A1A2開路、Y2A1A2開路、Y1Y2A1A2開路和僅剩A1B1C1時(shí)受到影響而非正常工作的相和非正常工作的時(shí)間。

表1 理想情況下各種開路故障的影響

3 永磁無刷直流電機(jī)場(chǎng)路耦合模型

利用Ansoft軟件建立永磁同步電機(jī)本體的Maxwell2D有限元仿真模型，利用Simplorer軟件中的Subcircuit功能導(dǎo)入已建立的電機(jī)瞬態(tài)場(chǎng)二維有限元模型，與整流電路相連接，實(shí)現(xiàn)十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的場(chǎng)路耦合模型，如圖5所示，針對(duì)各種開路故障狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的輸出特性進(jìn)行仿真。

圖5 場(chǎng)路耦合仿真模型

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)帶載情況下各種開路故障情況下電機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，這里由于篇幅所限僅給出相鄰三相開路和僅剩A1B1C1相工作時(shí)相關(guān)參數(shù)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 相鄰三相開路

1) 相電壓和輸出電壓

由圖6可以看出，帶載情況下電機(jī)Y2A1A2相發(fā)生開路故障時(shí)，相電壓和輸出電壓基本不受影響，輸出電壓波形仍然是穩(wěn)定直流電壓，相電壓則為梯形波，這與前面的理論分析得到的結(jié)論一致。由于實(shí)際運(yùn)行過程中，二極管存在開關(guān)時(shí)間，換相使得輸出電壓和相電壓在換向時(shí)刻發(fā)生微小的跌落，后面將對(duì)換相情況進(jìn)行分析。

(a)Y2A1A2相開路(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形截圖

圖6Y2A1A2相開路時(shí)相電壓和輸出電壓波形

2) 缺相鄰三相時(shí)相電流波形

圖7的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，與開路相相鄰的前三相和后三相的相電流增加，并且離開路相較近的相的相電流增加的幅度大。

(a)仿真結(jié)果(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形截圖

圖7Y2A1A2相開路時(shí)相電壓和輸出電壓波形

3) 換相過程分析

圖8中，在θ角對(duì)應(yīng)時(shí)刻內(nèi)相電壓和輸出電壓發(fā)生微小的跌落，表現(xiàn)在波形上為每個(gè)電周期內(nèi)Z1Z2相電壓和輸出電壓形成一個(gè)V形缺口。從相電流可以看出，在這段時(shí)間內(nèi)Y1Z1Z2三相同時(shí)導(dǎo)通,由于實(shí)際的相電勢(shì)波形為波頂大于120°，所以這里每相持續(xù)導(dǎo)通的時(shí)間大于120°，導(dǎo)致了Y1和Z2相發(fā)生換相，換相時(shí)Y1Z1Z2三相同時(shí)導(dǎo)通，我們稱θ為換相重疊角。其他故障狀態(tài)下的換相情況可用同樣的方法分析。

圖8 Y2A1A2三相開路時(shí)的換相過程

4.2 相鄰四相以上開路時(shí)

圖9中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，相鄰四相以上發(fā)生開路故障時(shí)，缺相過多，這樣每個(gè)電周期內(nèi)有一個(gè)或多個(gè)工作區(qū)間內(nèi)由反電勢(shì)不是處于波頂?shù)南噍敵?，電機(jī)的輸出電壓跌落嚴(yán)重，電機(jī)無法正常運(yùn)行。

圖9 Y1Y2A1A2三相開路時(shí)相電壓和輸出電壓波形

4.3 僅剩三相工作

根據(jù)前述分析，在僅?；ゲ?20°電角度的三相工作，其他相全部開路時(shí)，電機(jī)仍能正常輸出。前提是這三相相差120°電角度，這樣每個(gè)時(shí)刻都有一相處于梯形波波頂?shù)南嗬@組對(duì)外正常輸出，保證了電壓平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 僅剩A1B1C1三相工作時(shí)相電壓和輸出電壓波形

5 結(jié) 語

本文對(duì)新型十二相永磁無刷直流發(fā)電機(jī)在各種典型開路故障狀態(tài)下的帶載運(yùn)行情況進(jìn)行了深入的研究，詳細(xì)分析了各種典型開路故障對(duì)電機(jī)的輸出特性產(chǎn)生的影響，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)具有如下特性：

(1) 帶載情況下，一相、相鄰兩相或相鄰三相開路時(shí)電機(jī)能正常輸出。換相導(dǎo)致了輸出電壓和相電壓發(fā)生微小的跌落，并聯(lián)輸出相數(shù)的減少導(dǎo)致相電流有效值的增加。

(2) 與故障相相鄰的前三相和后三相的相電流受到影響，離故障相較近相的相電流受到的影響較大。

(3) 當(dāng)相鄰四相及以上發(fā)生故障時(shí)，輸出電壓跌落嚴(yán)重，電機(jī)無法正常工作。

(4) 當(dāng)僅剩互差120°電角度的三相正常工作，其他相全部開路時(shí)，電機(jī)仍然可以正常工作。輸出電壓、相電壓和輸出電流基本不變，但相電流較大，此時(shí)電機(jī)不宜長(zhǎng)時(shí)間工作。

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Research on the Fault Tolerance Performance of Novel Twelve-Phase Permanent Magnet Brushless DC Generator System

ZHOUJing-jie1，QIULiang-jun1，YUANMei1，PANZheng-yuan1，SHENJie2

(1.No.21 Research Institute of CETC, Shanghai 200233, China 2.Jiangsu Changjiang Electronics Technology Co.,Ltd.,Jiangyin 214400,China)

The structure principle of a novel twelve-phase permanent magnet brushless DC generator was expounded. The phase winding open circuit failure mode and fault tolerance characteristics of the brushless DC generator was analyzed. The finite element analysis model of the system was established and the field-circuit coupled analysis was realized. The work and fault status of the fault tolerance performance were analyzed theoretically, then the novel twelve -phase permanent magnet brushless DC generator with a strong open-phase winding fault tolerance characteristics was validated through simulation and prototype test results.

permanent magnet machine; twelve-phase rectifier; brushless DC generator; field-circuit coupled analysis; fault tolerance characteristics

2016-03-16

TM33;TM351

A

1004-7018(2016)08-0048-04