一种抗短路高速大功率永磁辅助式同步磁阻起动发电机

本发明属于永磁辅助式同步磁阻起动发电机技术领域，具体涉及一种抗短路高速大功率永磁辅助式同步磁阻起动发电机。

背景技术：

随着电力电子技术、电机控制技术及永磁材料的发展，永磁辅助式同步磁阻起动发电机以其高效、高功率密度、高可靠性等优势，被广泛应用于电动汽车、发电机、空调压缩机、提升机等领域。

作为未来飞机发展的主要趋势，多电/全电飞机对机载电源系统的容量、供电质量和可靠性提出了更严格的要求。起动/发电系统是整个飞机电源系统的核心，而起动发电机作为机载作动系统的核心部件，其可靠性在很大程度上直接决定了整个机载作动系统的可靠性。近年来，对于永磁辅助式同步磁阻电机的研究，主要通过改变转子拓扑结构以提高电机凸极比，进而提升电机性能。

但是，由于永磁体的存在，短路故障时，电机仍会产生存在一定的短路电流，永磁体用量多虽然可以提高功率因数、功率密度、电机效率，但会使短路电流相应增大，导致电机过热烧毁电机甚至损坏发动机。永磁体用量少，虽然短路电流相应会减小、但其功率因数、电机效率等也会下降。需要通过合理的设计永磁体用量、转子拓扑结构等参数提高电机抗短路能力、高效率、高功率密度。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种抗短路高速大功率永磁辅助式同步磁阻起动发电机，通过对起动发电机结构以及关键部件的创新设计，使新结构形式的永磁辅助同步磁阻起动发电机具有较高的效率、功率因数和功率密度，并且能够有效抑制发电时的短路电流，将短路电流与额定电流的比值控制在0.8以下，大大提高电机的可靠性，此外本发明兼顾了起动发电机功率变换器的设计要求，可实现一套功率变换器完成起动和发电过程的驱动和控制，有助于降低功率变换器的设计难度，并提高功率变换器的功重比。

为了实现上述发明目的，本发明提出的一种抗短路高速大功率永磁辅助式同步磁阻起动发电机，该起动发电机包括：定子组件、转子组件、轴、轴承、机壳和机壳端盖，永磁辅助式同步磁阻起动发电机采用24槽4极结构，所述定子组件包括定子铁芯和定子绕组；所述转子组件包括不等厚永磁磁钢、转子铁芯和转子挡板；所述定子组件中，定子铁芯斜槽一定机械角度，降低发电机转矩脉动；定子绕组采用双三相y连接绕组结构，每套绕组相差30°、中性点隔离且节距为6，上下双层排布，可以降低相电流、实现大功率输出；所述转子组件中转子铁芯是通过对转子铁芯多个关键结构参数进行参数化扫描后，将满足要求的转子铁芯拓扑结构优选设计得出；其中转子铁芯关键结构参数包括：转子铁芯磁障形状、磁障层数、每层磁障的位置、厚度、磁障之间的间隔、每层内、外磁桥厚度、每层永磁磁钢用量等参数，转子铁芯结构具备高效率、高功率密度、高内功率因数、具备抗短路能力、低转矩脉动、高速下满足转子铁芯机械应力需要的特点；所述转子铁芯拓扑结构为转子铁芯每极下有三层u形不等厚的空气磁障，每层磁障由水平空气磁障和倾斜45°的空气磁障组成，并在其中水平空气磁障中插入一定量长方体形状的永磁磁钢，同时在插入永磁磁钢的位置设计凹槽以固定永磁磁钢；所述的机壳与机壳端盖通过螺钉连接，将上述定子组件、转子组件、轴和轴承封装在一起，并对上述定子组件、转子组件、轴和轴承起保护作用，电机的两个轴承分别置于机壳与机壳端盖的轴承室中，并位于轴的两端实现对轴的支撑。

优选的，所述的永磁辅助式同步磁阻起动发电机起动时，高压直流电源通过双三相全桥pwm全控电路逆变成交流电对电机供电；发电时电机通过双三相全桥pwm全控电路整流输出高压直流电，实现发电；起动和发电过程根据负载特性，采用最大转矩电流比控制和最大转矩磁链比控制，提高系统的效率和动态性能，本发明所述的永磁辅助式同步磁阻起动发电机充分考虑到了功率变换器的设计，可用一套功率变换器同时实现起动和发电功能，大大降低了功率变换器设计难度。

优选的，定子铁芯斜槽的机械角度为15°。

优选的，电机具备抗短路功能，短路故障时的电流与额定电流的比值在0.8以下，所述的短路电流的计算公式为：额定电流的计算公式为：te＝3pn[(ld-lq)idiq+iqψm]；根据电机24极4槽的结构，定子绕组采用节距为6的上下双层双三相绕制方式，设计绕组匝数、每匝绕组铜线并绕导线根数、铜线线径参数，并根据电机电磁性能的需求设置一定厚度的气隙，同时根据所述转子铁芯拓扑结构，实现对电机交、直轴电感、永磁磁钢磁链的设计，有效的将短路电流与额定电流比值控制在0.8以下，短路时发热量低于额定发热，不会烧毁电机；其中，isc为电机短路电流，ψm为电机永磁磁钢产生的磁链，ld为电机直(d)轴电感，lq为电机交(q)轴电感，te为电机额定电磁转矩，pn为电机极对数，id为电机额定直(d)轴电流，iq为电机额定交(q)轴电流，irated为电机额定电流；达到有效的抑制短路电流，又能保证系统高效率、高功率因数等电机性能的目的。

优选的，转子铁芯的每层磁障中一定量的永磁磁钢以提高电机输出性能；转子铁芯的每层磁障中设置凹槽，固定永磁磁钢，并用胶将磁障中的剩余空气填满，并在转子铁芯前后端面加入轻质非导磁高强度材料的转子挡板来固定转子铁芯，避免永磁磁钢轴向偏移，进一步提高转子高速运行时的可靠性。

永磁辅助式同步磁阻起动发电机通过空间矢量解耦统一建模方法，可以将双三相电机各个变量进行坐标变换，得到变换阵t6

θ为转子电角度，通过乘以变换阵t6，得到d、q坐标系下的电压方程：

式中：us是自然坐标系下电压矩阵，rs为自然坐标系下电阻矩阵；is为自然坐标系下电流矩阵；ψs为自然坐标系下磁链矩阵；udqs＝t6us＝[uduquz1uz2uo1uo2]^t；idqs＝t6is＝[idiqiz1iz2io1io2]^t；ψdqs＝t6ψs＝[ψdψqψz1ψz2ψolψo2]^t；为速度矩阵，其中dq平面为参与机电能量转换平面，z1-z2，o1-o2平面为不参与机电能量转换平面。

通过乘以变换阵t6进而得到磁链方程及电感矩阵，经过计算和化简，并去除零序分量可以得到d、q坐标系下定子电压方程：

式中，ω为同步电角频率；ld＝3laad+laal为d轴电感；lq＝3laaq+laal为q轴电感，laad为d轴主自感，laaq为q轴主自感；laal为绕组漏感。

由于本发明电机内阻远小于电机d、q轴主电抗，计算短路电流时可将其忽略。得到短路时电机短路电流：

电机在额定发电状态下转矩为：

te＝3pn[(ld-lq)idiq+iqψm]

此时额定电流为：

从上述公式可见，永磁磁钢用量的减少会降低短路电流，同时增加额定电流，但过大的额定电流会使电机发热严重，功重比下降；而增大d、q轴电感(假设凸极比不变)，会降低短路电流及额定电流。永磁磁钢用量及d、q轴电感值主要受转子拓扑结构等参数的影响。其中，isc为电机短路电流，ψm为电机永磁磁钢产生的磁链，ld为电机直(d)轴电感，lq为电机交(q)轴电感，te为电机额定电磁转矩，pn为电机极对数，id为电机额定直(d)轴电流，iq为电机额定交(q)轴电流，irated为电机额定电流。

优选的，按照降低过大的转子局部机械应力，同时避免磁障之间的导磁材料过于饱和的目标优选出的每层磁障与磁障之间间隔距离；按照永磁辅助式同步磁阻起动发电机获得较大交直轴电感差，具有较大的凸极性的目标优选出的磁障形状、层数、厚度；按照降低转子局部的机械应力，保证转子机械强度的目标优选出的内外磁桥厚度。通过上述优选标准选出具备良好的电磁-机械性能的永磁辅助式同步磁阻起动发电机的转子铁芯拓扑结构。

基于以上分析，本发明合理设置永磁辅助式同步磁阻起动发电机的定子组件、转子组件结构，可以使电机既因转子铁芯拓扑结构设计获得较大的交、直轴电感差，进而获得较大的磁阻转矩，又因合理的永磁磁钢用量设计满足了系统抗短路需求，提高电机输出性能、功率因数、效率，在保证转子结构强度的前提下，将短路电流与额定电流比值控制在0.8以下。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明提出了一种抗短路的高速大功率航空用永磁辅助式同步磁阻起动发电机，定子绕组采用双三相绕组，可以降低相电流，实现大功率输出。

(2)本发明对定子铁芯斜槽处理，降低永磁辅助式同步磁阻起动发电机电动运行、发电运行时转矩脉动。

(3)本发明转子铁芯采用三层不等厚u形磁障结构，且每层磁障由水平磁障和倾斜45°磁障组成，降低了永磁体用量的难度与永磁体形状的加工难度。空气磁障设计成具有凹槽形状，有效固定永磁磁钢。

(4)本发明设计的转子铁芯中的每层磁障与磁障之间的间距既能够保证转子铁芯的机械结构强度，又能够降低磁障之间导磁材料的饱和程度；所设计的磁障形状、层数、厚度使永磁辅助式同步磁阻起动发电机获得较大交/直轴电感差，具有较大的凸极性。

(5)本发明充分考虑到了配套功率变换器的设计需求，实现大功率起动发电机系统一体化综合设计，大大降低功率变换器设计难度，提高系统的效率。

(6)本发明中永磁磁钢的用量既满足抗短路设计的需求，即将电机短路电流与额定电流比值控制在0.8以下又提高了电机的效率和功率因数；

(7)根据高转速下应力分布特点以及磁桥对电磁性能的影响规律，设计转子铁芯不同每层内、外磁桥的厚度，既保证了转子铁芯的结构强度，又使得永磁辅助式同步磁阻起动发电机获得了较好的电磁性能。

附图说明

图1为本发明提出的一种永磁辅助式同步磁阻起动发电机组成结构的整体结构示意图。

图2为图1中a-a剖面示意图，为本发明提出的一种定子组件和转子组件的剖面示意图。

图3为本发明提出的一种永磁辅助式同步磁阻起动发电机的转子组件、转轴及轴承结构示意图。

图4为图3中b-b剖面图，为本发明提出的一种永磁辅助式同步磁阻起动发电机的转子铁芯3层u形磁障及永磁磁钢布局剖面示意图。

附图标记说明：

1、机壳2、机壳前端盖3、定子铁芯4、机壳后端盖

5、空心转轴6、轴承7、转子挡板8、定子绕组

9、转子铁芯10、不等厚度永磁磁钢11、内磁桥12、外磁桥13、空气磁障

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案的具体实施例。

如图1所示，图1为本发明提出的一种抗短路的高速大功率永磁辅助同步磁阻起动发电机的组成机构示意图，其由机壳1、机壳前端盖2、机壳后端盖4、定子组件、转子组件、轴承6、空心转轴5构成；其中，转子组件包括不等厚永磁磁钢10和转子铁芯9；定子组件包括定子铁芯3和定子绕组8。

发电机采用24极4槽结构，其中，定子组件由定子铁芯3和定子绕组8构成。定子铁芯3采用高磁饱和的硅钢片冲片，并斜槽后叠压制成；定子绕组8采用节距为6的上下双层绕组的双三相绕组y连接结构，每套绕组之间相差30°，且彼此中性点隔离，采用带有耐高温漆包线的铜线多根并绕，降低电机交流铜耗，定子绕组输出端通过双向功率变换器实现电动和发电过程，有效地实现大功率输出、降低转矩脉动；定子铁芯槽内有0.2mm厚度的绝缘层，防止定子绕组与定子铁芯接触，槽内有0.2mm厚度的挡板，将定子绕组上下隔离，避免发生短路故障；槽内设置槽楔，使电机气隙层定子铁芯侧内侧表面光滑，降低高速下电机的风磨损耗，提高电机效率。

其中，转子组件由转子铁芯9、转子挡板7和不等厚永磁磁钢10构成。转子铁芯9采用高磁磁饱和的硅钢片叠压而成，转子铁芯的硅钢片中有三层u形拓扑结构的空气磁障13，空气磁障13由水平空气磁障和倾斜45°空气磁障共同构成，根据每层空气磁障对电机电磁-机械性能的影响，设计相应形状、厚度、宽度、距离圆心的位置等参数，使发电机获得较高的凸极比；不等厚长方体形状的永磁磁钢10采用高性能耐高温高剩磁的稀土永磁材料，提高发电机性能，并通过胶固定在空气磁障13内部，永磁磁钢13采用平行充磁，充磁方向为水平层磁障的垂直方向，空气磁障13中剩余空气用胶填充，并在转子挡板7与转子铁芯9硅钢片上打孔，用螺丝将转子挡板7与转子铁芯9贯穿起来，用来固定永磁磁钢轴向位置及加固转子结构，通过上述转子铁芯的设计和装配，可以保证转子的机械机构强度，使发电机获得较大的交、直轴电感差进而获得较大的磁阻转矩，提高电机输出性能，同时永磁磁钢的使用也增加了少量的永磁转矩，提高电机电磁性能，少量的永磁磁钢短路时产生的电流较小，可以将发电机短路电流与额定电流比值控制在0.8以下，具体如图3所示。

其中，空心转轴5采用不导磁的高强度钢，通过车削加工而成，通过过盈配合与发电机转子组件连接，空心转轴在保证结构强度的情况下，可以降低系统重量，提高功重比，具体剖面图如图4所示。

其中，机壳前端盖2、机壳后端盖4和机壳1采用铝合金板，提高发电机功重比，通过车削加工而成，通过在机壳前、后端盖加工定位孔，可以实现电机与其他机构的机械连接以及位移传感器的安装。

通过定子绕组8采用双三相结构设计实现大功率输出性能，通过对转子铁芯9、永磁磁钢10等参数的设计，保证转子铁芯9的机械强度，实现高速运行，同时电机具备较大比例的磁阻转矩和小比例的永磁转矩，使电机短路故障时短路电流较小，将短路电流与额定电流比值控制在0.8以下，达到发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改、等同替换、和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释此实施例的原理、实际应用。