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组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究

窦一平  
【摘要】: 飞机电源系统目前广泛采用旋转整流器式无刷同步发电机,这种电励磁发电机的主要不足是结构较复杂,有旋转整流器,可靠性因此受到影响。稀土永磁同步发电机具有效率高、结构简单、可靠性高等一系列优点,但由于其电压调节困难,故应用受到限制。 采用组合励磁的方法可以较好地解决稀土永磁同步发电机的调压问题。本课题的目的就是在我国开发这种组合励磁稀土永磁同步发电机(简称HESG),并研究这种发电机应用于飞机电源系统的可能性。 本文首先论述了这种发电机的结构、基本原理和基本运行特性,提出了这种发电机空载和负载稳态运行的数学分析模型。用磁路分析的方法,建立了主辅发电机之间的空载运行磁路模型,并应用一种端口特性的方法来有效地求解非线性的磁路模型图。建立了HESG负载运行的稳态电压平衡方程及其外特性的数学模型,为HESG的电磁设计打下了基础。 由于这种发电机外特性的数学模型和单独的稀土永磁同步发电机基本相同,本文接着对稀土永磁同步发电机的外特性进行了深入研究,定量分析了发电机的性能参数和结构参数对外特性的影响规律,解决了如何在设计中定量调控发电机固有电压变化率的问题;提出了一种降低固有电压变化率的方法,并设计加工了原理样机,计算和实测的结果表明,所用的数学模型实用可靠。 针对现有结构的HESG,提出了一种电磁设计计算方法,其中对主发电机部分的电磁设计同时适合于永磁同步发电机的单独电磁设计,采用特别适合工程科学计算的高级语言MATLAB编制了相应的程序,经过样机的试验验证,说明程序是实用可靠的。 应用可靠的数学模型,通过具体的实例计算,将这种发电机和现有飞机电源系统中的电励磁同步发电机进行了比较,分析研究了它在飞机电源系统上应用的可能性,结果表明:本文提出的这种结构形式的HESG与飞机恒速恒频电源系统中电励磁发电机比较,其效率和可靠性有一定的优势,但要满足过载时的电压调节要求,则体积重量过大;在变速恒频电源系统中还无法满足调压要求;此外,还受到磁钢材料性能的限制,因此,目前还无法应用到飞机电源系统中去。


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