新型十二相永磁無刷直流發電機容錯性能研究

周競捷，邱梁駿，袁 梅，潘正源，沈 潔

(1.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233；2.江蘇長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電機容錯性能研究

周競捷1，邱梁駿1，袁 梅1，潘正源1，沈 潔2

(1.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233；2.江蘇長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電機的結構原理，系統分析了該無刷直流發電機的相繞組開路故障工作模式和容錯特性。建立了永磁無刷直流發電機的有限元仿真模型，并完成場路耦合分析。先對容錯特性的工作和故障狀態進行理論分析，再通過建模仿真和原理樣機試驗結果驗證了新型十二相永磁無刷直流發電機具有較強的相繞組開路故障容錯特性。

永磁電機;十二相整流電路;無刷直流發電機；場路耦合分析;容錯特性

0 引 言

隨著航空電源系統在多電飛機和全電飛機中對于性能要求的不斷提高,發電系統的可靠性成為了關鍵因素。容錯電機的優點是可靠性高，系統只需要一套相應的控制器，相對簡單。容錯電機一般設計為多相繞組電機,在發生一相或多相繞組出現故障的情況下，系統仍能正常工作[8]。

本文提及的新型十二相永磁無刷直流發電機是十二相永磁同步電機結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電機。永磁無刷電機既具有永磁電機效率高、功率密度高和體積重量小的優點，又避免了有刷電機電刷易磨損和換向火花等缺點，高空性能和可靠性大大提高。本文重點對具有缺相運行能力的新型十二相永磁無刷直流發電機在幾種典型開路故障下的工作特性進行分析，建立發電機的場路耦合仿真模型，進行了仿真和實驗驗證。

1 十二相永磁無刷直流發電機結構及原理

新型十二相無刷直流發電機是由4對極48槽切向結構永磁同步發電機和新型十二相零式整流電路兩部分組成的。

切向結構永磁同步電機的定子主要由定子鐵心和電樞繞組組成，轉子主要由非磁性護環、永磁磁鋼、NS極靴、非導磁襯套和轉軸組成，如圖1所示。轉子嵌入的永磁磁鐵是切向磁化的，有兩個相對應的永磁體截面對氣隙提供每極磁通,因此電機的氣隙磁感應強度能得到有效的提高。

圖1 切向結構永磁同步電機截面圖

圖2為新型十二相零式整流電路。將永磁同步電機的十二相電樞繞組的輸出端并聯連接于一公共端，12個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電位為零，為輸出電壓的低電位端(負極)[9]。

圖2 十二相永磁無刷直流發電機整流系統結構

2 容錯特性理論分析

2.1 正常工作狀態

假設理想情況下，相繞組電勢波形為頂寬120°的梯形波，并且忽略二極管的開通和關斷時間。為分析每個整流二極管在一個電周期內的導通狀態，將一個電周期均分為12個工作區間0～t12，每個工作區間為30°(電角度)。如圖3所示，每個工作區間下均有4個整流二極管同時導通。0～t1段：B1，B2，X1，X2相對應整流二極管VD5，VD6，VD3，VD4導通；t1～t2段：B2，X1，X2，C1相對應整流二極管VD6，VD3，VD4，VD9導通；其他工作區間類同。

圖3 正常工作時導通情況

2.2 故障狀態

通過對正常工作狀態的分析可知，每一工作區間下都由相鄰的四相電樞繞組并聯輸出。因此，當其中一相、相鄰兩相甚至相鄰三相發生開路故障時，至少剩下一相電樞繞組的相電勢位于梯形波的波頂處，這樣仍然保證電機正常輸出；當相鄰四相或四相以上電樞繞組發生開路故障時，至少有一個工作區間下原來并聯的四相電樞繞組全部開路，此時導通相的相電勢不在梯形波的波頂處，電機輸出發生變化；存在一種極限情況即互差120°電角度的三相導通，其他相全部發生開路故障時，此時整流電路類似于三相半波整流電路，電機仍然可以正常工作。圖4為一相、相鄰兩相和相鄰三相開路時發電機工作示意圖。

圖4 各種開路故障時導通情況

限于篇幅，僅對Y2A1A2三相開路的情況加以分析，和正常工作情況下的導通情況相比，Y2A1A2相開路導致t4～t10段內6個工作區間下的并聯輸出的相數減少，t4～t5和t9～t10段三相并聯輸出，t5～t6和t8～t9段兩相并聯輸出，t6～t8段只有一相向外輸出，其他工作區間內導通相不變。正常工作時均由四相并聯輸出，因此，當少于四相并聯輸出時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，非正常導通的時間如表1所示(以電角度計)。非正常導通意味著并聯輸出的相數的減小，而輸出電壓和負載基本不變，這勢必會引起相電流的增加。從表中數據可以看出離Y2A1A2較近的Y2Z1相非正常導通的時間較長，其相電流所受影響較大，而C1B1非正常導通的時間較短，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時受到影響而非正常工作的相和非正常工作的時間。

表1 理想情況下各種開路故障的影響

3 永磁無刷直流電機場路耦合模型

利用Ansoft軟件建立永磁同步電機本體的Maxwell2D有限元仿真模型，利用Simplorer軟件中的Subcircuit功能導入已建立的電機瞬態場二維有限元模型，與整流電路相連接，實現十二相永磁無刷直流發電機的場路耦合模型，如圖5所示，針對各種開路故障狀態下發電機的輸出特性進行仿真。

圖5 場路耦合仿真模型

4 仿真和實驗驗證

對帶載情況下各種開路故障情況下電機的運行情況進行了仿真和樣機實驗，這里由于篇幅所限僅給出相鄰三相開路和僅剩A1B1C1相工作時相關參數的仿真和實驗結果。

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Y2A1A2相發生開路故障時，相電壓和輸出電壓基本不受影響，輸出電壓波形仍然是穩定直流電壓，相電壓則為梯形波，這與前面的理論分析得到的結論一致。由于實際運行過程中，二極管存在開關時間，換相使得輸出電壓和相電壓在換向時刻發生微小的跌落，后面將對換相情況進行分析。

(a)Y2A1A2相開路(b)實驗結果波形截圖

圖6Y2A1A2相開路時相電壓和輸出電壓波形

2) 缺相鄰三相時相電流波形

圖7的仿真和實驗結果均表明，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)仿真結果(b)實驗結果波形截圖

圖7Y2A1A2相開路時相電壓和輸出電壓波形

3) 換相過程分析

圖8中，在θ角對應時刻內相電壓和輸出電壓發生微小的跌落，表現在波形上為每個電周期內Z1Z2相電壓和輸出電壓形成一個V形缺口。從相電流可以看出，在這段時間內Y1Z1Z2三相同時導通,由于實際的相電勢波形為波頂大于120°，所以這里每相持續導通的時間大于120°，導致了Y1和Z2相發生換相，換相時Y1Z1Z2三相同時導通，我們稱θ為換相重疊角。其他故障狀態下的換相情況可用同樣的方法分析。

圖8 Y2A1A2三相開路時的換相過程

4.2 相鄰四相以上開路時

圖9中的實驗結果說明，相鄰四相以上發生開路故障時，缺相過多，這樣每個電周期內有一個或多個工作區間內由反電勢不是處于波頂的相輸出，電機的輸出電壓跌落嚴重，電機無法正常運行。

圖9 Y1Y2A1A2三相開路時相電壓和輸出電壓波形

4.3 僅剩三相工作

根據前述分析，在僅剩互差120°電角度的三相工作，其他相全部開路時，電機仍能正常輸出。前提是這三相相差120°電角度，這樣每個時刻都有一相處于梯形波波頂的相繞組對外正常輸出，保證了電壓平穩。實驗結果如圖10所示。

圖10 僅剩A1B1C1三相工作時相電壓和輸出電壓波形

5 結 語

本文對新型十二相永磁無刷直流發電機在各種典型開路故障狀態下的帶載運行情況進行了深入的研究，詳細分析了各種典型開路故障對電機的輸出特性產生的影響，仿真和實驗結果表明該電機具有如下特性：

(1) 帶載情況下，一相、相鄰兩相或相鄰三相開路時電機能正常輸出。換相導致了輸出電壓和相電壓發生微小的跌落，并聯輸出相數的減少導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) 當相鄰四相及以上發生故障時，輸出電壓跌落嚴重，電機無法正常工作。

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

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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