任秀梅
北京动力机械研究所 北京 100074
摘要：
采用永磁直流发电机系统作为能源系统，主要面向涡轮发动机的应用领域。永磁直流发电机系统的设计包括稳压技术设计、小型化设计、耐高速和高温设计以及循环油路设计。发电机系统通过了绝缘性能试验、空载特性试验、温升试验、运行特性试验、滑油密封性试验和可靠性试验的考核。目前该发电机系统已成功安装在多型号涡轮发动机上，为用电设备提供直流稳压电源。
主题词： 永磁 直流发电机 设计
1、概述
设计由涡轮发动机直接拖动的永磁直流发电机系统，使供电系统具备体积小、重量轻、功率大的特点。发电机输出的交流电经整流、滤波和稳压控制，为用电设备提供了一个稳定的直流电源。发电机系统结构简单，没有复杂的换向器和电刷组件，提高了供电系统产品的可靠性，增加了电机的寿命。永磁直流发电机系统作为新一代的能源系统具有极为广阔的应用前景，尤其适用于飞行时间长的无人机电气系统供电。
2、发电机系统技术指标和特性
2.1主要技术指标
发电机系统的主要技术指标见表1。
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2.2 发电机系统工作原理
发电机系统由发电机、电源调压滤波器和电缆组成，见图1。发电机包含了一个三相交流同步发电机、一个三相交流感应子式发电机和一个三相桥式整流滤波电路，发电机主要部件包括机壳、转子组件、定子组件（电枢绕组、电枢铁心）、励磁绕组等。发电机的气隙磁通由一个恒定的永磁磁通和一个可变磁通所组成。可变磁通是由一个励磁系统的不旋转环形线圈的电流产生。转子旋转时，由永磁磁通产生初始电压，为励磁磁通提供电流，这样就可以通过改变环形线圈中的励磁电流来改变励磁磁场，从而达到调压的目的。
发电机（以下简称发电机）包含了一个三相交流同步发电机和一个三相交流感应子式发电机、一个三相桥式整流滤波电路。其同电源调压滤波器组成了一个有机的整体，从而实现了发电机的稳压性能。其原理见图1。
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发电机的气隙磁通由一个恒定的永磁磁通和一个可变磁通所组成。可变磁通是由一个励磁系统的不旋转环形线圈的电流产生。转子旋转时，由永磁磁通产生初始电压，为励磁磁通提供电流，这样就可以通过改变环形线圈中的励磁电流来改变励磁磁场，从而达到调压的目的。
如图1所示，当发动机带动发电机旋转时，发电机转子产生旋转磁场，在定子绕组中感生交流电，通过安装在发电机外壳上的三相桥式整流器及滤波器变成直流输出，当输出电压达到一定值后，给设在定子端部的环形线圈通一正向电流，产生“助磁作用”，直到发电机直流输出达到29.5V，如果转速再升高，使发电机输出电压有上升趋势，通过励磁绕组的“去磁作用”阻止电压升高。对输出电压进行了闭环控制，从而达到稳定输出电压的目的。
2.3稳压技术设计
发电机要求转速变化范围大（20000 r/min～29500 r/min），稳压精度高，脉动电压小。
由于发电机的输出电压与转速成正比，在大范围的转速变化中要输出稳定的电压，首先是要解决电压调节的问题，这可以从法拉第电磁感应定律中看出：
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由公式（2.1）可知，发电机的感应电势和发电机的工作转速成正比。因此当转速变化时，要使发电机的输出电压稳定在29.5V，就必须对发电机产生的感应电势进行调整。在这里l 是一恒定值，因此必须对B进行控制。
发电机综合了稀土永磁同步发电机和三相交流感应子式发电机各自的优点，引入了一种双磁场理论，形成了一种复合励磁的调压方法，发电机的气隙磁场由一个恒定的永磁磁通（Φ1）和一个可变磁通（Φ2）组成，其磁路结构如图2，可变磁通是由一个环形线圈的电流（Ⅰf）产生，该线圈的轴线与转子磁极的轴线同心，转子旋转时，由永磁磁通产生初始电压为励磁磁通提供电流，这样就可通过改变环形线圈中的励磁电流来改变励磁磁场，从而达到调压目的。
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如图2所示，该发电机的气隙磁通包含了Φ1和Φ2两部分，它们将分别在同一套电枢绕组中感应出电势E1和E2，根据电路的叠加原理，电枢绕组中总的感应电势应符合：
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从而可知，当流过环形励磁线圈的电流Ⅰf变化，E2也随之增大或减小。而改变Ⅰf的大小和方向通过电源调压滤波器来实现，这样就使调压简单易行。
在发电机气隙磁感应曲线中存在强烈的高次谐波及齿谐波。高次谐波及齿谐波电动势的存在将对发电机产生许多不良影响，其一发电机的电动势和电流波形变坏，使发电机的附加铜、铁损耗增大，效率下降，温升增加，纹波增大；其二对于输电线路，高次谐波可能引起电感和电容发生谐振产生过电压；其三输电线中高次谐波电流产生的磁场对邻近通讯线路会产生有害的干扰。因此要尽量减小高次谐波及齿谐波电动势。采取的措施如下：
a. 采用三相星形接法消除3次及3的奇倍数次谐波电动势。
b.为了减小齿谐波，采取了定子斜槽措施。
c. 外壳上设计三相桥式整流滤波电路，采用大功率军品级二极管及国军标级别电容减小纹波。
2.4 小型化设计
发电机的体积和重量与发电机的容量成正比，与发电机的转速及电、磁负荷成反比，采用三相交流感应子式发电机的励磁绕组电励磁方式和稀土永磁同步发电机的永磁磁钢励磁方式相结合，大幅缩小了发电机的体积和重量。
2.5 耐高速设计
由于发电机最高转速为30000r/min，各零部件的配合精度及动平衡要求均较高，否则将使发电机振动大、发热严重而过早失效，采取不锈钢防护套筒作为加固、提高旋转件同轴度、提高轴承质量等设计方案，保障发电机的高速特性。
2.6 耐高温设计
耐高温设计主要表现在以下几个方面：
a.材料的选用：磁钢选取耐温高的钐镨钴，所有非金属选用耐温等级高的材料；
b.电枢绝缘体系的选用：电枢绕组及激磁绕组漆包线均采用聚酰亚胺漆包圆铜线、槽绝缘采用聚酰亚胺薄膜、槽楔采用聚酰亚胺板、浸渍漆采用聚酰亚胺绝缘漆；
c.结构设计：机壳上设计润滑油路装置以冷却发电机及润滑轴承、在机壳上加工散热槽以增加散热面积，在安装整流二极管的散热上增开散热面积并且在二极管的安装接触面涂导热膏。
3、结束语
永磁直流发电机的研制所采用的设计思想正确，在稳压、小型化、高温高速、循环油路等关键技术上采取的方案合理，加工措施可行。发电机通过性能试验、可靠性试验和寿命试验的考核，验证了该产品性能稳定、工作可靠。
参考文献
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