定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机的制作方法

同步发电机，包括电励磁式和永磁式，由于具有功率密度高、效率高等诸多优点，广泛用于车辆、舰船以及飞机的供电系统。为了保障运行安全，车辆、舰船及飞机供电系统所使用的同步发电机必须具有高可靠性。然而，定子匝间短路，这一常规同步发电机的最常见故障，轻微时会导致各相输出电流不平衡，总体输出能力明显下降，而严重时则会产生很大的短路电流进而迅速烧毁整个绕组，因而严重威胁车辆、舰船及飞机的运行安全。

定子匝间短路故障发生在绕组内部，并且故障位置不定，因此无法采用切除故障匝的办法来进行容错运行。某些可靠性要求极高的大型车辆、舰船、飞机可通过采用备用同步发电机来预防匝间短路故障，进而保证整个电源系统的可靠性。然而该种方法需要占用较多资源及空间，不适用于多数空间有限的中小型车辆、舰船和飞机。因此，如何抑制定子匝间短路故障时的短路电流并且维持发电机的正常输出能力，成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有同步发电机的定子匝间短路故障问题，本发明提供一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机，以克服现有技术中存在的缺陷。

本发明所提供的具体技术方案如下。

一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机，包括定子和转子及其定子和转子之间的气隙；定子包括定子铁心、定子环形绕组及其机壳；其特征在于：定子铁心是圆环形，定子铁心的内表面和外表面均沿轴向方向开通槽，槽数均为nm，其中，n为正整数，m为定子绕组的相数；所述定子绕组由knm个线圈构成，其中，k为正整数，所有线圈的绕向均相同，每相绕组按（360°/m）相带分布，每个线圈的一个有效边放在定子铁心外表面的槽内，另一个有效边放在定子铁心内表面的槽内；所述电机相间互感数值为正值，在定子铁心不饱和状态下相间互感与每相自感的比值不小于0.75，在定子铁心不饱和状态下每相漏电抗的标幺值大于5。

基于上述技术方案，进一步的附加技术方案如下。

所述转子是内转子结构。

所述转子是内、外双转子结构。

当所述转子为内转子结构时，所述定子铁心与机壳之间可设置有冷却管。

本发明上述所提供的一种定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机具有如下的有益效果。

本发明定子铁心中具有较大的轭部环形漏磁通，因而每相电抗数值很大，故当发生定子匝间短路，能够有效地抑制短路电流以防烧毁绕组，提高了发电机可靠性。

本发明该种定子结构导致相间互感的数值为正，且每相自感与相间互感数值近似相等，经公式推导和有限元验证该种参数特征可以保证发电机在发生定子匝间短路时，各相能够自动近似维持正常输出，进一步提高了发电机可靠性。

本发明各个线圈的绕向都相同，且正常工况时各相电流瞬时值之和为零，因而正常工况时各相电流生成的轭部环形漏磁通相互抵消，故较大的电抗数值不会抑制发电机在正常工况时的输出电流，有利于提高容错发电机的功率密度。

以下通过公式推导说明，在正常工况下，接三相对称线性负载时常规三相同步发电机的各相电流的稳态值为：

式(1)中忽略了各相绕组的内电阻；是电角频率；分别是三相绕组的空载反电势；分别是三相绕组电流；是负载阻抗； 是每相自感；是相间互感。众所周知，对于常规三相同步发电机，。

在A相绕组匝间短路工况下，接三相对称线性负载时常规三相同步发电机的各电流的稳态值为：

式(2)中同样忽略了各相绕组的内电阻；是A相短路匝数与A相总匝数的比值；分别是在A相匝间短路工况下B相和C相的绕组电流；是A相匝间短路工况下A相的短路匝流过的电流；是A相匝间短路工况下A相所接负载流过的电流；是A相匝间短路工况下的短路路径电流，即短路电流。

分析式(1)和式(2)可知，常规三相同步发电机在发生定子匝间短路故障时，三相负载流过的电流不再平衡。然而，如果式(2)中的参数满足和数值较大这三个基本条件，则在发生定子匝间短路故障时，三相负载所流过的电流仍然能够平衡且数值与正常工况下相等，同时能够抑制短路路径电流。推导如下：

在上述基本条件下，式（1）变为

省略化简过程，在上述基本条件下，式（2）变为

式(3)中的与式(4)中的分别相等，表明在满足且 的条件下，在发生定子匝间短路故障时，三相负载所流过的电流仍然能够平衡且数值与正常工况下相等。同时由式(4)可见，当数值较大时，可以有效抑制短路电流。本发明所提出的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机具有M 大于零、L 与M 近似相等、数值较大的参数特征，因此能够抑制定子匝间短路故障时的短路电流，并且近似维持正常输出能力。

以下通过有限元仿真说明，一台3kW 8极36槽定子匝间短路故障自动容错三相永磁同步发电机，如附图1所示。每相含有12个线圈，这12个线圈依次串联，无并联支路。所有线圈的缠绕方向都相同。该电机的主要参数为：额定功率3kW，额定转速1500r/min，极对数为4，带整流负载时的直流端额定电压为160V，带带三相线性负载时的额定相电压为78V，每相匝数为156匝。使用Flux10.4有限元软件对该发电机带三相对称线性负载和带不控整流负载这两种不同情况分别进行了仿真分析。

a）带三相对称线性负载

假设A相绕组52匝短路，占A相总匝数的三分之一。负载1，2，3分别为A相、B相、C相所接负载，为三相对称负载。在初始时刻，该发电机处于正常工作状态，各相绕组正常工作，各相输出电流平衡，见附图2中0.05 s 时刻之前的电流波形。然后在0.05 s时刻A相绕组三分之一匝数突发短路，由附图2可见，各负载流过的电流几乎仍然平衡，且幅值几乎未发生变化，这表明该发电机在发生匝间短路故障时，发电机的输出能力不受影响。

需要说明的是，在正常工况下，负载1、负载2、负载3分别等于A、B、C相的电流，但在A相三分之一匝数短的情况下，负载1的电流等于A相绕组剩余未短路匝所流过的电流，而负载2、负载3的电流仍然等于B相、C相绕组的电流。附图3显示了短路路径电流和短路匝上流过的电流，可以看到在0.05 s时刻，A相绕组三分之一匝数突发短路，短路路径电流开始出现，但幅值非常小，由此可见本发明所提方案可以有效抑制短路路径电流。

b) 带不控整流负载

在实际应用中，绝大部情况下永磁同步发电机并不直接与负载相连，而是需要连接整流器，将交流转换为直流后再进行变换。这里研究最常见的三相全桥不控整流方式。在初始时刻，该发电机处于正常工作状态，各相绕组正常工作，各相输出电流都平衡，由附图4可见，直流输出端电流稳定。然后在0.05s时刻A相绕组三分之一匝数突发短路，发电机进入故障暂态阶段。由附图4可见，直流端负载电流未有明显变化。附图5表明短路路径电流数值很小。由此可见本发明所提发电机在带整流负载时同样具有定子匝间短路自动容错能力。

附图说明

图1是本发明Flux10.4有限元仿真软件的建模示意图。

图2是本发明带三相对称线性负载情况下的A相三分之一匝数短路时负载电流的有限元仿真结果示意图。

图3是本发明带三相对称线性负载情况下的A相三分之一匝数短路时短路路径电流和短路匝电流的有限元仿真结果示意图。

图4是本发明带不控整流负载情况下的A相三分之一匝数短路时负载电流的有限元仿真结果示意图。

图5是本发明带不控整流负载情况下的A相三分之一匝数短路时短路路径电流和短路匝电流的有限元仿真结果示意图。

图6是本发明实施方式一所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机。

图7是本发明实施方式二所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机。

图8是本发明实施方式三所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机。

图9是本发明实施方式四所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机。

具体实施方式

下面结合附图多本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

具体实施方式1

参见附图6说明本实施方式。本实施方式所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机包括：定子、转子、气隙及其它相应部件，定子结构包括：定子铁心1、定子环形绕组2，定子铁心的内表面和外表面都均匀分布沿轴向方向的通槽，两侧槽数均为nm，其中，n为正整数，m为定子绕组的相数。所述定子环形绕组由knm个线圈构成，其中k为正整数，所有线圈的绕向都相同，每相绕组按（360°/m）相带分布，每个线圈的一个有效边放在定子外表面的槽内，另一个有效边放在相对应的定子内表面的槽内。本实施方式所述的转子包括：永磁体3、转子铁心4和转轴5，2p个永磁体均匀分布，N、S极交替，其中，p为极对数。

具体实施方式2

参见附图7说明本实施方式｡本实施方式所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机包括：定子､转子､气隙及其它相应部件，定子结构包括：定子铁心1､定子环形绕组3，定子铁心的内表面和外表面都均匀分布沿轴向方向的通槽，两侧槽数均为nm，其中，n为正整数，m为定子绕组的相数｡所述定子环形绕组由knm个线圈构成，其中k为正整数，所有线圈的绕向都相同，每相绕组按(360°/m)相带分布，每个线圈的一个有效边放在定子外表面的槽内，另一个有效边放在相对应的定子内表面的槽内｡本实施方式所述的转子包括：永磁体2､内转子铁心5､转轴6和外转子铁心4，在内转子铁心上2p个永磁体均匀分布，N､S极交替，在外转子铁心上2p个永磁体均匀分布，N､S极交替，其中，p为极对数｡内､外转子上相对齐的两个永磁体的极性相同。

具体实施方式1或2所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机中，转子还可采用内嵌式永磁体结构。

具体实施方式1或2所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机中，定子铁心与机壳之间安置有冷却管，冷却管中的冷却液主要采用水，也可采用油。

具体实施方式3

参见附图8说明本实施方式｡本实施方式所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机包括：定子､转子､气隙､电刷､滑环及其它相应部件，定子结构包括：定子铁心1､定子环形绕组3，定子铁心的内表面和外表面都均匀分布沿轴向方向的通槽，两侧槽数均为nm，其中，n为正整数，m为定子绕组的相数｡所述定子环形绕组由knm个线圈构成，其中k为正整数，所有线圈的绕向都相同，每相绕组按(360°/m)相带分布，每个线圈的一个有效边放在定子铁心外表面的槽内，另一个有效边放在相对应的定子内表面的槽内｡本实施方式所述的转子包括：转子励磁绕组 2､转子铁心4､转轴5以及电刷和滑环，转子磁极数为2p，N、S极交替，其中，p为极对数。

具体实施方式4

参见附图9说明本实施方式，本实施方式所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机包括：定子､转子､气隙､电刷､滑环及其它相应部件，定子结构包括：定子铁心1､定子环形绕组3，定子铁心的内表面和外表面都均匀分布沿轴向方向的通槽，两侧槽数均为nm，其中，n为正整数，m为定子绕组的相数｡所述定子环形绕组由knm个线圈构成，其中k为正整数，所有线圈的绕向都相同，每相绕组按(360°/m)相带分布，每个线圈的一个有效边放在定子铁心外表面的槽内，另一个有效边放在相对应的定子铁心内表面的槽内｡本实施方式所述的转子包括：内转子励磁绕组 2､内转子铁心5､外转子铁心4 ､外转子励磁绕组 7､转轴6以及电刷和滑环， 内外转子磁极数均为2p，N、S极交替，其中，p为极对数，内外转子磁极的极轴对齐､且相对齐极轴的极性相同｡

具体实施方式3或4所述的定子匝间短路故障自动容错多相同步发电机中，转子还可采用凸极电励磁转子结构。