一种主励磁机在全工作范围内的励磁电源容量最小化方法

本发明属于航空起动/发电机设计，具体涉及一种主励磁机在全工作范围内的励磁电源容量最小化方法。

背景技术：

1、多电飞机是未来电机发展的主要方向，航空电源在现代航空技术中有着举足轻重的地位。飞机电源作为现代飞机的核心部件，是飞机后级用电设备的动力来源，因此其性能和稳定性是是飞机各项设备安全可靠工作的保证，进而完成安全飞行和作战等其他飞行任务。

2、永磁电机、开关磁阻电机、三级式起动/发电机在不同的航空产品上均有所应用，但由于永磁电机固有的灭磁困难，开关磁阻电机转矩脉动大，存在严重的非线性，控制困难等缺点，在飞机电源系统的选择中逐渐被三级式起动/发电机所取代。三级式起动/发电机主要由副励磁机、主励磁机、主发电机以及旋转整流器组成，具备电气性能好、可靠性高、便于维护的优点。但是目前对于三级式航空起动/发电机的研究主要针对励磁系统数学建模及励磁控制策略、主发电机的结构优化、基本原理及运动特性分析。针对主励磁机优化设计及研究尚有不足。

3、主励磁机为旋转电枢式发电机，磁极在定子上，电枢在转子上。主励磁机的负载始终是主发电机的励磁绕组，在起动或发电运行过程中，主励磁机需要完全满足主发电机的起动和发电要求，提供给主发电机足够的励磁电流。根据三级式起动/发电机的工作原理可知，提供给主励磁机的励磁电流和功率比主发电机励磁电流和功率更小，所以主励磁机励磁电源容量更小。所以目前的航空产品设计中对主力磁机的励磁电源容量的优化不足。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种主励磁机在全工作范围内的励磁电源容量最小化方法，能够解决现有技术中航空产品设计中对主力磁机的励磁电源容量的优化不足的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种主励磁机在全工作范围内的励磁电源容量最小化方法，该方法步骤如下：

3、第一步、确保主励磁机定子槽满率不变，槽的基本尺寸不变，仅改变主励磁机的励磁绕组匝数wf，计算得到主励磁机励磁绕组电阻rff和主励磁机励磁磁通φff；

4、第二步、主励磁机在发电工况运行，由于励磁电源对主励磁机采用直流供电，且主发电机励磁绕组始终作为主励磁机的负载，主发电机负载突变需补偿励磁磁通δφff，通过第一步中得到的主励磁机励磁磁通φff求导，通过补偿励磁磁通δφff，计算得到主励磁机动态的励磁磁通通过第一步中的主励磁机励磁绕组电阻rff和动态的励磁磁通计算得到考虑动态变量的励磁电源电压uff；

5、第三步、通过第二步中的考虑动态变量的励磁电源电压uff，计算得到励磁电源的直流供电电压uff；

6、第四步、根据第三步计算得到的励磁电源的直流供电电压uff，推导计算得出主励磁机励磁电源容量pff表达式；

7、第五步、将第三步中得到的励磁电源的直流供电电压赋予励磁电源的直流供电电压最大值uff(max)，通过最大励磁电源的直流供电电压uff(max)，计算主励磁机励磁绕组最大匝数wf(max)，将得到的主励磁机励磁绕组最大匝数wf(max)代入到第四步中的主励磁机的励磁电源容量pff中，计算得到主励磁机全工作范围励磁容量最小值pff(min)。

8、可选的，第一步中的计算主励磁机励磁绕组电阻rff的公式如下：

9、

10、其中：lfw——励磁绕组导体的平均匝长；

11、kfr——主励磁机励磁绕组电阻系数；

12、ρcu——励磁绕组铜线电阻率；

13、sff——励磁绕组总有效导电面积。

14、可选的，第一步中的计算主励磁机励磁磁通φff的公式如下：

15、φff＝fff·λmf＝λmf·wf·iff

16、其中：λmf——主励磁机励磁磁导；

17、fff——主励磁机励磁磁势；

18、iff——主励磁机励磁电流。

19、可选的，第二步中的计算主励磁机动态的励磁磁通的公式为：

20、

21、其中：iff——主励磁机瞬态励磁电流；

22、——主励磁机励磁磁通随时间的变化量。

23、可选的，第二步中的计算考虑动态变量的励磁电源电压uff的公式为：

24、

25、其中：iff0——主励磁机空载交流励磁电流；

26、iff——主励磁机负载交流励磁电流；

27、rff——主励磁机励磁绕组电阻；

28、lff——主励磁机励磁绕组电感；

29、t——时间。

30、可选的，第三步中的计算励磁电源的直流供电电压uff的公式为：

31、由于突变负载会导致发电机考虑动态变量的励磁电源电压uff的变化，需要考虑安全裕量δuf，计算出励磁电源的直流供电电压uff，其表达式为：

32、

33、其中：δt——由控制系统突加突卸负载动态仿真确定的动态参数；

34、ef0——定子绕组空载每相反电势；

35、δuf——励磁电源的安全裕量值；

36、kfe——主励磁机定子绕组每相反电势系数。

37、可选的，第四步中的计算出主励磁机励磁电源容量pff的公式为：

38、根据励磁电源功率等式pff＝uff·iff可得：

39、

40、其中：等式右侧为常数。

41、可选的，第五步中的计算主励磁机励磁绕组最大匝数wf(max)的公式为：

42、计算当前的主励磁机励磁绕组最大匝数wf(max)的计算式为：

43、

44、其中：kfr——主励磁机励磁绕组电阻系数；

45、uff(max)——主励磁机励磁电源最大供电电压；

46、kfe——定子绕组每相反电势计算系数；

47、ef0——定子绕组空载每相反电势；

48、wf——主励磁机励磁绕组匝数；

49、kφ——动态变量比例系数；

50、λmf——主励磁机励磁磁导。

51、可选的，计算得到主励磁机全工作范围励磁容量最小值pff(min)：

52、

53、其中：kfr——主励磁机励磁绕组电阻系数；

54、uff(max)——主励磁机励磁电源最大供电电压；

55、kfe——定子绕组每相反电势计算系数；

56、ef0——定子绕组空载每相反电势；

57、wf——主励磁机励磁绕组匝数；

58、kφ——动态变量比例系数；

59、λmf——主励磁机励磁磁导。

60、有益效果

61、本发明的实施例中所提供的一种主励磁机在全工作范围内的励磁电源容量最小化方法，首先通过推导出主励磁机的励磁绕组匝数与励磁电源容量的表达式，得出了励磁绕组匝数和励磁电源容量成负相关的结论。通过最大励磁电压限制励磁绕组匝数的方式来计算励磁电源容量在全工作范围内的最小值，实现电机的轻量化设计。

62、其次，增强了主励磁机对励磁电源的利用程度，满足同步发电机低压起励的特点，并且在电机设计上易于实现，成本低廉却效果显著。

63、总的来说，本方法考虑全面，计算方法合理有效，既考虑了励磁绕组匝数的改变对励磁绕组电感电压的影响，又通过一定的励磁电压下使励磁绕组匝数最大，来达到减小励磁电源容量的目的。提高了励磁电源容量和电机材料的利用程度，实现电机的轻量化设计，而且易于优化操作。