周竞捷，邱梁骏，袁 梅，潘正源，沈 洁

(1.中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233；2.江苏长电科技股份有限公司，江阴 214400)



新型十二相永磁无刷直流发电机容错性能研究

周竞捷1，邱梁骏1，袁 梅1，潘正源1，沈 洁2

(1.中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233；2.江苏长电科技股份有限公司，江阴 214400)

阐述了新型十二相永磁无刷直流发电机的结构原理，系统分析了该无刷直流发电机的相绕组开路故障工作模式和容错特性。建立了永磁无刷直流发电机的有限元仿真模型，并完成场路耦合分析。先对容错特性的工作和故障状态进行理论分析，再通过建模仿真和原理样机试验结果验证了新型十二相永磁无刷直流发电机具有较强的相绕组开路故障容错特性。

永磁电机;十二相整流电路;无刷直流发电机；场路耦合分析;容错特性

0 引 言

随着航空电源系统在多电飞机和全电飞机中对于性能要求的不断提高,发电系统的可靠性成为了关键因素。容错电机的优点是可靠性高，系统只需要一套相应的控制器，相对简单。容错电机一般设计为多相绕组电机,在发生一相或多相绕组出现故障的情况下，系统仍能正常工作[8]。

本文提及的新型十二相永磁无刷直流发电机是十二相永磁同步电机结合新型十二相零式整流电路形成一种新型的永磁无刷直流发电机。永磁无刷电机既具有永磁电机效率高、功率密度高和体积重量小的优点，又避免了有刷电机电刷易磨损和换向火花等缺点，高空性能和可靠性大大提高。本文重点对具有缺相运行能力的新型十二相永磁无刷直流发电机在几种典型开路故障下的工作特性进行分析，建立发电机的场路耦合仿真模型，进行了仿真和实验验证。

1 十二相永磁无刷直流发电机结构及原理

新型十二相无刷直流发电机是由4对极48槽切向结构永磁同步发电机和新型十二相零式整流电路两部分组成的。

切向结构永磁同步电机的定子主要由定子铁心和电枢绕组组成，转子主要由非磁性护环、永磁磁钢、NS极靴、非导磁衬套和转轴组成，如图1所示。转子嵌入的永磁磁铁是切向磁化的，有两个相对应的永磁体截面对气隙提供每极磁通,因此电机的气隙磁感应强度能得到有效的提高。

图1 切向结构永磁同步电机截面图

图2为新型十二相零式整流电路。将永磁同步电机的十二相电枢绕组的输出端并联连接于一公共端，12个整流二极管共阳极连接，十二相绕组的另一输出端分别与12个整流二极管的阴极相连，十二相电枢绕组公共端为输出电压的高电位端(正极)，而整流二极管公共点电位为零，为输出电压的低电位端(负极)[9]。

图2 十二相永磁无刷直流发电机整流系统结构

2 容错特性理论分析

2.1 正常工作状态

假设理想情况下，相绕组电势波形为顶宽120°的梯形波，并且忽略二极管的开通和关断时间。为分析每个整流二极管在一个电周期内的导通状态，将一个电周期均分为12个工作区间0～t12，每个工作区间为30°(电角度)。如图3所示，每个工作区间下均有4个整流二极管同时导通。0～t1段：B1，B2，X1，X2相对应整流二极管VD5，VD6，VD3，VD4导通；t1～t2段：B2，X1，X2，C1相对应整流二极管VD6，VD3，VD4，VD9导通；其他工作区间类同。

图3 正常工作时导通情况

2.2 故障状态

通过对正常工作状态的分析可知，每一工作区间下都由相邻的四相电枢绕组并联输出。因此，当其中一相、相邻两相甚至相邻三相发生开路故障时，至少剩下一相电枢绕组的相电势位于梯形波的波顶处，这样仍然保证电机正常输出；当相邻四相或四相以上电枢绕组发生开路故障时，至少有一个工作区间下原来并联的四相电枢绕组全部开路，此时导通相的相电势不在梯形波的波顶处，电机输出发生变化；存在一种极限情况即互差120°电角度的三相导通，其他相全部发生开路故障时，此时整流电路类似于三相半波整流电路，电机仍然可以正常工作。图4为一相、相邻两相和相邻三相开路时发电机工作示意图。

图4 各种开路故障时导通情况

限于篇幅，仅对Y2A1A2三相开路的情况加以分析，和正常工作情况下的导通情况相比，Y2A1A2相开路导致t4～t10段内6个工作区间下的并联输出的相数减少，t4～t5和t9～t10段三相并联输出，t5～t6和t8～t9段两相并联输出，t6～t8段只有一相向外输出，其他工作区间内导通相不变。正常工作时均由四相并联输出，因此，当少于四相并联输出时我们称之为非正常工作，期间Y2的前三相和A2的后三相处于非正常工作状态，非正常导通的时间如表1所示(以电角度计)。非正常导通意味着并联输出的相数的减小，而输出电压和负载基本不变，这势必会引起相电流的增加。从表中数据可以看出离Y2A1A2较近的Y2Z1相非正常导通的时间较长，其相电流所受影响较大，而C1B1非正常导通的时间较短，其相电流所受影响较小。表1给出了A2开路、A1A2开路、Y2A1A2开路、Y1Y2A1A2开路和仅剩A1B1C1时受到影响而非正常工作的相和非正常工作的时间。

表1 理想情况下各种开路故障的影响

3 永磁无刷直流电机场路耦合模型

利用Ansoft软件建立永磁同步电机本体的Maxwell2D有限元仿真模型，利用Simplorer软件中的Subcircuit功能导入已建立的电机瞬态场二维有限元模型，与整流电路相连接，实现十二相永磁无刷直流发电机的场路耦合模型，如图5所示，针对各种开路故障状态下发电机的输出特性进行仿真。

图5 场路耦合仿真模型

4 仿真和实验验证

对带载情况下各种开路故障情况下电机的运行情况进行了仿真和样机实验，这里由于篇幅所限仅给出相邻三相开路和仅剩A1B1C1相工作时相关参数的仿真和实验结果。

4.1 相邻三相开路

1) 相电压和输出电压

由图6可以看出，带载情况下电机Y2A1A2相发生开路故障时，相电压和输出电压基本不受影响，输出电压波形仍然是稳定直流电压，相电压则为梯形波，这与前面的理论分析得到的结论一致。由于实际运行过程中，二极管存在开关时间，换相使得输出电压和相电压在换向时刻发生微小的跌落，后面将对换相情况进行分析。

(a)Y2A1A2相开路(b)实验结果波形截图

图6Y2A1A2相开路时相电压和输出电压波形

2) 缺相邻三相时相电流波形

图7的仿真和实验结果均表明，与开路相相邻的前三相和后三相的相电流增加，并且离开路相较近的相的相电流增加的幅度大。

(a)仿真结果(b)实验结果波形截图

图7Y2A1A2相开路时相电压和输出电压波形

3) 换相过程分析

图8中，在θ角对应时刻内相电压和输出电压发生微小的跌落，表现在波形上为每个电周期内Z1Z2相电压和输出电压形成一个V形缺口。从相电流可以看出，在这段时间内Y1Z1Z2三相同时导通,由于实际的相电势波形为波顶大于120°，所以这里每相持续导通的时间大于120°，导致了Y1和Z2相发生换相，换相时Y1Z1Z2三相同时导通，我们称θ为换相重叠角。其他故障状态下的换相情况可用同样的方法分析。

图8 Y2A1A2三相开路时的换相过程

4.2 相邻四相以上开路时

图9中的实验结果说明，相邻四相以上发生开路故障时，缺相过多，这样每个电周期内有一个或多个工作区间内由反电势不是处于波顶的相输出，电机的输出电压跌落严重，电机无法正常运行。

图9 Y1Y2A1A2三相开路时相电压和输出电压波形

4.3 仅剩三相工作

根据前述分析，在仅剩互差120°电角度的三相工作，其他相全部开路时，电机仍能正常输出。前提是这三相相差120°电角度，这样每个时刻都有一相处于梯形波波顶的相绕组对外正常输出，保证了电压平稳。实验结果如图10所示。

图10 仅剩A1B1C1三相工作时相电压和输出电压波形

5 结 语

本文对新型十二相永磁无刷直流发电机在各种典型开路故障状态下的带载运行情况进行了深入的研究，详细分析了各种典型开路故障对电机的输出特性产生的影响，仿真和实验结果表明该电机具有如下特性：

(1) 带载情况下，一相、相邻两相或相邻三相开路时电机能正常输出。换相导致了输出电压和相电压发生微小的跌落，并联输出相数的减少导致相电流有效值的增加。

(2) 与故障相相邻的前三相和后三相的相电流受到影响，离故障相较近相的相电流受到的影响较大。

(3) 当相邻四相及以上发生故障时，输出电压跌落严重，电机无法正常工作。

(4) 当仅剩互差120°电角度的三相正常工作，其他相全部开路时，电机仍然可以正常工作。输出电压、相电压和输出电流基本不变，但相电流较大，此时电机不宜长时间工作。

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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