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永磁发电机在航空工业中的应用

 

近些年以来,在高速电机领域,由于工作环境非常恶劣,使得普通电机难以适应,因此具有高功率密度、高可靠性、高效率、结构简单、良好的性能及容错能力等特点的永磁发电机被广泛应用。随着我国工业化水平的提高以及国防现代化建设的深入,高速永磁发电机在航空航天、分布式发电系统等许多军工领域都具有很大的发展潜力。


在现代航空飞机中,发电机部件具有十分重要的地位。为了使得发电机在航空飞机中能够安全稳定的运行,这就需要在技术上对发电机进行改进。当前,许多军用及民用航空飞机的电源系统均是采用直流发电机及三级式同步发电机。早期的航空发电机大多均采用有刷直流发电机,由于电刷的存在以及空气介电强度不够,会使得电机在高空稀薄的空气中由电枢产生的电弧很难被熄灭,因此,造成了发电机等很多用电设备的损坏。同时,有刷直流发电机结构相对复杂,转速不会太高,这样导致电机的功率密度不大并且不便于维修,一定程度上制约了应用。目前,在航空领域应用最多的是由主发电机、励磁机、永磁体副励磁机组成的三级式同步发电机,由于自身结构省去了电刷装置,较比有刷直流发电机来说,减小了机械损耗,提升了效率。但是也有些不足,在实际工作中,会出现装配困难,发电机各部分机构会出现松动等一系列问题。


永磁发电机由于一般采用高矫顽力、高磁能积的永磁材料,这样对于体积及重量上均有严格要求的航空领域的发电机来说,永磁电机的出现将具有非常大的优势。普通的航空飞行器中,每0.5kg的机载设备,其支撑附件一般约为7.5kg至15kg。发电机应用永磁材料后,可以增大发电机的气隙磁密,转速也可以增加到最佳值,从而显著缩小发电机的体积并且提高功率质量比。由于永磁发电机无需励磁,省去了转子上的励磁绕组,转轴上也无需安装滑环,因此没有传统发电机上存在的电刷滑环接触不良、励磁短路及断路等一系列故障,同时也不存在励磁、电刷滑环的摩擦等所带来的损耗,可直接由原动机传动轴驱动,省去了机械变速装置,从而体现了永磁发电机在结构、效率及可靠性上的优势。虽然高速永磁发电机在航空领域具有广大的应用前景,但其应用范围还有一定的局限,这是因为制造完好的永磁发电机气隙磁场不易调节,不能根据需要来控制输出的电压,这样一来永磁发电机的电压调整率也难以改变,与此同时,永磁材料的温度系数较大,在负载或使用环境温度发生变化时引起输出电压的变化,直接影响用电负载的正常工作。此外,不同的永磁材料在性能上存在差异以及分散的加工工艺也可以使得输出电压分散。因此,在电机设计的过程中尽量要找到降低永磁发电机的电压调整率的措施,从而得到满足要求的发电机性能指标。