基于混合转子结构的航空永磁同步电机抗短路故障机理与设计方法

In order to meet the synthesized requirements of airborne electric machine in high power density, high reliability and high safety, and overcome the present problems of anti-short-circuit method about high dependence on fault detection, poor timeliness, low power density, large heat release and etc., an anti-short-circuit method based on composite-rotor structure for airborne permanent magnet synchronous machine (PMSM) is developed. Due to the demagnetizing magnetomotive resulted from the short-circuit current, the magnetization directions of the low-coercive-force permanent magnets in the composite rotor are changed, and a large proportion of the permanent magnet excitation flux is shunted inside the rotor. Then, the short-circuit current can be restrained from the source. This innovative research includes obtaining the law of asymmetrical demagnetizing magnetomotive due to short-circuit fault, analyzing the transient physics process during the anti-short-circuit process, and presenting the anti-short-circuit design method based on the proposed composite-rotor struction for airborne PMSM. The principle prototype is developed, and the comprehensive characteristic assessment demonstrates the effectiveness of the proposed design method. This research will lay a foundation of theory and technology for the application of the PMSM in the key airborne systems, which can restrain the short-circuit fault quickly, independently, reliably, and efficiently.

为满足航空电机在高功率密度、高可靠性、高安全性等方面的综合性能要求，解决目前永磁同步电机抗短路故障设计引起的依赖故障检测结果程度高、及时性差、功率密度低、发热量大等问题，提出基于混合转子结构的航空永磁同步电机抗短路故障机理与设计方法研究，即通过电机重要参数的匹配设计，使得低矫顽力永磁体的磁化方向在短路故障环流的不对称去磁磁势作用下自动转换，将永磁励磁磁通大量“短路”在转子内部，从源头上抑制短路环流幅值。项目拟对混合转子结构永磁同步电机短路故障导致非对称去磁磁势的作用规律、抗短路去磁过程中的瞬态物理过程、抗短路故障航空电机设计方法等开展研究工作，明晰基于混合转子结构的航空永磁同步电机的抗短路故障机理，形成相应的抗短路故障设计方法。研制原理样机，开展综合性能评估，验证所提出抗短路故障方法的有效性，为飞机关键机载系统用永磁同步电机实现快速、自主、可靠、高效地抑制绕组短路故障奠定理论和技术基础。

短路故障后无法灭磁是制约永磁电机在航空高可靠高安全领域应用的重要障碍。针对目前永磁电机抗短路故障设计存在的依赖故障检测结果程度高、及时性差、功率密度低、发热量大等问题，提出基于混合转子结构的航空永磁同步电机抗短路故障机理与设计方法研究，即通过电机重要参数的匹配设计，使得低矫顽力永磁体的磁化方向在短路故障环流的不对称去磁磁势作用下自动转换，将永磁励磁磁通大量“短路”在转子内部，从源头上抑制短路环流幅值。.研究取得以下成果：①根据实际散嵌绕组特点，提出了一种考虑多股并绕的永磁电机匝间短路故障解析模型，在此模型基础上，分析了电机短路故障电流特性，得到了短路路电流与短路程度、等效电阻、运行转速等变化规律。②通过对电机建模与电磁分析，明晰了混合转子结构永磁电机在在发生绕组短路后的电磁作用过程，在经过一个机械周期后，低矫顽力永磁体自动发生了工作点偏移，合成的励磁磁通发生明显降低。③提出了一种快速计算匝间短路故障电机磁路模型，由楞次定律的基本原理，形成了混合转子结构永磁体工作点变化规律。④研制了原理样机，短路实验结果验证了基于混合转子结构的永磁电机自动抗短路方法的有效性，理论分析和计算结果与实测结果具有较好一致性。.本项目成果发表学术论文7篇，授权发明专利3项，参与国家会议交流5次。抗短路设计理论和方法，应用于重点研发计划课题项目、国防预研重点项目等航空永磁启动发电机研制。项目研究为飞机关键机载系统用永磁同步电机实现快速、自主、可靠、高效地抑制绕组短路故障奠定理论和技术基础。