1.引言
永磁發電機由于其結構簡單、功率密度高等特點廣泛運用于航空裝備中，但隨著航空發動機機載全權限數字電子控制系統對抗短路、寬轉速、高可靠性發電機電源系統的需求，研制具備雙繞組或多繞組冗余、耐長時間短路工作等特性的發電機必然成為當務之急。
目前的發電機雖然也有部分產品擁有兩套繞組，也允許短時間短路工況，但卻不能實現真正的冗余，即當一套繞組出現短路或缺相等故障時，直接影響另一套繞組的工作性能；即使其中某套繞組能耐短時間短路，但其短路電流很大，將達到額定電流的幾十倍、幾百倍甚至上千倍，產生的高熱量會直接影響另一套繞組受損傷。常規設計的發電機通常難耐接近200℃的高溫工作環境，高溫、短路工況工況甚至引起轉子永磁體的不可逆退磁，從而給數控系統帶來毀滅性的災難，嚴重影響發動機系統的可靠性。
本文從轉子結構、定子繞組形式等方面給出了一種新型抗短路發電機的設計方案，通過Ansoft仿真分析和對比研制產品的實測結果，表明設計方案可行，研制的發電機抗短路特性好、耐高溫、耐寬轉速，具備真正的冗余能力。
2.抗短路發電機的設計
2.1系統對發電機的要求
發動機數控系統要求發電機耐寬轉速范圍2000r/min~25000r/min，全轉速范圍內穩壓為28.5V±0.5VDC，耐160℃高溫運行工作環境（短時180℃），耐長時間短路工況，全轉速范圍內極限功率需求不低于250W，3000r/min~25000r/min轉速范圍內極限功率需求不低于280W，45%轉速時任缺一相工況不影響另一通道正常工作，雙通道允許長時間短路而不影響系統其他附件設備。
系統要求發電機重量≤3.5kg，外形φ113mm×125mm（不含安裝法蘭外圓），具有良好氣密封性、互換性、維修性、可靠性、安全性、環境適應性，滿足適航要求等。
2.2設計思想
結合系統對發電機的各項性能指標需求，設計的發電機要滿足寬轉速、高轉速、高功率密度等的要求，永磁轉子成為首選設計方案；要滿足單一通道缺相故障時具備的冗余功能，常規繞組設計思想不可行，必須采用新型抗短路繞組方案。
轉子設計方面根據寬轉速、抗短路特性等要求，選擇切向磁路結構、多對級型式；定子設計方面重點在新型繞組的設計上，理論上增加發電機的繞組匝數能減小發電機的短路電流倍數，但實際設計中由于受外形結構、出力需求等的限制而不可行，設計中考慮保持總匝數不變，采用減少線圈個數、增加單個線圈匝數從而增加漏抗的方案來改善發電機短路電流，采用獨立繞組設計型式來實現通道真正冗余功能。
2.3仿真分析
按設計思想建立發電機的仿真模型，采用Ansoft進行仿真優化設計，該發電機內部磁密特性如圖1所示，磁鋼和磁軛交接處頂端局部點磁密偏高，其他轉子和定子部位磁密低于1.3T.
對該發電機進行低速雙通道同時帶載的仿真結果見圖2~圖5，仿真結果表明，雙通道輸出能保證經穩壓裝置后輸出功率均高于250W，且雙通道（A通道、B通道）的輸出一致性完全滿足要求。
單一通道任缺一相，另一通道正常帶載的仿真結果見圖6和圖7所示。
正常通道的輸出功率為471W，經過穩壓裝置后能滿足輸出功率高于280W；雙通道同時短路的仿真結果見圖8和圖9，低轉速下雙通道短路電流均為13.37A，高轉速下雙通道短路電流均為13.46A，而發電機額定工況下帶載能力最大為10.5A，短路電流不到額定負載的1.3倍，發電機不會因短路工況出現溫升過高的現象。
3.研制結果
以仿真優化為指導，研制生產出的產品實物見圖10.對產品的實測結果見表1所示。仿真輸出功率高于實測功率是由于仿真時只考慮發電機整流后的輸出，而實際測試發電機產品與配套的控制器一起工作，控制器除了整流裝置外還集成良好穩壓裝置，穩壓存在一定的損耗，且只有特別設計的穩壓裝置才滿足寬轉速范圍的各項輸出特性，仿真結果符合實際產品測試情況。
實際測試中還對160℃環境下發電機工作穩定殼溫進行測試，測試值為103.8℃；短路工況下發電機穩定殼溫89.3℃，發電機具備良好抗短路特性。
4.結論
本文主要介紹了一種抗短路發電機的設計方案，該方案以Ansoft的仿真優化設計為指導依據，研制生產出的產品具備良好的抗短路能力和冗余能力，驗證了該設計方案的可行性和可靠性。
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