题目：航空电源交流同步发电机的场路耦合模型研究

随着我国航空航天科技的迅速发展，航空电源也在不断更新、完善。对于国内外广泛采用的恒速恒频、变速恒频交流电源，其关键环节——旋转整流器式无刷交流同步发电机的稳态和瞬态电磁特性研究，将对电源系统的优化设计、使系统获得更理想的运行特性起到至关重要的作用。然而，目前该系统优化设计所涉及的有关技术问题，如：主发电机阻尼绕组的参数优化设计、旋转电枢式交流励磁机的瞬态电感计算、以及受谐波电枢反应、饱和、涡流等因素影响时主发电机和交流励磁机的短路故障仿真、短路故障时电磁力和电磁转矩的分析等方面，还有待进一步提高和完善。为此，本文针对上述这些问题深入展开了研究，主要工作如下：（1）针对阻尼绕组感应电流对同步发电机谐波电势的影响问题，利用场路耦合法建立了同步发电机的瞬态系统方程组，该方程组将励磁、电枢和阻尼绕组的等效电路方程与同步发电机的磁场偏微分方程直接耦合，能方便地得到阻尼绕组的参数改变对同步发电机谐波电势的影响。利用该方法在瞬态二维场下仿真计算了某型航空电源主发电机阻尼绕组参数改变时的空间磁密、基波和各次谐波的磁链波谱图。仿真结果表明电导率高的铜材料对空载谐波抑制作用强，阻尼绕组间距角在 电角度附近对三次谐波的抑制作用强。该方法避免了传统解析法计算阻尼绕组空间谐波磁场相对困难的不足，为工程实际中阻尼绕组的优化设计提供了简便、精确的仿真手段。（2）传统状态空间方程法无法精确计算旋转电枢式交流励磁机电感的时变性以及磁路饱和的影响，而直接采用二维场路耦合模型对长细比较小的发电机并不完全适用。针对该类电机的结构特点，对其端部电感和瞬态电感的计算问题，提出包含端部三维和轴长二维组合磁场的场路耦合法。该方法一方面推导了六节点五面体有限元剖分单元在三维局部坐标系下的绕组磁链计算公式，用来研究考虑和不考虑端部磁场情况下，电机长细比对电枢绕组电感误差的影响；另一方面将端部绕组漏感计入二维电枢绕组的场路耦合模型中，选取能量泛函为目标函数，利用旋转约束和值约束建立参数化模型。利用该方法对某型交流励磁机进行了实例仿真，通过与实测值对比验证了此方法的正确性。此方法比状态空间方程法和二维场路耦合法计算精度高，比三维场路耦合法计算简便，耗时大大减少，提高了工程实际对长细比较小的交流励磁机的建模和接整流器负载的运行特性分析能力。（3）针对同步发电机短路故障的建模问题，建立了同时包含实体绕组和绕线绕组的统一场路耦合有限元模型。该模型考虑了励磁、阻尼绕组的短路涡流因素影响。利用该模型对主发电机和交流励磁机进行了三种典型短路故障仿真，分别得到实体绕组（励磁、阻尼绕组）和绕线绕组（电枢绕组）的瞬态磁链、感应电流和电势波形。仿真结果证明了该方法优于坐标变换法，且不受具体短路形式的限制，通用性强；又克服了经典解析法公式冗长、不能考虑涡流影响、误差较大等弊端，提高了短路故障的求解精度；而且该方法不受转速限制，其可移植性强。所以，该方法对研究变速恒频电源或变频电源中发电机各类短路故障的瞬态特性有很好的借鉴作用。（4）针对发电机故障运行时电磁力和电磁转矩的计算问题，分析了目前各种电磁力计算方法的优缺点，选择节点力法作为短路故障的电磁力分析方法，并对刚性物体简化了节点力法和二维电磁转矩计算公式。利用上述公式计算了某型航空电源中主发电机和交流励磁机短路故障时的电磁力和电磁转矩。结果表明该方法可以定量地研究短路形式和转子空间位置对同步发电机电磁力和电磁转矩的影响，对发电机的结构设计和保护方案的制定提供了较为确凿的科学依据，同时该方法也为研究其它类型航空电源的短路故障对发电机的破坏程度提供了参照的蓝本。