航空变频交流真空灭弧室的设计研究

随着航空电气负载的增长,传统恒压恒频电源已难以满足需求,变频电源正成为现代飞机电气系统的发展方向。变频条件下真空灭弧技术面临三方面的挑战:一是开断难度的增加,二是通流能力下降,三是小体积、轻量化的设计限制。通过两个关键技术:小体积下的开断能力提升技术,轻量化结构下的通流能力设计方法,提出适应航空变频条件的变频灭弧室设计方案。分析变频条件下影响电流开断能力的触头因素,设计灭弧室小体积触头结构。提出一体式外置主屏蔽罩结构方案,为增加触头直径提升开断能力提供保障。提出趋肤效应下的导体结构轻量化方法,采用外置屏蔽罩增加散热能力,研制出了航空变频交流真空灭弧室。基于设计的三相接触器样机搭建了符合航空变频条件的实验环境,对灭弧室的开断能力、绝缘性能与温升情况进行了实验研究。结果表明:设计的灭弧室能够在360~800 Hz频率范围内有效开断过载电流1.68 kA,样机成功开断50次三相过载电流1.1 kA。开断前后三相主回路接触压降稳定,最高仅为83.49 mV,所有接触压降均低于设计值100 mV。整机重量仅为975 g,满足设计要求的同时具备更高开断能力。研究为航空变频电源系统的发展提供了实验数据支持,对推进航空电器领域真空开断技术应用具有重要意义。

航空变频异步电动机机械装置的设计应力分析

在电动机的机械轴和传动装置的设计中,机械强度与应力的分析一般是以电动机运行中的峰值转矩作为依据。传统的异步电动机运行中,峰值转矩通常就是最大转矩,可以将额定电源下的临界转矩作为机械设计的依据。由115 V/360～800 Hz的航空变频电源直接供电的异步电动机,电源频率的变化导致其转矩特性发生改变,即电动机起动过程中的临界转矩和转矩脉动发生变化。另一方面,变频异步电动机的设计往往对高频(800 Hz)时的转矩具有指标要求,为满足这些指标,异步电动机的转矩特性再次发生变化。本文针对航空变频异步电动机的转矩指标要求,设计了三种能够满足不同应用的异步电动机并进行了仿真。通过仿真数据分析了临界转矩和起动过程中的脉动转矩的变化趋势,为航空变频异步电动机的机械强度设计提供参考。

考虑电磁热耦合的航空变频交流真空接触器热特性研究

本文对航空变频交流真空接触器的温度场进行了电磁热耦合仿真与实验分析。在对热源进行计算时,着重分析中频360~800 Hz下集肤效应和邻近效应对接触器导电回路损耗的影响,并考虑温度与导体材料电阻率的变化关系,进行接触电阻的等效分析。在散热方面计算了接触器各表面的对流散热系数,同时考虑材料辐射系数的辐射散热作用和外接铜导线的传导散热作用。利用该模型进一步研究电流频率和高空环境对接触器温度场分布的影响,并且分析线圈线径对温升的作用,获得了航空接触器温升特性。搭建了真空接触器通流发热测试平台,利用实验数据验证了仿真结果,为真空接触器的设计优化提供了理论依据。

金属液滴蒸发导致航空变频真空电弧弧后击穿的研究

为进一步掌握航空变频真空电弧的弧后击穿机理,进行了实验与仿真研究。结果表明:中频真空电弧弧后击穿过程中灭弧室内存在大量的金属液滴,成为移动的金属蒸气来源。金属液滴的寿命为1.6~2.8 ms,尤其在蒸发前100μs,金属蒸气对弧后介质的恢复产生影响,确定金属液滴寿命的因素有液滴半径、喷射运动速度和灭弧室尺寸。金属蒸气分布以液滴为中心向外递减,80%以上在10倍半径以内。弧后的金属蒸气降低了介质恢复强度,当加在触头上恢复电压大于临界值时将发生弧后击穿。

航空变频电源下笼型感应电机矩形转子槽结构优化分析

当前大功率的航空发电机开始采用360～800Hz的变频输出方式,在航空变频电源的直接供电下,感应电机的性能受到频率变化最大的影响是在高频时起动转矩太低。针对笼型感应电机,采用解析计算的方法对矩形转子槽尺寸进行优化,在不改变稳态性能的条件下获得最大起动转矩。深槽尺寸的变化将影响集肤效应系数和槽漏感2个方面,二者对起动转矩的作用相反。通过综合2个方面的因素,建立起包含槽型尺寸和频率的动态转子参数模型,并采用该动态转子参数对传统的转矩公式进行调整,进而获得关于转子槽尺寸的起动力矩解析式,同时基于该解析式实现对起动力矩的优化。采用该解析方法对7.5kW感应电机进行深槽转子优化,并对航空变频电源驱动时的起动特性进行了仿真和样机实验,验证了该方法在矩形转子槽优化设计中的有效性。

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。

平板触头小开距中频真空电弧特性研究

为验证小开距平板真空触头在航空变频(360~800Hz)电力系统中作为保护电器应用的可行性,该文选择触头直径为20mm、触头材料为Cu-W-WC合金的真空灭弧室,在3mm开距条件下进行电弧特性实验,并基于磁流体理论,建立中频真空电弧的多物理场耦合仿真模型。研究结果表明:平板触头内的小开距中频真空电弧,燃弧能量低、对触头表面烧蚀轻,开断失败时未形成阳极斑点;大电流模式下,电流的自身磁场可使对称的柱状电弧合并,峰值时形成扩散态中频真空电弧;在360~800Hz范围内,随电流频率增加,小开距平板触头的开断能力略有下降,开断能力大于12.4kA,满足航空变频电力系统的保护需求。

异步电机磁路饱和仿真研究

在航空变频电源供电下,航空异步电动机在额定状态时或低频供电时存在磁路饱和的现象,一定程度的饱和有利于提高电磁转矩,但是过度饱和将导致电机定子电流出现畸变及谐波,异步电机生成的谐波电流将对飞机供电系统的电能质量产生不利影响。采用一台在115 V/600 Hz电源供电下的鼠笼式异步电机模型进行有限元仿真,分别计算齿部、轭部以及气隙磁密增大情况所产生的电流饱和谐波,分析饱和时的气隙磁密、齿部及轭部磁密,采用傅里叶变换计算饱和电流谐波,从而建立电流谐波分量与不同饱和情况的关系,通过比较三种饱和情况生成的电流谐波分量,提出抑制高次电流谐波的设计思路。