飞机直流电源调压器

第三章飞机直流电源3.1 概述低压直流电源是飞机上较早使用的一种电源，具有结构简单、使用维护方法成熟、有起动发电双功能等特点，因此现在仍得到广泛应用。

电源调节点额定电压为28.5V，汇流条电压为27.5V，蓄电池额定电压在24V左右，视所用电池类型而变化。

高压直流电源是70年代发展起来的新型电源，汇流条额定电压为270V，此值和115/220V 三相交流电经桥式整流后的电压相同，这样高压直流电源可和115/220V三相交流电源相容。

高压直流电源的主电源是发动机直接传动的无刷直流发电机，辅助电源是辅助动力装置传动的直流发电机，应急电源为蓄电池或应急发电机。

3.2 飞机直流发电机3.2.1飞机直流发电机的特点飞机低压直流发电机的标称电压为30V，额定电流有100，200、300、400和600A多种，相应的额定容量为3、6、9、12和18kW。

6kW及其以上者有直流发电机与直流起动发电机两种，国产的型号为ZF和QF。

飞机直流发电机的传动端为法兰盘结构，通过凸缘定位与航空发动机附件机匣连接，这种结构便于装拆，减小需用空间。

非传动端端盖由铝合金铸成，以减小重量，它的轴承室压有钢衬套，以免端盖和转轴材料不同引起热膨胀系数不同，使轴承受到挤压而降低寿命。

为减小发电机扭转振动引起的疲劳和破坏，飞机直流发电机常用复合轴，电枢铁芯和换向器压装在空心轴上，它承受重力、单向磁拉力，并传递扭矩。

空心轴内的软轴由强度高、弹性好的弹簧钢制成，用于传递扭矩和吸收扭转振动能量。

提高发电机最低工作转速是减轻电机重量的有效方法，现用飞机直流发电机的最低工作转速在3800r/min以上，有的达5500r/min。

提高电磁负荷是减轻电机重量的另一有效方法。

飞机直流发电机的气隙磁感应强度达0.7T（特斯拉），线负荷在300A/cm以上，电枢绕组电流密度达20A/mm2，电刷电流密度约30A/cm2。

电枢的铁芯用损耗小、导磁好的硅钢片叠成，并经真空退火或氢气退火处理，以提高磁性能。

采用单面漆或氧化膜等绝缘工艺，减小涡流损耗。

采用绝缘性能好、强度高和导热性好的薄质绝缘材料，提高绝缘等级。

改善电机换向，减少电刷火花是飞机直流发电机可靠工作的重要条件。

飞机直流发电机电磁负荷高、转速高，又必须在高空大气稀薄条件下工作，换向条件较差，因此必须采取改善换向的措施。

主要措施有：①采用反作用刷架使电刷所受摩擦力与弹簧切向力达到平衡，以便让电刷在刷盒内自由转动，改善电刷和换向器间的接触。

②增加电刷压力也是使电刷与换向器间有良好接触的方法，一般压力为500～600g/cm2，有的达750～900g/cm2。

③采用复合电刷，增加换向回路电阻。

电刷内加入铅或二氧化锰等物质，减少高空因氧气和水蒸气少而引起的电刷急剧磨损。

大多数飞机直流发电机有附加极，有的甚至有补偿绕组，有的用半数附加极以减轻重量。

飞机直流发电机大都采用迎面气流冷却，它也带有风扇，以便在地面时冷却用。

表3–1出了几种国产飞机直流发电机的重量功率比。

随电机容量的增大，重量功率比减小。

表3－1飞机直流发电机的重量功率比3.2.2 飞机直流发电机的工作特性由航空发动机传动的飞机直流发电机在宽广的转速范围内工作，一般用最低，中等和最高三个典型转速下的特性来描述电机。

图3–1是18kW并励飞机直流发电机的空载特性，外特性、调节特性和有电压调节器时的外特性曲线。

由空载特性可见，低转速时电机主磁路较饱和，高转速时则不饱和。

某些有半数附加极的飞机发电机在低转速时满足直线换向条件，转速升高后，主磁路不饱和了，在同样附加极的磁势作用下，极下磁通增大，导致超越换向，而超越换向元件的电枢反应有增磁作用，使调节特性在轻载时下凹，会使电压调节器工作不稳定，故应限制下凹量。

没有电压调节器的发电机可能输出的最大电流叫临界电流。

带电压调节器的发电机可能输出的最大电流称极限电流。

这两个电流决定了电机的过载能力，由图3—1(b)和(d)可见，电机转速高，电气过载能力强。

过载能力还受电刷位置和换向情况的影响。

电刷不在几何中心线，有直轴电枢反应，去磁反应使过载能力减小，增磁反应则增大。

临界电流还受换向好坏和电机工作温度的影响。

有的飞机直流起动发电机有补偿绕组，它使电机结构复杂了，成本提高。

但补偿了电枢反应，减小了负载时电机气隙磁场的畸变，气隙也可小些，从而减小了励磁功率。

并使发电机有足够的饱和度，减弱了换向元件电枢反应，改善了电机换向，增加了电机过载能力。

图3－1飞机直流发电机（18kw）的特性（a）空载特性; （b）外特性; （c）调节特性; （d）有调压器的外特性3.2.3 飞机直流发电机的种类不用电刷和换向器是简化电机结构，提高电机高空性和可靠性的重要条件。

飞机无刷直流发电机有电磁式和永磁式两种。

1.永磁式无刷直流发电机永磁无刷直流发电机是永磁交流发电机和可控整流电路的组合，图3–2是它的一种主电路方案，整流桥由晶闸管构成。

发电机的转子部分为永磁材料，定子部分包括电枢绕组、三相晶闸管整流桥、平衡电抗器和滤波电容。

电枢采用双Y绕组，两套整流电路，这样可减少发电机输出直流电压的脉动，减轻滤波电路体积和重量。

飞机永磁发电机采用稀土永磁材料，有三种典型永磁转子结构：轴向、横向和径向。

飞机永磁发电机多数用横向结构，也有用径向结构的。

见图3–3，横向结构磁钢转子外的保护环有两种形式，一种是由导磁与非导磁材料间隔构成的保护环，另一种全由非导磁材料构成。

横向结构有磁通密集作用，电机气隙磁感应可大于磁钢内磁感应，但漏磁较大。

用导磁和非导磁两种材料构成的转子保护套，会使电机漏磁更大一些，但气隙可较小。

稀土永磁发电机的外特性比电磁式电机平坦，电压变化率小，短路电流与额定电流的比值大。

图3—4是800Hz75kVA 永磁发电机的外特性曲线，额定电压400V ，额定电流108A ，短路电流900A 。

稀土永磁导磁系数与空气相近，故电枢反应小。

径向式电机交直轴电枢反应差不多，横向的直轴电枢反应小，因而外特性平坦。

永磁电机不能用灭磁的方法实现电机内部短路保护。

通常用脱扣机构在内部短路时将发 电机与原动机脱开。

为使无刷直流发电机输出电压不因转速和负载变化而变化，减少输出电压纹波，减少突加突卸负载时电压变化量和缩短电压恢复时间，晶闸管型无刷直流发电机常用六相双星方案。

发电机有两套三相绕组。

两者在空间差30º电角，两三相整流桥的触发信号也互差30º电角，以减少输出电压脉动。

若电机在—最低工作转速满载时运行的移相角近于零度，发动机的的最高和最低工作转速之比为2，则最高工作转速时移相角约60º，此时三相桥式整流电路输出图3－2永磁无刷直流发电机主电路 1－发电机永磁转子；2－双Y 电枢绕组；3晶闸管整流桥；4－平衡电抗器；5－滤波电容器3-3电压脉动相当大，见图3–5(a)或(b)。

图3–5(c)是采用双星整流电路时的输出电压脉动，其幅值显著减小，频率则增加一倍，从而可减小输出滤波器的体积。

图3－4 稀土永磁发电机的外特性图3－5 α＝60º的直流输出电压波（滤波前）75kV A 400V 108A 800Hz （a）第一套三相整流输出电压；（b）第二套三相整流系统输出电压；（c）六相双星整流输出电压无刷发电机电枢电流为非正弦波，故除有基波分量外，还有高次谐波分量。

基波电流除形成电枢基波空间磁场外，还形成6K±1次空间谐波磁场，其中K=1，2，…。

六相双星整流系统的第一套三相绕组产生的5、7、17等次空间谐波磁场与第二套的相应次空间磁场正好大小相等相位相反，互相抵消，剩下的11和13次空间谐波磁场可用绕组短矩来削弱。

因此六相系统基波电流形成的电枢空间磁场接近于正弦波。

三相整流系统中的6K±1(K=1，2，3…)次谐波电枢电流也形成电枢空间基波和谐波磁场。

其中以5和7次谐波电流建立的基波空间磁场最强，前者以5倍同步速逆转子旋转方向运动，后者以7倍同步速顺转子转向旋转，从而在磁极表面感应出6倍基波频率的电流，加大转子损耗。

六相双星系统可以消除这6次磁场，使电枢磁场接近正弦，减小电机损耗。

2.电磁式无刷直流发电机电磁式无刷直流发电机的一种方案是由电磁式无刷交流同步发电机和二极管整流桥构成。

电磁式无刷交流发电机有永磁副励磁机、交流励磁机、旋转整流器和主发电机构成。

图3–6是电磁式无刷直流发电机的内部电路图。

交流励磁机的电枢在转子上，产生的三相交流电经旋转整流器整流后供给主发电机的励磁绕组，从而避免了电刷和滑环。

电磁式无刷直流发电机输出电压通过调节励磁机励磁绕组的电流来实现。

采用六相双星绕组，也可减小输出电压脉动和降低电机损耗。

旋转整流器式无刷直流发电机结构较复杂，可采用单级式无刷电机方案。

1 2 3 4 5图3－6 电磁式无刷直流发电机图3－7用迎面气流冷却的发电机示意图1－副励磁电机；2－励磁机；3－旋转整流器；4－主发电机;5－输出整流滤波电路3.3.4 飞机直流发电机的冷却低压直流发电机内冷式强迫吹风冷却，飞机飞行时将迎面气流自飞机前方开口处引入进风管，进到电机内部，见图3－7。

也可自发动机压气机引出增压后空气到电机内，见图3–8。

从进风管进入的空气先冷却换向器和电刷，其中一小部分空气从电刷保护带与端盖处的缝隙流出，大部分进入电枢内通风道和气隙，带走电枢和励磁线圈的热量，然后自传动端排出，见图3–9。

图3－8 抽取压缩机压缩空气冷却发动机发电机所需冷却空气流量由发动机的损耗、允许工作温度、导热性、电机内空气分配合理性、冷却空气的温度和密度等确定。

发电机额定功率相同，损耗大效率低的需要冷却的空气量大。

电机内部空气分布合理，发热均匀，则流量可小些。

电机各部分导热性好，热量易传出，绝缘材料允许工作温度高，则冷却空气流量也可较小。

图3－9 飞机直流发电机的内部风路图图3－10风冷发动机的高度和速度特性电机实际通风量由进风口和出风口压力差、管路风阻、电机内部风阻和冷却空气密度等决定，它们又和飞行速度及高度有关。

飞机停于地面或飞行速度低时，进气压力低，通风量不足。

此时靠电机内装风扇鼓风散热，但散热效果较差。

飞行速度较高时，进入发电机的冷却空气温度急剧升高，使长期超音速飞行的发电机不能采用迎面气流冷却。

所以迎面气流冷却的发电机只能在一定的高度与速度范围内才能输出额定功率，如图3—10所示。

超出该范围后，电机输出功率必须降低。

表3—2列出了部分国产飞机直流发电机的基本技术数据。

表3－2 飞机直流发电机额定容量与过载能力3.3 直流发电机的电压调节3.3.1电压调节及其技术发展飞机直流发电机工作转速范围宽，为了使输出电压保持在技术要求规定的范围内，必须设置电压调节器，通过改变发电机的励磁电流来调节输出电压。