航空油冷发电机过热故障机理与热脱扣保护系统优化及热管理原理

航空油冷发电机作为现代航空电力系统的核心部件，其可靠性直接关系到飞行安全。近年来，随着航空装备向高性能、高功率密度方向发展，发电机的热管理问题日益凸显。某型飞机进行供电系统与雷达机上地面交联试验过程中，其研发电机（设计服役温度不大于200℃）发生了过热故障，两台发电机的过热保护功能均失效，其热脱扣装置未及时脱扣，导致发电机接线板处绝缘衬套熔化，发电机内部高温油气喷出。

过热保护功能失效是航空发电机领域最为严重的安全隐患之一。目前，发电机热脱扣装置选用的低熔点合金主要有Zn-Al系、Zn-Cd系和Sn-Zn系三种。其中，锡锌（Sn-Zn）合金因其熔点低且具有良好的导电性和力学性能等优点，成为低熔点合金的首选材料。然而，由于Zn的高活性，Sn-Zn体系中的Zn很容易被氧化形成某些腐蚀产物（如锌氧化物/氢氧化物和ZnCl2）导致合金性能降低。

油冷结构与风冷、水冷结构相比，具有重量轻、运动黏度大、散热效率高等优点。设计电机冷却结构的前提是计算电机热场，进而正确分析电机的温度分布，优化材料选择。由于发电机结构的复杂性，实现其内部温度的测量比较困难。随着计算机运算能力的提高，数值计算可作为一种非常有效的前期研制手段预测发电机工作时的流场、温度场和磁场等参数。

本文将针对航空油冷发电机过热保护设计展开系统研究，通过温度场模拟分析、故障机理研究以及优化设计验证，提出一套完整的过热保护解决方案，为航空发电机的安全运行提供技术保障。

一、航空油冷发电机结构及冷却原理

1.1 发电机整体结构

航空油冷交流发电机是一种专门针对航空环境设计的高功率密度电机，其结构紧凑，散热要求高。该发电机自带滑油冷却系统，为电机的绕组、轴承等发热部件提供冷却保护。发电机的核心部件包括主发定子、转子、励磁机、永磁机以及冷却系统组件。

主发定子壳体采用镁合金材料，具有密度低（1.770g/cm³）、比热容大（963J/(kg·℃)）和导热系数高（113W/(m·℃)）的特点，既能满足轻量化要求，又能有效传导热量。主发定子铁芯采用钴钢带，主发定子绕组采用聚酰亚胺漆包铜扁线，具有良好的导热性（380W/(m·℃)）和耐高温特性。

1.2 油路冷却系统原理

航空油冷交流发电机的油路系统是一个封闭的循环系统，该冷却系统由泵组件、油箱及相关冷却油路等部件组成，其工作流程如下：

首先，注油泵抽取油箱中的滑油到电机壳体循环油路中，对主发定子进行冷却；然后，滑油经定子循环后，进入高速旋转的空心轴内，对旋转整流器进行冷却；而后通过喷嘴喷出，对电机内腔中的各发热部件进行冷却；最后，滑油落入电机壳体底部的回油槽中，被两个回油泵抽出进入外散热管路，经外部散热器冷却后再进入电机油箱中。

1.3 过热保护机制

航空油冷发电机设有热脱扣保护装置，其主要作用是当滑油温度超过设定阈值时，自动脱开发电机与前端传动装置（机匣）的机械连接，使发电机停止工作，防止因过热造成更严重的损坏。

热脱扣保护装置采用低熔点合金作为温度敏感元件，当油温升高到合金熔点时，合金熔化，触发机械机构断开连接。核查发生故障的发电机热脱扣动作温度指标超过197℃时，输入轴热脱扣。该指标是参照某俄制油冷发电机制定的，在实际设计生产中热脱扣保护装置中采用了低熔点合金进行温度敏感保护，实测低熔点合金温度值为202.8℃。

二、过热保护温度场模拟分析

2.1湍流模型选择

航空油冷发电机运行工况复杂，内部冷却系统包含多种冷却形式。针对发电机内部高速旋转流场特性，选用有旋均匀剪切流、自由流、腔道流动和边界层流动适应性更好的Realizable k-ε模型进行分析。

Realizable k-ε模型对复杂流动的模拟有较好的效果，包括有旋均匀剪切流、自由流（射流和混合层），腔道流动和边界层流动。该模型能够更准确地预测发电机内部流体在高速旋转状态下的流动特性和换热过程。

2.2 几何模型与网格划分

数值计算采用Ansys Fluent软件，仿真分析包含三个基本环节：前处理、计算求解和后处理。考虑到计算资源和计算精度的平衡，对实际发电机模型进行了合理简化。

发电机励磁机、永磁机发热小，仅约为主发电机发热的5%，且励磁机与永磁机安装位置与低熔点合金位置相隔较远；端盖、油箱等为不发热结构件，对电机热场分布影响不大。因此仅截取主发电机模型进行分析，以主发电机定、转子，壳体循环油路为主要研究对象，对壳体进行简化，仅保留循环油路；对绕组进行简化，将绕组绝缘等均简化为形状相似的一体化复合材料，根据绝缘及铜占比设置符合材料热传导属性。

2.3 边界条件与材料参数

根据试验测量进出口油温数据，设定仿真边界条件，并通过铂电阻测量电机壳体各处温度，对仿真结果进行验证。仿真过程中，采用流体域旋转、流固耦合壁面相对于流体域静止来模拟电机腔内的流动特征。

三、热场仿真与故障分析

3.1 温度场分布特性

通过仿真分析，获得了发电机在正常工况和故障工况下的温度场分布。在正常工况下，电机定、转子结合部位及绕组温度较高，低熔点合金总体温度较低，接近进口油温。低熔点合金各部分存在明显温度梯度。

3.2 过热故障机理分析

当发电机内部出现滑油过热问题时，热脱扣保护装置未做出保护动作，而在发电机接线柱处的绝缘衬套处发生喷油故障，说明发电机接线柱绝缘衬套高温损毁的温度与热脱扣保护装置动作温度不协调，破坏先于保护发生。

通过故障模拟分析发现，当电机出口油温达到260℃时，绝缘衬套开始软化，导致电机腔体内发生漏油。而此时热脱扣保护装置中的低熔点合金尚未达到熔点（202.8℃），这是由于热传导路径和热容量差异导致的。低熔点合金安装在相对较冷区域，而绝缘衬套直接接触高温滑油，导致其先于保护装置损坏。

3.3 电机进出口油温变化分析

对发电机工作过程中的进出口油温进行监测和分析，是了解其热特性的重要手段。在故障发生时，电机进出口油温变化曲线显示出异常波动。在165s时，电机热场分布出现明显不均匀性，高温区域主要集中在定子绕组端部和转子导条连接处。

在165s时电机热场分析中，发现定子绕组最高温度达到285℃，转子导条温度达到263℃，均已超过材料允许的长期工作温度。此时低熔点合金热场显示其平均温度仅为185℃，尚未达到脱扣温度。

3.4 极限高油温热场分析

在极限高油温条件下（油温超过300℃），电机热场分布发生显著变化。电机热场分布显示，高温区域已扩散到整个定子绕组和大部分转子结构。绝缘材料温度普遍超过300℃，导致绝缘性能急剧下降。

低熔点合金热场分布在极限条件下显示，其温度虽然有所上升（达到210℃左右），但上升速度远低于绝缘衬套区域的温度上升速度。这种热响应滞后是导致过热保护失效的主要原因。

四、过热保护优化设计与验证

4.1 低熔点合金材料优化

针对热脱扣保护装置与绝缘衬套之间的热响应不匹配问题，从材料角度进行了优化设计。通过对Sn-Zn-Bi低熔点合金微观组织分析，发现合适的Bi含量可以显著提高合金的润湿性并进一步降低熔点。

在Sn-Zn共晶合金中加入Bi元素，形成Sn-Zn-Bi三元合金，可以调节其熔点至更合适的范围。同时，通过添加微量稀土元素，改善合金的抗氧化性能，提高其在高温环境下的稳定性。优化后的低熔点合金熔点调整为195±3℃，既避免了误动作，又能及时响应真实过热情况。

4.2 绝缘衬套材料升级

针对原绝缘衬套在260℃软化的问题，选用耐高温复合材料替代原有材料，将软化温度提高至350℃以上。新材料的选用基于以下考虑：高导热系数，利于热量散发；良好的绝缘性能，确保电气安全；与滑油的相容性，避免材料老化。

4.3 热脱扣装置位置优化

除了材料优化外，还对热脱扣装置的安装位置进行了调整。通过热场分析确定发电机内部温度响应最敏感的区域，将热脱扣装置移至更接近热源的位置，缩短热传导路径，提高响应速度。

同时，考虑采用双热敏元件设计，分别在油路出口处和绕组附近布置温度传感元件，实现多点位过热监测，避免单一监测点失效导致的保护失灵。

4.4 试验验证

优化后的过热保护方案通过了全面试验验证，包括台架试验、环境适应性试验和耐久性试验。台架试验结果显示，在模拟过热条件下，新的热脱扣装置能够在绝缘衬套软化前及时动作，断开发电机与传动机构的连接。

试飞验证结果表明，优化后的发电机过热保护系统在各种飞行工况下均能可靠工作，未再出现过热保护失效情况。电机出口油温在正常范围内波动，绝缘衬套不再出现软化现象，证明了优化方案的有效性。

五、结论

本文针对航空油冷发电机过热保护设计进行了深入研究，通过温度场模拟和故障分析，找出了过热保护失效的根本原因，并提出了有效的优化措施。主要结论如下：

航空油冷发电机的热场分布不均匀，定子绕组和转子导条是主要发热部位，而热脱扣装置安装部位温度相对较低，这种热场不均匀性是导致过热保护失效的主要原因。

通过CFD仿真可以准确预测发电机内部温度场分布，仿真结果与实测数据吻合良好，为过热保护设计优化提供了可靠工具。

原设计中的绝缘衬套耐温性能不足（260℃软化），而热脱扣装置响应温度偏高（202.8℃动作），导致在过热情况下绝缘衬套先于热脱扣动作而损坏。

通过优化低熔点合金成分、提高绝缘衬套耐温等级（至350℃）以及调整热脱扣装置位置，可以显著提高发电机过热保护的可靠性。

试验和试飞验证表明，优化后的过热保护系统能够在各种工况下可靠工作，有效防止发电机过热损坏。

本研究为航空油冷发电机的过热保护设计提供了系统的解决方案，对提高航空电气系统的可靠性具有重要指导意义。未来的研究可以进一步关注多物理场耦合分析、智能热保护策略等方向，不断提升航空发电系统的安全性与可靠性。

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