一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法与流程

1.本发明涉及一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法。


背景技术：

2.当今国际形势异常严峻、动荡不安，国防武器的可靠性不仅在很大程度上决定了战争的胜负，也是人民安全感的主要保障来源。无论是航空飞机还是高超声速武器，其主要动力来源都是燃气涡轮发动机，而涡轮发动机在每次点火起动过程中都需要起动电机带动至点火转速，同时对起动时间有严格要求。传统燃气涡轮apu和压缩空气起动机起动过程不可控、起动效率低、结构庞大复杂，可靠性更是难以保障，易导致发动机在关键时刻点火起动失败，造成难以挽回的后果。随着涡轮发动机进行下一代多电/全电升级，起动电机作为一种高效、可靠的发动机点火起动辅助动力装置，逐渐成为国际先进涡轮发动机必不可少的关键设备，符合下一代先进飞行器电气化的主流发展趋势。而目前已有的航空起动电机存在以下问题：
3.1)脱离负载特性独立设计，起动效率/利用率低
4.现有起动电机设计处于起步阶段，没有规范性文件指导，一般按额定工作点(一个转速-转矩点)独立设计，无法与发动机涡轮实现性能匹配，其最佳工作点为额定转速，而涡轮发动机的点火起动过程中的转速和负载不断变化，起动电机设计的最佳工作点往往偏离点火转速，导致起动电机起动效率和性能利用率低，常常占用较多体积和重量来保证起动效果。
5.2)起动时间无法预测，起动成功率低
6.现有起动电机设计模式难以计算带转发动机后的起动时间，而涡轮发动机的点火起动过程是一个复杂的非线性过程，发动机起动过程中起动电机转速不断增加，涡轮负载不断变化，由于蓄电池电压一定，因此起动过程中电机输出转矩不断下降，在发动机点火关键时刻往往由于转速不足而导致起动失败。
7.3)起动全过程性能数据难以计算，无法获取优化目标
8.由于实际起动工作时，起动电机带动大惯量的发动机涡轮加速时转速上升较慢，而涡轮负载也不断变化，因此起动过程中起动电机的电流、输出转矩等数据绝大程度上由发动机涡轮负载和当前转速决定，而传统设计模式只能考虑起动电机独立工作时的额定点性能，无法获取整个起动过程的性能数据，缺少优化目标和针对性优化方法。
9.如何实现起动电机与发动机涡轮负载特性匹配设计，使起动电机体积重量最佳，同时预测起动全过程中的性能参数曲线获取优化目标，并通过对控制策略和电机结构尺寸调整实现优化，提高点火起动成功率，则还是目前行业中面临的一个技术难题。


技术实现要素：

10.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，该基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法能够实现在满足母线电流不超过
限制的情况下，使起动电机设计方案体积重量最优，起动时间、全过程性能曲线可预测，起动可靠性提高。
11.本发明通过以下技术方案得以实现。
12.本发明提供的一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，包括如下步骤：
13.①
初步建模：根据发动机电气系统参数要求建立无刷直流电机初步模型；
14.②
确定空载工况：根据额定电压值，采用电磁有限元场路耦合法分析电机空载工况；
15.③
力矩系数调整最优：判断空载转速n0与发动机点火起动过程中起动电机最大脱开转速n
t
的比值，该比值小于预设低值或大于预设高值则通过尝试改变参数后返回至步骤
②
，该比值在预设低值和预设高值之间则进入步骤
④
；改变参数为更改导磁材料和/或调整主要电磁参数；
16.④
负载转矩时间关系设定：计算相电流限幅值，并拟合计算发动机涡轮负载数据和转速关系参数，由此计算发动机涡轮负载转矩，获取发动机涡轮负载转矩随转速变化特性；
17.⑤
起动性能计算：利用有限元仿真计算起动性能参数并校验，得到确定的主要电磁参数和相电流限幅值。
18.所述调整主要电磁参数为，减少槽数、减小极数、减小线圈匝数、减小电枢直径、增大气隙、减短电枢长度中至少一种方式。
19.所述步骤
⑤
中，起动性能参数包含发动机涡轮转速值、电机母线电流值、涡轮负载值、电机输出电磁转矩值。
20.所述步骤
④
中，计算相电流限幅值，通过计算电机热负荷小于960a2mm3时输出转矩最高的相电流限幅值得到。
21.所述步骤
④
中，拟合计算采用多项式拟合的方式。
22.所述发动机涡轮转速值采用发动机涡轮的机械角加速度对时间的积分进行计算。
23.所述电机母线电流值采用如下公式等效计算：
[0024][0025]
其中，u为机舱蓄电池额定电压，r
dc
为电缆电阻，r1和l1分别为电机相电阻和相电感，fk为功率管开关频率，p为电机极对数，ψm为电机相绕组磁链。
[0026]
所述多项式拟合采用插值法使曲线平滑后拟合，拟合阶为三阶以上。
[0027]
所述预设低值为1.05，预设高值为1.10。
[0028]
本发明的有益效果在于：能够在初步采用场路结合初步设计永磁同步电机的基础上，分析影响起动性能的关键函数变量，可以在满足母线电流限制和发动机脱开转速的同时，最大化提高起动能力，并使得起动电机的体积重量最优，同时利用求解非线性方程组或软件仿真的方法可计算起动转速-时间、电磁转矩-时间，母线电压-时间、母线电流-时间等曲线，使系统全过程起动性能可预测，使整个系统起动可靠性得以有效提高。
附图说明
[0029]
图1是本发明至少一种实施方式的流程示意图；
[0030]
图2是本发明至少一种实施方式中，用于对比的方案一的起动过程性能曲线图；
[0031]
图3是本发明至少一种实施方式中，用于对比的方案二的起动过程性能曲线图；
[0032]
图4是本发明实现过程计算的仿真模型框架图；
[0033]
图5是限幅控制下方案一的三相电流曲线图；
[0034]
图6是方案一起动过程的电磁转矩-时间曲线图。
具体实施方式
[0035]
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
[0036]
实施例1
[0037]
如图1～6所示的一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，包括如下步骤：
[0038]
①
初步建模：根据发动机电气系统参数要求建立无刷直流电机初步模型；
[0039]
②
确定空载工况：根据额定电压值，采用电磁有限元场路耦合法分析电机空载工况；
[0040]
③
力矩系数调整最优：判断空载转速n0与发动机点火起动过程中起动电机最大脱开转速n
t
的比值，该比值小于预设低值或大于预设高值则通过尝试改变参数后返回至步骤
②
，该比值在预设低值和预设高值之间则进入步骤
④
；改变参数为更改导磁材料和/或调整主要电磁参数；
[0041]
④
负载转矩时间关系设定：计算相电流限幅值，并拟合计算发动机涡轮负载数据和转速关系参数，由此计算发动机涡轮负载转矩，获取发动机涡轮负载转矩随转速变化特性；
[0042]
⑤
起动性能计算：利用有限元仿真计算起动性能参数并校验，得到确定的主要电磁参数和相电流限幅值。
[0043]
实施例2
[0044]
基于实施例1，调整主要电磁参数为，减少槽数、减小极数、减小线圈匝数、减小电枢直径、增大气隙、减短电枢长度中至少一种方式。
[0045]
实施例3
[0046]
基于实施例1，步骤
⑤
中，起动性能参数包含发动机涡轮转速值、电机母线电流值、涡轮负载值、电机输出电磁转矩值。
[0047]
实施例4
[0048]
基于实施例1，步骤
④
中，计算相电流限幅值，通过计算电机热负荷小于960a2mm3时输出转矩最高的相电流限幅值得到。
[0049]
实施例5
[0050]
基于实施例1，步骤
④
中，拟合计算采用多项式拟合的方式。
[0051]
实施例6
[0052]
基于实施例3，发动机涡轮转速值采用发动机涡轮的机械角加速度对时间的积分进行计算。
[0053]
实施例7
[0054]
基于实施例3，电机母线电流值采用如下公式等效计算：
[0055][0056]
其中，u为机舱蓄电池额定电压，r
dc
为电缆电阻，r1和l1分别为电机相电阻和相电感，fk为功率管开关频率，p为电机极对数，ψm为电机相绕组磁链，je为发动机涡轮转动惯量。
[0057]
实施例8
[0058]
基于实施例5，多项式拟合采用插值法使曲线平滑后拟合，拟合阶为三阶以上。
[0059]
实施例9
[0060]
基于实施例1，预设低值为1.05，预设高值为1.10。
[0061]
实施例10
[0062]
基于上述实施例，具体采用如下步骤：
[0063]
步骤1：根据发动机电气系统对起动电机提出的具体要求，采用磁路法初步设计无刷直流电机，起动电机类型选择无刷直流电机，驱动方式选择星形三相六状态方波驱动。在gjb181b《飞机供电系统》规定的28vdc低压供电系统下，该电机类型和驱动方式下的起动电机系统对电源电压利用率最高，起动性能最佳；
[0064]
步骤2：按照机舱蓄电池的额定电压值，采用电磁有限元场路耦合法分析电机在星形三相六状态方波驱动下的空载工况(空载转速n0，空载反电势e0、相电阻r1、相电感l1、气隙磁密b
δ
等)；
[0065]
步骤3：将起动电机空载转速设计在发动机点火起动过程中最大脱开转速n
t
附件，可以提高输出性能，加快起动速度；将步骤s2中得出的空载转速n0与发动机点火起动过程中起动电机最大脱开转速n
t
进行比较，如果在额定电压下，当前电机方案的空载转速接近发动机点火起动过程中最大脱开转速n
t
的1.05倍，则跳转到步骤4，若空载转速大于1.1倍n
t
，则跳转到步骤3.1，若当前方案的空载转速n0小于n
t
，则跳转到步骤5；(此过程为保证起动电机高速段起动性能，避免成为发动机负载而影响发动机点火成功率，同时使得电机的反电势系数与力矩系数比例达到最佳)
[0066]
步骤3.1：优化导磁材料、调整主要电磁参数(通过增加槽数、增加极数、增加线圈匝数、增大电枢直径、减小气隙、增加电枢长度等方法)以增大力矩系数，提高转矩-电流比，完成方案优化后返回步骤2；
[0067]
步骤3.2：更改导磁材料、调整主要电磁参数(通过减少槽数、减小极数、减小线圈匝数、减小电枢直径、增大气隙、减短电枢长度等方法)，以降低空载反电势系数，减小绕组电感和电阻值，完成方案优化后返回步骤2；
[0068]
步骤4：起动电机采用方波进行驱动控制，为了满足母线直流电流限制要求，同时防止功率管烧毁，需要对相电流进行限制，具体调节方式为相电流滞环控制，将相电流值控制在上下限幅值之间，当相电流超过上限幅值时，通过pwm降低占空比的方法控制电压从而使相电流降回要求范围内，当相电流低于下限幅值时，通过pwm增加占空比的方法控制电压从而使相电流升回要求范围内，利用以下方法确定相电流限幅值：
[0069]
步骤4.1：根据型号手册确定功率管最大允许通过电流im，初始限幅值i
max
取环宽取0.02i
max
；按以下公式对电机热负荷进行计算：
[0070][0071]
式中：a为电机电负荷，j为电流密度，m为电机相数，n为电枢绕组总导体数，i
max
为电流限幅值，a为电机并联支路数，d
i1
为电枢内径，n
t
为并绕根数，d为导线直径。
[0072]
若热负荷大于960a2mm3则减小相电流限幅值，直至接近该值(此步骤在于最大程度提高相电流有效值，提高输出转矩)；
[0073]
步骤5：由于发动机负载转矩为非线性动态变化，利用多项式拟合方法将提供的发动机涡轮负载数据对转速进行拟合，得到发动机涡轮负载转矩为：
[0074]
t
l
(t)＝an(t)3+bn(t)2+cn(t)+t0ꢀꢀ
(2)
[0075]
其中t
l
为发动机涡轮负载转矩，a、b、c为拟合得到的每项式系数，t0为涡轮的静制动力矩。该数据可通过在发电机冷运转过程中利用转矩-转速传感器进行测量，拟合方法可以采用插值法使曲线更加平滑后进行拟合，拟合阶包括但不限于3次，拟合方法包括但不限于多项式拟合，按照实际采集的涡轮负载转矩数据进行相应拟合。
[0076]
步骤6：起动性能计算
[0077]
在两相导通星型三相六状态驱动策略下，无刷永磁起动电机输出电磁转矩t
em
大小为：
[0078][0079]
式中：t
em
为电机电磁转矩，k
av
为斩波系数，p为电机极对数，ψm为电机相绕组磁链，i(t)为随时间变化的相电流。
[0080]
采用pwm限相电流幅值控制策略时，由于开关频率的影响，电机相电流波形并非标准矩形波，电机输出转矩将按斩波系数k
av
进行修正：
[0081][0082]
式中：k
av
为斩波系数，r1和l1分别为电机相电阻和相电感，fk为功率管控制开关频率。
[0083]
起动过程中的转速为发动机涡轮的机械角加速度对时间的积分：
[0084][0085]
式中：n(t)为随时间变化的电机转速，ω为电机机械角速度，k
av
为斩波系数，p为电机极对数，ψm为电机相绕组磁链，i(t)为随时变化的母线电流，t
l
(t)为随时间变化的发动机涡轮负载转矩，je为发动机涡轮转动惯量。
[0086]
起动过程中的母线电流值按以下公式等效计算：
[0087][0088]
其中u为机舱蓄电池额定电压，r
dc
为电缆电阻，r1和l1分别为电机相电阻和相电
感，fk为功率管开关频率，p为电机极对数，ψm为电机相绕组磁链，je为发动机涡轮转动惯量。
[0089]
通过联立(2)(3)(4)(5)(6)式求解非线性方程组，可计算0s至最大允许起动时间ts内各个时刻对应的发动机涡轮转速值、电机母线电流值、涡轮负载值、电机输出电磁转矩值，并描绘出动态曲线，可直接确定起动时间和母线电流峰值。
[0090]
上述起动过程可利用有限元和其他仿真程序搭建以下结构的控制电路模块进行计算，如图4所示：以twinbuilder程序为例，利用电压源模块模拟蓄电池，电阻模块模拟电缆电阻、绕组电阻，电感模块模拟电机相电感，电机模块模拟起动电机，负载转矩模块和惯量模块通过公式(2)进行函数模拟发动机涡轮负载变化，三相逆变桥模块模拟逆变器，电流表模块模拟电流传感器、滞环控制模块对相电流进行限幅控制，位置信息模块模拟转子位置传感器，换相模块实现电流随转子位置换相，通过软件模拟方式进一步将起动过程进行精细化计算，获得更加平滑的数据曲线。
[0091]
步骤7：根据上述起动过程中起动时间和母线电流峰值的计算结果，重新校验并设计部分电磁参数，即可上述结果有效辅助完成航空起动电机的设计。
[0092]
实施例11
[0093]
基于上述实施例，以某型航空发动机用wz-xx起动电机为例，母线电压为28vdc，母线电流限制为260a，要求20s内起动到9500r/min，通过重复步骤1～3反复优化电磁方案，在满足母线电流限制、脱开转速的前提下，将电机空载转速控制在电机最大脱开转速的1.1倍附近，将电机输出转矩提高到最高，得到以下如表1所示的两个满足初步要求的电磁方案：
[0094]
表1优化后的电机电磁方案
[0095][0096]
通过步骤4得到最佳相电流限幅值为372a，通过步骤5拟合得到了涡轮负载转矩函数各系数值，最后通过步骤6结合仿真程序得到计算结果，包括起动过程中的母线电流曲线、起动转速曲线、电机端电压曲线、达到点火转速的起动时间、电磁转矩曲线、相电流曲线等。
[0097]
从计算结果来看，两个方案都满足起动时间要求，但方案一起动速度更快，同时母线电流最大值准确设计在260a附近，在满足电流限制要求，最大程度提高了输出能力，因此选择方案一进行生产。
[0098]
为验证设计模型的准确性，将起动电机安装到发动机机匣，在高空试验台进行点火试验，对比数据如下表2：
[0099]
表2试验数据对比
[0100][0101]
通过试验数据对比可发现，计算误差在允许范围内，验证了设计模型的准确性，同时实现了起动全过程性能预测，大幅提高了设计可靠性。
[0102]
由此，本发明以发动机蓄电池额定电压和额定电流限制为基准，通过将空载转速设计在发动机起动过程中最大脱开转速附件，使起动电机的力矩系数和反电势系数比值达到最佳，可最大程度提高电机材料利用率，优化体积重量。同时通过对相电流限幅值对热负荷和母线电流峰值的反复迭代，确定最佳电流限幅值。最后通过对发动机负载曲线的函数拟合，结合起动过程中的关键参数变量关系，可通过求解多个时间变量非线性方程组的方式或软件模拟仿真的方法实现对起动全过程中的关键参数曲线绘制，可直观确定起动时间和性能特征。解决了起动电机带发动机涡轮负载起动时的性能无法预测、母线电流容易超差的问题，同时也保证了起动时间，提高了发动机点火成功率。