多重绕组起动发电机系统

1.本发明涉及一种多重绕组起动发电机系统，属于电机领域。


背景技术：

2.起动/发电机是航空飞行器起动/发电系统的核心。对于起动/发电机来说，电动时应满足航空发动机的起动转矩和起动功率，发电时应满足负载两端的输出功率和输出电压，同时电机还需要实现体积小、重量轻、散热好以满足全电飞机的实际载重要求和航空环境温度要求。目前根据国内外已有研究，可以用于航空起动发电系统的起动发电机主要有以下几类：有刷直流起动/发电机、三级式无刷同步起动/发电机、异步起动/发电机、开关磁阻起动/发电机和双凸极起动/发电机。而永磁同步电机凭借其高功率密度、高转矩输出、体积小、结构简单、质量轻、效率高等优势，在航空直流电源系统中具有良好的应用前景。
3.图1为采用永磁同步电机的航空起动/发电系统的结构示意图。根据电机的可逆原理，将传统飞机中发动机的起动机和发电机整合为一台电机。需要起动发动机时，起动/发电机进入电动模式，此时发动机作为负载，电机将电能转化为机械能，拖动发动机工作至某一临界转速，实现喷油点火进入自运行状态。起动阶段结束，起动/发电机被涡轮机拖动，进入发电模式，将涡轮机提供的机械能转换成电能，为飞机设备供电。
4.但是，现有的永磁同步起动发电机系统存在如下缺点：由于该电机定子上只有一套绕组，起动与稳压采用全功率的双向功率变换器，因此，当飞机发动机系统采用低压蓄电池起动，起动后给高压蓄电池充电时，无法实现绕组的最优设计，不能使系统的起动性能和发电性能同时达到最优；发动机低速时，发电机输出功率小，不能实现恒输出功率；功率变换器的容量大、控制难度大；高、低压蓄电池之间需要能量传递的dc-dc功率变换器，系统成本高、体积大。


技术实现要素：

5.针对现有起动发电机系统的起动性能和发电性能不能同时达到最优的问题，本发明提供一种多重绕组起动发电机系统。
6.本发明提供一种多重绕组起动发电机系统，包括永磁同步起动发电机、多相功率变换器、多相整流器和控制器；
7.永磁同步起动发电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组包括1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组，i≥1，n≥1；起动/磁场控制绕组引出线与多相功率变换器的交流输出端连接；i套m相发电绕组的引出线各与一个多相整流器的交流输入端连接；转子包括转子铁心和永磁体，永磁体嵌在转子铁心内；1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组的直轴电感ld与交轴电感lq之间满足：ld≥lq；
8.控制器用于接收i套m相发电绕组输出电压反馈，控制多相功率变换器输出交流电流，具体为：在起动时，控制多相功率变换器输出交流电流给n相起动/磁场控制绕组，使输出电流的直轴分量id≥0，交流电流在定子内产生旋转磁场，旋转磁场与转子永磁体磁场相
互作用，产生电磁转矩，驱动转子逐渐升高转速；
9.在发电时，发动机拖动永磁同步起动发电机的转子旋转，永磁体在i套m相发电绕组中产生励磁电动势后，根据从多相整流器获取的i套m相发电绕组输出电压反馈，在发动机的低速区，控制多相功率变换器输出交流电流的直轴分量id，使id＞0，在发动机的高速区，输出交流电流的直轴分量id，使id＜0。
10.本发明还包括一种多重绕组起动发电机系统，包括永磁同步起动发电机、多相功率变换器、多相整流器和控制器；
11.永磁同步起动发电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组包括1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组，i≥1；起动/磁场控制绕组引出线与多相功率变换器的交流输出端连接；i套m相发电绕组的引出线各与一个多相整流器的交流输入端连接；
12.转子包括转子铁心和永磁体，转子铁心为圆柱形，在转子铁心各交轴位置处，沿轴向开有永磁体嵌放孔，永磁体固定在永磁体嵌放孔内，永磁体的中心对称线位于转子的交轴上；永磁体平行充磁或径向充磁；永磁体产生的磁力线方向与交轴电流产生的磁力线方向相反；1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组的直轴电感ld与交轴电感lq之间满足：ld＞lq；永磁体磁链ψ
pm
与交轴电流iq产生的磁链l
qiq
之间满足：ψ
pm
≥l
qiq
；
13.控制器用于接收i套m相发电绕组输出电压反馈，控制多相功率变换器输出交流电流，具体为：在起动时，控制多相功率变换器输出交流电流给n相起动/磁场控制绕组，使输出电流的直轴分量id≥0，交流电流在定子内产生旋转磁场，旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子逐渐升高转速；在发电时，发动机拖动永磁同步起动发电机的转子旋转，永磁体在i套m相发电绕组中产生励磁电动势后，根据从多相整流器获取的i套m相发电绕组输出电压反馈，在发动机的低速区，控制多相功率变换器输出交流电流的直轴分量id，使id＞0，在发动机的发电最低转速区，直轴分量id最大，随着发动机转速的升高，逐渐减小直轴分量id。
14.作为优选，所述i套m相发电绕组的结构相同，每套为三相交流绕组，i＞1，各套三相交流绕组对应相之间的相位差为δ，用电角度表示应满足条件：δ＝60
°
/i；所述多相整流器为三相整流器；i套三相交流绕组的引出线各与一个三相整流器的交流输入端连接，所述三相整流器为不可控整流器，i个三相不可控整流器的直流输出端并联或串联。
15.作为优选，多相整流器直流侧电压与多相功率变换器直流侧电压等级不同。
16.作为优选，多相整流器为不可控整流器或可控整流器。
17.作为优选，当需要m相发电绕组直接输出交流电能时，m相发电绕组的引出线不接多相整流器。
18.作为优选，m相发电绕组嵌放在定子铁心槽的槽口侧。
19.作为优选，所述系统还包括转子位置传感器，用于检测转子位置发送给控制器。
20.作为优选，所述控制器采用无转子位置传感器获取转子位置。
21.作为优选，n与m相同。
22.本发明的有益效果，本发明的多重绕组起动发电机系统采用多重绕组结构、特殊设计的内嵌永磁体转子结构以及特殊的气隙磁场及励磁电动势控制方法，形成的起动发电机系统具有如下优点：
23.(1)采用小容量的功率变换器实现对大功率发电绕组输出的稳压控制，起动和磁场控制共用一套绕组和功率变换器，系统集成度高、体积小、成本低；
24.(2)可实现低压起动、高压发电系统的最优设计，使起动性能和发电性能同时达到最优；
25.(3)可在发动机宽转速变化范围内，实现发电绕组的恒功率输出；
26.(4)采用定子磁场控制绕组与转子永磁体共同产生气隙磁场的混合励磁方式，励磁损耗低、系统效率高；
27.(5)可实现不同电压等级、交、直流同时输出，系统灵活性高；
28.(6)可直接为高低压蓄电池分别充电，消除了高、低压蓄电池之间能量传递的dc-dc功率变换器。
附图说明
29.图1为现有航空永磁同步起动发电机系统的原理示意图；
30.图2为本发明的多重绕组起动发电机系统的原理示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
34.具体实施方式一、本实施方式的一种多重绕组起动发电机系统，如图1所示，包括永磁同步起动发电机、多相功率变换器、多相整流器和控制器；
35.永磁同步起动发电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组包括1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组，i≥1；起动/磁场控制绕组引出线与多相功率变换器的交流输出端连接；i套m相发电绕组的引出线各与一个多相整流器的交流输入端连接；转子包括转子铁心和永磁体，永磁体嵌在转子铁心内；1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组的直轴电感ld与交轴电感lq之间满足：ld≥lq；
36.控制器用于根据i套m相发电绕组输出电压反馈，如图1中对多相整流器的输出进行端电压检测，控制多相功率变换器输出交流电流，具体控制过程为：在起动时，控制器控制多相功率变换器输出交流电流给n相起动/磁场控制绕组，使输出电流的直轴分量id≥0，交流电流在定子内产生旋转磁场，旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子逐渐升高转速；
37.在发电时，发动机拖动永磁同步起动发电机的转子旋转，永磁体磁场“切割”发电绕组，永磁体在i套m相发电绕组中产生励磁电动势后，控制器根据从多相整流器获取的i套m相发电绕组输出电压反馈，在发动机的低速区，控制器控制多相功率变换器输出交流电流的直轴分量id，使id＞0，在发动机的高速区，输出交流电流的直轴分量id，使id＜0。
38.本实施方式中，多相整流器直流侧电压与多相功率变换器直流侧电压等级不同。多相整流器为不可控整流器或可控整流器。当需要m相发电绕组直接输出交流电能时，m相发电绕组的引出线不接多相整流器。m相发电绕组嵌放在定子铁心槽的槽口侧。n与m相同或不同。控制器在控制的过程中需要转子位置，在检测转子位置时，可采用转子位置传感器，也可以采用无转子位置传感器获取。
39.本实施方式中每套m相发电绕组的结构可相同，也可不同，不同时，每套m相发电绕组的线圈匝数、磁极对数、定子槽数均可设置成不同的。
40.相同时，优选实施例中，本实施方式中i套m相发电绕组的结构相同，每套为三相交流绕组，i＞1，各套三相交流绕组对应相之间的相位差为δ，用电角度表示应满足条件：δ＝60
°
/i；所述多相整流器为三相整流器；i套三相交流绕组的引出线各与一个三相整流器的交流输入端连接，所述三相整流器为不可控整流器，i个三相不可控整流器的直流输出端并联或串联。
41.本实施方式的多重绕组起动发电机系统的功率密度大、效率高，可实现起动性能和发电性能的最优设计，可实现不同电压等级、交流与直流同时输出，系统的灵活性高，在固定翼飞行器、直升机等起动/变速发电系统中具有良好的应用前景。
42.具体实施方式二、本实施方式的一种多重绕组起动发电机系统，包括永磁同步起动发电机、多相功率变换器、多相整流器和控制器；
43.永磁同步起动发电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组包括1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组，i≥1；起动/磁场控制绕组引出线与多相功率变换器的交流输出端连接；i套m相发电绕组的引出线各与一个多相整流器的交流输入端连接；
44.转子包括转子铁心和永磁体，转子铁心为圆柱形，在转子铁心各交轴位置处，沿轴向开有永磁体嵌放孔，永磁体固定在永磁体嵌放孔内，永磁体的中心对称线位于转子的交轴上；永磁体平行充磁或径向充磁；永磁体产生的磁力线方向与交轴电流产生的磁力线方向相反；1套n相起动/磁场控制绕组和i套m相发电绕组的直轴电感ld与交轴电感lq之间满足：ld＞lq；永磁体磁链ψ
pm
与交轴电流iq产生的磁链l
qiq
之间满足：ψ
pm
≥l
qiq
；
45.控制器用于根据i套m相发电绕组输出电压反馈，如图1中对多相整流器的输出进行端电压检测，控制多相功率变换器输出交流电流，具体控制过程为：在起动时，控制器控制多相功率变换器输出交流电流给n相起动/磁场控制绕组，使多相功率变换器输出电流的直轴分量id≥0，交流电流在定子内产生旋转磁场，旋转磁场与转子永磁体磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子逐渐升高转速；在发电时，发动机拖动永磁同步起动发电机的转子旋转，永磁体磁场“切割”发电绕组，永磁体在i套m相发电绕组中产生励磁电动势后，控制器根据从多相整流器获取的i套m相发电绕组输出电压反馈，在发动机的低速区，控制器控制多相功率变换器输出电流的直轴分量id，使id＞0，在发动机的发电最低转速区，直轴分量id最大，随着发动机转速的升高，逐渐减小直轴分量id。
46.本实施方式中，多相整流器直流侧电压与多相功率变换器直流侧电压等级不同。多相整流器为不可控整流器或可控整流器。当需要m相发电绕组直接输出交流电能时，m相发电绕组的引出线不接多相整流器。m相发电绕组嵌放在定子铁心槽的槽口侧。n与m相同或不同。控制器在控制的过程中需要转子位置，在检测转子位置时，可采用转子位置传感器，
也可以采用无转子位置传感器获取。
47.本实施方式中每套m相发电绕组的结构可相同，也可不同，不同时，每套m相发电绕组的线圈匝数、磁极对数、定子槽数均可设置成不同的。
48.相同时，优选实施例中，本实施方式中i套m相发电绕组的结构相同，每套为三相交流绕组，i＞1，各套三相交流绕组对应相之间的相位差为δ，用电角度表示应满足条件：δ＝60
°
/i；所述多相整流器为三相整流器；i套三相交流绕组的引出线各与一个三相整流器的交流输入端连接，所述三相整流器为不可控整流器，i个三相不可控整流器的直流输出端并联或串联。
49.本实施方式的多重绕组起动发电机系统的功率密度大、效率高，可实现起动性能和发电性能的最优设计，可实现不同电压等级、交流与直流同时输出，系统的灵活性高，在固定翼飞行器、直升机等起动/变速发电系统中具有良好的应用前景。
50.具体实施例：本实施例的多重绕组起动发电机系统包括双绕组三相永磁同步电机、三相功率变换器和三相整流器。双绕组三相永磁同步电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和定子绕组，定子绕组包括1套三相起动/磁场控制绕组和1套三相发电绕组。起动/磁场控制绕组引出线与三相功率变换器的交流输出端相连；发电绕组的引出线与三相整流器的交流输入端相连。转子包括转子铁心和永磁体，转子为内嵌永磁体结构。
51.发电时，根据反馈的整流器输出电压，控制器通过控制三相功率变换器输出交流电流的大小和相位，实现对气隙磁场以及发电绕组励磁电动势的调节，最终将整流器输出电压稳定于目标值。
52.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。