航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统及其设计方法与流程

本发明适用于航空电源系统领域，具体涉及航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统及其设计方法。

背景技术：

1、对于航空主发动机，其工作转速通常为20000r/min～40000r/min，通常具有1.5倍～2倍的工作转速范围。航空主发动机驱动的起动发电机系统被称航空主电源。为了省去启动航空主发动机的空气涡轮起动机，实现更高的功率密度，航空主电源除了实现发电功能外，还希望其有启动发动机的功能。对于搭载大功率电子设备和电驱动设备较多的飞行器，普遍采用270v高压直流来对机载设备供电。

2、270v高压直流起动发电机系统包括起动发电机和起动发电机控制器，通过起动发电机控制器实现对起动发电机的控制。起动发电机包括起动和发电两种工况。起动时，通过270v高压直流母线给起动发电机控制器供电，起动发电机控制器驱动起动发电机输出力矩，将发动机由静止状态拖动到点火转速，并助力发动机达到自维持转速。发动机进入正常工作转速后，起动发电机进入发电状态。发电时，发动机驱动起动发电机工作，起动发电机将发动机提供的机械能转化为交流电能，起动发电机控制器再将起动发电机输出的交流电能转化为稳压的270v高压直流电能。

3、对于输出270v高压直流的航空主电源普遍基于三级式起动发电机实现。但是基于三级式起动发电机的起动发电机系统存在以下方面的不足：

4、1)由于转子上具有半导体器件和绕组，不能承受30 000r/min的高速，不满足航空主发动机内置式及直驱式应用需求，高速性较差，工作转速较低且需要添加机械减速装置，限制了起动发电机功率密度进一步提高；

5、2)由于三级式起动发电机包括半导体器件，通常不能承受150℃～350℃的高温工作环境，耐高温特性较差，与驱动发动机高温工作环境要求并不匹配。

6、对于基于永磁起动发电机的电源系统，应用于航空电源系统时存在以下方面的不足：

7、1)对于不具有抗短路功能的永磁起动发电机，绕组短路故障发生后，短路电流为额定电流的5倍以上，且不可以通过断开励磁达到保护目的，有故障扩大风险，不满足航空电源系统对安全性的要求；

8、2)对于发动机控制系统供电电源采用的抗短路起动发电机，电源变换器采用不控整流控制，起动发电机通过绕组高感抗设计来将短路电流限制在1.5～2倍额定电流以下，从而实现抑制短路故障扩散的目的，使永磁起动发电机满足航空电源系统对安全性的要求，但是抗短路起动发电机及电源变换器功率密度较低且可实现输出功率通常在500w以下，不满足大功率和高功率密度应用需求；

9、3)对于公开号为cn202011478060.6的中国专利公开了《一种抗短路高速大功率永磁辅助式同步磁阻起动发电机系统》，其提出的永磁辅助式同步磁阻起动发电机系统，磁阻转矩占比远大于永磁转矩，具有如下缺陷：(a)因永磁转矩占比较小，起动发电机的功率密度较低；(b)反电动势波形正弦度较差，给控制造成了一定难度；(c)负载由空载到满载变化时，反电动势电压波动范围过大，给控制造成了一定难度；(d)为了实现较高的磁阻转矩，定转子间气隙很小，转子不再能够添加护套，限制了应用转速的进一步提高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统；

2、为解决上述技术问题，本发明提供了航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法。

3、本发明通过以下技术方案得以实现。

4、航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，包括抗短路永磁起动发电机和起动发电机控制器；所述抗短路永磁起动发电机包括转子和定子；所述定子绕组的三相交流输出a、b和c端分别与起动发电机控制器的三相交流输入a、b和c端对应连接；所述起动发电机控制器的直流端正极和负极分别与高压直流母线的正极和负极连接。

5、所述转子包括转子铁心、永磁体、碳纤维护套；

6、所述转子铁心的轴向开设有两层磁障；所述磁障在所述转子铁心的圆周方向上呈一定间隔均匀分布且数量为起动发电机极对数的两倍；两层磁障的每层嵌入两块永磁体；所述碳纤维护套包裹在转子铁芯的外圆面上；所述两层磁障的边缘与转子铁心的外圆之间设置有隔离桥。

7、所述定子包括非晶定子铁心和双层单匝扁铜线绕组，所述非晶定子铁心上设置有开口槽，所述双层单匝扁铜线绕组嵌入非晶定子铁心的开口槽中。

8、所述起动发电机控制器包括三相全桥，电流传感器sa，电流传感器sb，电流传感器sc，电压传感器sv，直流母线电容cdc，控制电路，辅助电源；

9、所述三相全桥的交流输入a、b和c端分别与定子绕组的三相交流输出a、b和c端对应连接，直流端正极和负极分别与直流母线电容cdc的两端、高压直流母线的正极和负极、电压传感器sv的输入端正极和负极、辅助电源的输入端正极和负极连接；

10、所述电流传感器sa、电流传感器sb和电流传感器sc的功率端分别与三相全桥的交流输入a、b和c端对应连接，输出信号ia、ib和ic端与控制电路输入端分别连接；

11、所述电压传感器sv的输出信号vdc端和辅助电源的输出端与控制电路连接；

12、所述控制电路的驱动信号输出g1、g2、g3、g4、g5、g6端分别与三相全桥的功率管q1、功率管q2、功率管q3、功率管q4、功率管q5、功率管q6的栅极连接。

13、航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，包括以下步骤：

14、步骤1：对抗短路永磁起动发电机的抗短路进行设计，使起动发电机系统符合航空电源系统的安全性要求；

15、步骤2：对抗短路永磁起动发电机的转子进行耐高速特性设计，使起动发电机可承受航空主发动机传递的40000r/min高速；

16、步骤3：通过采用非晶材料做成的定子铁心来降低高频下的起动发电机铁损，进而降低极对数的提高对起动发电机损耗的影响；

17、步骤4：通过使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％来保证起动发电机的功率因数高于0.9，从而降低电枢绕组电流，进而抑制磁阻转矩对起动发电机铜损和控制器损耗的影响；

18、步骤5：通过使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％来抑制磁阻转矩对起动发电机反电动势失真度造成的不利影响，进而降低控制器的控制难度；

19、步骤6：通过起动发电机控制器对抗短路永磁起动发电机进行控制，实现起动转矩控制和发电稳压控制，使抗短路永磁起动发电机具有大功率输出能力。

20、所述步骤1包括以下步骤：

21、步骤101：定子绕组采用扁铜线在定子开口槽中进行双层单匝绕组设计；

22、步骤102：通过使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％来降低永磁体用量，从而降低永磁体产生的反电动势，进而抑制起动发电机外部相间短路的电流；

23、步骤103：通过使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％来增加电枢反应，使起动发电机外部相间短路时具有良好的弱磁效果，进而抑制起动发电机外部相间短路的电流；

24、步骤104：通过增加起动发电机定子槽数来增加绕组匝数，从而使起动发电机电感增加，进而抑制起动发电机外部相间短路的电流。

25、所述步骤2包括以下步骤：

26、步骤201：通过使起动发电机q轴电感为d轴电感的140％～170％来增加转子隔磁桥的宽度，进而保证起动发电机转子的高速力学特性；

27、步骤202：通过使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％来增加起动发电机的气隙，进而在起动发电机转子的外部套设碳纤维护套来增加起动发电机转子的高速力学特性；

28、步骤203：通过提高起动发电机的极对数来降低碳纤维护套承受的应力，从而保证起动发电机转子的高速特性。

29、所述步骤5包括以下步骤：

30、步骤501：起动发电机启动时，起动发电机控制器通过采用基于空间矢量控制svpwm的最大转矩电流比控制方式，使起动发电机达到其最高起动效率；

31、步骤502：起动发电机低速发电和高速轻载发电时，起动发电机控制器通过采用基于空间矢量控制svpwm的最大转矩电流比控制方式，使起动发电机系统达到其最高发电效率；

32、步骤503：起动发电机高速重载发电时，起动发电机控制器通过采用基于空间矢量控制svpwm的弱磁控制方式，使起动发电机在重载条件下实现稳压输出。

33、所述步骤101包括以下步骤：

34、步骤1011：通过使每个定子槽中同一相绕组仅有一匝，从而避免起动发电机槽内同一相绕组发生匝间短路；

35、步骤1012：通过使每个定子槽中两相绕组之间保持0.5～1㎜间隙，从而避免起动发电机槽内两相绕组发生相间短路；

36、步骤1013：通过使绕组端部各层之间保持0.5～1㎜间隙，从而避免起动发电机绕组端部发生匝间短路和相间短路。

37、所述步骤4、步骤5、步骤102、步骤103、步骤202中的起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％的步骤为通过调节永磁体大小来调整永磁转矩，通过调节起动发电机q轴电感与d轴电感差值来调整磁阻转矩，最终使起动发电机磁阻转矩占总转矩的40％～50％，其中总转矩＝永磁转矩+磁阻转矩。

38、本发明的有益效果在于：

39、1)提出的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统及设计方法适用于具有航空主发动机内置式及直驱式应用需求、20000r/min～40000r/min高工作转速、1.5～2倍发电转速范围和150℃～350℃高温工作环境；

40、2)相对于基于三级式起动发电机的主电源，克服了其不能承受30000r/min以上高速和150℃～350℃的高温工作环境的不足；

41、3)相对于常规永磁起动发电机，克服了短路电流过高，不满足航空电源系统安全性要求的不足；

42、4)相对于发动机控制系统供电电源采用的抗短路起动发电机，克服了输出功率小于500w和功率密度较低的不足；

43、5)相对于永磁辅助式同步磁阻起动发电机，克服了功率密度低、反电动势正弦度较差、反电动势随负载波动较大和不能添加护套来增强耐高速性的不足；

44、6)在起动发电机转速范围内，永磁体产生的起动发电机可以使辅助电源进入正常工作状态，在不依赖外部条件下也可以使起动发电机系统实现自建压；

45、7)通过采用扁铜线双层单匝绕组、增加磁阻转矩来降低永磁体产生的反电动势、增加磁阻转矩提升短路电流弱磁效果、高槽数设计增加感抗等方式来实现短路电流抑制；

46、8)通过使转子隔磁桥不至于过窄、添加碳纤维转子护套、增加起动发电机极对数等方式来提高耐高速特性；

47、9)通过采用非晶材料做成的定子铁心来降低高频下的起动发电机铁损；

48、10)通过使起动发电机磁阻转矩占比不至于过高，保证起动发电机的功率因数不至于过低，从而降低电枢绕组电流，进而抑制磁阻转矩对起动发电机铜损和控制器损耗的影响；

49、11)通过使起动发电机磁阻转矩占比不至于过高，保证反电动势的失真度不至于过高，进而降低控制难度；

50、12)起动、低速发电和高速轻载发电时，通过采用基于svpwm的最大转矩电流比控制，使达到最高工作效率；

51、13)高速重载发电时，通过采用基于svpwm的弱磁控制，使重载条件下也能实现稳压输出。