集成式无刷起动器发电机制造技术

无刷起动器‑发电机系统包含在单个壳体(10)内。壳体(10)具有第一端部(18)和相对的第二端部(20)，所述第一端部(18)具有开口以从动力源接收驱动花键(16)。无刷旋转机器(32)位于邻近所述第一端(18)并且能够运动地连接到所述驱动花键(16)。功率控制单元(34)邻近所述第二端(20)并且电耦合到所述无刷旋转机器(32)。所述无刷旋转机器(32)选自同步电机、永磁电机和感应电机构成的组。电气与机械接口与相同额定的有刷式型号是相同的，可实现真正的“简易”更换功能，便于更换和升级。

Integrated brushless starter generator

Brushless starter generator system contained in a single housing (10). The housing (10) has a first end (18) and a relative second end (20), and the first end part (18) has an opening to receive the driving spline (16) from the power source. A brushless rotating machine (32) is located adjacent to the first end (18) and can be connected to the driving spline (16) in motion. The power control unit (34) is adjacent to the second end (20) and is electrically coupled to the brushless rotating machine (32). The brushless rotating machine (32) is composed of a synchronous motor, a permanent magnet motor and an induction motor. The electrical and mechanical interfaces are the same as those of the same rated type of brushed type, which can achieve real \simple\ replacement functions and facilitate the replacement and upgrading.

【技术实现步骤摘要】
集成式无刷起动器发电机
技术介绍
起动器-发电机系统广泛用于具有往复式或燃气涡轮发动机的飞机和其它交通工具上。起动器-发电机联接到与发动机或涡轮机叶片相连接的轴。在发动机启动期间，起动器-发电机系统起电动机的作用，使所述轴旋转以起动发动机。起动器-发电机系统在从发动机静止直到发动机转速接近怠速用作电机。一旦发动机达到怠速速度，起动器-发电机系统就起发电机的作用，其将运动的发动机的机械动力(轴旋转的形式)转换为可用的电功率，例如28VDC(伏特-直流)。徐(Xu)等人的题为“HybridGasTurbineEngineStarter-Generator(混合燃气涡轮发动机起动器-发电机)”的美国专利号7,327,048中公开了典型的起动器-发电机系统。碳刷(其选择性地可移动进入或退出与整流片(commutatorsegments)的电接触)将DC电源与转子绕组电耦合和分离。整个起动器-发电机系统位于发动机机舱中，所以维修或更换仅限于飞机的单个部分，并且可以相对容易地更换一个系统。有刷式起动器-发电机系统的问题包括需要定期更换刷子，并且刷子中的碳磨损颗粒产生脏污且有时危害环境。遇到的其他问题包括点火、效率差、可靠性差、拥有成本差等问题。存在不需要碳刷的起动器-发电机系统。一个系统在帕特森(Patterson)的题为“FaultClearingMethodforPermanentMagnetMachines(永磁机的故障清除方法)”的美国专利号7,880,448中公开。该系统包括运动部分和功率转换部分。运动部分位于发动机机舱中，并且功率转换部分位于从客舱无法接近的机身部分中。载流电缆将运动部分连接到功率转换部分。从有刷式系统到上述无刷起动器-发电机系统的更换或升级需要进入发动机机舱和机身两者。通常，互连电缆也必须更换。更换和升级费时，从而使飞机停止服务延长一段时间。需要一种不具有上述缺点的起动器-发电机系统。典型的有刷式起动器-发电机系统的特点是具有以下特性：·电机操作于电池提供的28伏直流电(VDC)上。由于电池可能部分耗尽，电机必须能够从18伏直流电(VDC)的输入来启动飞机发动机。电机产生至少33.9牛顿-米(25英尺-磅)的扭矩作为起动器。·发电机输出为至少300安培(A)。·外部发电机控制单元(GCU)用于调节电压，并提供保护功能·起动器-发电机具有14.51千克(32磅)的标称重量、15.24厘米(6英寸)的最大直径、和27.94厘米(11英寸)的最大长度。·起动器-发电机是空气冷却，并且不需要额外的冷却盘管。当起动器-发电机被安装到飞机发动机的运动部分(涡轮轴)时，需要额外的特征是：·提供在暴露于高达100摄氏度(℃)的入口温度下的延长的操作寿命的能力。·承受长时间暴露于0至2000赫兹的20G(重力的20倍)振动的能力。·当发动机浸没(soak)在-40℃温度下时，提供所需最大启动功率(33.9牛顿-米(25英尺磅)的扭矩)的能力。·提供在暴露于高达150℃的回浸(soak-back)温度下的延长的操作寿命的能力。·当暴露于空气传播的污染物(包括沙、灰尘、盐雾、潮湿、雨水和化学流体)时，提供延长的操作寿命的能力。·抵抗模态(结构)变形的能力。
技术实现思路
本文公开一种包含在单个外壳内的起动机-发电机系统。其电气与机械接口相同于有刷式起动器-发电机的电气与机械接口，以方便更换或升级。壳体具有第一端和相对的第二端，所述第一端具有开口以从动力源接收驱动花键。无刷旋转机器位于邻近所述第一端并且运动上可连接到所述驱动花键。功率控制单元邻近所述第二端并且电耦合到所述无刷旋转机器。该无刷旋转机器选自同步机(synchronousmachine)、永磁机(permanentmagnetmachine)、感应机(inductionmachine)构成的组。在一个实施例中，动力源是飞机涡轮发动机。附图说明图1示出一种无刷起动器-发电机，其具有的外周边与现有技术的有刷式起动器-发电机的外周边相同。该图还示出对于旋转机器和功率控制单元(PCU)的空间的相对分配。图2揭示如何可将旋转机器配置在其分配空间内，而仍然在与有刷式起动器-发电机相同的尺寸内。图3是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是同步机。图4是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是永磁机。图5是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是感应机。图6是示出与启动期间使用的功率控制单元集成的同步机式旋转机器的示意图。图7是功率控制单元的外部视图。图8是图7的功率控制单元的示意图，其外部壳体被移除以示出下面的部件。图9是在外部发电机控制单元(GCU)接合时的发电模式期间同步机的机器拓扑图。图10是在外部发电机控制单元(GCU)分离时的启动模式期间同步机的机器拓扑图。具体实施方式图1示出用于起动器-发电机系统的壳体10，该起动器-发电机系统包括起动器-发电机单元(SGU)12和功率控制单元14。从壳体10的第一端18延伸的驱动花键16将起动器-发电机单元12运动地连接到动力源(诸如飞机涡轮发动机(未示出))。壳体10的相对的第二端20终止于进气管道22处。如图所示，壳体基本上是筒状的，具有15.24厘米(6英寸)的标称外径，其中筒体直径在第二端20处成锥形，从而在进气管道22处的直径近似为7.62厘米(3英寸)。除了进气管道22之外，长度约为27.94厘米(11英寸)。参考图2，集成式无刷起动器-发电机30将无刷旋转机器32与其配套的功率控制单元(PCU)34组合在与上述有刷式起动器-发电机系统相同的外壳尺寸内。由于物理比例相似，并且机械与电气接口相同，因此它成为在中小型飞机上常用的有刷式起动器-发电机(其受到碳刷引起的问题的影响)的真正“简易”替换品。单元30的无刷旋转机器32部分可使用针对旋转机器部分的任何数量的可实施的拓扑结构(例如，如图3所示的同步机(SM)、如图4所示的永磁机(PM)、或如图5所示的感应机(IM))，其选择将取决于最终应用的要求。如果使用PM机，则提供临时的或永久的轴分离(shaftdisconnect)，以在系统发生危害故障的情况下停止所述单元转动和产生电力。在帕特森的US7,880,448中公开了一种这样的轴分离。如果使用SM机或IM机，则当遇到类似情况时，使场进行退激(de-excite)就足够了。返回参考图2，PCU34与旋转机器32都被组合在单元30的同一壳体内。为了实现这一点，PCU34必须简化、流线型化和小型化，同时坚固以耐受发动机机舱的恶劣环境。广泛使用软件或固件、大规模电路集成、模块化和封装。或者，考虑可承受发动机机舱的高温的半导体组合物，例如碳化硅。各种高效的功率转换拓扑(如维也纳(Vienna)整流)也可以采用，以减少装置的热负荷。该装置在飞机发动机上应用于两种功能：·起动发动机——电机模式方案，其起效于从静止状态到接近怠速的截止(cutoff)速度；·产生电功率——被驱动模式，其将来自发动机的机械动力转换成可用电功率，例如28伏直流电(VDC)。起动模式在起动模式中，标称28伏直流电力由PCU34取自机载电池、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含在单个壳体(10)内的起动器‑发电机系统(30)，其特征在于：所述壳体(30)具有第一端(18)和相对的第二端(20)，所述第一端(18)具有开口以从动力源接收驱动花键(16)；无刷旋转机器(32)，其与所述第一端(18)相邻并且能够运动地连接到所述驱动花键(16)；功率控制单元(34)，其邻近所述第二端(20)并且电耦合到所述无刷旋转机器(32)。

【技术特征摘要】
2016.07.27 US 62/367,150;2017.07.14 US 15/650,0321.一种包含在单个壳体(10)内的起动器-发电机系统(30)，其特征在于：所述壳体(30)具有第一端(18)和相对的第二端(20)，所述第一端(18)具有开口以从动力源接收驱动花键(16)；无刷旋转机器(32)，其与所述第一端(18)相邻并且能够运动地连接到所述驱动花键(16)；功率控制单元(34)，其邻近所述第二端(20)并且电耦合到所述无刷旋转机器(32)。2.根据权利要求1所述的起动器-发电机系统(30)，其特征在于，所述无刷旋转机器(32)选自同步电机(50)、永磁电机和感应电机构成的组。3.根据权利要求2所述的起动器-发电机系统(30)，其特征在于，所述动力源是飞机的涡轮发动机或活塞...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·A·拉德，
申请(专利权)人：天体电子学先进电子系统公司，
类型：发明
国别省市：美国,US