一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法技术

本发明专利技术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，包括如下步骤：

An optimization design method of starting motor based on engine load matching

【技术实现步骤摘要】
一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法。

技术介绍

[0002]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：
[0003]1)脱离负载特性独立设计，起动效率/利用率低
[0004]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。
[0005]2)起动时间无法预测，起动成功率低
[0006]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。
[0007]3)起动全过程性能数据难以计算，无法获取优化目标
[0008]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。
[0009]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。

技术实现思路

[0010]为解决上述技术问题，本专利技术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。
[0011]本专利技术通过以下技术方案得以实现。
[0012]本专利技术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：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]所述步骤
④
中，拟合计算采用多项式拟合的方式。
[0022]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。
[0023]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，f
k
为功率管开关频率，p为电机极对数，Ψ
m
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]本专利技术的有益效果在于：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是本专利技术至少一种实施方式的流程示意图；
[0030]图2是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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]下面进一步描述本专利技术的技术方案，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：判断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
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；
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；
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；
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；
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。2.如权利要求1所述的基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的基于发动机负载匹配的起动电机优化设计方法，其特征在于：所述步骤
⑤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨都，卓亮，杨光力，施道龙，吴娜，
申请(专利权)人：贵州航天林泉电机有限公司，
类型：发明
国别省市：