【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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
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，本专利技术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，本专利技术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、本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：所述转子包括转子铁心(1)、永磁体(2)、碳纤维护套(3)；
3.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：所述定子包括非晶定子铁心(6)和双层单匝扁铜线绕组(7)，所述非晶定子铁心(6)上设置有开口槽(8)，所述双层单匝扁铜线绕组(7)嵌入非晶定子铁心(6)的开口槽(8)中。
4.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：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；
5.航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计
6.如权利要求5所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：
7.如权利要求5所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
8.如权利要求6所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：
9.如权利要求6所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，其特征在于，所述步骤101包括以下步骤：
10.如权利要求5、6、7任意一项所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的设计方法，其特征在于，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。
...【技术特征摘要】
1.航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：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。
2.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：所述转子包括转子铁心(1)、永磁体(2)、碳纤维护套(3)；
3.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：所述定子包括非晶定子铁心(6)和双层单匝扁铜线绕组(7)，所述非晶定子铁心(6)上设置有开口槽(8)，所述双层单匝扁铜线绕组(7)嵌入非晶定子铁心(6)的开口槽(8)中。
4.如权利要求1所述的航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统，其特征在于：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；
5.航空主电源用抗短路永磁起动发电机系统的...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛开昶，陈强，袁光伟，顾兴阳，罗宗鑫，
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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。