【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高功率密度电机与电源系统及其控制，涉及一种单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑及控制方法。
技术介绍
1、多电飞机(more electric aircraft,mea)更多的使用电能取代传统机械能、液压能等，因而精简了能源结构及其附属装置，是支撑世界航空器发展的重要方向。作为动力系统的核心，机载电源系统在多电飞机的发展过程中起到了关键支撑作用。起动发电一体化电源系统集航空发动机起动功能和发电功能于一体，是多电飞机的重要技术标志之一。随着机载设备电气化程度的提高，对新一代电源系统功率密度和运行效率提出了更高的要求。
2、传统三级式无刷电励磁同步起动/发电系统(以下简称三级式起发系统)具有可靠性高、发电品质好等特点，已得到了国内外学者的广泛研究，并已得到了成功应用。图1为基于两相励磁的航空三级式起发系统典型结构示意图，其中，电机主体由副励磁机、主励磁机、主电机和旋转整流器组成；控制主体由发电控制单元、励磁机控制器、主电机控制器和电磁继电器组成。其运行过程如下：发电模式下，航空发动机消耗航空燃油维持自运转，并带动三级式电机转子旋转。永磁副励磁机发出三相交流电，并通过发电控制单元(gcu)为主励磁机定子绕组提供直流励磁；主励磁机转子三相交流电经旋转整流器为主电机转子绕组提供励磁电流，主电机作为发电机运行，为机载设备供电。起动模式下，主励磁机由两相励磁机控制器提供两相交流电，其转子三相交流电经旋转整流器为主电机转子绕组提供励磁电流，主电机作为电机运行，并带动航空发动机到达点火转速，此后转向发电模式，起动模式下副励
3、传统航空三级式无刷同步起动/发电系统结构复杂、体积重量大，不利于系统功率密度的提升；起动与发电状态下需要对励磁进行单独控制，且面临较为复杂的励磁切换过程，对系统高效运行带来了不利影响。
技术实现思路
1、要解决的技术问题
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑及控制方法，针对大飞机起动发电一体化动力系统高功率密度和高效控制需求，本专利技术要解决的技术问题为：进一步精简大飞机起发一体化系统结构，提高功率密度并实现高效运行控制。
3、技术方案
4、一种单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：包括旋转式励磁电源、旋转整流器、电励磁同步起动发电机、电励磁同步起动发电机控制器、切换开关；旋转式励磁电源的励磁电源次级绕组通过旋转整流器与电励磁同步起动发电机转子励磁绕组实现功率回路连接，且旋转式励磁电源的励磁电源次级磁芯、旋转整流器、电励磁同步起动发电机转子同轴连接，同步旋转，由此形成电励磁同步起动发电机无刷励磁结构；电励磁同步起动发电机通过切换开关在电励磁同步起动发电机控制器与旋转式励磁电源的励磁电源控制器之间实现转换，当选择连接电励磁同步起动发电机控制器时，电励磁同步起动发电机通过电励磁同步起动发电机控制器的电容cp2接外部直流电源，三相全控桥功率电路输出三相变频交流电，使电励磁同步起动发电机运行在电动状态；当连接旋转式励磁电源的励磁电源控制器时，电励磁同步起动发电机工作在发电状态，发出的三相交流电三相不控整流桥整流后，为励磁电源控制器提供直流母线电压。
5、所述切换开关采用三刀双掷开关，输入侧为三个固定触电s11、s12和s13，输出侧为三组常开触点g1、g2和g3；其中：电励磁同步起动发电机的a、b和c三相绕组输出端子分别连接三刀双掷开关输入侧固定触电s11、s12和s13，三刀双掷开关输出侧为三组常开触点g1、g2和g3；g1组的g11和g12分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥c相桥臂中点c2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥c相桥臂中点c1相连；g2组的g21和g22分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥a相桥臂中点a2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥a相桥臂中点a1相连；g3组的g31和g32分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥b相桥臂中点b2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥b相桥臂中点b1相连；触点g11、g21、g31同时接负载输入端；所述三刀双掷开关输入侧固定触电s11、s12和s13通过三组常开触点g1、g2和g3的转换闭合实现电励磁同步起动发电机控制器与旋转式励磁电源的励磁电源控制器之间的转换。
6、所述旋转式励磁电源包括励磁电源控制器、励磁电源初级磁芯和励磁电源初级绕组、励磁电源次级磁芯和励磁电源次级绕组；励磁电源控制器为系统静止部件，与励磁电源初级绕组相连；励磁电源初级绕组缠绕在励磁电源初级磁芯上，且两者固定在电励磁同步起动发电机外壳上，为系统固定静止部件；励磁电源次级磁芯为一体结构，包括柱状磁芯及其侧板磁芯，励磁电源次级绕组固定在励磁电源次级磁芯上，两者在结构上形成电缆绕线盘式结构，为系统旋转部件，并与励磁电源初级磁芯形成套筒式结构；励磁电源初级磁芯与励磁电源次级磁芯之间存在相对运动，且通过气隙实现磁能耦合。
7、所述励磁电源控制器、励磁电源初级绕组和励磁电源次级绕组采用dc-dc电路拓扑结构。
8、所述dc-dc电路拓扑结构包括反激式dc-dc电路拓扑、半桥式dc-dc电路拓扑、全桥准谐振dc-dc电路拓扑、正激式dc-dc电路拓扑、或推挽式dc-dc电路拓扑。
9、一种利用所述拓扑结构实现单级式无刷电励磁起发一体化系统励磁、起动和发电控制策略，其特征在于步骤如下：
10、步骤1：起动状态下，切换开关s的输入侧s1、s2和s3分别与输出g1、g2和g3组的触点g12、g22和g32保持接触，使得电励磁同步起动发电机的定子a、b、c三相绕组分别与电励磁同步起动发电机控制器的a、b、c三相桥臂中点相连；电励磁同步起动发电机控制器中电容cp2接外部直流电源，三相全控桥功率电路输出三相变频交流电，使电励磁同步起动发电机运行在电动状态，拖动航空发电机起动到脱开转速；
11、所述起动状态下的工作状态：旋转式励磁电源工作在高频全桥dc-dc电能传输模式，励磁电源控制器电容cp1接外部直流电源，为励磁电源控制器提供直流母线电压，由励磁电源控制器全桥可控逆变桥向励磁电源初级绕组提供高频交流电，并在励磁电源初级磁芯中产生高频交变磁场，该交变磁场通过励磁电源初次级磁芯气隙，在励磁电源次级磁芯中感应出高频交变磁场，并进一步在励磁电源次级绕组中感应出高频交变电流，该高频交变电流经不控全桥旋转整流器整流后，为电励磁同步起动发电机提供直流励磁电流；
12、步骤2：发电状态下，切换开关s的输入侧s1、s2和s3分别与输出g1、g2和g3组的触点g11、g21和g31保持接触，即电励磁同步起动发电机的定子a、b、c三相绕组分别与励磁电源控制器的a、b、c三相桥臂中点相连；电励磁同步起动发电机控制器中电容cp2不再本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：包括旋转式励磁电源、旋转整流器、电励磁同步起动发电机、电励磁同步起动发电机控制器、切换开关；旋转式励磁电源的励磁电源次级绕组通过旋转整流器与电励磁同步起动发电机转子励磁绕组实现功率回路连接，且旋转式励磁电源的励磁电源次级磁芯、旋转整流器、电励磁同步起动发电机转子同轴连接，同步旋转，由此形成电励磁同步起动发电机无刷励磁结构；电励磁同步起动发电机通过切换开关在电励磁同步起动发电机控制器与旋转式励磁电源的励磁电源控制器之间实现转换，当选择连接电励磁同步起动发电机控制器时，电励磁同步起动发电机通过电励磁同步起动发电机控制器的电容CP2接外部直流电源，三相全控桥功率电路输出三相变频交流电，使电励磁同步起动发电机运行在电动状态；当连接旋转式励磁电源的励磁电源控制器时，电励磁同步起动发电机工作在发电状态，发出的三相交流电三相不控整流桥整流后，为励磁电源控制器提供直流母线电压。
2.根据权利要求1所述单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：所述切换开关采用三刀双掷开关，输入侧为三个固定触电S11、S12和S13，
3.根据权利要求1所述单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：所述旋转式励磁电源包括励磁电源控制器、励磁电源初级磁芯和励磁电源初级绕组、励磁电源次级磁芯和励磁电源次级绕组；励磁电源控制器为系统静止部件，与励磁电源初级绕组相连；励磁电源初级绕组缠绕在励磁电源初级磁芯上，且两者固定在电励磁同步起动发电机外壳上，为系统固定静止部件；励磁电源次级磁芯为一体结构，包括柱状磁芯及其侧板磁芯，励磁电源次级绕组固定在励磁电源次级磁芯上，两者在结构上形成电缆绕线盘式结构，为系统旋转部件，并与励磁电源初级磁芯形成套筒式结构；励磁电源初级磁芯与励磁电源次级磁芯之间存在相对运动，且通过气隙实现磁能耦合。
4.根据权利要求1所述单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：所述励磁电源控制器、励磁电源初级绕组和励磁电源次级绕组采用DC-DC电路拓扑结构。
5.根据权利要求4所述单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：所述DC-DC电路拓扑结构包括反激式DC-DC电路拓扑、半桥式DC-DC电路拓扑、全桥准谐振DC-DC电路拓扑、正激式DC-DC电路拓扑、或推挽式DC-DC电路拓扑。
6.一种利用权利要求1～5任一项所述拓扑结构实现单级式无刷电励磁起发一体化系统励磁、起动和发电控制策略，其特征在于步骤如下：
7.一种电机的控制器，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求6所述数据迁移方法的步骤。
8.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6任一项所述数据迁移方法的步骤。
9.一种计算机程序产品，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求6所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：包括旋转式励磁电源、旋转整流器、电励磁同步起动发电机、电励磁同步起动发电机控制器、切换开关；旋转式励磁电源的励磁电源次级绕组通过旋转整流器与电励磁同步起动发电机转子励磁绕组实现功率回路连接，且旋转式励磁电源的励磁电源次级磁芯、旋转整流器、电励磁同步起动发电机转子同轴连接，同步旋转，由此形成电励磁同步起动发电机无刷励磁结构；电励磁同步起动发电机通过切换开关在电励磁同步起动发电机控制器与旋转式励磁电源的励磁电源控制器之间实现转换，当选择连接电励磁同步起动发电机控制器时，电励磁同步起动发电机通过电励磁同步起动发电机控制器的电容cp2接外部直流电源，三相全控桥功率电路输出三相变频交流电，使电励磁同步起动发电机运行在电动状态；当连接旋转式励磁电源的励磁电源控制器时，电励磁同步起动发电机工作在发电状态，发出的三相交流电三相不控整流桥整流后，为励磁电源控制器提供直流母线电压。
2.根据权利要求1所述单级式无刷电励磁起发一体化系统拓扑结构，其特征在于：所述切换开关采用三刀双掷开关，输入侧为三个固定触电s11、s12和s13，输出侧为三组常开触点g1、g2和g3；其中：电励磁同步起动发电机的a、b和c三相绕组输出端子分别连接三刀双掷开关输入侧固定触电s11、s12和s13，三刀双掷开关输出侧为三组常开触点g1、g2和g3；g1组的g11和g12分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥c相桥臂中点c2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥c相桥臂中点c1相连；g2组的g21和g22分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥a相桥臂中点a2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥a相桥臂中点a1相连；g3组的g31和g32分别与励磁机电源控制器三相不控整流桥b相桥臂中点b2和电励磁同步起动发电机控制器三相全控桥b相桥臂中点b1相连；触点g11、g21、g31同时接负载输入端；所述三刀双掷开关输入侧固定触电s11、s12和s13通过三组常开触点...
【专利技术属性】
技术研发人员：张小科，刘卫国，焦宁飞，毛帅，梁培鑫，樊昱琨，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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