CN102119481B - 同步电机 - Google Patents

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Abstract

一种同步电机（40）包括多相（50A、50B、50C、50D、50E）和检测部件，该检测部件被布置为检测同步电机（40）的至少一相（50E）中的开路故障。隔离部件被布置为使同步电机（40）的具有故障的至少一相（50E）隔离。相移部件（52A、52B、52C、52D、52E）被布置为产生同步电机（40）的剩余相内的电压（emf）和电流之间的受控相移以便调整由同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）产生的二次谐波功率的相角，使得同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。相移部件（52A、52B、52C、52D）被布置为按相同的预定角来调整所有剩余相（50A、50B、50C、50D）的相角以使同步电机（40）的无扭矩波动功率输出最大化。

Description

同步电机
技术领域
本发明涉及一种同步电机，特别地涉及一种用于燃气涡轮发动机的同步电机，例如电起动器/发电机。
背景技术
在当前的宇航应用中，使用传统的绕线励磁式（wound-field）同步电机来生成电功率。这些同步电机使用例如来自燃气涡轮发动机转子的径向驱动轴和齿轮箱的复杂机械传动系统而耦合到燃气涡轮发动机的转子。这些同步电机安装在燃气涡轮发动机上的如下位置：如果存在关于同步电机的故障，则在该位置处可容易地接近这些同步电机以进行维护和/或更换。
提出了将同步电机嵌入在燃气涡轮发动机中，例如同步电机的转子耦合到燃气涡轮发动机的转子。嵌入式同步电机的优点在于：其允许去除或者极大地简化复杂的机械传动系统，以提供显著的操作和效率益处。然而，如果存在故障/失灵，则这些嵌入式同步电机难以被去除和更换。EP0659234B1公开了在燃气涡轮发动机中使用耦合式同步电机和嵌入式同步电机。
所期望的是使用同步电机来起动燃气涡轮发动机以及发电，因为这去除对空气起动器的依赖并且提供额外的发动机设计益处。功率电子接口配备有同步电机以使得同步电机能够充当电动机而非发电机。特别地，功率电子接口允许输入和输出频率不同，与同步电机正作为电动机操作还是作为发电机操作无关。利用功率电子转换器的发电机系统实现了功率密度很高的机器技术，例如在同步电机中采用的永磁体设计，其与传统的同步电机相比提供进一步的尺寸和重量益处。
需要用于航空器燃气涡轮发动机的高可靠性和故障容忍的嵌入式同步电机。特别地，需要容忍一相中的开路故障的同步电机。
因此，本发明寻求提供一种减少优选地克服上述问题的新型同步电机。
发明内容
因此，本发明提供了一种同步电机，其包括多相；检测部件，被布置为检测同步电机的至少一相中的故障；隔离部件，被布置为使同步电机的具有故障的至少一相隔离；相移部件，被布置为产生同步电机的剩余相内的电压（emf）和电流之间的受控相移以调整由同步电机的剩余相产生的二次谐波功率的相角，使得同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动，并且相移部件被布置为使所有剩余相的相角移动相同的预定角以使同步电机的功率输出最大化。
优选地，相移部件包括多个转换器，每相具有相应的转换器。
优选地，同步电机是电动机/发电机。
优选地，同步电机是起动器/发电机。
优选地，同步电机包括永磁体电机。
优选地，同步电机包括具有多个周向隔开的永磁体的转子和具有多个电线圈的定子。
优选地，同步电机包括三相或更多相。
优选地，同步电机包括五相。五相按相隔72电度布置。
典型地，五相按相隔72电度布置并且五相的二次谐波功率角间隔144电度的角，相移部件被布置为产生同步电机中的剩余相的第一相内的电压（emf）和电流之间的18度相移提前，剩余相的第二相内的电压（emf）和电流之间的36度相移提前，剩余相的第三相内的电压（emf）和电流之间的54度相移提前，剩余相的第四相内的电压（emf）和电流之间的72度相移提前，使得同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。
优选地，相移部件被布置为针对所有剩余相产生额外的45度相移延迟以使同步电机的功率输出最大化。
优选地，相移部件被布置为产生剩余相的第一相中的净27o相角延迟，剩余相的第二相中的净9o延迟，剩余相的第三相中的净9o相角提前以及剩余相的第四相中的净27o相角提前。
优选地，同步电机包括同步磁阻电机。
本发明还提供了一种操作包括多相的同步电机的方法，该方法包括：检测同步电机的至少一相中的故障；使同步电机的具有故障的至少一相隔离；产生同步电机的剩余相内的电压（emf）和电流之间的受控相移以调整由同步电机的剩余相产生的二次谐波功率的相角，使得同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动，并且使所有剩余相的相角移动相同的预定角以使同步电机的功率输出最大化。
优选地，每相具有相应的转换器，该方法包括使用转换器来产生受控相移。
优选地，同步电机是电动机/发电机。
优选地，同步电机是起动器/发电机。
优选地，同步电机包括永磁体电机。
优选地，同步电机包括具有多个周向隔开的永磁体的转子和具有多个电线圈的定子。
优选地，同步电机包括三相或更多相。
优选地，同步电机包括五相。
优选地，五相按相隔72电度布置。
典型地，五相按相隔72电度布置并且五相的二次谐波功率角间隔144电度的角，以产生同步电机中的剩余相的第一相内的电压（emf）和电流之间的18度相移提前，剩余相的第二相内的电压（emf）和电流之间的36度相移提前，剩余相的第三相内的电压（emf）和电流之间的54度相移提前，剩余相的第四相内的电压（emf）和电流之间的72度相移提前，使得同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。
优选地，针对所有剩余相产生额外的45度相移延迟以使同步电机的功率输出最大化。
优选地，产生剩余相的第一相中的净27o相角延迟，剩余相的第二相中的净9o延迟，剩余相的第三相中的净9o相角提前以及剩余相的第四相中的净27o相角提前。
可选地，同步电机包括同步磁阻电机。
附图说明
将参照附图借助于示例更全面地描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的具有同步电机的涡轮风扇式燃气涡轮发动机。
图2示出图1中示出的同步电机的部分横截面视图。
图3示出根据本发明的同步电机和功率电子转换器的示意图。
图4a是示出正常操作中的五相同步电机的二次谐波功率向量的曲线图。
图4b是示出正常操作中的五相同步电机的二次谐波功率向量的曲线图，其中二次谐波功率向量被重新布置以示出它们总和为零。
图5a是示出其中一相具有开路故障的五相同步电机的二次谐波功率向量的曲线图。
图5b是示出其中一相具有开路故障的五相同步电机的二次谐波功率向量的曲线图，其中二次谐波功率向量被重新布置以示出它们总和不为零。
图6是示出在二次谐波功率向量的相角已被调整因此它们总和为零之前和之后的其中一相具有开路故障的五相同步电机的二次谐波功率向量的曲线图。
图7是示出在故障之前以及在一相中的开路故障后的相角重新平衡之后的五相同步电机的无波动功率相量的曲线图。
图8是示出在故障之前以及在一相中的开路故障后的用于增加功率的相角重新平衡和相移之后的五相同步电机的无波动功率相量的曲线图。
具体实施方式
如图1中示出的涡轮风扇式燃气涡轮发动机10包括进气口12、风扇部分14、压缩机部分16、燃烧部分18、涡轮部分20和排气口22。涡轮部分20包括高压涡轮、中压涡轮和低压涡轮。压缩机部分包括中压压缩机和高压压缩机，且风扇部分包括风扇。高压涡轮被布置为经由第一轴驱动高压压缩机，中压涡轮被布置为经由第二轴驱动中压压缩机，而低压涡轮被布置为经由第三轴驱动风扇。同步电机40被嵌入在涡轮风扇式燃气涡轮发动机10中。
如图2中更清楚地示出的同步电机40包括：转子42，具有在转子42的外周上的多个周向隔开的永磁体43；和定子44，具有布置在定子44上的径向向内延伸的齿状物48上的多个电线圈46。线圈46被布置成多个发电相。在该布置中同步电机40的转子42由涡轮风扇式燃气涡轮发动机10的第三轴驱动，但是可以同样地由涡轮风扇式燃气涡轮发动机10的第二轴或第一轴驱动。
同步电机40，特别地是永磁体发电机，包括多个等同的相50A、50B、50C、50D和50E，它们彼此磁隔离、电隔离和热隔离，使得任何一相中的故障不会影响任何其他相。永磁体发电机40的这些相50A、50B、50C、50D和50E的电阻抗被有意地布置为高以限制在同步电机端子处的短路条件期间发生的故障电流，使得系统能够继续在所设计的热限制内安全地操作。
在永磁体发电机40的端子处产生的交变电压的幅度随着永磁体电机40的转子的旋转速度并因此随着涡轮风扇式燃汽涡轮发动机10的转子的旋转速度而改变，并且源阻抗随着电负载改变而引起添加的调节作用。这种永磁体发电机40的多相性质意味着输出相必须被组合以使输出功率能够被实用地分送到电负载中心。
同步电机40的每相50A、50B、50C、50D和50E配备有多个功率电子交流-直流（AC-DC）转换器52A、52B、52C、52D和52E中的相应一个转换器。使用这些功率电子AC-DC转换器52A、52B、52C、52D和52E来解决电力发电机相的组合和电压调节问题，如图3中所示，所述转换器使得系统能够在公共DC总线53处组合。对于AC-DC转换器52A至52E，有可能产生不同于350伏特的电压。可选地，转换器52A至52E可以是AC-AC转换器。
已知单电相提供电功率，其在相对于电压和电流的电频率的二次谐波频率下脉动。
同步电机40针对其正常操作条件（即无故障）进行最优化。例如，同步电机40具有五相50A、50B、50C、50D和50E，并且各相的e.m.f（电动势）被布置为相隔.72电度。这在同步电机40的设计中是固定的。通常对于具有m相的同步电机40，各相被布置为相隔360/m电度并且m相的二次谐波功率角在无故障操作中间隔2×360/m电度的角。
这种同步电机40在不存在故障时的正常操作中工作良好。然而，一旦发生开路故障，则同步电机40的关联故障相被隔离，丧失了组合的恒定功率输出特性。该问题发生的原因是从同步电机40的剩余四相贡献的功率的二次谐波分量不再相加为零。由于得到的大扭矩波动，因此这是严重的缺点。
在本发明中，转换器被布置即被操作为当电路配置在开路故障条件期间改变时恢复抵消二次谐波功率。例如，如果在第五相50E中存在故障，则转换器52E检测到同步电机40的第五相50E中的故障并且转换器52E被布置为隔离同步电机40的第五相50E。剩余的转换器52A、52B、52C和52D被布置为产生同步电机40的剩余相50A、50B、50C和50D内的基础电压（e.m.f）和基础电流之间的受控相移，使得同步电机40的剩余相50A、50B、50C和50D的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。
特别地，剩余转换器52A、52B、52C和52D被布置为调整由同步电机40的剩余相50A、50B、50C和50D产生的基础电流的相角，使得剩余相之间的间隔角再次是相等的，即90电度，使得同步电机40的剩余相50A、50B、50C和50D的二次谐波电流向量的向量和实际上是零。这消除或者基本上消除同步电机40中的扭矩波动。
一旦二次谐波功率向量已被布置为它们总和为零，则剩余转换器52A、52B、52C和52D随后均被布置为使剩余相50A、50B、50C和50D中的基础电流的相角移动相同的角，使得同步电机的输出扭矩/功率被最大化。
将参照具有五相的同步电机来描述本发明的原理。
考虑承载基础正弦e.m.f E.sin(wt)和基础电流I.sin(wt+phi)的单相，其中phi是e.m.f和电流之间的相角。该相中的瞬时功率p是：-
1. P= E.I.sin(wt).sin(wt+phi)=0.5E.I[cos(phi)-cos(2wt+phi)]
在五相故障容忍的同步电机中的故障前，各相（编号为0，1，2，3和4）具有它们的在时间上等距隔开的e.m.f，使得当所有相在相同的相角phi下操作（即优选的平衡操作）时，它们的净瞬时功率P是：-
2. P=p0+…+p4=0.5{5E.I.cos(phi)-E.I.[cos(2wt+phi+(0×144o))+… +cos(2wt+phi+(4×144o)]}
3. 其中144o=2×72o并且是五相同步电机中的二次谐波功率的间隔（即360o/5=72o）。
4. 还参见图4a和4b，代数学表明形式cos(2wt+phi+(n×144o))的所有项总和是零，其中n=0，1，2，3或4。因此对于五相同步电机，故障前的瞬时电功率与时间无关即P=2.5E.I.cos(phi)，并且因此在同步电机中不存在扭矩波动。
现在假设在同步电机的五相的一相比如说是相0中发生开路故障。参见图5a和5b，来自方程2的形式cos(2wt+phi+(n×144°))的四个剩余项不再总和为零，并且因此净瞬时电功率包括cos(2wt+…)项。因而，相0中的故障在同步电机中引入了扭矩波动。
本发明寻求恢复同步电机的平衡操作，使得cos(2wt+…)项再一次被抵消，尽管同步电机在一相中具有开路故障。
本发明通过使用每相的功率电子转换器来调整各相的基础电流的相角phi来实现这一点。根据方程2看到，如果使各相的电流的相角在逆时针方向上提前如下，则得到了功率平衡的四相系统，参见图6：-
4a. 相3，phi=phi+18o；相1，phi=phi+36o；相4，phi=phi+54o和相2，phi=phi+72o。
在方程5中给出了重新平衡的数学，其中仅列出了来自方程2的功率的二次谐波项以便于证明重新平衡之后它们总和为零：-
5. p'二次谐波=0.5E.I[cos(2wt+{phi+36o}+144o)+cos(2wt+{phi+72o} +288o)+cos(2wt+{phi+18o}+432o)+cos(2wt+{phi+54o}+576o)]
6. 因此，p'二次谐波=0.5E.I[cos(2wt+phi+180o)+cos(2wt+phi+0o)+ cos(2wt+phi+90o)+ cos(2wt+phi+270o)]=0
7. 既然每相具有其自身的与其他相中的相角不同的相角，那么根据方程1和4a，净时不变或无波动功率，即方程2中的0.5×5E.Icos(phi) = 2.5E.Icos(phi)变为：-
8. 无扭矩波动的功率p'=0.5E.I[cos(phi+36o)+cos(phi+72o)+ cos(phi+18o)+ cos(phi+54o)]
8a. 如果故障前，由方程1给出的来自五相的无波动功率被定义为100%功率。
9. 则对于一相开路，假设无故障的剩余四相没有增容（up-rating），最大无波动功率潜在地是80%。
10. 然而，方程8中给出的无波动功率小于80%最大值。由与用于计算电机绕组的分布因数相似的数学可以表明：方程8，即当一相先前已变为开路时的故障后重新平衡，仅代表53%无波动功率，参见图7。
总输出无扭矩波动功率的减少主要归因于调整功率的二次谐波分量的相对相角以便于抵消的动作。这使得产生无用的无功功率，其减少可用的总有功功率。
参见图8，为了从53%向80%水平恢复无波动功率，有必要使合成的p'延迟，即顺时针旋转45o，使得其与“来自四相的潜在”线对齐并从而贡献其全部75%无波动功率。
11. 该旋转是通过如下方式实现的：使用每相上的功率电子转换器将相角phi改变为phi - 45o。在数学上方程8变为：-
12. 无扭矩波动功率p"=0.5E.I[cos(phi-45o+36o)+cos(phi-45o+72o)+ cos(phi-45o+18o)+ cos(phi-45o+54o)]=0.5E.I[cos(phi-9o)+cos(phi+27o) +cos(phi-27o)+ cos(phi+9o)]
三角恒等式cos(A-B)+cos(A+B)=2.cosA.cosB可以用于简化方程12如下：-
13a. cos(phi-9o)+cos(phi+9o)=2cos(phi)cos(9o)
13b. cos(phi-27o)+cos(phi+27o)=2cos(phi)cos(27o)
14. 因此，p"=0.5E.I×2cos(phi)×[cos(9o)+cos(27o)]=1.879E.I.cos(phi)。
15. 从方程7、8a和14看到，开路故障后和重新平衡后的无波动功率可以高达p"/p=1.879/2.5×100%=75%。
16. 由于来自五相同步电机的四相的最大功率是额定功率的80%，因此实施无波动策略的成本仅为额定功率的80-75%=5%。
如果故障前相角phi使得phi的模数>0o，则可以使phi的模数向零减少以增加功率，从而使无波动策略的成本（方程16）向零减少。当实施以上策略时，存在针对每相的相角的多种改变（多达三种）。智能控制器能够立刻实现所有这些改变。注意，在上文大部分中，电功率是用于描述无波动策略的参数。然而，由于（i）功率是旋转速度和扭矩的乘积以及（ii）旋转速度被假设为明显恒定（这在例如在由航空器燃气涡轮发动机驱动的同步电机中电功率与系统功率相比是小的时候是真的），因此上述内容同样良好地应用于无波动电磁扭矩。
本发明的优点在于其允许具有一相中的开路故障的同步电机在不产生扭矩波动的情况下操作同时产生较接近于故障同步电机的理论最大值的扭矩/功率，例如其使同步电机的无扭矩波动功率输出最大化。因而，这将消除因谐振引起的振动和/或损坏。
本发明可应用于具有多个独立相（特别地是三相或多相）的任何同步电机，并且每个独立相具有其自身的独立功率电子转换器并且假如各相是平衡的并且在故障前在时间上等距隔开。注意，故障容忍的同步电机通常具有四相、五相、六相或七相。
尽管通过参照单相中的故障和单相的隔离来描述了本发明，但是本发明同样可应用于存在不止一相中的故障以及不止一相的隔离的情况。尽管通过参照永磁体同步电机来描述了本发明，但是本发明还可应用于同步磁阻电机或者其他电机。本发明可应用于任何拓扑的同步电机，例如轴向磁通电机。本发明还可应用于除1标么（per unit）电抗电机以外的同步电机。
尽管通过参照涡轮风扇式燃气涡轮发动机来描述了本发明，但是本发明同样可应用于其他航空燃气涡轮发动机，例如涡轮喷气、涡轮螺旋桨或涡轮轴燃气涡轮发动机并且还可应用于海运和工业燃气涡轮发动机。
尽管通过参照三轴燃气涡轮发动机来描述了本发明，但是其同样可应用于双轴燃气涡轮发动机或单轴燃气涡轮发动机。
尽管通过参照嵌入在燃气涡轮发动机中的同步电机来描述了本发明，但是同样可能将本发明应用于燃气涡轮发动机上的其他位置处的同步电机。
本发明还可应用于其他应用的同步电机，尤其可应用于例如其中例如在安全关键应用中需要高扭矩密度和高可用性的故障容忍的同步电机。
在本发明中，无波动功率指的是同步电机的轴/转子上的机械功率，而非同步电机的端子处的电功率。

Claims (20)

1.一种同步电机（40），包括：多个独立相（50A、50B、50C、50D、50E）；检测部件，被布置为检测所述同步电机（40）的至少一相（50E）中的故障；隔离部件，被布置为使所述同步电机（40）的具有故障的所述至少一相（50E）隔离；相移部件（52A、52B、52C、52D），被布置为产生所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）内的电压（emf）和电流之间的受控相移以调整由所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）产生的二次谐波功率的相角，使得所述同步电机的剩余相的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动，并且所述相移部件（52A、52B、52C、52D）被布置为使所有所述剩余相（50A、50B、50C、50D）的相角移动相同的预定角以使所述同步电机（40）的功率输出最大化。
2.根据权利要求1所述的同步电机，其中所述相移部件（52A、52B、52C、52D、52E）包括多个转换器，每相（50A、50B、50C、50D、50E）具有相应的转换器。
3.根据权利要求1或2所述的同步电机，其中所述同步电机（40）是电动机/发电机。
4.根据权利要求1或2所述的同步电机，其中所述同步电机（40）是起动器/发电机。
5.根据权利要求1所述的同步电机，其中所述同步电机（40）包括永磁体同步电机或者同步磁阻电机。
6.根据权利要求5所述的同步电机，其中所述同步电机（40）包括具有多个周向隔开的永磁体（43）的转子（42）和具有多个电线圈（46）的定子（44）。
7.根据权利要求1所述的同步电机，包括三相或更多相（50A、50B、50C、50D、50E）。
8.根据权利要求7所述的同步电机，包括五相（50A、50B、50C、50D、50E）。
9.根据权利要求8所述的同步电机，其中所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）按相隔72电度布置。
10.根据权利要求9所述的同步电机，其中所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）按相隔72电度布置并且所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）的二次谐波功率角间隔144电度的角，所述相移部件（52A、52B、52C、52D）被布置为产生所述同步电机（40）中的剩余相的第一相（50A）内的电压（emf）和电流之间的18度相移提前，剩余相的第二相（50B）内的电压（emf）和电流之间的36度相移提前，剩余相的第三相（50C）内的电压（emf）和电流之间的54度相移提前，剩余相的第四相（50D）内的电压（emf）和电流之间的72度相移提前，使得所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。
11.根据权利要求10所述的同步电机，其中所述相移部件（52A、52B、52C、52D）被布置为针对所有剩余相（50A、50B、50C、50D）产生额外的45度相移延迟以使所述同步电机的功率输出最大化。
12.一种燃气涡轮发动机（10），包括根据权利要求1至11中任一项所述的同步电机（40）。
13.一种操作包括多个独立相（50A、50B、50C、50D、50E）的同步电机（40）的方法，所述方法包括：检测所述同步电机（40）的至少一相（50E）中的故障；使所述同步电机（40E）的具有故障的所述至少一相（50E）隔离；产生所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）内的电压（emf）和电流之间的受控相移以调整由所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）产生的二次谐波功率的相角，使得所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动；并且使所有所述剩余相（50A、50B、50C、50D）的相角移动相同的预定角以使所述同步电机（40）的功率输出最大化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中每相（50A、50B、50C、50D、50E）具有相应的转换器，所述方法包括使用所述转换器来产生所述受控相移。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述同步电机是电动机/发电机。
16.根据权利要求13所述的方法，包括三相或更多相（50A、50B、50C、50D、50E）。
17.根据权利要求16所述的方法，包括五相（50A、50B、50C、50D、50E）。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）按相隔72电度布置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）按相隔72电度布置并且所述五相（50A、50B、50C、50D、50E）的二次谐波功率角间隔144电度的角，以产生所述同步电机（40）中的剩余相的第一相（50A）内的电压（emf）和电流之间的18度相移提前，剩余相的第二相（50B）内的电压（emf）和电流之间的36度相移提前，剩余相的第三相（50C）内的电压（emf）和电流之间的54度相移提前，剩余相的第四相（50D）内的电压（emf）和电流之间的72度相移提前，使得所述同步电机（40）的剩余相（50A、50B、50C、50D）的二次谐波功率向量的向量和是零以消除扭矩波动。
20.根据权利要求19所述的方法，针对所有剩余相（50A、50B、50C、50D）产生额外的45度相移延迟以使所述同步电机（40）的功率输出最大化。
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