CN102883950B - 带有转子的推进发动机 - Google Patents

Abstract

一种可驱动推进发动机转子携带的旋转安装构件的致动装置(1)，所述致动装置包括：至少一个电源(2，2′)；旋转所述旋转安装构件的电动致动器(3)；以及将所述电源(2，2′)连接到所述致动器(3)上的电源电路(4，4′)；致动装置的特征在于，其进一步包括连接到所述电源电路(4，4′)上的惯性装置(5)，所述惯性装置(5)可将来自所述电源电路(4，4′)的电能转换成机械能，以储存所述机械能，以及将所述机械能转换成供所述电源电路(4，4′)使用的电能。

Description

带有转子的推进发动机

技术领域

本发明涉及到推进发动机领域，在这种发动机中，转子带有旋转安装的部件。

特别是在航空领域使用的一种人们已知的推进发动机为“开式转子”或无函道风扇发动机。

背景技术

在这种发动机上，转子带有多个能够旋转的叶片，以改变相对于该转子的螺距。为此，提供有一个或多个修正叶片螺距的致动器。根据叶片的螺距和作用在叶片上的气动力应力，致动器可选择作为电动机还是制动器使用。

例如，致动器可以是一种电动致动器。在这种情况下，在其作为电动机使用时，需要提供电力，而当其作为制动器使用时，则又必须收回其所输送的动力。

为此，人们知道，使用电源电路将电源连接到致动器上。电源电路包括直流(DC)供电总线和将总线连接到致动器上的整流器/逆变器。当致动器作为电动机使用时，总线将动力从电源传输给整流器/逆变器，后者而后作为逆变器工作，向致动器提供交流(AC)电压。当致动器作为制动器工作时，致动器所输出的交流电压由整流器/逆变器整流并在于电源总线相连的耗散电阻中耗散。

这种解决方案具有几个缺陷。

首先，电源规格需要设计，当致动器作为电动机进行大幅度工作时，以便能够输送执行机所需的功率。通常，该电源必须—例如—输送3300W的峰值功率。当致动器连续进行小量定位动作时，该功率完全在致动器所需功率之上，为此，该功率一般在500W左右。这种高功率需要从定子传输到转子，从而受到设计条件的约束。

此外，考虑到叶片动作产生的耗散小和致动器效能高，在致动器作为电动机使用时，电源输送的大部分功率需要致动器作为制动器使用时在耗散电阻内耗散。通常，通过采用上述值，电阻需要能够耗散2800瓦峰值功率和300瓦持续功率。

最后，人们知道，按照适用于推进发动机的适航规则要求，对推力有影响的电力系统必须采用冗余方式设置。这样，电源、电源总线、耗散电阻、以及整流器/逆变器都需要采用冗余方式设置。因此，必须提供两个耗散电阻，即使安装约束条件会引起可用空间变小，而且还会对热交换器和/或耗散器带来影响。

美国专利文件US2008/0308685介绍了一种太阳能的飞翼式飞机，其带有变距叶片的螺旋桨。然而，该文件并没有详细介绍用来控制这些螺旋桨的电动机。特别是，该文件并没有介绍螺旋桨转子所携带的电动致动器。此外，该文件中介绍的飞轮位于飞翼式飞机结构内。因此，该文件没有给出针对高峰值功率问题的解决方案，而该高峰值功率是需要从定子传输到转子，目的是向由转子携带的旋转安装叶片的电动致动器提供动力。

因此，目前需要一种解决方案，从而能够使发动机转子的旋转安装部件得以更有效地动作。

发明内容

为此，本发明提供了一种致动装置，该致动装置可以驱动由推进发动机转子携带的旋转安装的部件，该致动装置包括：

·至少一个电源；

·旋转所述旋转安装部件的电动致动器；以及

·将所述电源连接到所述致动器上的电源电路；

所述致动装置的特征在于，其进一步包括连接到所述电源电路上的惯性装置，所述惯性装置可将来自所述电源电路的电能转换成机械能，可储存所述机械能，并可将所述机械能转换成电能，供所述电源电路使用。

根据这些特性，当致动器用作电动机时，至少一部分能量由惯性装置输送。这样，电源就不需要进行规格设计，从而能够输送致动器可能需要的最大功率。此外，当致动器作为制动器使用时，其所输送的至少一部分能量会由惯性装置来储存。这样，能量耗散就受到了限制，从而无需提供耗散电阻。

致动装置可以包括第二电源和第二电源电路，所述惯性装置连接到所述第二电源电路上，所述惯性装置可将来自所述第二电源电路的电能转换成机械能，并可将所述机械能转换成电能，供所述第二电源电路使用。这样，电源电路就需采用冗余方式设置，而惯性装置则为两个电源电路所共用。

在实施例中，电源电路包括：

·连接到电源上的直流电源总线；

·首先连接到电源总线其次连接到所述电动致动器的第一整流器/逆变器；以及

·首先连接到所述电源总线其次连接到所述惯性装置上的第二整流器/逆变器。

在这种情况下，根据电源输出电压和电源总线电源之间的差的变化情况，致动装置可以包括控制所述惯性装置的控制装置。

在实施例中，惯性装置包括旋转构件，根据所述旋转构件转速和设定转速之间的差的变化，控制装置可控制所述惯性装置。

控制装置可以确定扭矩设定值，所述控制装置包括扭矩限制器。

惯性装置可包括带有内转子或外转子的电动机。所述电动机可以带有一个飞轮。

本发明还提供一种带转子的推进发动机，所述转子带有至少一个旋转安装的叶片，所述推进发动机包括上述发明的致动装置，所述致动装置的致动器连接到所述叶片上。

在这种情况下，电源电路和惯性装置可以由所述转子携带。

通过阅读参照附图给出的如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，所示附图给出了非限定性的实施例。

附图说明

·图1为本发明实施例中的致动装置的示意图；以及

·图2为图1所示致动装置的一部分。

具体实施方式

图1为本发明实施例中致动装置1的示意图。致动装置1用来旋转由推进发动机(图中未示)转子所携带的旋转安装的部件。例如，致动装置用来改变开式转子或无函道风扇式发动机叶片螺距。

致动装置1带有两个电源2,2’、致动器3、两个供电电路4,4’，和惯性装置5。

每个电源2，2’用来向每个供电电路4，4’供电。电源2，2’的特性是需要能够将能量从静止参照系传输到旋转参照系(发动机转子)，例如，旋转参照系以每分钟900转(rpm)的速度旋转。这种情况意味着电源规格设计，就所传输的功率来讲，这是特别敏感的。不过，如下所述，致动装置1并不需要特别高的功率。为此，电源2,2’的规格可按限定功率来设计。

致动器3包括电动机6、机械传动系7、和传感器8，8’，9，9’。

例如，电动机6为带永磁铁的无刷三相同步电机。当其被机械驱动时，它可以作为发电机使用。电动机6的电气部分以冗余方式设置，如图1所示，图中的线将电动机分为两个部分。电动机的冗余可以是完整的(两个转子和两个定子，依次设置)或者其可以是带有两个定子槽的电动机。

机械传动系7将致动器3连接到发动机转子的旋转安装的部件上。为此，例如，机械传动系7可以将旋转动作转换为另一种旋转动作，但速度不同，或者，其可以将旋转动作转换为平移动作。

传感器8,8’测量电动机6轴的角度位置。它们连接到各自控制电动机6的控制装置13,13’上。传感器9,9’测量机械传动系7输出端的位置(旋转时或平移时的位置)。它们也可以连接到各自控制装置13,13’的传感器上，从而可以精确地伺服控制位置。下面将详细介绍控制装置13,13’的工作原理。致动器3还可以包括其它传感器(图中未示)，例如，温度测量传感器，以便进行相应的监控。

电源电路4包括直流电源总线10、第一整流器/逆变器11、第二整流器/逆变器12、和两个接口15。同样，电源电路4’包括直流电源总线10’、第一整流器/逆变器11’、第二整流器/逆变器12’、和两个接口15’。下面，详细介绍电源电路4，电源电路4’为冗余。

如图1所示，接口15用来将电源总线10连接到电源2或电源2’上。这样，如果其中一个电源2，2’出现故障，或者如果其中一个供电电路4，4’故障，致动装置1仍可保持工作。如图2所详细介绍的，接口15包括开关16、限流器17、和单向构件18。

电源总线10将接口15连接到整流器/逆变器11和整流器/逆变器12上。

整流器/逆变器11连接到致动器3上。按已知方式，可以作为逆变器工作，即，用来将电源总线10的直流电源转换为向致动器3供电的三相电压，而且，也可以用作整流器使用，即，将致动器3所输送的三相电压转换成电源总线10的直流电压。工作方式取决于控制负载比。

整流器/逆变器12连接到惯性装置5上。其可以作为逆变器工作，即，用来将电源总线10的直流电压转换为向惯性装置5供电的三相电压，而且，也可以用作整流器使用，即，将惯性装置5所输送的三相电压转换成电源总线10的直流电压。

惯性装置5包括飞轮形式旋转构件，可用来储存动能。为此，惯性装置5可包括无刷同步电动机。例如，惯性装置5可以包括带有内部转子的电动机，所述转子包括一个飞轮。在另一种形式中，惯性装置5包括带有外部转子的电动机。在这种情况下，转子可具有足够的惯性，飞轮就不需要了。惯性装置5的电动机优选为冗余方式设置，一部分连接到整流器/逆变器12上，另一部分连接到整流器/逆变器12’上。

惯性装置5优选围绕转子旋转中心同轴定位，为的是限制与离心加速度相关的机械应力。

如上所述，致动装置1还带有控制装置13,13’。更确切地说，控制装置13的第一部分具体连接到传感器8和9上，同时又连接到控制整流器/逆变器11和致动器6的电路上，控制装置13的第二部分连接到控制整流器/逆变器12的电路上。这样，控制装置的第一部分用来控制致动器6，而第二部分用来控制惯性装置5。发动机转子所携带的控制装置13还连接到传动电路14上，该电路与静止部分构成相通。控制装置13’为控制装置13的冗余。为此，其第一部分特别连接到传感器8’和9’上，同时又连接到整流器/逆变器11’的控制电路和致动器6上，其第二部分连接到整流器/逆变器12’的控制电路上。控制装置13’还连接到传输电路14’上。

图1采用单元装置形式示出了控制装置13和13’。不过，控制装置13和13’的每个部分都可以通过远端实体来构成，例如，基于可编程序逻辑原理(现场可编程门阵列(FPGA)，……)或一个或多个包括了控制程序的处理器原理的数字电路形式。在另一个方式中，控制装置13可以采用专用集成电路形式来实施。

下面参照电源电路4来介绍致动装置1的工作原理。显然，该工作原理与电源电路4’一起采用冗余形式设置。

当致动器3作为电动机工作时，以需要功率的动作来旋转叶片，控制装置13会控制整流器/逆变器11来输送所需要的交流电压。该电能经由电源总线10来自电源2或2’，和/或来自惯性装置5。控制装置13可以并行工作，使惯性装置5旋转构件减速，将所产生的交流电压转换成整流器/逆变器12所需的直流电压。

当致动器3作为制动器工作时，以会产生功率的动作来旋转叶片时，控制装置13控制整流器/逆变器11将致动器3输送的交流电压转换成直流电压。与此同时，控制装置13控制整流器/逆变器12吸收输送到电源总线10的功率，并将其转换成交流电压，以便加速惯性装置5的旋转构件。

于是，当致动器3作为电动机工作时，所必需的功率并不是完全由电源2或2’来输送，结果，这些电源可以有限地进行规格设计。此外，在致动器3作为制动器工作时，其产生的功率并不需要在耗散电阻内耗散。相反，其可以转换并储存，以备后用。

因此，电源2和2’仅需要提供对应于控制电路和惯性装置5的中等功率。通常，在尺寸设计的一个示例中，电源2和2’需要输送的功率可以是275W，而不是现有技术解决方案中的3300W的峰值功率和500W持续功率。

此外，能量耗散主要相当于控制电路的消耗和整流器/逆变器11,11’，12,12’的工作损耗。通常，例如，能量耗散为75W，而现有技术方案的能量耗散为350W。

下面介绍惯性装置5尺寸设计的一个示例。考虑了叶片驱动需要大幅度功，通常需要大约1千焦耳(kJ)。如果惯性装置5旋转构件转速工作范围选择为5000rpm到7000rpm时，那么，每平分米0.010千克(kg*m²)的惯性力矩足够了。使用带有内部转子和飞轮的电动机或带有外部转子的电动机，可以很容易地获得上述惯性力矩。在上述转速范围内产生的扭矩限定在7牛顿米(Nm)到8Nm。低速工作也可限定磁性损失和气隙通风损耗。

图2示出了图1所示的一些部件。此外，在控制装置13中，示出了控制方法的一个示例，该方法可以通过控制装置13第二部分来实施，即，控制惯性装置5的整流器/逆变器12的那部分。下面介绍该示例。控制装置13第一部分本身可以采用传统方式实施扭矩环路，后者受速度环路的支配，而速度环路本身又由位置环路来决定。

除了上述传感器外，控制装置13连接到测量电源2或2’所输送电压V2的传感器(图中未示)和测量电源总线10的电压V10的传感器(图中未示)上。电压V10可以不同于电压V2，例如，因为整流器/逆变器11吸收的电流大于限流器17的限制范围Ismax时，电压V10会下降。为此，该电源所输送的最大功率为V2*Ismax。

控制装置13还连接到测量惯性装置5内电流的传感器19，从而可以确定惯性装置5的扭矩T，并连接到测量惯性装置5旋转速度W的传感器20上。在另一个方式中，不是采用传感器20，控制装置13而是根据控制装置13所存储的各种调节参数，通过可计算旋转速度W的估算器21来估算旋转速度W。

控制装置13实施调节环路，该环路特别利用了电压调节器22、速度调节器23、和扭矩或电流调节器24。

速度调节器23在转速设定值Wmoy和惯性装置5旋转速度W之间存在差异，该差异作为其输入参数，由传感器20测量或估算器21估算得出。速度调节器23的输出是第一扭矩设定值Txv,扭矩限制器27将该值限定在-Tv到+Tv范围之间。选择阈值Tv，这样：

Wmoy*Tv<(V2*Ismax–控制电路损耗)

这样，因为电源2或2’所输送的功率，就可以始终输送速度调节器23所要求的最大扭矩。

电压调节器22的输入取决于电压V2和电压V10之间的差。于是，电压调节器22输送第二扭矩设定值Txu，该值由扭矩限制器26限定在-Tu到+Tu范围之间。该设定值试图通过在电源总线10和惯性装置5之间施加功率传输方向和幅度来缩小电压V2和V10之间的差。该功率接近转速W乘以扭矩T的积。为此，最大传输功率是Wmax*Tu，式中Wmax是惯性装置5的最大转速。电压调节器22优选为比例积分(PI)或比例积分微分(PID)型。

电压调节器22的输入不一定等于电压V2和电压V10之间的差。

当电压V10和V2之间的差小于阈值dVbus时，模块29使电压调节器22的输入为零。只要对电源总线10的功率需求小于功率V2*Imax，限流器17就不会动作，电压V10就只会稍小于V2。在这种情况下，电压调节器22不控制扭矩。只要电源2或2’能够输送电源总线10所要求的功率，模块29从而可以避免从惯性装置5吸取能量。相反，一旦电源总线10的需求电流超过Ismax，限流器17开始动作，电压V2和V10之间的差会超过dVbus。在这种情况下，电压调节器22要求惯性装置5的扭矩Txu，试图缩小该差。

此外，模块28布置在确定电压V2和V10之间差的部件30的上游。当电压V2小于Vmin时，例如，如果电源2,2’出现故障时，模块28可提供恒定电压Vmin。这样，在这种情况下，即使电压V2和V10为零或几乎为零时，速度调节器22的输入等于Vmin-dVbus，而且，速度调节器22要求制动扭矩Txv，从而由惯性装置5向电源总线10供电。为此，只要惯性装置5内存储的能量使其成为可能，电源总线10便可以得到供电。

增加速度调节器23和电压调节器22的扭矩设定值Txv和Txu是为了确定整体扭矩设定值Tx。扭矩调节器24的输入值相当于整体扭矩设定值Tx和传感器19所测量扭矩T之间的差。扭矩调节器24采用双象限工作，即，带有两个扭矩方向，只沿一个旋转方向工作。

电压调节器22的动态响应比速度调节器23的动态响应要快。此外，值Tu比值Tv大得多。因此，电压调节器22优先于速度调节器23。换句话说，惯性装置5的扭矩主要是根据电压V2和V10之间差的变化来确定。

致动装置1在采用上述方式由控制装置13来控制时，其工作原理如下。

在致动器3以零功率或低电平电动机功率工作阶段期间，即当与电源总线10相连接的部件消耗的功率小于V2*Ismax时：

如果旋转速度W等于设定转速Wmoy，电压调节器22不要求任何扭矩，因为V10-V2<dVbus。电源2或2’提供消耗的所有能量。能量消耗部分是：整流器/逆变器11和12和致动器3的控制电路、致动器3、和惯性装置5，在速度调节器23的作用下，惯性装置5需要功率，为的是保持转速Wmoy(例如，补偿由于轴承、空气摩擦、磁性损失，以及焦耳效应损失等产生的损耗)。

如果旋转速度W小于设定值Wmoy时，电压调节器22不会要求任何扭矩，因为V10-V2<dVbus。电源2或2’提供消耗的所有能量。能量消耗部分是：整流器/逆变器11和12和致动器3的控制电路、致动器3、和惯性装置5，在速度调节器23的作用下，惯性装置需要功率，为的是加速至转速Wmoy。因为扭矩限制器27的作用，加速度所需要的功率小于或等于Wmoy*Tv。选择阈值Tv，这样，该功率小于可用功率(V2*Ismax-控制电路损失)。

如果旋转速度W大于设定转速Wmoy，所有能量由惯性装置5提供。速度调节器23向惯性装置5施加制动扭矩Txv，使其值限定到Tv。该制动扭矩引起功率在惯性装置5和电源总线10之间传输，数值接近Txv*W。结果，电压V10会趋于增加。该电压的增加有两个作用：第一，防止电源2,2’出现任何电流(单向部件18)，第二，利用电压调节器22(V10>V2)。电压调节器22试图沿与转速调节器扭矩值Txv的相反方向施加扭矩Txu，从而限定电压V10的增加。围绕工作点(Txv-Txu)*W＝电源总线10上的消耗功率而找到平衡。能量消耗部分是控制电路和致动器3。

在致动器3以高电平电动机功率工作阶段期间，即当与电源总线10相连接的部件消耗的功率大于V2*Ismax时：在这种情况下，假定从电源总线10吸取电流时，电压V10会降到值V2-dVbus，从而产生的作用是利用电压调节器22，其会要求来自惯性装置5的制动扭矩Txu，从而利用了所存储的动能。速度调节器23试图通过施加与电压调节器22的扭矩相反的扭矩Txv来保持转速。然而，在Tv时，扭矩Txv被覆盖，该值大大小于Tu。围绕工作点而找到平衡：(Txu-Tv)*W+V2*Ismax＝控制电路损耗加上致动器3所消耗的功率。

在致动器3作为发电机工作阶段期间，以及在高功率时，即，当从致动器6传输到电源总线10的功率大于控制电路所消耗的功率时：在这种情况下，因为输送给电源总线10的电流的缘故，电压V10会大于V2，这样，所产生的作用是阻止来自电源2或2’的任何功率，并利用电压调节器22。电压调节器22要求惯性装置5的加速度扭矩，以便从电源总线10提取可用的剩余功率，并以动能形式存储能量。速度调节器23试图通过施加与电压调节器22扭矩相反的扭矩Txv来保持转速。然而，在Tv时，扭矩Txv被覆盖，该值大大小于Tu。围绕工作点而找到平衡：(Txu-Tv)*W+控制电路损耗＝致动器3所述输送的功率。

显然，在另一个方式中，其它方法也可用来控制惯性装置5，根据致动器3的工作原理，将来自电源电路的电能转换成机械能，储存机械能，以及将机械能转换成电能，供电源电路使用。

Claims (9)

1.一种带有转子的推进发动机，所述转子携带至少一个旋转安装的叶片和连接到所述叶片上的致动装置(1)，所述致动装置(1)包括：

至少一个电源(2，2′)；

转子携带的电动致动器(3)，目的是驱动所述叶片；以及

转子携带的并将所述电源(2，2′)连接到所述致动器(3)上的电源电路(4，4′)；

所述发动机的特征在于，致动装置进一步包括由转子携带并连接到所述电源电路(4，4′)上的惯性装置(5)，所述惯性装置(5)可将来自所述电源电路(4，4′)的电能转换成机械能，储存所述机械能，以及将所述机械能转换成供所述电源电路(4，4′)使用的电能。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，致动装置进一步包括第二电源(2，2′)和第二电源电路(4，4′)，所述惯性装置(5)连接到所述第二电源电路(4，4′)上，所述惯性装置(5)可将所述第二电源电路(4，4′)的电能转换成机械能，并可将所述机械能转换成供所述第二电源电路(4，4′)使用的电能。

3.根据权利要求1或2所述的发动机，其特征在于，所述电源电路(4，4′)包括：

连接到所述电源上的直流电源总线(10，10′)；

首先连接到所述电源总线(10，10′)和其次连接到所述电动致动器(3)上的第一整流器/逆变器(11，11′)；以及

首先连接到所述电源总线(10，10′)和其次连接到所述惯性装置(5)上的第二整流器/逆变器(12，12′)。

4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，根据电源输送的电压(V2)和电源总线的电压(V10)之间的差，致动装置进一步包括可控制所述惯性装置(5)的控制装置(13，13′)。

5.根据权利要求4所述的发动机，其特征在于，所述惯性装置(5)包括旋转构件，根据所述旋转构件旋转速度(W)和设定速度(Wmoy)之间的差，所述控制装置可控制所述惯性装置。

6.根据权利要求4或5所述的发动机，其特征在于，控制装置(13，13′)可确定扭矩设定值(T)，所述控制装置包括扭矩限制器(26，27)。

7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述惯性装置(5)包括带有内部转子的电动机。

8.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述惯性装置(5)包括带有外部转子的电动机。

9.根据权利要求7或8所述的发动机，其特征在于，所述电动机包括一个飞轮。