CN107666209A - 集成式无刷起动器发电机 - Google Patents

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Abstract

无刷起动器‑发电机系统包含在单个壳体(10)内。壳体(10)具有第一端部(18)和相对的第二端部(20)，所述第一端部(18)具有开口以从动力源接收驱动花键(16)。无刷旋转机器(32)位于邻近所述第一端(18)并且能够运动地连接到所述驱动花键(16)。功率控制单元(34)邻近所述第二端(20)并且电耦合到所述无刷旋转机器(32)。所述无刷旋转机器(32)选自同步电机、永磁电机和感应电机构成的组。电气与机械接口与相同额定的有刷式型号是相同的，可实现真正的“简易”更换功能，便于更换和升级。

Description

集成式无刷起动器发电机
背景技术
起动器-发电机系统广泛用于具有往复式或燃气涡轮发动机的飞机和其它交通工具上。起动器-发电机联接到与发动机或涡轮机叶片相连接的轴。在发动机启动期间，起动器-发电机系统起电动机的作用，使所述轴旋转以起动发动机。起动器-发电机系统在从发动机静止直到发动机转速接近怠速用作电机。一旦发动机达到怠速速度，起动器-发电机系统就起发电机的作用，其将运动的发动机的机械动力(轴旋转的形式)转换为可用的电功率，例如28VDC(伏特-直流)。
徐(Xu)等人的题为“Hybrid Gas Turbine Engine Starter-Generator(混合燃气涡轮发动机起动器-发电机)”的美国专利号7,327,048中公开了典型的起动器-发电机系统。碳刷(其选择性地可移动进入或退出与整流片(commutator segments)的电接触)将DC电源与转子绕组电耦合和分离。整个起动器-发电机系统位于发动机机舱中，所以维修或更换仅限于飞机的单个部分，并且可以相对容易地更换一个系统。有刷式起动器-发电机系统的问题包括需要定期更换刷子，并且刷子中的碳磨损颗粒产生脏污且有时危害环境。遇到的其他问题包括点火、效率差、可靠性差、拥有成本差等问题。
存在不需要碳刷的起动器-发电机系统。一个系统在帕特森(Patterson)的题为“Fault Clearing Method for Permanent Magnet Machines(永磁机的故障清除方法)”的美国专利号7,880,448中公开。该系统包括运动部分和功率转换部分。运动部分位于发动机机舱中，并且功率转换部分位于从客舱无法接近的机身部分中。载流电缆将运动部分连接到功率转换部分。
从有刷式系统到上述无刷起动器-发电机系统的更换或升级需要进入发动机机舱和机身两者。通常，互连电缆也必须更换。更换和升级费时，从而使飞机停止服务延长一段时间。
需要一种不具有上述缺点的起动器-发电机系统。典型的有刷式起动器-发电机系统的特点是具有以下特性：
·电机操作于电池提供的28伏直流电(VDC)上。由于电池可能部分耗尽，电机必须能够从18伏直流电(VDC)的输入来启动飞机发动机。电机产生至少33.9牛顿-米(25英尺-磅)的扭矩作为起动器。
·发电机输出为至少300安培(A)。
·外部发电机控制单元(GCU)用于调节电压，并提供保护功能
·起动器-发电机具有14.51千克(32磅)的标称重量、15.24厘米(6英寸)的最大直径、和27.94厘米(11英寸)的最大长度。
·起动器-发电机是空气冷却，并且不需要额外的冷却盘管。
当起动器-发电机被安装到飞机发动机的运动部分(涡轮轴)时，需要额外的特征是：
·提供在暴露于高达100摄氏度(℃)的入口温度下的延长的操作寿命的能力。
·承受长时间暴露于0至2000赫兹的20G(重力的20倍)振动的能力。
·当发动机浸没(soak)在-40℃温度下时，提供所需最大启动功率(33.9牛顿-米(25英尺磅)的扭矩)的能力。
·提供在暴露于高达150℃的回浸(soak-back)温度下的延长的操作寿命的能力。
·当暴露于空气传播的污染物(包括沙、灰尘、盐雾、潮湿、雨水和化学流体)时，提供延长的操作寿命的能力。
·抵抗模态(结构)变形的能力。
发明内容
本文公开一种包含在单个外壳内的起动机-发电机系统。其电气与机械接口相同于有刷式起动器-发电机的电气与机械接口，以方便更换或升级。壳体具有第一端和相对的第二端，所述第一端具有开口以从动力源接收驱动花键。无刷旋转机器位于邻近所述第一端并且运动上可连接到所述驱动花键。功率控制单元邻近所述第二端并且电耦合到所述无刷旋转机器。该无刷旋转机器选自同步机(synchronous machine)、永磁机(permanentmagnet machine)、感应机(induction machine)构成的组。
在一个实施例中，动力源是飞机涡轮发动机。
附图说明
图1示出一种无刷起动器-发电机，其具有的外周边与现有技术的有刷式起动器-发电机的外周边相同。该图还示出对于旋转机器和功率控制单元(PCU)的空间的相对分配。
图2揭示如何可将旋转机器配置在其分配空间内，而仍然在与有刷式起动器-发电机相同的尺寸内。
图3是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是同步机。
图4是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是永磁机。
图5是示出具有旋转机器和功率控制单元的起动器-发电机系统的框图，其中旋转机器是感应机。
图6是示出与启动期间使用的功率控制单元集成的同步机式旋转机器的示意图。
图7是功率控制单元的外部视图。
图8是图7的功率控制单元的示意图，其外部壳体被移除以示出下面的部件。
图9是在外部发电机控制单元(GCU)接合时的发电模式期间同步机的机器拓扑图。
图10是在外部发电机控制单元(GCU)分离时的启动模式期间同步机的机器拓扑图。
具体实施方式
图1示出用于起动器-发电机系统的壳体10，该起动器-发电机系统包括起动器-发电机单元(SGU)12和功率控制单元14。从壳体10的第一端18延伸的驱动花键16将起动器-发电机单元12运动地连接到动力源(诸如飞机涡轮发动机(未示出))。壳体10的相对的第二端20终止于进气管道22处。如图所示，壳体基本上是筒状的，具有15.24厘米(6英寸)的标称外径，其中筒体直径在第二端20处成锥形，从而在进气管道22处的直径近似为7.62厘米(3英寸)。除了进气管道22之外，长度约为27.94厘米(11英寸)。
参考图2，集成式无刷起动器-发电机30将无刷旋转机器32与其配套的功率控制单元(PCU)34组合在与上述有刷式起动器-发电机系统相同的外壳尺寸内。由于物理比例相似，并且机械与电气接口相同，因此它成为在中小型飞机上常用的有刷式起动器-发电机(其受到碳刷引起的问题的影响)的真正“简易”替换品。
单元30的无刷旋转机器32部分可使用针对旋转机器部分的任何数量的可实施的拓扑结构(例如，如图3所示的同步机(SM)、如图4所示的永磁机(PM)、或如图5所示的感应机(IM))，其选择将取决于最终应用的要求。如果使用PM机，则提供临时的或永久的轴分离(shaft disconnect)，以在系统发生危害故障的情况下停止所述单元转动和产生电力。在帕特森的US 7,880,448中公开了一种这样的轴分离。如果使用SM机或IM机，则当遇到类似情况时，使场进行退激(de-excite)就足够了。
返回参考图2，PCU 34与旋转机器32都被组合在单元30的同一壳体内。为了实现这一点，PCU 34必须简化、流线型化和小型化，同时坚固以耐受发动机机舱的恶劣环境。广泛使用软件或固件、大规模电路集成、模块化和封装。或者，考虑可承受发动机机舱的高温的半导体组合物，例如碳化硅。各种高效的功率转换拓扑(如维也纳(Vienna)整流)也可以采用，以减少装置的热负荷。
该装置在飞机发动机上应用于两种功能：
·起动发动机——电机模式方案，其起效于从静止状态到接近怠速的截止(cutoff)速度；
·产生电功率——被驱动模式，其将来自发动机的机械动力转换成可用电功率，例如28伏直流电(VDC)。
起动模式
在起动模式中，标称28伏直流电力由PCU 34取自机载电池、外部电源、或安装在已被起动(交叉起动)的第二发动机上的发电机。该低电压DC电力由PCU 34经由端子块35接受，然后根据感应场位置相比转子位置的关系从而被反转、调节并传送至SGU 32，以使每单位电流的转矩产生最大化。作为电动机，SGU 32因此快速高效地产生启动发动机所需的转矩。使用智能PCU 34相比换向器具有若干优点，其中最重要的是允许受控的“软启动”，以保护发动机及其传动系不受扭矩尖峰引起的应力，并导致电池的更低能量消耗。进而，这导致更多次的启动尝试成为可能。
发电模式
当发动机达到怠速速度并且能够进行自我维持操作时，该单元回复到发电模式。产生的电经由端子块35提供至飞机各功能。图3是“起动模式”与“发电模式”进行比较的框图。如果使用的设备是SM，则外部安装的发电机控制单元(GCU)36接管并改变旋转机器32的直流磁场，以调节38(POR为调节点)输出电压39，补偿在速度和电气负载上的变化。它还提供所需的保护功能，例如过压、欠压、过流、差动电流、以及辅助控制功能比如限流和接触器控制功率。在发动机启动期间最积极使用的PCU部分34仍然用于发电模式，以将旋转机器32的输出39整流为可由飞机负载42使用的直流。广泛应用同步整流以提高发电机的整体效率。
图6示意地示出同步机50。驱动轴16提供使旋转机器32在壳体10内围绕轴承52旋转的动力。快速附连/分离60通常包括对准系统(比如键装置)，以使得起动器-发电机能够以同轴关系耦合到飞机发动机、以及起动器-发电机能够与飞机发动机分离。图6还示出耦合到旋转机器的抗驱动端(anti-drive end,ADE)的PCU 34，以及电路卡组件(circuitcard assemblies,CCA)在密封隔室内的布置，以保护它们免受发动机机舱中遭遇的恶劣环境。散热片61与冷却空气一致布置。
图7示出功率控制单元34的外部视图，其包括用于向起动器-发电机单元传输DC电力或者从起动器-发电机单元传输DC电力的端子块35。场效应晶体管(FET)模块37将端子块35与功率控制单元34的其它部件互连，以将DC功率电气转换为驱动机器作为无刷发动机起动器的功能所需的AC脉冲。这在图8中更清楚可见，其中PCU壳体被移除以显露栅极驱动器CCA139，其根据转矩-速度曲线向FET模块37提供定时和逻辑。挠性电缆41将栅极驱动器CCA电连接到用于EMI和环境屏蔽的其它PC板。
图9所示的机器拓扑结构示出一种典型的二合一无刷同步机，其电连接到集成式PCU和远程GCU。作为发电机，GCU向励磁机控制场发送直流电流。这建立了静态直流磁场，激励器电枢(armature)的导体旋转通过该磁场从而产生交流电流。该交流电流由旋转二极管桥进行整流，并作为直流被输送到正在旋转的主磁场。因此，中断静止的主电枢中的导体，则产生可用的交流电力，其在被传送到DC端子之前由位于PCU FET内的二极管同步整流。GCU感测输出电压并相应地调节传送到控制场的直流电流，以保持受控的电压电平。因此，实现了由旋转无刷产生直流电力。
图10所示的机器拓扑结构示出图9中描绘的机器处于起动模式。它仍然与PCU集成，尽管只有电枢和重型阻尼器(amortisseur)杆用于使发动机动力化。在这种模式下，直流电力由PCU接收，然后被反转成交流，调节并传送到机器的电枢，就像受控感应电机一样。还可以通过现有技术中众所周知的许多其它方法使机器动力化。
当用作同步机时，有一些权衡技术：
·用于可控的直流磁场的绕场(wound field)
·小单元，但需要激励器54，以激励主磁场，而不采取刷或其它滑动触点
·旋转二极管级56来整流励磁机转子的交流输出
·使用机器的阻尼器电路58作为鼠笼进行感应启动
·作为发电机，简单和直接的调整；以及
·简单可变电压、可变频率(VVVF)转换器，以实现有效的启动周期
参考图4，如果所使用的旋转装置32是PM，则PCU 34于是变成功率调节单元，其通过降压拓扑(buck topology)来调整输出电压，该降压拓扑将切换输出，如通常用脉冲宽度调制(PWM)电路所实现的。PCU 34还提供以上列出的保护功能，尽管差动电流保护将导致启用轴分离装置，如美国专利7,880,448所述，而不是简单的去激励(de-excitation)。
当用作永磁机时，有一定的权衡技术：
·自激励机因此得到最小和最简单的设计；
·需要轴分离装置，以免于电弧故障；
·具有在发电模式下的复杂切换调整，以补偿在速度和电气负载上的变化；以及
·在起动模式下，将最有效地用作无刷直流电机(BLDC)。
参见图5，如果所用的旋转装置32为IM，则PCU 34于是变成激励转换器，其将从旋转电机获得的实际功率44的相位移位，并且将它作为具有频率和幅度的无功功率(reactive power)重新传送，所述频率和幅度相当于引起负滑差(negative slip)(电气频率略低于(约5％)对应的机械速度)。PCU 34也提供相同的保护功能，而规定是它们导致去激励，所述去激励使发电机46停止以免于产生任何功率。
当用作感应机时，存在一定的权衡技术：
·小而坚固的单元；
·在高电压下工作最好。在低电压下不能很好工作，因此：
·需要电压升压/降压阶段48；以及
·存在在发电模式下的动态交流电(AC)问题。这些可能产生威胁传动系统寿命的振荡现象。
本文中所公开的概念的新颖性包括：将PCU(其传统位于机身中)与SGU组合，SGU附连于发动机的并且必须耐受不友好的机舱环境。该新颖性还包括为简化和小型化PCU而采取的所有改进措施，以及为使其长久无故障地使用而采取的所有规定。最后，新颖性在于实现这样的无刷起动器-发生器，其满足或超过了先前由施加在刷式单元上的所有要求，从真正的简易替换而言。
其它特征包括将外部发电机控制单元(GCU)封装用于控制器的能力。

Claims (8)

1.一种包含在单个壳体(10)内的起动器-发电机系统(30)，其特征在于：
所述壳体(30)具有第一端(18)和相对的第二端(20)，所述第一端(18)具有开口以从动力源接收驱动花键(16)；
无刷旋转机器(32)，其与所述第一端(18)相邻并且能够运动地连接到所述驱动花键(16)；
功率控制单元(34)，其邻近所述第二端(20)并且电耦合到所述无刷旋转机器(32)。
2.根据权利要求1所述的起动器-发电机系统(30)，其特征在于，所述无刷旋转机器(32)选自同步电机(50)、永磁电机和感应电机构成的组。
3.根据权利要求2所述的起动器-发电机系统(30)，其特征在于，所述动力源是飞机的涡轮发动机或活塞发动机。
4.根据权利要求2所述的起动器-发电机系统(30)，其特征在于，所述第二端(20)终止于进气管道(22)。
5.根据权利要求2所述的起动器-发电机(30)，其特征在于，所述机器(50)是同步的，所述PCU(34)主要在起动模式中用于对所述发动机进行发动，并且在所述发电模式中用于将AC输出同步整流到DC以用于最大整流效率。
6.根据权利要求2所述的起动器-发电机(30)，其特征在于：具有电气与机械接口特征，其与有刷单元相同，同时消除使用碳刷或任何其它滑动接触件。
7.根据权利要求6所述的起动器-发电机(30)，其特征在于，所述PCU(34)部件容纳在所述壳体(10)内的环境密封的隔室内，用于有效地保护元件。
8.根据权利要求7所述的起动器-发电机(30)，其特征在于，所述PCU(34)的主要发热部件连接到与所述冷却气流(22)一致布置的散热器(61)，以进行有效冷却同时保护免受环境影响。
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