CN109728662A - 飞机混合励磁应急发电机及其应用和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机混合励磁应急发电机及其应用和控制方法。应急发电机由冲压空气涡轮驱动，在应急情况下，冲压空气涡轮从机身放出，通过气流吹动冲压空气涡轮，从而驱动应急发电机发电。混合励磁应急发电机为三级式结构，由永磁副励磁机、主励磁机和主电机构成，此外还包括发电机控制器。混合励磁应急发电机的主电机转子上嵌有永磁体，永磁体提供的磁链方向与电励磁磁链方向相同，励磁故障状态下电机仍能够通过永磁磁链输出一定功率。所述混合励磁应急发电机同时具备电励磁电机调磁范围宽以及永磁电机体积小、重量轻的优点，能够作为交流发电机或直流发电机使用。

Description

飞机混合励磁应急发电机及其应用和控制方法

技术领域

本发明涉及一种飞机应急发电机，尤其涉及一种混合励磁无刷电机，属于航空电机技术领域。

背景技术

目前飞机上采用的应急发电机大多为三级式无刷同步发电机，该类型的发电机具有无刷、可靠性高、能够在宽范围内进行电压调节的特点，但是一般体积、重量较大的问题，功重比较为有限。三级式无刷同步发电机是一种转子励磁型电机，需要为转子励磁绕组提供直流励磁电流，为了实现该类型电机的无刷化，需要交流励磁机，以及将励磁机交流输出转换为直流励磁电流的旋转整流器，旋转整流器较易发生故障，而旋转整流器故障将使电机无法获得励磁电流，导致无法输出电能。因此，三级式无刷同步发电机还存在容错性较差的缺点。

除了三级式无刷同步发电机，部分飞机应急发电系统采用永磁无刷直流发电机，该类型电机一般具有体积小、重量轻的特点，多相永磁电机还具备较强的容错能力。但是永磁电机无法进行磁场调节，难以维持输出电压的稳定，且只能以恒定转速发电。同时无法实现故障灭磁，在故障条件下电机仍能通过永磁磁链发电，存在对其它系统产生损害的可能性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种新型三级式无刷同步发电机，主电机为混合励磁结构，转子上嵌有永磁体，使其同时具有电励磁电机高可靠性的优点和永磁电机重量轻的优点，同时提高电机的容错能力。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

在主电机转子上镶嵌永磁体，发电运行时的总磁链为永磁磁链与电励磁磁链之和。所述主电机转子为凸极结构，极身缠绕有励磁绕组，极靴上有阻尼绕组，永磁体嵌在转子轭或者极身上。励磁电流由主励磁机提供，主励磁机三相旋转电枢绕组的交流输出经过旋转整流器整流之后，向主电机励磁绕组提供直流励磁电流。旋转整流器安装在主励磁机转子上，或在主电机与主励磁机之间的轴内，采用6个二极管构成全桥整流电路。主励磁机为旋转电枢式同步发电机，转子三相电枢绕组采用星型连接，输出端接旋转整流器，旋转整流器的输出端与主电机励磁绕组相连。主励磁机的三相交流输出通过旋转整流管成为主电机的直流励磁电流。主励磁机定子为凸极结构，采用集中式励磁绕组。永磁副励磁机为永磁同步发电机，发出的三相交流电经过发电机控制器整流调压之后向主励磁机励磁绕组提供励磁电流。主电机励磁绕组的励磁电流正比于主励磁机的励磁电流，当发电电压大于额定值时，发电机控制器减小主励磁机的励磁电流，从而减小主电机的励磁电流，将发电电压降低至额定值；当发电电压小于额定值时，发电机控制器增大主励磁机的励磁电流，从而增大主电机的励磁电流，将发电电压提升至额定值。

进一步的，主电机的永磁磁链与电励磁磁链方向相同，电励磁磁链总是增磁的，且电励磁磁链从零开始可调，电励磁磁势具有钳位作用，使得总磁势总是大于等于永磁磁势，永磁体不会由于电枢反应的去磁效果而发生退磁现象。

进一步的，所述永磁体可以切向安放，也可以径向安放，永磁体的N极和S极与主电机的N极和S极一一对应。主电机转子铁心可以是分块式的，通过高温胶水以及卡槽等与永磁体固定在一起；也可以是整体式的，永磁体嵌在转子铁心内部。

进一步的，主电机由主励磁机提供励磁电流，且励磁电流是单向的。

进一步的，所述应急发电机具备调磁能力，能够在宽转速范围输出稳定的电压，能够用作恒频交流发电机、变频交流发电机、低压直流发电机或者高压直流发电机，以适应不同的飞机电源体制。

进一步的，所述应急发电机具备励磁故障下的输出能力，主电机无法获得励磁电流时，仍能依靠永磁磁链输出一定功率，通过功率变换器向一些关键负载提供低压直流电，此时的发电容量需要限制。而在发电机电枢绕组短路故障时，能够通过切断励磁电流以降低短路电流。

进一步的，所述应急发电机用于飞机冲压空气涡轮，与涡轮同轴安装，由冲压空气涡轮直接驱动。从涡轮迎风面直接引气进行冷却，电机内部同时安装有风扇。

采用上述方案后，本发明与现有使用三级式无刷同步发电机的飞机应急电源系统相比，具有以下优势：

（1）在主电机转子上镶嵌永磁体，由于稀土永磁体具有较大磁能积，因此同等功率下能够降低主电机的重量；

（2）主电机所需的励磁功率较低，能够降低主励磁机的体积重量；

（3）当发生故障电机无法获得励磁电流时，主电机仍能够依靠永磁体输出.功率，通过功率变换器提供低压直流电，具备一定的容错能力。

本发明与现有使用永磁同步发电机的飞机应急电源系统相比，具有以下优势：

（1）能够在不同负载、不同转速下进行电压调节，输出稳定的电压；

（2）短路故障时能够切断主电机的励磁电流，减小短路电流，降低短路时造成的损害。

附图说明

图1为应急发电机整体剖面图；

图2、图3为应急发电机主电机转子铁心截面图；

图4为应急发电机发电模态调磁原理图；

图5为不同工作状态下的电压、电流波形；

图6为应急发电机安装示意图；

图中，1-主电机，2-主励磁机，3-永磁副励磁机，4-转轴，5-主电机转子铁心，6-主电机励磁绕组，7-主电机定子铁心，8-主电机电枢绕组，9-主电机转子护套，10-永磁体，11-导磁桥，12-主电机电励磁磁链，13-主电机永磁磁链，14-涡轮风扇，15-应急发电机，16-应急发电机引气管，17-机壳，18-应急发电机出风口，19-冲压空气涡轮支柱。

具体实施方式

以下结合附图，对发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种由冲压空气涡轮驱动的飞机混合励磁应急发电机，所述应急发电机为三级式结构，包括主电机1、主励磁机2和永磁副励磁机3，所述主电机转子铁心5上镶嵌有稀土永磁体10，镶嵌位置可以是转子轭，也可以是转子极身。永磁体通过高温胶水和卡槽等固定，转子通过护套9提高机械强度。所述稀土永磁体10的N极对应电励磁部分的N极，永磁体10的S极对应电励磁的S极。永磁磁势和电励磁磁势是串联的。

具体的说，如图2所示，本发明提供的飞机应急发电机主电机转子铁心5可以为分块结构，分块式转子铁心与永磁体通过高温胶水和卡槽等固定在一起，，稀土永磁体可以镶嵌在转子铁心的轭部，也可以镶嵌在转子极身处，所述主电机转子通过结构件连接为整体，并通过护套9提高转子整体的机械强度。转子分块带来便于下线和装配的额外好处。

本发明在主电机转子上镶嵌永磁体10，构成混合励磁电机，一方面能够降低电机重量，另一方面能够保留良好的调磁特性，同时永磁体10作为独立的励磁源，提高了电机的容错性能。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如图3所示，所述主电机转子铁心5为整体结构，所述稀土永磁体10安放在转子铁心5内部，所述稀土永磁体10为切向安装在转子铁心5轭内部，或者径向安装在转子铁心5极身内部，通过高温胶水固定；同时需要控制同一块永磁体N极和S极之间导磁桥的宽度，抑制漏磁。当永磁体切向安装于转子轭部时，能够通过切向磁钢的聚磁作用提高电磁性能。转子再通过护套9提高整体机械强度。整体式转子装配误差小。

永磁体10的N极和S极与主电机1原本的N极和S极一一对应，永磁磁链13和电励磁磁链12方向相同，电励磁磁链12总是增磁的。永磁磁势和电励磁磁势是串联的。

进一步的，主电机的永磁磁链与电励磁磁链方向相同，电励磁磁链总是增磁的，且电励磁磁链从零开始可调，电励磁磁势具有钳位作用，使得总磁势总是大于等于永磁磁势，永磁体不会由于电枢反应的去磁效果而发生退磁现象。

所述稀土永磁体10用量受两个约束条件制约，在不提供励磁电流的情况下，所述应急发电机仅依靠永磁磁链13在所有工况下输出的最大电压值应小于等于额定电压；在主电机1的电枢绕组8发生三相短路故障时，切除励磁电流之后，所述应急发电机由于永磁磁链13的存在而产生的短路电流应限制在一定范围内，要求短路电流不造成起火，且不能对其它设备产生影响。

实施例3

如图1所示，本发明还提供采用上述特殊转子铁心的飞机应急发电机，该飞机应急发电机15为三级式结构，包括主电机1、主励磁机2和永磁副励磁机3，三者安装在同一机壳17内，转子同轴旋转。永磁副励磁机3的输出经过发电机控制器的整流调压之后提供给主励磁机2励磁绕组，主励磁机2电枢绕组产生三相交流电，经过旋转整流器整流之后通入主电机励磁绕组6。通过发电机控制器调节主励磁机2励磁电流的大小以维持输出电压的稳定，当输出电压小于额定电压时，发电机控制器增大主励磁机2励磁电流，主电机1获得的励磁电流同时增大，从而将输出电压提高到额定值；当输出电压大于额定电压时，发电机控制器减小主励磁机2励磁电流，主电机1获得的励磁电流同时减小，从而将输出电压降低到额定值。

本发明在现有三级式无刷同步发电机的基础上，在主电机转子上镶嵌永磁体，构成混合励磁电机，一方面能够降低电机重量，另一方面能够保留良好的调磁特性，同时永磁体作为独立的励磁源，提高了电机的容错性能。

图4为应急发电机15发电模态调磁原理图，通过电枢绕组8的磁链为永磁磁链13和电励磁磁链12之和，永磁磁链13是恒定的，电励磁磁链12从零开始可调，两部分磁链方向相同。通过发电机控制器调节主励磁机2励磁电流的大小以维持输出电压的稳定，当输出电压小于额定电压时，发电机控制器增大主励磁机2励磁电流，主电机1获得的励磁电流同时增大，从而将输出电压提高到额定值；当输出电压大于额定电压时，发电机控制器减小主励磁机2励磁电流，主电机1获得的励磁电流同时减小，从而将输出电压降低到额定值。具体来说，当负载增大或转速降低时时，主电机1励磁电流增大，总磁链增大以维持输出电压恒定；当负载减小或转速升高时，主电机1励磁电流减小，总磁链减小以维持输出电压恒定。图5为不同工况下混合励磁机发电机输出的电压、电流波形。图5（a）为不提供励磁电流时的空载电压波形，电压达到额定值；图5（b）为不提供励磁电流，外接阻性小负载时的电压和电流波形，电压略有下降，仍能够向关键设备供电；图5（c）为切除励磁电流后的三相短路电流波形，短路电流略大于额定电流，可认为是安全的。

图6为应急发电机15与冲压空气涡轮集成示意图。应急发电机15安装在涡轮风扇14之后，应急发电机15转子与涡轮风扇14同轴安装，同轴旋转。应急发电机15直接从迎风面通过引气管16引气进行冷却，气流从出风口18引出，同时电机内部安装有风扇。应急发电机15与冲压空气涡轮之间仅依靠一根转轴传动，直接向机上负载提供应急电能。涡轮风扇14和应急发电机15由支柱19连接到机上，支柱19内部安放有电缆。

本发明方法通过在现有三级式无刷同步发电机主电机中引入永磁体的方式，降低电机的体积重量，同时保留电励磁电机高可靠性的优点，并且能够在宽转速范围内输出恒定的电压。主电机中永磁体的引入使得电机在励磁失效的情况下仍能够提供一定的功率，具有一定的容错能力，而与永磁同步电机相比，永磁体总量较为有限，限制了短路时对系统的损害。

本发明与现有使用永磁同步发电机的飞机应急电源系统相比，具有以下优势：

（1）能够在不同负载、不同转速下进行电压调节，输出稳定的电压；

（2）短路故障时能够切断主电机的励磁电流，减小短路电流，降低短路时造成的损害。

Claims (6)

1.一种飞机应急发电机转子铁心，其特征在于，所述应急发电机为三级式结构，包括主电机，所述主电机中设有内转子铁心，主电机转子铁心上镶嵌有稀土永磁体，所述稀土永磁体为切向安装在转子铁心上，或者径向安装在转子铁心上，所述稀土永磁体的N极对应电励磁的N极，永磁体的S极对应电励磁的S极，永磁磁势和电励磁磁势串联。

2.根据权利要求1所述的一种飞机应急发电机转子铁心，其特征在于：

所述主电机转子铁心为分块结构，分块式铁心和稀土永磁体通过高温胶水固定在一起，通过固定结构件进行定位和固定；所述主电机转子整体通过护套提高机械强度。

3.根据权利要求1所述的一种飞机应急发电机转子铁心，其特征在于：

所述主电机转子铁心为整体结构，所述稀土永磁体安放在转子铁心内部，所述稀土永磁体为切向安装在转子铁心内部，或者径向安装在转子铁心内部，通过高温胶水固定；所述主电机转子整体通过护套提高机械强度。

4.根据权利要求1所述的一种飞机应急发电机转子铁心，其特征在于：

所述稀土永磁体用量受两个约束条件制约，在不提供励磁电流的情况下，所述应急发电机仅依靠永磁磁链在所有工况下输出的最大电压值应小于等于额定电压；

在主电机的电枢绕组发生三相短路故障时，切除励磁电流之后，所述应急发电机由于永磁磁链的存在而产生的短路电流需要加以限制，要求电机在三相短路状态下不起火，且不能对其它设备产生影响。

5.一种采用如权利要求1所述的飞机应急发电机转子铁心的应急发电机，其特征在于：

所述应急发电机为三级式结构，包括同轴依次连接的永磁副励磁机、主励磁机和主电机，三部分同轴旋转；所述发电机还包括发电机控制器，所述发电机控制器的输入端连接在所述永磁副励磁机的输出端上，所述发电机控制器的输出端连接主励磁机；

空载条件下，由永磁磁链单独建立的电压小于或等于额定电压，通过电励磁的增磁效果，将输出电压调整为额定电压；

主电机励磁电流为单向，电励磁磁链方向与永磁磁链相同，主电机带载之后通过调节励磁电流维持输出电压稳定；

电励磁磁势大于电枢反应磁势的去磁分量，永磁体不会因为电枢反应的去磁效果而发生退磁现象。

6.一种采用如权利要求5所述的应急发电机的飞机，其特征在于：所述应急发电机与涡轮风扇同轴安装，由冲压空气涡轮直接驱动；

所述应急发电机的转子与涡轮风扇同轴安装，同轴旋转；

所述应急发电机的外壳上设有引气管，在引气管另一侧设有出风口，所述应急发电机直接从迎风面通过引气管引气进行冷却，气流从出风口引出；

所述应急发电机与冲压空气涡轮之间通过转轴传动，直接向机上负载提供应急电能；所述冲压空气涡轮风扇和应急发电机由支柱连接到机上，所述支柱内部安放有电缆。