CN109936264A - 飞机并列式混合励磁应急发电机及其应用、以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机并列式混合励磁应急发电机及其应用、以及控制方法，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。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。应急发电机的主电机为并列式混合励磁电机结构，分为永磁部分和电励磁部分两段，两部分共用一套主电机电枢绕组，定子铁心分段，两部分磁路互不影响，二者转子同轴旋转。所述应急发电机同时具备电励磁电机无刷励磁、调磁稳压简单以及永磁电机体积小、重量轻、功率密度高的优点。

Description

飞机并列式混合励磁应急发电机及其应用、以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种飞机应急发电机，尤其涉及一种永磁和电励磁并列式混合励磁无刷电机，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，但是功重比较为有限。此外，还有采用永磁无刷直流发电机作为飞机应急电源，该类型电机一般具有体积小、重量轻的特点，但是无法调节磁场，难以维持输出电压的稳定，且只能以恒定转速发电，同时故障时无法切除励磁，需要特殊的设计和折中考虑来抑制短路电流。

为了同时获得电励磁电机和永磁电机的优势，并在一定程度上避免各自的缺点，出现了将电励磁电机和永磁电机有机结合起来的混合励磁电机，并列式混合励磁电机是其中的一种。并列式混合励磁电机包含永磁部分和电励磁部分，永磁部分一般为永磁同步发电机，电励磁部分可以是转子励磁型同步发电机或定子励磁型同步发电机。当电励磁部分为转子励磁型同步发电机时，传统方案中需要电刷和滑环为转子励磁绕组提供励磁电流，电刷和滑环会影响电机的可靠性和寿命；当电励磁部分为定子励磁型同步发电机时，该电励磁部分的本质一般为磁阻式发电机，其发电波形不是标准的正弦波，一般需要通过整流器转换为直流电使用，使其无法作为交流发电机使用。

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，主电机为并列式混合励磁结构，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，并且具备良好的调磁特性，电励磁失效的情况下仍有一定输出能力。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

主电机为永磁和电励磁并列式混合励磁电机，分为两部分，永磁部分和电励磁部分，电励磁部分由主励磁机提供励磁。所述主电机定子分为两段，包括永磁部分定子铁心、电励磁部分定子铁心和共用的电枢绕组；所述主电机转子固定于转轴上，包括永磁部分转子和电励磁部分转子，永磁部分包括转子铁心及永磁体，电励磁部分包括转子铁心和嵌绕的励磁绕组和阻尼绕组等；永磁部分与电励磁部分的磁路互不影响，电励磁部分一侧安装有主励磁机，永磁副励磁机可以安装在主励磁机一侧，也可以安装在主电机一侧，所有转子同轴旋转；所述永磁部分定子铁心和电励磁部分定子铁心互相对齐，共用一套电枢绕组。

主电机电枢绕组可以为三相星型连接，中性点引出作为中线接地，三相绕组输出三相恒频交流电或三相变频交流电，发电频率正比于输入转速；也可以通过不控整流器或可控整流器输出低压直流电或高压直流电，此时主电机电枢绕组可以是三相绕组，也可以是多相绕组。

进一步的，主电机的两部分定子可以视为是一个定子从中间截断而来，两部分铁心拓扑完全相同，电枢绕组同时绕在两部分对应的定子齿上，主电机输出电压为两部分电压的正向叠加。

进一步的，主电机的两部分极对数相等，电励磁部分的转子N极与永磁部分转子的N极对齐，电励磁部分的转子S极与永磁部分转子的S极对齐。

进一步的，所述永磁部分转子铁心上嵌有永磁体，所述永磁体嵌置方式可以采用表贴式、内置式或Halbach阵列式，所述内置式结构可以采用内置径向式、内置切向式或内置混合式。

进一步的，主电机的电励磁部分由主励磁机提供励磁电流，且励磁电流是单向的，电励磁部分的磁场方向总是与永磁部分的磁场方向相同。主励磁机由发电控制器与永磁副励磁机提供励磁电流，永磁副励磁机能够根据需要提供独立的低压直流电。

进一步的，输出电压调节由电励磁部分实现，通过改变主励磁机励磁电流以调节主电机励磁电流，主电机励磁电流正比于主励磁机励磁电流。当输出电压大于额定电压时，发电控制器减小主励磁机励磁电流，主电机总的磁势降低，输出电压降低至额定值；当输出电压小于额定电压时，发电控制器增大主励磁机励磁电流，主电机总的磁势增加，输出电压升高至额定值。由永磁磁链单独产生的电压总是小于等于额定电压，通过电励磁的增磁效果，将输出电压调整为额定电压。当励磁电流为零时，由永磁磁链产生的输出电压小于等于空载额定电压。

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。电机采用强迫风冷，从迎风面直接引气进行冷却，电机内部同时安装有风扇。

进一步的，所述应急发电机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，以适应不同的电源体制。用作不同类型发发电机时需要进行相应改进，如用作直流发电机时需要加装整流器。

本发明在现有航空三级式无刷同步发电机的基础上，引入一部分永磁同步电机，构成并列式混合励磁电机，一方面能够降低电机重量、提高功率密度和效率，另一方面能够具有一定的调磁稳压性能。

采用上述方案后，本发明与现有飞机三级式无刷同步应急发电机相比，具有以下优势：

（1）由于永磁电机体积小、重量轻的特点，同等功率下能够降低主电机的重量，提高功率密度和效率，减轻散热系统的负担；

（2）由于发电机功率由电励磁部分和永磁部分共同分担，电励磁部分所需的励磁功率较低，从而降低主励磁机的容量，减小了体积，减轻了重量；

（3）当发生故障，电机无法获得励磁电流时，主电机的永磁部分仍能够输出一定功率，具备一定的容错能力。

本发明与现有飞机永磁发电机相比，具有以下优势：

（1）随着负载和转速的变化，能够通过主励磁机励磁电流的调节，输出稳定的电压；

（2）短路故障时通过能够切除主电机电励磁部分的励磁电流，降低总磁链，减小短路电流，保证电机运行在允许的安全范围内。

附图说明

图1为应急发电机整体剖面图；

图2为应急发电机主电机截面图；

图3为应急发电机发电模态调磁原理图；

图4为不同工况下并列式混合励磁发电机输出的电压、电流波形图；

图5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-主电机电励磁部分，6-主电机永磁部分，7-主电机电励磁部分定子铁心，8-主电机永磁部分定子铁心，9-主电机电枢绕组，10-主电机永磁部分永磁体，11-主电机永磁部分转子铁心，12-主电机电励磁部分励磁绕组，13-主电机电励磁部分转子铁心，14-机壳，15-主电机电励磁磁链，16-主电机永磁磁链，17-涡轮风扇，18-应急发电机，19-应急发电机引气管，20-应急发电机出风口，21-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，本发明提供一种飞机并列式混合励磁应急发电机，该发电机为三级式结构，包括永磁副励磁机3、主励磁机2和主电机1；三部分安装在同一机壳内，三部分转子安装在同一转轴4上，同轴旋转；其中，所述主电机1为并列式混合励磁结构，包括同轴心相连的永磁部分6和电励磁部分5两部分，两部分定子铁心拓扑相同且相互对齐，共用一套电枢绕组，主励磁机2安装在电励磁部分5一侧。

进一步的，如图2所示，所述电励磁部分5包括外侧的电励磁部分定子铁心7、内侧的电励磁部分转子铁心13、励磁绕组12、阻尼绕组和其它结构件；所述电励磁部分5励磁绕组12缠绕在电励磁部分5转子铁心13上；

所述永磁部分6包括在外侧的永磁部分6定子铁心8、永磁部分6转子铁心11，在所述永磁部分6转子铁心11径向方向的外侧设有永磁体10。

所述电枢绕组9同时绕在永磁部分6定子铁心7和电励磁部分5定子铁心8对应的定子齿上，即一个电枢绕组9的元件边同时放在两部分定子对应的槽内。

两个转子与各自对应的定子对齐，两部分转子铁心的轴向间隙与两部分定子铁心的轴向间隙相同，两部分铁心之间能够容纳包括电励磁部分5励磁绕组12端部在内的部件的轴向间隙；永磁部分6和电励磁部分5极对数相同，永磁部分6的N极与电励磁部分5的N极对齐，永磁部分6的S极与电励磁部分5的S极对齐；永磁部分6和电励磁部分5的磁路相互独立，互不影响。

本实施例中所述应急发电机还包括旋转整流器，所述旋转整流器安装于主电机1与主励磁机2之间的轴内或主励磁机2的转子上。

所述永磁部分6和电励磁部分5的尺寸比例受以下两个约束条件制约：

1）在不提供励磁电流的情况下，主电机1仅依靠永磁磁链16在所有工况下输出的最大电压值小于等于额定电压；

2）主电机1电枢绕组9发生三相短路故障时，切除励磁电流之后，电机由于永磁磁链16的存在而产生的短路电流限制在一定范围内，要求短路电流不造成起火，且不能对其它设备产生影响。

发电机控制器根据电机实际工况控制励磁电流，通过主电机1电励磁部分5的增磁实现调压功能。

实施例2

本发明还提供上述飞机并列式混合励磁应急发电机18的控制方法，发电运行时，主励磁机2为主电机1的电励磁部分5提供励磁电流，且励磁电流是单向的，主电机1的电励磁部分5和永磁部分6提供的磁势方向相同，电励磁部分5总是起增磁作用。

永磁副励磁机3的输出经过发电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9产生三相交流电，经过旋转整流器整流之后通入主电机1电励磁部分5的励磁绕组。通过发电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，发电控制器增大主励磁机2励磁电流，主电机1电励磁部分5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，发电控制器减小主励磁机2励磁电流，主电机1电励磁部分5获得的励磁电流同时减小，从而将输出电压降低到额定值。

两部分的定子可以视为是一个定子从中间截断而来，两部分铁心拓扑完全相同，电枢绕组9同时绕在两部分对应的定子齿上，主电机1输出电压为两部分电压的正向叠加。

图3为应急发电机18发电模态调磁原理图，通过电枢绕组9的磁链为永磁磁链16和电励磁磁链15之和，永磁磁链16是恒定的，电励磁磁链15从零开始可调，两部分磁链方向相同。当负载增大或转速降低时时，主电机1电励磁部分5的励磁电流增大，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电励磁部分5的励磁电流较小，总磁链减小以维持输出电压恒定。

随着负载和转速的变化，通过主励磁机2励磁电流的调节，输出稳定的电压；短路故障时通过能够切除主电机1电励磁部分5的励磁电流，降低总磁链，减小短路电流，保证电机运行在允许的安全范围内。当发生故障电机无法获得励磁电流时，主电机1的永磁部分6仍能够输出一定功率，具备一定的容错能力。

实施例3

本发明还提供采用上述飞机并列式混合励磁应急发电机18的飞机应急电源系统，该飞机应急电源系统由冲压空气涡轮直接驱动，所述应急发电机18与涡轮同轴安装，在应急情况下向飞机供电；冷却方式为强迫风冷，通过引气管19道从迎风面直接引气，电机内部同时安装有风扇。

图4为不同工况下并列式混合励磁发电机输出的电压、电流波形。图4（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4（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，但仍能够向关键设备供电；图4（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5为应急发电机18与冲压空气涡轮集成示意图。应急发电机18安装在涡轮风扇17之后，转子与涡轮同轴安装，同轴旋转。应急发电机18直接从迎风面通过引气管19引气进行冷却，冷却气流从出风口20引出，同时电机内部安装有风扇。应急发电机18与冲压空气涡轮之间仅依靠一根转轴4传动，直接向机上负载提供应急电能。涡轮风扇17、应急发电机18和其它组件通过支柱连接到机上，馈线安装在支柱内。

本发明方法通过在现有三级式无刷同步发电机主电机1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。主电机1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，而与永磁同步电机相比，永磁体部分容量较为有限，限制了短路时对系统的损害。

Claims (7)

1.一种飞机并列式混合励磁应急发电机，其特征在于，发电机为三级式结构，包括永磁副励磁机、主励磁机和主电机；三部分安装在同一机壳内，同轴旋转；其中，所述主电机为并列式混合励磁结构，包括同轴相连的永磁部分和电励磁部分两部分，两部分定子铁心拓扑相同且相互对齐，共用一套电枢绕组，主励磁机安装在电励磁部分一侧；

所述电枢绕组同时绕在永磁部分和电励磁部分定子对应的定子齿上，即一个电枢绕组的元件边同时放在两部分定子相同的槽内。

2.根据权利要求1所述的一种飞机并列式混合励磁应急发电机，其特征在于，

所述电励磁部分包括电励磁部分定子铁心、电励磁部分转子铁心、励磁绕组和阻尼绕组，以及与永磁部分共用的定子电枢绕组；所述励磁绕组缠绕在电励磁部分转子铁心上；所述阻尼绕组安放在电励磁部分转子铁心的极靴内，通过端板连接在一起；

所述永磁部分包括永磁部分定子铁心、永磁部分转子铁心，在所述永磁部分转子铁心上设有永磁体，所述永磁体安放形式为表贴式的，或者是内置式的，永磁体磁场为径向或者切向，此外所述转子铁心上还设有与电励磁部分共用的电枢绕组；

两个转子与各自对应的定子对齐，两部分转子铁心的轴向间隙与两部分定子铁心的轴向间隙相同，两部分铁心之间能够容纳包括电励磁部分励磁绕组端部在内的部件的轴向间隙；永磁部分和电励磁部分极对数相同，永磁部分的N极与电励磁部分的N极对齐，永磁部分的S极与电励磁部分的S极对齐；永磁部分和电励磁部分的磁路相互独立，互不影响。

3.根据权利要求1所述的一种飞机并列式混合励磁应急发电机，其特征在于，所述应急发电机还包括旋转整流器，所述旋转整流器安装于主电机与主励磁机之间的轴内或主励磁机的转子上。

4.根据权利要求3所述的一种飞机并列式混合励磁应急发电机，其特征在于，

所述永磁部分和电励磁部分的尺寸比例受以下两个约束条件制约：

1）在不提供励磁电流的情况下，主电机仅依靠永磁磁链在所有工况下输出的最大电压值小于等于额定电压；

2）主电机电枢绕组发生三相短路故障时，切除励磁电流之后，电机由于永磁磁链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；

发电机控制器根据电机实际工况控制励磁电流，通过主电机电励磁部分的增磁维持稳定的输出电压。

5.根据权利要求1所述的飞机并列式混合励磁应急发电机的控制方法，其特征在于，

永磁副励磁机的输出经过发电控制器的整流调压之后提供给主励磁机励磁绕组，主励磁机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电励磁部分的励磁绕组；

通过发电控制器调节主励磁机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，发电控制器增大主励磁机励磁电流，主电机电励磁部分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，发电控制器减小主励磁机励磁电流，主电机电励磁部分获得的励磁电流同时减小，从而将输出电压降低到额定值。

6.根据权利要求5所述的飞机并列式混合励磁应急发电机控制方法，其特征在于，

发电运行时，主励磁机为主电机的电励磁部分提供励磁电流，且励磁电流是单向的，主电机的电励磁部分和永磁部分提供的磁势方向相同，电励磁部分总是起增磁作用。

7.采用如权利要求5所述的飞机并列式混合励磁应急发电机的飞机应急电源系统，其特征在于，

所述飞机应急电源系统由冲压空气涡轮直接驱动，所述应急发电机与涡轮同轴安装，在应急情况下向飞机供电；冷却方式为强迫风冷，通过引气管道从迎风面直接引气，电机内部同时安装有风扇。