CN111277187B - 一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法，属于永磁同步电机控制技术领域。该控制方法包括如下步骤：（1）建立永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩的数学模型，对永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩解耦；（2）检测转轴两端的转速变化率，设计多谐振滤波器；（3）确定不平衡径向力、电磁转矩与直轴电流、交轴电流之间的内在联系；（4）对通入电流进行控制，间接地改变系统等效的阻尼系数和等效刚度系数抑制共振。本发明降低了转子偏心度，大大削弱了由于转子不平衡径向及扭转阻尼力所带来的振动，使得转子工作在安全位移变化范围内，降低了机电耦合程度。
Description
技术领域
本发明公开了一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法，属于永磁同步电机控制技术领域。
背景技术
航空发动机是飞机上的动力源，发动机一方面输出推力，作为飞机的一次能源；同时通过提取轴将机械能转化为可向飞机上的各种设备提供包括电能、液压能和气压能等形式的二次能源。随着多电/全电飞机的发展，飞机电功率需求量越来越大，传统的通过高压提取轴和高压引气的方式已无法满足未来飞机电功率的需求，因此，美国和欧共体在20世纪90年代先后开始实施多(全)电发动机计划。
多电发动机取消了传动轴、齿轮、提取轴等机械单元，采用多电发动机转轴、磁悬浮轴承及起动发电机的集成一体化共轴设计方式，使得“电气负荷-发电机”的电气系统和“发动机传动转子-发电机旋转转子”机械系统紧密耦合在一起。但是多电发动机缺少了传动部件后，发动机轴向推力、径向振动力与发电机的电磁转矩直接耦合在一起，尤其随着电气负荷的增加，两者间的相互影响不能再被忽略不计。由于发动机转子的不平衡力、不对中及碰擦导致的振动，使得转轴出现多种振动模态。
航空发动机强机电耦合问题的本质是，当发动机工况变化时，将导致转轴的应力发生变化，形成不同形式的振动位移，从而导致发电机气隙变化，最终使得发电机转子产生径向不平衡力，并降低输出电气性能；当发电机电气负荷突变时，将导致转子发生不平衡径向力和扭转力，产生相应的振动位移，进而影响发动机的在正常工况下的运行特性。
发明内容
本发明提出了一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法，研究永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩之间的耦合机理。建立永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩的数学模型；探究不平衡径向力、电磁转矩与直轴电流id、交轴电流iq之间的内在联系，建立电流重构控制策略。研究发电机不平衡径向和扭转阻尼力主动控制技术。通过提取转轴的不平衡径向力和扭转力的基波与谐波分量，建立其与发电机d轴电流和q轴电流的对应关系，对不平衡径向力和扭矩基波和谐波分量进行削弱控制，实现转子阻尼力的主动控制，进而减弱不平衡径向位移和扭转位移。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法，包括如下步骤：
(1)建立永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩的数学模型，对永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩解耦；
(2)检测转轴两端的转速变化率，设计多谐振滤波器；
(3)确定不平衡径向力、电磁转矩与直轴电流id、交轴电流iq之间的内在联系；
(4)对通入电流进行控制，间接地改变系统等效的阻尼系数和等效刚度系数抑制共振。
步骤(1)中的具体过程为：建立不平衡位移Δr与交直轴电流的数学关系，根据位移偏移量，通过数学关系预测所需通入的交直轴电流的大小。
步骤(1)中所述对永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩解耦的具体过程如下：根据转子磁链定向控制方法，通入直轴电流产生反向电磁拉力抵消发电机的不平衡径向力。
步骤(1)中所述直轴电流为d轴电流。
步骤(2)中所述多谐振滤波器调控每个谐振频率下的振荡等级，输出相应的不平衡扭转转矩分量，并将其加到发电机转矩上，增加谐振振荡的阻尼力。
本发明的有益效果如下：
本发明所提出的一种永磁发电机的径向及扭转阻尼力主动控制方法，解决了永磁发电机径向振动与扭转振动的耦合问题，消除或削弱转子振动位移，使得转子在安全的位移变化范围，达到降低机电耦合程度的目的，间接地提高了转子寿命及供电质量。
附图说明
图1为航空发动机用内置式永磁同步发电机集成化一体图。
图2为两种转子位移振动模式。
图3为发电机阻尼力主动控制框图，其中：Ω1、Ω2是发动机轴两端转速；Ua、Ub、Uc为相电压；Ia、Ib、Ic为相电流；PI为比例积分控制器；PR为比例谐振控制器；PMSG为永磁同步发电机；Vdc为输出直流电压；Vdcref *直流电压给定；J永磁发电机转动惯量；KT电磁转矩系数；iq、id分别表示发电机交轴电流和直轴电流反馈量；分别表示发电机交轴电流和直轴电流输入量；/>交轴电流前馈项；Uq、Ud交直轴电压；Uα、Uβ为αβ坐标系下两相电压；PWM表示脉冲宽度调制技术；SVPWM代表空间电压矢量调制。
图4为锥形磁轴承与永磁发电机协调控制驱动器工作示意图，其中：Ω1、Ω2是发动机轴两端转速；ia、ib、ic为相电流；D1、D12为占空比；Δr为发电机不平衡径向位移变化量。
图5为不同偏心下径向磁拉力变化曲线图，其中：Fr径向电磁力。图6(a)为静态偏心下电磁偏向力，图6(b)为动态偏心下电磁偏向力，图6(c)为混合偏心下电磁偏向力。
图7(a)为不通入电流时的转子形变图，图7(b)为通入iq电流时的转子形变图，图7(c)为通入id电流时的转子形变图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，附上本发明实施例的图如下，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为航空发动机用内置式永磁同步发电机集成化一体图。多电航空发动机是以传统航空燃气涡轮发动机为基础，配装主动磁性轴承、内置一体化起动机/发电机、分布式电子控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新部件和系统的一种新型航空发动机。多电发动机取消了传动轴、齿轮、提取轴等机械单元，采用多电发动机转轴、磁悬浮轴承及起动发电机的集成一体化共轴设计方式。
如图2所示，为航空发动机转子轴受不平衡阻尼力时不同振动模态图。发动机转子机械振动模式复杂度。发动机转子轴系有多个临界工作点，发动机的转速范围很宽，无法避开临界转速点(共振点)。而当转子工作转速在0.5-0.707倍的临界转速范围内时，呈现准刚度特性。发电机及压缩机的部件位于转子轴系中部，其转子主要呈现柔性不平衡位移振动模式。根据不同振动位移类型，可分别产生径向振动及扭转振动。
如图3所示，为永磁发电机不平衡阻尼力主动控制框图。为了实现对永磁发电机径向不平衡力振动主动控制，需建立转子位移、不平衡磁拉力和电流三者之间的关系。由Lagrange方程可得转子动力学微分方程为：
其中M是转子质量，Cr为转子阻尼系数，Kr为转子刚度系数，F(t)为二维不平衡力，ρ为径向位移距离，t为时间。当定子线圈中通入电流后即产生沿xy正负轴四个方向的电磁力，由此永磁发电机产生的电磁力为：
式中，α是与系统结构有关的系数；μ0是磁导率；A是磁极有效面积；N是线圈匝数；I0是静态励磁电流；i是绕组控制电流；g是平均气隙长度；Fr是永磁发电机所受电磁力大小。
将上式在i＝0，x＝0处作泰勒展开，并略去高阶小量，得到径向不平衡力的表达式为：
Ks为电机转子的静态位移刚度，Ki为电机的静态电流刚度。
当采用电流控制策略时，控制电流i可以写为：
T，P是控制系数，f(ρ)表示控制电流关于转子位移的函数。
联立永磁发电机产生的电磁力表达式、径向不平衡力的表达式、控制电流i表达式可得：
本发明建立了阻尼力估算模型，建立不平衡位移量(挠度)与id电流的关系，改变阻尼系数可使系统的阻尼力发生变化，从而有效地抵消不平衡磁拉力；改变刚度系数，即改变了转子的临界转速，减小转子在通过共振区域时的振幅，从而实现抑制共振的目的。
如图4所示，涡轮轴处的空气动力转矩会引起传动系统的转矩波动，当空气动力转矩和发电机转矩之间存在转矩差时，引起转轴扭动，导致转轴变形，形成不平衡扭转振动。为了减轻转动轴两端由于不平衡扭矩力对转动轴寿命的影响，本发明通过检测转轴两端的转速变化率，设计多谐振滤波器。利用滤波器调控的每个谐振频率下的振荡等级，输出相应的不平衡扭转转矩分量，并将其加到发电机转矩上，以增加谐振振荡的阻尼力，实现不平衡扭转阻尼力的主动控制。
如图5所示，为不同偏心下径向磁拉力变化曲线(偏心量0.25mm/平均气隙1.2mm)。当发动机轴系发生不平衡径向位移时(偏心量)，发电机转子将产生不平衡径向振动力。可见当电机没有偏心时，径向电磁力为0.013N；当发电机动态偏心时，径向电磁力为77.9N；当发电机静态偏心时，径向电磁力为77.9N；当发电机混合偏心时，径向电磁力幅值为102.8N。从而表明：在静态和动态偏心模式下，发电机转子产生恒定的不平衡径向力；在混合偏心模式下，发电机转子产生周期性半波不平衡径向力。
如图6(a)-(c)所示，为不同偏心下4种情况径向电磁力对比图。以转子三种偏心方式进行仿真对比，转子偏心的方式主要有静态偏心，动态偏心和混合偏心三种。静态偏心是指转子绕偏心后的圆心旋转，即自转；动态偏心指转子绕定子圆心旋转，即公转；混合偏心是指既有自转又有公转。对比四种电流通入方式对径向电磁力的影响可知，当转子处于偏心方式下旋转时：通入id电流时，转子不平衡径向力幅值减少，通入iq电流时，转子不平衡径向力基本不变。
如图7(a)-(c)所示，为混合偏心下通入不同电流时的转子形变图。当通入id电流时，能最大程度降低转子形变量，而通入iq电流时，转子形变量基本无变化，与混合偏心下通入不同电流时的电磁力仿真结果一致。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。
Claims (1)
1.一种航空发动机用永磁发电机径向及扭转力主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩的数学模型，对永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩解耦；通过建立不平衡位移Δr与交直轴电流的数学关系，根据位移偏移量，通过数学关系预测所需通入的交直轴电流，即d轴电流的大小；所述对永磁发电机不平衡径向力与电磁转矩解耦的具体过程如下：根据转子磁链定向控制方法，通入直轴电流产生反向电磁拉力抵消发电机的不平衡径向力；
(2)检测转轴两端的转速变化率，设计多谐振滤波器；所述多谐振滤波器调控每个谐振频率下的振荡等级，输出相应的不平衡扭转转矩分量，并将其加到发电机转矩上，增加谐振振荡的阻尼力；
(3)确定不平衡径向力、电磁转矩与直轴电流id、交轴电流iq之间的内在联系；具体为：
建立转子位移、不平衡磁拉力和电流三者之间的关系，由Lagrange方程可得转子动力学微分方程为：
其中M是转子质量，Cr为转子阻尼系数，Kr为转子刚度系数，F(t)为二维不平衡力，ρ为径向位移距离，t为时间；当定子线圈中通入电流后即产生沿xy正负轴四个方向的电磁力，由此永磁发电机产生的电磁力为：
式中，α是与系统结构有关的系数；μ0是磁导率；A是磁极有效面积；N是线圈匝数；I0是静态励磁电流；i是绕组控制电流；g是平均气隙长度；Fr是永磁发电机所受电磁力大小，
将上式在i＝0，x＝0处作泰勒展开，并略去高阶小量，得到径向不平衡力的表达式为：
Ks为电机转子的静态位移刚度，Ki为电机的静态电流刚度，控制电流i写为：
T，P是控制系数，f(ρ)表示控制电流关于转子位移的函数，
联立永磁发电机产生的电磁力表达式、径向不平衡力的表达式、控制电流i表达式可得：
(4)对通入电流进行控制，间接地改变系统等效的阻尼系数和等效刚度系数抑制共振，具体为：建立阻尼力估算模型，建立不平衡位移量与id电流的关系，改变阻尼系数可使系统的阻尼力发生变化，从而有效地抵消不平衡磁拉力；改变刚度系数，即改变了转子的临界转速，减小转子在通过共振区域时的振幅，从而实现抑制共振的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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