CN111332488B - 一种电磁弹射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁弹射系统，包括飞轮储能装置、电力电子变换装置、传动装置和控制系统；所述传动装置为双长初级钢次级直线感应电机；所述飞轮储能装置的电动/发电机采用的是双边定子实心转子盘式异步电机；所述飞轮储能系统的飞轮转子与电机实心转子采用预热过盈装配而成，增加了飞轮转子的预应力，所述双长初级钢次级直线感应电机的钢次级轴向力的控制策略，增加了系统的寿命，减小了系统的摩擦损耗。同时本发明提出的轴向力的控制策略，利用电机本身的定子绕组，并没有增加额外的硬件成本，且控制算法简单易实现。
Description
技术领域
本发明属于电力传动控制技术领域，具体涉及一种电磁弹射系统。
背景技术
航空母舰舰载飞机的弹射起飞方式有两种，蒸汽弹射目前较为成熟，但是重量大、准备时间长、损耗大。而随着电力电子技术、电磁技术、自动控制技术、微电子技术的不断发展，电磁弹射系统也得到了不断的发展，相较于蒸汽弹射系统，能量密度和功率密度都得到了大大提高，效率也得到了很大的提升，且维护简单费用低，过载能力强，可以通过调节电力的大小进而控制弹射的力度，可弹射无人机、有人机、重型、轻型等多种飞机，因此未来的航空母舰舰载飞机的弹射起飞方式必将是电磁弹射。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电磁弹射系统，可提供可控、稳定、可靠的电磁推力，即可弹射各种型号的飞机，且本发明的电磁弹射系统具有结构简单坚固、建造成本低、易于维护、体积小、能耗小等优点。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种电磁弹射系统，包括飞轮储能装置、电力电子变换装置、传动装置和控制系统；
所述传动装置为双长初级钢次级直线感应电机；
所述飞轮储能装置的电动/发电机采用的是双边定子实心转子盘式异步电机，包括上端径向限位轴承、上端定子、机壳、上端定子绕组、电机转子、下端定子绕组、下端定子、下端径向限位轴承、转轴和飞轮转子，其飞轮转子与电机的实心转子通过预热过盈装配而成，其中实心转子采用低碳钢，飞轮转子采用高强度合金钢。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的电磁弹射系统还包括辅助装置，所述辅助装置包括冷却装置和刹车装置。
上述的双边定子实心转子盘式异步电机中，实心转子为低碳钢制作而成的实心圆盘转子，实心圆盘转子的表面可镀铜，或在实心圆盘转子表面开槽嵌入铜条。
上述的双边定子实心转子盘式异步电机为立式放置，径向轴向采用径向限位轴承；
所述双边定子实心转子盘式异步电机的电流通过坐标变换分为转矩电流和励磁电流，通过控制上端定子绕组和下端定子绕组的励磁电流差控制转子受到的轴向磁拉力实现无轴承技术，通过控制转矩电流控制电机的转速；
所述双边定子实心转子盘式异步电机，其双边定子的上端定子绕组和下端定子绕组分别采用转子磁链定向，上端定子绕组和下端定子绕组的电流解耦为励磁电流和转矩电流，悬浮力的控制等效为励磁电流的控制，转矩的控制等效为转矩电流的控制。
上述的双长初级钢次级直线感应电机，其次级采用钢次级，钢次级表面镀铜，或在钢次级上下两个表面开槽并嵌入铜导条，电机的转矩与悬浮力通过上下两个初级绕组控制，与双边定子实心转子盘式异步电机的控制方式相似。
上述的双长初级钢次级直线感应电机，其次级动子为刀片型，或利用上下初级绕组控制次级动子受到的轴向磁拉力，以减小支撑轴承的负荷。
上述的双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组采用的次级磁链定向，利用坐标变换，两套绕组的电流解耦为励磁电流和力矩电流，悬浮力通过励磁电流的差来控制，力矩通过力矩电流的和来控制。
上述的电力电子装置采用母线电压可泵升的背靠背变换器，采用直接电容功率协调控制。
上述的电力电子装置采用的背靠背变换器，分为双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器、发动机侧变换器和双长初级钢次级直线感应电机侧变换器，其发动机侧变换器与双长初级钢次级直线感应电机侧变换器使用同一个变换器。
上述的双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器的上端定子绕组和下端定子绕组通过不同变换器供电，双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组通过不同变换器供电，发动机侧变换器由双长初级钢次级直线感应电机侧的变换器提供。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的电磁弹射系统结构简单坚固、受温度影响较小、效率高、弹射频率高、易维护、成本低且系统的功率密度高、占地面积小。
2、本发明提出的电磁弹射系统中飞轮储能系统的飞轮转子与电机实心转子采用预热过盈装配而成，增加了飞轮转子的预应力，而且通过控制盘式电机上下两套绕组的励磁电流控制飞轮转子轴向力，减小了支撑轴承的负荷，甚至可取消支撑轴承，增加了系统的寿命，减小了系统的摩擦损耗。
3、本发明提出的双长初级钢次级直线感应电机，提出了一种钢次级轴向力的控制策略，减小了支撑轴承的负荷，甚至可取消支撑轴承，增加了系统的寿命，减小了系统的摩擦损耗，提高的系统的效率。
4、本发明提出的轴向力的控制策略，利用电机本身的定子绕组，并没有增加额外的硬件成本，且控制算法简单易实现。
附图说明
图1为本发明实施例1的电磁弹射系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2的电磁弹射系统的结构示意图；
图3为本发明实施例3的电磁弹射系统的结构示意图；
图4为本发明提出的双长初级钢次级直线感应电机示意图；
图5为本发明提出的无轴向轴承的双初级钢次级直线感应电机的示意图；
图6为双长初级钢次级直线感应电机的次级结构示意图；
图7为双长初级钢次级直线感应电机的次级铜导条的结构示意图；
图8为双边定子实心转子盘式异步电机与飞轮转子的结构示意图。
其中，附图标记为：1-飞轮储能装置、2-电力电子变换装置、3-传动装置、4-控制系统、5-辅助装置；
11-上端径向限位轴承、13-上端定子、12-机壳、14-上端定子绕组、15-电机转子、16-下端定子绕组、17-下端定子、18-下端径向限位轴承、19-转轴和110-飞轮转子。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种电磁弹射系统，如图1-3所示(图1中发动机与双长初级钢次级直线感应电机由不同变换器供电；图2中发动机与双长初级钢次级直线感应电机由相同变换器供电；图3中发动机与双长初级钢次级直线感应电机由相同变换器供电：双边定子实心转子盘式异步电机上下两套绕组由不同变换器供电，双长初级钢次级直线感应电机两套绕组由不同变换器供电)，包括飞轮储能装置1、电力电子变换装置2、传动装置3和控制系统4；
航空母舰舰载飞机的弹射系统的传动系统采用的是直线电机，而永磁同步直线电机中永磁体容易受到温度的影响而失效，且永磁体的磁力较大，安装困难，并且永磁体需屏蔽，因此选用直线感应电机，为了增加次级结构的强度，次级采用钢次级，然而钢次级既作为导电路径也作为导磁路径，因此电磁性能较差，为了提高电磁性能，在钢次级表面镀铜，或在钢次级表面开槽也可嵌入铜导条构成复合钢次级，为了平衡轴向磁拉力，采用双长初级结构，综上所述，所述传动装置3为双长初级复合钢次级直线感应电机；
电磁弹射系统要求储能系统的储能容量大、储能密度大、充放电时间快且充放电次数不限，因此在众多储能系统中，飞轮储能系统以其独特的优势受到了广泛的关注。
盘式异步电机具有轴向长度短，功率密度高的优点，但是转子采用硅钢片形式的盘式异步电机，转子转速受到了转子结构强度的限制，不能高速运行。而实心转子盘式电机转子15由低碳钢制成，增强了转子的结构应力，使电机可高速运行，实心转子即作为导磁用，又作为导电用，因此电机的电磁性能受到了影响。
如图8所示，所述飞轮储能装置1的电动/发电机采用的是双边定子实心转子盘式异步电机，包括上端径向限位轴承11、上端定子13、机壳12、上端定子绕组14、电机转子15、下端定子绕组16、下端定子17、下端径向限位轴承18、转轴19和飞轮转子110，其定子结构设计与普通盘式异步电机相同，定子绕组的分布与普通盘式异步电机的定子绕组分布规律相同，区别仅在于转子部分。
其飞轮转子110(飞轮本体)与电机的实心转子通过预热过盈装配而成，以增加预应力，该结构的飞轮储能系统不仅适用于航空母舰舰载飞机弹射系统中储能系统，同样可作为工业场合的飞轮电池，具有结构简单坚固、易于维护、成本低廉，易于推广等优点。
其中实心转子采用电磁性能优越的低碳钢，飞轮转子110采用力学性能优越的高强度合金钢。
实施例中，还包括辅助装置5，所述辅助装置5包括冷却装置和刹车装置等等。
实施例中，所述双边定子实心转子盘式异步电机中，实心转子为电磁性能优越的低碳钢制作而成的实心圆盘转子，因此转子既需导磁也需导电，电机的电磁性能较差，但是转子的结构强度较好，电机可高速运行的，为了改善电机的电磁性能，实心圆盘转子的表面镀铜，或在实心圆盘转子表面开槽嵌入铜条，提供转子电流通路。
实施例中，所述双边定子实心转子盘式异步电机采用无轴向轴承技术，通过对双边定子实心转子盘式异步电机的转子受到的轴向力进行控制，实现无轴向轴承技术，所述双边定子实心转子盘式异步电机为立式放置，径向轴向采用径向限位轴承，轴承的负载较小，因此采用了无轴向轴承技术，减小了飞轮储能系统的轴承损耗。
所述双边定子实心转子盘式异步电机的电流通过坐标变换分为转矩电流和励磁电流，通过控制上端定子绕组14和下端定子绕组16的励磁电流差控制转子受到的轴向磁拉力实现无轴承技术，通过控制转矩电流控制电机的转速。
所述双边定子实心转子盘式异步电机，其双边定子的上端定子绕组14和下端定子绕组16分别采用转子磁链定向，上端定子绕组14和下端定子绕组16的电流解耦为励磁电流和转矩电流，悬浮力的控制等效为励磁电流的控制，转矩的控制等效为转矩电流的控制。转子受到的轴向力是不稳定系统，需通过比例微分环节控制，为消除静态误差需加入积分环节，因此转子位移需PID控制器控制，得到上下定子绕组对应的转子磁链的差值，通过ψ1＝ψr+ψ0、ψ2＝ψr-ψ0得到上下绕组对应的转子磁链值，由于转子受到的轴向力的磁链刚度较大，ψ0的值较小，所以转子的饱和程度的增加可以忽略。定子绕组电流按照转子磁链定向坐标变换，可将定子电流等效为励磁电流和转矩电流，将轴向力的控制和转矩的控制解耦，由转子磁链值经过PI控制器可得到励磁电流值，即励磁电流控制转子受到的轴向力，转矩电流控制转子受到的力矩。
实施例中，如图6和图7所示，所述双长初级钢次级直线感应电机，其初级结构与一般直线感应电机初级结构相同，初级绕组分布与一般直线感应电机初级绕组分布一致，区别在于次级部分。为了提高次级的结构强度，其次级采用钢次级，钢次级采用电磁性能优越的电工纯铁制作而成，因此钢次级不仅作为次级涡流的路径也作为转子磁通的路径，因此双长初级钢次级直线感应电机的电磁性能受到了限制，为了提高该电机的电磁性能，钢次级表面镀铜，或在钢次级上下两个表面开槽并嵌入铜导条，构成复合转子，以改善电机性能。电机的转矩与悬浮力的通过上下两个初级绕组控制，与双边定子实心转子盘式异步电机的控制方式相似。
实施例中，所述双长初级钢次级直线感应电机的安装方式可如图4所示，也可如图5所示，其次级动子为刀片型，如图4所示，次级动子的重量小，电磁弹射系统的功率密度大，但是次级需支撑轴承，支撑轴承的摩擦损耗大，且轴承易损坏，而图5所示结构，次级动子重量大，但可或利用上下初级绕组控制次级动子受到的轴向磁拉力，以减小支撑轴承的负荷，甚至取消支撑轴承。
实施例中，所述双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组采用的次级磁链定向，利用坐标变换，两套绕组的电流解耦为励磁电流和力矩电流，悬浮力通过励磁电流的差来控制，力矩通过力矩电流的和来控制。
实施例中，在航空母舰上电力电子装置与电网、飞轮储能装置1、双长初级钢次级直线感应电机的距离较远，为了降低母线损耗，减小母线压降，母校电压需泵升，因此所述电力电子装置采用母线电压可泵升的背靠背变换器，采用直接电容功率协调控制，尽可能减小了母线电压波动，减小母线电容。
实施例中，所述电力电子装置采用的背靠背变换器，分为双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器、发动机侧变换器和双长初级钢次级直线感应电机侧变换器如图1所示，其发动机侧变换器与双长初级钢次级直线感应电机侧变换器工作于不同时刻，发动机侧变换器工作于充电模式，双长初级钢次级直线感应电机侧变换器工作于放电模式，因此发动机侧变换器与双长初级钢次级直线感应电机侧变换器使用同一个变换器如图2所示，通过该方法虽可减小变换器的数量，但增加了控制系统4的复杂度，需控制变换器在电网发动机与双长初级钢次级直线感应电机间变换。
实施例中，为控制双边定子实心转子盘式异步电机转子15受到的轴向力，双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器的上端定子绕组14和下端定子绕组16通过不同变换器供电，为控制双长初级钢次级直线感应电机的轴向力，双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组通过不同变换器供电，发动机侧变换器由双长初级钢次级直线感应电机侧的变换器提供，如图3所示。采用该种变换器方式可减小轴向轴承的负载甚至取消轴向轴承，仅需径向限位轴承，减小了轴承摩擦损耗，提高整个系统的效率。
航空母舰舰载飞机的弹射系统中的飞轮储能装置1、电力电子变换装置2、双长初级钢次级直线电机和控制系统4均为电气系统，系统的可控性高，目前已有航空母舰使用了电磁弹射系统，今后航空母舰的弹射系统必定逐渐改为电磁弹射系统。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电磁弹射系统，其特征在于，包括飞轮储能装置(1)、电力电子变换装置(2)、传动装置(3)和控制系统(4)；
所述传动装置(3)为双长初级钢次级直线感应电机；
所述飞轮储能装置(1)的电动/发电机采用的是双边定子实心转子盘式异步电机，包括上端径向限位轴承(11)、上端定子(13)、机壳(12)、上端定子绕组(14)、电机转子(15)、下端定子绕组(16)、下端定子(17)、下端径向限位轴承(18)、转轴(19)和飞轮转子(110)，其飞轮转子(110)与电机的实心转子通过预热过盈装配而成，其中实心转子采用低碳钢，飞轮转子(110)采用高强度合金钢；
还包括辅助装置(5)，所述辅助装置(5)包括冷却装置和刹车装置；
所述双边定子实心转子盘式异步电机中，实心转子为低碳钢制作而成的实心圆盘转子，实心圆盘转子的表面镀铜，或在实心圆盘转子表面开槽嵌入铜条，构成复合实心转子。
2.根据权利要求1所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述双边定子实心转子盘式异步电机为立式放置，径向轴向采用径向限位轴承；
所述双边定子实心转子盘式异步电机的电流通过坐标变换分为转矩电流和励磁电流，通过调节上端定子绕组(14)和下端定子绕组(16)的励磁电流差控制转子受到的轴向磁拉力实现无轴承技术，通过控制转矩电流控制电机的转速；
所述双边定子实心转子盘式异步电机，其双边定子的上端定子绕组(14)和下端定子绕组(16)采用转子磁链定向，上端定子绕组(14)和下端定子绕组(16)的电流解耦为励磁电流和转矩电流，悬浮力的控制等效为励磁电流的控制，转矩的控制等效为转矩电流的控制。
3.根据权利要求1所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述双长初级钢次级直线感应电机，其次级采用钢次级，且钢次级表面可镀铜，可在钢次级上下两个表面开槽并嵌入铜导条，构成复合次级，电机的转矩与悬浮力通过上下两个初级绕组控制，与双边定子实心转子盘式异步电机的控制方式相似。
4.根据权利要求3所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述双长初级钢次级直线感应电机，其次级动子为刀片型，利用上下初级绕组控制次级动子受到的轴向磁拉力，以减小支撑轴承的负荷。
5.根据权利要求4所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组采用的次级磁链定向，利用坐标变换，两套绕组的电流解耦为励磁电流和力矩电流，悬浮力通过励磁电流的差来控制，力矩通过力矩电流的和来控制。
6.根据权利要求1所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述电力电子变换装置(2)采用母线电压可泵升的背靠背变换器，采用直接电容功率协调控制。
7.根据权利要求6所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，所述电力电子变换装置(2)采用的背靠背变换器，分为双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器、发动机侧变换器和双长初级钢次级直线感应电机侧变换器，其发动机侧变换器与双长初级钢次级直线感应电机侧变换器使用同一个变换器。
8.根据权利要求7所述的一种电磁弹射系统，其特征在于，双边定子实心转子盘式异步电机侧变换器的上端定子绕组(14)和下端定子绕组(16)通过不同变换器供电，双长初级钢次级直线感应电机的双初级绕组通过不同变换器供电，发动机侧变换器由双长初级钢次级直线感应电机侧的变换器提供。
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- 2020-03-09 CN CN202010156846.XA patent/CN111332488B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN111332488A (zh) | 2020-06-26 |
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