CN112491209A - 电气系统 - Google Patents

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斯蒂芬·M·赫斯本德
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Abstract

本公开涉及电气系统，提供了用于将旋转电机与气体涡轮滑阀连接的电气系统201。一种此类电气系统201包括：第一双绕组旋转电机111，该第一双绕组旋转电机与第一气体涡轮滑阀机械地联接并包括第一三相子机111‑1和第二三相子机111‑2；第二双绕组旋转电机113，该第二双绕组旋转电机与第二气体涡轮滑阀机械地联接并包括第三三相子机113‑1和第四三相子机113‑2；一组N＝4个双向转换器电路401‑404，该一组N＝4个双向转换器电路用于在交流电(ac)与直流电(dc)之间进行来回转换，每个双向转换器电路具有相关联的索引n＝(1,…,N)，并且对于所有n，第n个双向转换器电路的ac侧与第n个三相子机连接。第一转换器电路401的dc侧与第三转换器电路403的dc侧连接，第二转换器电路402的dc侧与第四转换器电路404的dc侧连接。

Description

电气系统
技术领域
本公开涉及用于将旋转电机与旋转机器诸如气体涡轮滑阀连接的电气系统。
背景技术
在航空航天中，人们提倡采用更多电动引擎(MEE)和更多电动飞行器(MEA)概念，以大幅减少它们带来的燃料消耗和复杂性。例如，一种已知的飞行器构型在其引擎中包括既能够作为马达又能够作为发电机运行的电机，以便于在飞行过程中生成电功率，还有利于引擎的启动和空气涡轮启动器的移除。这种已知飞行器的一种引擎构型包括联接到双滑阀涡轮风扇的高压滑阀的此类电机。另一种构型包括联接到三滑阀涡轮风扇的中压滑阀的此类电机。
然而，维修经验证明，此类构型中的发电方式有时可能并且确实会失效。此外，装置的电气方面被认为是复杂的系统，因此不能采用快速的认证方法。这对容错设计提出了要求。提供单一的容错是公认的惯例，其依据是生存系统发生故障之前的平均时间足够长。
越来越期望促进气体涡轮引擎的滑阀之间的功率传递。研究表明，可能会延长部件寿命并提高燃料消耗率，这在短途任务中可能是显著的。其他研究表明，使用电气系统增强核心气体涡轮允许减小涡轮机械的尺寸。
然而，显然，如果采取极端位置以使车辆的安全飞行依赖于这种电功率增强系统，则所述系统必须具有必要的容错能力，以促进在出现故障时继续运行。这种要求可概况为在存在单个故障的情况下可调度引擎，即，即使已发生单个故障，电气系统仍可以容忍不会引起危害性或灾难性事件的另一个故障。
除了用于客机的涡轮风扇的开发以外，诸如电动垂直起降(EVTOL)飞行器的车辆也在开发中，它们需要类似的方法来保证运行安全。短期建议配置有冗余涡轮发电机，为电动螺旋桨提供动力。出于重量管理的目的，涡轮发电机可能是单滑阀气体涡轮。与受益于轴功率传递的多滑阀涡轮风扇引擎类似，这种装置对于促进涡轮发电机之间的容错功率传递是有益的，例如以允许在行程中再点火。
因此，本发明的目的是提供一种用于将旋转电机连接到气体涡轮滑阀的电气系统。根据前面的论述内容，将会知道，气体涡轮滑阀可以构成相同引擎或不同引擎的一部分。
发明内容
本发明涉及用于将旋转电机与旋转机器连接的电气系统，该旋转机器可包括例如气体涡轮滑阀。因此，本发明还涉及包括此类电气系统的气体涡轮，以及包括两个气体涡轮和此类电气系统的布置结构。
在一个方面，电气系统包括：
第一双绕组旋转电机，该第一双绕组旋转电机与第一气体涡轮滑阀机械地联接，并且包括第一三相子机和第二三相子机；
第二双绕组旋转电机，该第二双绕组旋转电机与第二气体涡轮滑阀机械地联接，并且包括第三三相子机和第四三相子机；
一组N＝4个双向转换器电路，该一组N＝4个双向转换器电路用于在交流电(ac)与直流电(dc)之间进行来回转换，每个双向转换器电路具有相关联的索引n＝(1,…,N)，并且对于所有n，第n个双向转换器电路的ac侧与第n个三相子机连接；以及
第一转换器电路的dc侧与第三转换器电路的dc侧连接，并且第二转换器电路的dc侧与第四转换器电路的dc侧连接。
在一个实施方案中：
第一转换器电路的dc侧和第三双向转换器电路的dc侧连接到第一dc输出总线；以及
第二转换器电路的dc侧和第四双向转换器电路的dc侧连接到第二dc输出总线。
在一个实施方案中，与第一dc输出总线的连接是经由第一开关阵列的，并且与第二dc输出总线的连接是经由第二开关阵列的。
在一个实施方案中，第一开关阵列和第二开关阵列各自包括：
第一输入端，该第一输入端与该转换器电路中的一个转换器电路连接；
第二输入端，该第二输入端与该转换器电路中的另一个转换器电路连接；
输出端，该输出端与所述dc输出总线中的一个dc输出总线连接；
第一开关，该第一开关位于第一输入端与输出端之间；
第二开关，该第二开关位于第二输入端与输出端之间；
汇流条，该汇流条跨接在第一输入端和第二输入端上，该汇流条包括第三开关。
在一个实施方案中，第一开关阵列和第二开关阵列被配置为在无故障条件下运行，其中第一开关和第二开关闭合，并且第三开关断开。
在一个实施方案中，第一开关阵列和第二开关阵列被配置为在第一故障条件下运行，其中第二开关闭合，并且第一开关和第三开关断开。
在一个实施方案中，电气系统还包括控制电路，该控制电路被配置为：
响应于对第一三相子机与第一转换器电路之间的故障的识别，在第一故障条件下运行第一开关阵列；以及
响应于对第二三相子机与第二转换器电路之间的故障的识别，在第一故障条件下运行第二开关阵列。
在一个实施方案中，第一开关阵列和第二开关阵列被配置为在第二故障条件下运行，其中第一开关闭合，并且第二开关和第三开关断开。
在一个实施方案中，电气系统还包括控制电路，该控制电路被配置为：
响应于对第三三相子机与第三转换器电路之间的故障的识别，在第二故障条件下运行第一开关阵列；以及
响应于对第四三相子机与第四转换器电路之间的故障的识别，在第二故障条件下运行第二开关阵列。
在一个实施方案中，第一开关阵列和第二开关阵列被配置为在第三故障条件下运行，其中第三开关闭合，并且第一开关和第二开关断开。
在一个实施方案中，电气系统还包括控制电路，该控制电路被配置为：
响应于对第一开关阵列的输出端与第一dc输出总线之间的故障的识别，在第三故障条件下运行第一开关阵列；以及
响应于对第二开关阵列的输出端与第二dc输出总线之间的故障的识别，在第三故障条件下运行第二开关阵列。
在一个实施方案中，开关是dc接触器。
在另一方面，提供了一种气体涡轮引擎，该气体涡轮引擎具有低压滑阀和高压滑阀，并且还包括前述类型的电气系统，其中第一气体涡轮滑阀是低压滑阀，并且第二气体涡轮滑阀是高压滑阀。
在另一方面，提供了一种布置结构，该布置结构包括：
第一气体涡轮引擎，所述第一气体涡轮引擎具有第一滑阀；
第二气体涡轮引擎，所述第二气体涡轮引擎与所述第一气体涡轮引擎不同并且具有第二滑阀；以及
前述类型的电气系统，其中第一气体涡轮滑阀是第一气体涡轮引擎的第一滑阀，并且第二气体涡轮滑阀是第二气体涡轮引擎的第二滑阀。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述实施方案，附图仅为示意图并且未按比例绘制，并且在附图中：
图1示出了用于飞行器的涡轮风扇引擎的总体布置结构，该涡轮风扇引擎在其每个滑阀上包括旋转电机；
图2示出了用于连接图1的电机的电气系统；
图3是图1的双绕组电机的示意图；
图4是图2的电气系统的实施方案的单线图；并且
图5是图4的开关阵列中的一个开关阵列的单线图。
具体实施方式
图1
用于飞行器的引擎101的总体布置结构示于图1中。在本实施方案中，引擎101具有涡轮风扇构型并因此包括导管风扇102，该导管风扇接收进气A并产生两股加压气流：轴向穿过旁路导管103的旁路流B和进入核心气体涡轮的核心流C。
核心气体涡轮包括以轴流串的低压压缩机104、高压压缩机105、燃烧器106、高压涡轮107和低压涡轮108。
在运行中，核心流C由低压压缩机104压缩，并且然后被引导至高压压缩机105中以进行进一步的压缩。从高压压缩机105排出的压缩空气被引导至燃烧器106中，在该燃烧器中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。所得的热燃烧产物然后膨胀通过并由此驱动高压涡轮107，并且继而在驱动低压涡轮108之后被排出以提供总推力的一小部分。
高压涡轮107经由互连轴来驱动高压压缩机105。低压涡轮108经由另一个互连轴来驱动低压压缩机104。高压压缩机105、高压涡轮107和相关联的互连轴一起构成引擎101的高压滑阀的一部分。类似地，低压压缩机104、低压涡轮108和相关联的互连轴构成引擎101的低压滑阀的一部分。此类命名法将是本领域的技术人员所熟悉的。
风扇102由低压涡轮108经由呈行星构型的周转圆齿轮箱109形式的减速齿轮箱驱动。因此，在该构型中，低压涡轮108与齿轮箱109的太阳齿轮连接。太阳齿轮与位于旋转支架中的多个行星齿轮啮合，这些行星齿轮继而与静止环形齿轮啮合。旋转支架经由风扇轴110驱动风扇102。
应当理解，在另选的实施方案中，可以替代地使用恒星构型的周转圆齿轮箱(其中行星架是静止的并且环形齿轮旋转并提供输出)。
为了促进引擎101的发电，能够同时作为马达和发电机运行的第一旋转电机111与高压滑阀机械地联接。在本实施方案中，第一电机111经由常规驱动构型的由高压滑阀驱动的核心安装的辅助齿轮箱112联接到高压滑阀。因此，除了作为发电机运行以向其上安装有引擎101的飞行器提供电功率之外，第一电机111可以驱动高压滑阀以促进引擎101而不是空气涡轮启动器的启动，并且还可以在某些飞行阶段对其进行驱动，以提高可操作性、降低燃料耗等。
在另选的实施方案中，第一电机111可与涡轮机械同轴地安装在引擎101中。例如，第一电机111可以在低压压缩机104和高压压缩机105之间与导管轴向对齐地安装。
类似地，能够同时作为马达和发电机运行的第二旋转电机113与低压滑阀机械地联接。在本实施方案中，第二电机113与涡轮机械同轴地安装在引擎101的尾锥114中，并且联接到低压涡轮108。在另选的实施方案中，第二旋转电机113可定位成与低压压缩机104轴向对齐，该低压压缩机可以采取叶片盘状部或叶片鼓构型以为第二旋转电机113提供空间。
当然，本领域的技术人员将认识到，可以采取用于第一电机和第二电机的任何其他合适的位置。
在本实施方案中，第一电机和第二电机与功率电子器件连接。由功率电子模块(PEM)115执行从电机中提取功率或将功率施加到电机。在本实施方案中，PEM 115安装在引擎101的风扇箱116上，但是应当理解，它可以安装在其他地方，诸如安装在核心气体涡轮上，或者安装在引擎101所附接的车辆中。
在本示例中，PEM 115以及第一电机111和第二电机113的控制由引擎电子控制器(EEC)117执行。在本实施方案中，EEC 117是全权限数字引擎控制器(FADEC)，其构型将是本领域技术人员已知和理解的。因此，它控制引擎101的所有方面，即核心气体涡轮以及第一电机111和第二电机113。以这种方式，EEC 117可以整体地响应于推力需求和电功率需求。
PEM 115的内部构型保证第一电机111与第二电机113之间的容错电功率传递。以这种方式，涡轮机械可被设计成利用由高压滑阀与低压滑阀之间的功率传递所带来的伴随优点。例如，在接近阶段期间从低压滑阀到高压滑阀的功率传递减小了引擎101的有效推力，同时保持足够的高压滑阀旋转速度以安全地启动复飞操作。另外，在引擎101中，在减速操作期间从高压滑阀到低压滑阀的功率传递降低了弱熄灭的风险，从而实现更优的燃烧器设计。
在本文所设想的具体实施中，PEM 115被配置为使得它可以输出到两个dc总线或从两个dc总线接收电功率，该配置被设想用于未来更多的电动飞行器平台。该电气系统的配置将参照图2进行描述。
引擎101的各种实施方案可包括以下特征中的一者或多者。
应当理解，代替具有导管风扇布置结构的涡轮风扇，引擎101可以替代地是包括用于产生推力的推进器的涡轮螺桨发动机。
低压压缩机104和高压压缩机105可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。除轴向级之外或代替轴向级，低压压缩机104或高压压缩机105可包括离心压缩级。
低压涡轮107和高压涡轮108也可包括任何数量的级。
风扇102可具有任何期望数量的风扇叶片，例如16、18、20或22个风扇叶片。
每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率—毂部-尖端比率—可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。毂部-尖端比率可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。毂部-尖端比率都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。
可在引擎中心线和风扇叶片在其前缘处的尖端之间测量该风扇102的半径。风扇直径可以大于(或大约为)以下中的任何一个：2.5米、2.6米、2.7米、2.8米、2.9米、3米、3.1米、3.2米、3.3米、3.4米、3.5米、3.6米、3.7米、3.8米或3.9米。风扇直径可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
风扇102的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在2.5米至3米(例如2.5米至2.8米)范围内的引擎，在巡航条件下风扇102的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，或例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在3.2米至3.8米范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1600rpm的范围内。
在使用引擎101时，(具有其相关联的风扇叶片的)风扇102围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U尖端移动。风扇叶片对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U尖端 2，其中dH是跨风扇的焓升(例如一维平均焓升)，并且U尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一个：0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎101可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路导管的流B的质量流率与穿过核心的流C的质量流率的比率。取决于选定构型，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5或17。该旁路比率可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。该旁路导管可以是基本上环形的。该旁路导管可位于核心引擎103的径向外侧。旁路导管的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。
引擎101的总压力比可以被定义为风扇102上游的滞止压力与高压压缩机105的出口处(进入燃烧器之前)的滞止压力的比率。以非限制性示例的方式，引擎101在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。
引擎101的比推力可被定义为引擎101的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，引擎101的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg-1s、105Nkg-1s、100Nkg-1s、95Nkg-1s、90Nkg-1s、85Nkg-1s或80Nkg-1s。比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。
引擎101可以具有任何期望的最大推力。例如，引擎101可以能够产生至少(或大约)为以下任何一个的最大推力：160千牛顿、170千牛顿、180千牛顿、190千牛顿、200千牛顿、250千牛顿、300千牛顿、350千牛顿、400千牛顿、450千牛顿、500千牛顿或550千牛顿。最大推力可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15摄氏度(环境压力101.3千帕，温度30摄氏度)、引擎101静止时的最大净推力。
在使用中，高压涡轮107的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为涡轮入口温度或TET，可在燃烧器106的出口处测量，例如直接在其本身可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游测量。在巡航时，TET至少可以是(或大约为)以下中的任何一个：1400开尔文、1450开尔文、1500开尔文、1550开尔文、1600开尔文或1650开尔文。巡航时的TET可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。例如，引擎101的在使用中的最大TET可以是至少(或大约为)以下的任何一个：1700开尔文、1750开尔文、1800开尔文、1850开尔文、1900开尔文、1950开尔文或2000开尔文。最大TET可在由前述值中的任何两个限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。
本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体。
风扇102可包括中央毂部部分，风扇叶片可从该中央毂部部分例如沿径向方向延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央毂部部分整体地形成。此类布置结构可以是叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。例如，风扇叶片的至少一部分可由胚料加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。
引擎101可以被设置有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路导管的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。
如本文所用，巡航条件具有常规含义并且将易于被本领域的技术人员理解。
此类巡航条件通常可被定义为巡航中期的条件，例如飞行器和/或引擎在爬升顶点和下降起点之间的中点(就时间和/或距离而言)处所经历的条件。因此，巡航条件定义气体涡轮引擎的操作点，该操作点在考虑提供给气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的引擎数量的情况下，提供将确保该飞行器在中间巡航时的稳态操作(即，保持恒定的高度和恒定的马赫数)的推力。例如，如果引擎被设计为附接到具有两个相同类型的引擎的飞行器上，则在巡航条件下，引擎提供该飞行器在中间巡航时稳态运行所需的总推力的一半。
换句话讲，对于飞行器的给定气体涡轮引擎，巡航条件被定义为在中间巡航大气条件(在中间巡航高度下由根据ISO 2533的国际标准大气定义)下提供指定推力的引擎的操作点(需要在给定中间巡航马赫数下，与飞行器上的任何其他引擎相结合，提供气体涡轮引擎被设计用于附接到的飞行器的稳态操作)。对于飞行器的任何给定气体涡轮引擎而言，中间巡航推力、大气条件和马赫数是已知的，因此在巡航条件下，引擎的操作点是明确定义的。
巡航条件可对应于处于10000米至15000米的范围内的高度处的ISA标准大气条件，诸如10000米至12000米、或10400米至11600米(约38000英尺)、或10500米至11500米、或10600米至11400米、或10700米(约35000英尺)至11300米、或10800米至11200米、或10900米至11100米、或11000米。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。
在巡航条件下的前进速度可以是从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如以下中的一个：0.75马赫至0.85马赫、0.76马赫至0.84马赫、0.77马赫至0.83马赫、0.78马赫至0.82马赫、0.79马赫至0.81马赫、0.8马赫、0.85马赫、或0.8马赫至0.85马赫的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。
因此，例如，巡航条件可以具体对应于23千帕的压力、负55摄氏度的温度和0.8的正马赫数。
然而，当然可以理解，本文要求保护的本发明的原理仍然可以应用于具有落在上述参数范围之外的合适设计特征的引擎。
图2
用于将第一电机111和第二电机113连接到高压滑阀和低压滑阀的电气系统201示于图2中。电气系统201以单线图的形式示出，其约定对于本领域技术人员而言是熟悉的。因此，对于交流电(ac)，单条线替代了多条多相线；对于直流电(dc)，单条线替代了+V和–V线。
在所示的配置中，电机的ac输出被提供给PEM 115。电机的配置将参考图3进一步描述。
EEC 117中提供了用于PEM 115的控制器202。在本示例中，控制器202是在EEC 117上运行的软件中实现的功能模块。应当理解，在另选的实施方案中，控制器202可以在EEC117的硬件中实现。还应当理解，除了EEC 117之外，控制器202可以是单独的模块。
如图2所示，第一组双向转换器电路203与第一电机111连接，并且第二组双向转换器电路204与第二电机113连接。
控制器202被配置为控制第一组双向转换器电路203和第二组双向转换器电路204的运行，以控制电机111和113的运行。
双向转换器电路被配置为在交流电与直流电之间进行来回转换。在本实施方案中，转换器电路的直流输出被提供给开关布置结构205，以用于连接到包括第一dc总线206和第二dc总线207的双通道飞行器dc网络。
在本示例中，开关电路能够操作为将双向转换器与dc总线彼此连接或断开。以这种方式，可以管理各种故障，如将参考图5进一步描述的那样，同时保持在气体涡轮滑阀之间传递功率的能力。
图3
第一电机111示于图3中。在本实施方案中，本文至此描述的第二电机113的构型相同。
第一电机111是双绕组旋转电机。术语“双绕组”将被本领域的技术人员理解为意味着它可被认为包括两个功能上分开的子机。另外，在本具体实施中，这些子机是三相子机。应当理解，相位的数量可以不同，并且具体地可大于两个。最大数量通常受空间约束的限制，通常将小于九个。
如图所示，在本实施方案中，第一电机111包括具有十二个齿302的定子301。六个线圈303、304、305、306、307和308缠绕在交替的齿上，使得每个狭槽仅存在一个线圈侧。本领域的技术人员将认识到这是集中绕组布置结构。以这种方式，线圈在电、电磁、热和机械上分开以提供容错。在本实施方案中，通过将相反的线圈指定为单独的子机的一部分来实现第一电机111的“双绕组”。因此，线圈303构成相位ΦU1，并且线圈306构成相位ΦU2。其他线圈采用类似的配置。在本实施方案中，构成第一子机的相位ΦU1、ΦV1和ΦW1以恒星绕组(也称为Y形绕组)连接，在单独的连接中，构成第二子机的相位ΦU2、ΦV2和ΦW2也是如此。应当理解，可以替代地使用Δ绕组。
在本实施方案中，第一电机111是永磁电机。因此，在作为马达运行时，由线圈303至308产生的磁场与转子309上的永磁体相互作用，从而产生扭矩。在作为发电机运行时，转子309的磁场与线圈303至308相互作用以产生电压。
应当理解，可以使用不同的机器类型。例如，可以使用分布式绕组方案。同样，可以使用感应型、绕组磁极型或开关磁阻型的机器。另外，机器可以替代地具有横向或轴向磁通配置。
还可以设想，在另选实施方案中，子机可以不是由缠绕在相同定子301上的不同绕组集合构成，而是由轴向分离的机器构成，每个机器具有双绕组的两个绕组中的一个绕组。另选地，机器可具有径向分段的定子类型，其中每个子机占据定子的不同区段。
图4
电气系统201再次以单线图的形式更详细地示于图4中。
每个电机111和113具有用于每个子机到相应的双向转换器电路的三相连接。因此，第一电机111中的第一子机111-1(对应于其相位ΦU1、ΦV1和ΦW1)与第一双向转换器电路401连接。第一电机111中的第二子机111-2(对应于其相位ΦU2、ΦV2和ΦW2)与第二双向转换器电路402连接。
类似地，第二电机113中的第三子机113-1(对应于其相位ΦU1、ΦV1和ΦW1)与第三双向转换器电路403连接。第二电机113中的第四子机113-2(对应于其相位ΦU2、ΦV2和ΦW2)与第四双向转换器电路404连接。
简而言之，电气系统包括N＝4个双向转换器电路，每个双向转换器电路具有相关联的索引n＝(1,…,N)，并且对于所有n，第n个双向转换器电路的ac侧与第n个三相子机连接。
在本实施方案中，双向转换器电路401至404是包括三个半桥转换器支路以及适当的滤波器的二级转换器。然而，应当理解，也可以使用其他转换器拓扑结构，诸如中性点钳位拓扑结构。
在本示例中，开关布置结构205的功能被分成两个单独的开关阵列405和406，这有助于第一子机和第二子机的容错隔离。因此，第一双向转换器电路401和第三双向转换器电路403的dc侧通过第一开关阵列405连接在一起，而第一双向转换器电路401和第三双向转换器电路403的dc侧通过第二开关阵列406连接在一起。
在本实施方案中，第一开关阵列405连接到第一双向转换器电路401和第三双向转换器电路403的dc侧以及第一dc总线206，而第二开关阵列406连接到第二双向转换器电路402和第四双向转换器电路404的dc侧以及第二dc总线207。
以这种方式，由于第一电机111和第二电机113中的子机的电、电磁、热和机械隔离以及开关阵列405、406和dc总线206、207的分离，一台子机上的故障不会影响另一台子机。
图5
第一开关阵列405再次以单线图的形式更详细地示于图5中。在本示例中，第二开关阵列406具有相同的配置。
开关阵列405包括用于与所述转换器电路中的一个转换器电路连接的第一输入端501、用于与所述转换器电路中的另一个转换器电路连接的第二输入端502以及用于与dc输出总线连接的输出端503。在本示例中，第一输入端501与第一双向转换器电路401连接，并且第二输入端502与第三双向转换器电路403连接。输出端503与第一dc总线206连接。第一输入端501和第二输入端502均连接到输出端503。
应当理解，对于在该示例中具有相同配置的第二开关阵列406，其第一输入端501与第二双向转换器电路402连接，其第二输入端502与第四双向转换器电路404连接，并且其输出端503与第二dc总线207连接。
再次参见图5，为了促进输入端和输出端的连接和断开连接，在第一输入端501与输出端503之间设置第一开关504，在第二输入端502与输出端503之间设置第二开关505，并且在跨接在第一输入端501和第二输入端502上的汇流条中设置第三开关506。
该布置结构的一个优点是每个开关504至506可被配置为具有相同的电压和电流额定值，并且因此可被提供为相同的部件。
在一个具体实施方案中，开关504至506是dc接触器，对于本领域的技术人员而言将熟悉的是用于切换电源电路的电控开关，其中控制电路的功率水平低于开关电路的功率水平。这是有利的，因为在电气系统201的设想的具体实施中，功率水平在540伏dc下可能超过500千瓦。
在本实施方案中，开关504至506在控制器201的控制下运行，该控制器向开关提供相应的控制信号Q1、Q2和Q3。以这种方式，可以在故障条件期间隔离输入端和输出端中的任一者，并继续运行电气系统201的其余部分。
在运行中，对于第一开关阵列405，存在四种可能的状态以及相关联的开关状态：一个无故障条件和三个故障条件。该故障可以是可能危害系统安全运行的任何类型的故障，例如短路或接地故障。控制器201可基于对每个相位的电流或电压中的任一者的测量来感测此类故障。例如，可以使用过电流保护、接地故障保护、单元(或差动)保护和负相序保护中的一种或多种来感测故障。该故障可以由电流互感器和电压互感器中的一者或多者或数字等同物感测。
主要的运行模式是无故障条件。第一故障条件是在第一电机111中的第一子机111-1与第一双向转换器电路401之间存在故障。第二故障条件是在第二电机113中的第三子机113-1与第三双向转换器电路403之间存在故障。第三故障条件是在第一dc总线206上存在故障。
与这些故障条件相关联的控制信号Qn在下表1中列出，其中“0”表示断开开关，“1”表示闭合开关：
故障条件 Q1 Q2 Q3
无故障 1 1 0
第一 0 1 0
第二 1 0 0
第三 0 0 1
表1
因此，在无故障条件下，第一开关504和第二开关505闭合，而跨接在第一输入端501和第二输入端502上的汇流条中的第三开关506断开。以这种方式，电流在双向转换器电路401和403与第一dc总线206之间正常流动。
对于如先前定义的其他故障条件中的每个故障条件，开关504至506被配置为将电气系统201的故障部件与其余的可运行部件隔离。甚至在第一dc总线206上存在故障的情况下，通过在跨接在第一输入端501和第二输入端502上的汇流条中设置开关506，可以在气体涡轮滑阀之间进行功率传递，所述开关在第三故障条件下被控制器闭合。
应当理解，第二开关阵列406的配置和控制是相同的。因此，主要的运行模式是无故障条件。第一故障条件是在第一电机111中的第二子机111-2与第二双向转换器电路402之间存在故障。第二故障条件是在第二电机113中的第四子机113-2与第四双向转换器电路404之间存在故障。第三故障条件是在第二dc总线206上存在故障。
以这种方式，即使在存在多个故障的情况下，例如在第一dc总线206之间的故障以及在第二子机111-2与第二双向转换器电路402之间的故障，也可以促进气体涡轮滑阀之间的功率传递。
如前所述，尽管已在气体涡轮引擎内的滑阀之间传递功率的背景下描述了本实施方案，但本领域的技术人员应当理解，本发明的原理可以应用于包括两种独立气体涡轮引擎的布置结构，其中每个气体涡轮引擎具有各自的滑阀。
此外，可以设想，本文描述的电气系统配置可被扩展以促进旋转电机与其他类型的旋转机械的连接。例如，旋转电机可以与其他类型的热引擎连接，例如内燃机，诸如往复式或Wankel型引擎。可以连接其他类型的热引擎，诸如根据朗肯循环运行的蒸汽涡轮。可以连接不同类型的旋转机械的组合。
因此，应当理解，本文描述的发明可以表达为用于将旋转电机与其他旋转机器连接的电气系统，该系统具有此前描述的特性和属性。
还应当指出的是，尽管已参考用于飞行器的涡轮风扇引擎101描述了本实施方案，但是应当理解，所描述的电气系统的原理可以应用于其他装置，例如在海洋环境中，诸如在由气体涡轮提供动力的海军舰艇上，或在能源生产环境中，诸如在利用天然气气体涡轮的发电站中，或者任何其他合适的应用。已经描述了各种示例，每个示例都以各种特征组合为特征。本领域技术人员将理解，除非明显相互排斥，否则任何特征可单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本发明扩展到并包括本文所述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (15)

1.一种用于将旋转电机(111,113)与气体涡轮滑阀连接的电气系统(201)，还包括：
第一双绕组旋转电机(111)，所述第一双绕组旋转电机与第一气体涡轮滑阀机械地联接，并且包括第一三相子机(111-1)和第二三相子机(111-2)；
第二双绕组旋转电机(113)，所述第二双绕组旋转电机与第二气体涡轮滑阀机械地联接，并且包括第三三相子机(113-1)和第四三相子机(113-2)；
一组N＝4个双向转换器电路(401-404)，所述一组N＝4个双向转换器电路用于在交流电(ac)与直流电(dc)之间进行来回转换，所述双向转换器电路中的每个双向转换器电路具有相关联的索引n＝(1,…,N)，并且对于所有n，第n个双向转换器电路的ac侧与第n个三相子机连接；以及
第一转换器电路(401)的dc侧与第三转换器电路(403)的dc侧连接，并且第二转换器电路(402)的dc侧与第四转换器电路(404)的dc侧连接。
2.根据权利要求1所述的电气系统(201)，其中：
所述第一转换器电路(401)的所述dc侧和所述第三双向转换器电路(403)的所述dc侧连接到第一dc输出总线(206)；以及
所述第二转换器电路(402)的所述dc侧和所述第四双向转换器电路(404)的所述dc侧连接到第二dc输出总线(207)。
3.根据权利要求2所述的电气系统(201)，其中与所述第一dc输出总线(206)的连接是经由第一开关阵列(405)的，并且与所述第二dc输出总线(207)的连接是经由第二开关阵列(406)的。
4.根据权利要求3所述的电气系统(201)，其中所述第一开关阵列(405)和所述第二开关阵列(406)各自包括：
第一输入端(501)，所述第一输入端与所述转换器电路(401-404)中的一个转换器电路连接；
第二输入端(502)，所述第二输入端与所述转换器电路(401-404)中的另一个转换器电路连接；
输出端(503)，所述输出端与所述dc输出总线(206,207)中的一个dc输出总线连接；
第一开关(504)，所述第一开关位于所述第一输入端(501)与所述输出端(503)之间；
第二开关(505)，所述第二开关位于所述第二输入端(502)与所述输出端(503)之间；
汇流条，所述汇流条跨接在所述第一输入端(501)和所述第二输入端(502)上，所述汇流条包括第三开关(506)。
5.根据权利要求4所述的电气系统(201)，其中所述第一开关阵列(405)和所述第二开关阵列(406)被配置为在无故障条件下运行，其中所述第一开关(504)和所述第二开关(505)闭合，并且所述第三开关(506)断开。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的电气系统(201)，其中所述第一开关阵列(405)和所述第二开关阵列(406)被配置为在第一故障条件下运行，其中所述第二开关(505)闭合，并且所述第一开关(504)和所述第三开关(506)断开。
7.根据权利要求6所述的电气系统(201)，还包括控制电路，所述控制电路被配置为：
响应于对所述第一三相子机(111-1)与所述第一转换器电路(401)之间的故障的识别，在所述第一故障条件下运行所述第一开关阵列(405)；以及
响应于对所述第二三相子机(111-2)与所述第二转换器电路(402)之间的故障的识别，在所述第一故障条件下运行所述第二开关阵列(406)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的电气系统(201)，其中所述第一开关阵列(405)和所述第二开关阵列(406)被配置为在第二故障条件下运行，其中所述第一开关(504)闭合，并且所述第二开关(505)和所述第三开关(506)断开。
9.根据权利要求8所述的电气系统(201)，还包括控制电路，所述控制电路被配置为：
响应于对所述第三三相子机(113-1)与所述第三转换器电路(403)之间的故障的识别，在所述第二故障条件下运行所述第一开关阵列(405)；以及
响应于对所述第四三相子机(113-2)与所述第四转换器电路(404)之间的故障的识别，在所述第二故障条件下运行所述第二开关阵列(406)。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的电气系统(201)，其中所述第一开关阵列(405)和所述第二开关阵列(406)被配置为在第三故障条件下运行，其中所述第三开关(506)闭合，并且所述第一开关(504)和所述第二开关(505)断开。
11.根据权利要求10所述的电气系统(201)，还包括控制电路，所述控制电路被配置为：
响应于对所述第一开关阵列(405)的所述输出端(503)与所述第一dc输出总线(206)之间的故障的识别，在所述第三故障条件下运行所述第一开关阵列(405)；以及
响应于对所述第二开关阵列(406)的所述输出端(503)与所述第二dc输出总线(207)之间的故障的识别，在所述第三故障条件下运行所述第二开关阵列(406)。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的电气系统(201)，其中所述开关(504-506)是dc接触器。
13.一种气体涡轮引擎(101)，所述气体涡轮引擎具有低压滑阀和高压滑阀，并且还包括根据权利要求1至12中任一项所述的电气系统(201)，其中第一气体涡轮滑阀是所述低压滑阀，并且第二气体涡轮滑阀是所述高压滑阀。
14.一种布置结构，包括：
第一气体涡轮引擎，所述第一气体涡轮引擎具有第一滑阀；
第二气体涡轮引擎，所述第二气体涡轮引擎与所述第一气体涡轮引擎不同并且具有第二滑阀；以及
根据权利要求1至12中任一项所述的电气系统(201)，其中所述第一气体涡轮滑阀是所述第一气体涡轮引擎的所述第一滑阀，并且所述第二气体涡轮滑阀是所述第二气体涡轮引擎的所述第二滑阀。
15.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求13所述的气体涡轮(101)或根据权利要求14所述的布置结构。
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