CN114026313A - 包括具有起动器-发电机功能的电机的涡轮机以及用于控制这种电机的速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机(10)，涡轮机包括：‑电机(30)、‑起动器‑发电机(17)、‑行星式齿轮减速装置(50)和‑控制构件，起动器‑发电机与第二电机(40)合并，起动器‑发电机被构造为以起动器和发电机运行，电机和起动器‑发电机被布置为在它们之间传递电功率，行星式齿轮减速装置包括第一元件、第二元件和第三元件，第一元件联接到附件继电器外壳(12)，第二元件联接到起动器‑发电机(17)，第三元件通过电机(30)旋转，控制构件被构造为改变第一电机(30)和起动器‑发电机(17)的旋转速度，以便为处于起动器模式的起动器‑发电机(17)提供最大扭矩，并且控制构件被构造为改变第一电机(30)的旋转速度，使得以恒定的速度驱动处于发电机模式的起动器‑发电机(17)。

Description

包括具有起动器-发电机功能的电机的涡轮机以及用于控制 这种电机的速度的方法
技术领域
本发明涉及涡轮机的领域，并且更具体地，涉及一种包括具有马达、起动器和发电机功能的电机的涡轮机。本发明还涉及一种用于控制涡轮机电机的速度的方法。
背景技术
现有技术具体包括文献EP3382183A1、EP2103795A2、EP2103795A3、GB2461973A和FR3062424A1。
以已知的方式，安装在飞行器上的涡轮机配备有发电机，并且更准确地，配备有整体驱动发电机(Integrated Drive Generator，IDG)，发电机被构造为以恒定频率提供电功率，例如，以400Hz的三相交流电流提供115V的电功率。
发电机被设计为通过以不同的旋转速度旋转发电机的输出轴来接收机械能，并且将该机械能转化为电能。通常，发电机是由涡轮机上的附件齿轮箱(accessory gear box，AGB)的输出轴驱动。因此，发电机的输入轴的旋转速度与附件齿轮箱的输出速度通过固定的减速比与涡轮机的可变速度相关联。为了获得恒定的频率，发电机必须以恒定的速度驱动。
为此，可以安装用于控制附件齿轮箱的输出轴和发电机的输入轴之间的速度的装置，以保持发电机的旋转轴杆的恒定速度。
特别地，以恒定频率提供电功率的发电机可以配备有液压机械差动装置，以确保对发电机的恒定速度的控制。
速度的控制装置通常由固定排量的液压马达组成。液压马达的速度由压力控制回路控制。液压功率的传递是通过可变排量的液压马达实现的，在液压马达中，调节排量以确保两个设备之间的流量守恒。对于压力控制，液压系统配备有耗散压力控制器。
然而，从附件齿轮箱汲取的机械功率不等于由发电机提供的功率。
此外，液压机械装置具有缺点。特别地，由于内部泄漏和摩擦，固定或可变排量的液压马达的总体效率很低，并且特别是接近80％。此外，在对可变排量的液压马达进行控制的液压装置处存在压力损耗，并且在对固定排量的液压马达的速度进行控制的压力控制器处存在耗散损耗。此外，在两个象限中的可逆运行(即，在马达发电机的正速度和负速度下)使得效率方面不能够优化，因此效率低于80％。该液压机械装置也是不可靠的，因为调节发电机的速度涉及在很宽的速度范围内运行液压马达。因此，在低速或高速下，效率受到影响，并且受到磨损的风险更大。
已知涡轮机还配备有起动器，例如，气动式起动器或电动式起动器。起动器被构造为在涡轮机的地面起动阶段期间和飞行辅助阶段期间提供高扭矩。
在起动阶段期间，起动器的扭矩使得能够克服高压轴处来自涡轮机和由涡轮机通过机械传动驱动的所有附件的扭矩的总体值，使得在起动阶段期间，只有起动器提供扭矩。从发动机点火开始，以大约25％的涡轮机的速度，起动器和马达都提供发动机扭矩。
由于与附件相关的扭矩，或者仅仅由于涡轮机的自身惯性，提供高达涡轮机的速度的25％的扭矩可能非常高。
发电机可以作为电起动器运行，特别是通过连接到发电机的线圈的适当电源来运行。然而，发电机的尺寸是由其最大扭矩决定的。然而，在大多数应用中，由起动器提供的最大扭矩高达涡轮机的速度的25％，几乎是由处于发电机模式的涡轮机提供的扭矩的两倍。
目前，恒定速度的起动器-发电机系统使得能够在不影响发电机尺寸的情况下实现所需的起动扭矩，这要归功于在起动阶段期间解耦附件的机械系统。该系统涉及将额外的差动器集成到液压机械差动装置。在起动阶段期间，主动制动器释放不再由起动器驱动的附件。在起动阶段结束时，制动器停用，并且由涡轮机的附件齿轮箱的输出轴驱动附件。
然而，该系统包括电磁制动器，电磁制动器可能导致休眠故障。
另一方面，在起动阶段期间，由起动器提供的额外扭矩不一定与附件有关，还与涡轮机的惯性有关。在这种情况下，用于解耦附件的系统不能满足启动时高扭矩的需求。
因此，该系统(特别是由于电机制动的系统)是复杂的并且不够可靠。
一种替代方案是将发电机的尺寸加倍，以在起动器模式中产生两倍的扭矩。然而，该替代方案在涡轮机内造成了混乱的问题。
本发明的目的是提出一种解决方案，使得能够弥补这些缺点中的至少一些缺点。
特别地，本发明提出了一种驱动模式，该驱动模式使得能够增加起动扭矩而不影响发电机的尺寸，并且不增加除了已经存在的部件以外的部件，以确保发电机以恒定的速度运行。
发明内容
为此，本发明涉及一种涡轮机，特别是用于飞行器的涡轮机，涡轮机包括：
-附件齿轮箱，
-第一电机，
-起动器-发电机，起动器-发电机集成了第二电机，起动器-发电机被构造为以起动器模式和发电机模式运行，
所述第一电机和集成了第二电机的所述起动器-发电机被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机，
-控制构件，控制构件被构造为控制所述第一电机和起动器-发电机，以及
-周转式减速齿轮系，周转式减速齿轮系包括三个元件，中心的行星式齿轮装置、外齿圈和行星架，周转式减速齿轮系的行星齿轮与所述行星式齿轮装置和所述齿圈啮合，所述三个元件能够围绕齿轮箱的轴杆旋转，所述三个元件中的第一元件用于联接到附件齿轮箱，所述三个元件中的第二元件用于联接到集成了第二电机的起动器-发电机，所述三个元件中的第三元件由所述第一电机驱动旋转，
其中，所述控制构件被构造为改变第一电机和集成了第二电机的起动器-发电机的旋转速度，以便为处于起动器模式的起动器-发电机提供最大扭矩，
并且其中，所述控制构件被构造为改变第一电机的旋转速度，以便以恒定的速度驱动处于发电机模式的所述起动器-发电机旋转。
第二电机可以是独立的，或者是起动器-发电机的一部分。
因此，控制构件可以被构造为控制第一电机、第二电机和起动器-发电机。
第二电机可以联接到起动器-发电机的轴杆或联接到附件齿轮箱的轴杆。
控制构件可以被构造为改变第一电机的旋转速度，以便为处于起动器模式的起动器-发电机提供最大扭矩。
根据实施例，集成了第二电机的起动器-发电机被构造为以起动器模式和发电机模式运行，并且第一电机被构造为以马达模式和发电机模式运行。因此，第一电机和第二电机在两个象限(马达和发电机)中工作。
第一电机和第二电机可以被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机。
控制构件可以被构造为改变第一电机的旋转速度，以便为处于起动器模式的起动器-发电机提供最大扭矩。
控制构件可以被构造为改变第一电机的旋转速度，以便以恒定的速度驱动处于发电机模式的起动器-发电机旋转。
对于第二电机定位在起动器-发电机的轴杆上的所有构造，可以通过集成起动器-发电机和第二电机的功能来简化起动器-发电机。
根据本发明，电机是一种被构造为在马达和发电机象限中都进行工作的装置。
发电机是一种被构造为将来自发电机的输入轴的旋转的机械能转换为电能的装置。
马达-发电机机械确保既执行马达的功能(即，将电能转化为机械能)也执行发电机的功能(即，将机械能转化为电能)。因此，在马达-发电机机械中，马达或发电机的功能是可逆的。
起动器是一种用于协助起动涡轮机的装置。起动器被构造为在起动阶段期间提供电能以驱动涡轮机。起动器的运行是自我维持的。
起动器-发电机可以用于在起动阶段期间驱动涡轮机，或在涡轮机开启时产生电流。起动器-发电机作为电动马达提供起动涡轮机所需的扭矩，然后，一旦涡轮机起动，起动器-发电机作为发电机提供电流。
因此，本发明提出了一种涡轮机，该涡轮机集成了用于从附件齿轮箱以起动器-发电机模式驱动电机的装置。驱动装置包括第一电机、起动器-发电机、第二电机、齿轮箱和控制构件。
有利地，根据本发明的驱动装置是纯电的，这使得能够消除根据现有技术的驱动装置中存在的耗散损耗，并且结合了第一电机和第二电机之间的电功率传递。
由于涡轮机的旋转速度通常是可变的，以及由此处于发电机模式的起动器-发电机的旋转速度通常是可变的，为了将处于发电机模式的起动器-发电机的输出速度调节为恒定值，涡轮机包括周转式减速齿轮系，以集成额外的适应程度。通过周转式减速齿轮系的传动使得能够连接由附件齿轮箱驱动的轴杆、起动器-发电机和第一电机，从而将处于发电机模式的起动器-发电机的速度调节为恒定值。周转式减速齿轮系类似于差动器，并且使得能够连接这三个设备并且能够调节第一电机的轴的速度。
因此，控制第一电机的速度使得能够针对附件齿轮箱侧的输入速度来确保处于发电机模式的起动器-发电机的恒定输出速度。
第二电机使得能够确保将电功率传递到第一电机。
在起动阶段期间，驱动涡轮机和附件的扭矩由以起动器模式运行的起动器-发电机提供，并且第一电机和第二电机以马达模式运行，与它们在驱动装置中的位置无关。
将由第一电机和第二电机产生的最大扭矩与由起动器产生的最大扭矩相加，足以达到起动阶段所需的最大扭矩。起动器-发电机的最大速度由处于发电机模式的最大速度决定。
因此，本发明使得能够将起动器的功能与驱动装置集成，同时提供对起动器在起动阶段期间需要提供高扭矩的问题的解决方案。
发电机的输出速度有利地保持恒定，而不从涡轮机的附件齿轮箱的输出轴汲取额外的功率。因此，从附件齿轮箱的输出轴汲取的功率被整体地转换为电功率。
根据本发明的驱动装置使得能够在两个象限中工作，而在电机的效率方面没有任何影响。
此外，驱动装置是可靠的，特别是由于电机的冗余，与根据现有技术的装置相比，在现有技术中液压冗余在技术上是不可想象的。
此外，由于驱动装置不像现有技术包括压力控制装置或位移控制装置，因此装置的部件的数量受到限制。
通过在涡轮机的轴杆处产生所需的最大扭矩，驱动装置还具有作为起动器运行的能力，而不需要额外的机器或增加部件的尺寸。
周转式减速齿轮系布置在附件齿轮箱的输出轴和起动器-发电机的输入轴之间，以保持起动器-发电机的旋转轴杆的恒定的速度，更准确地，以保持发电机的旋转轴杆的恒定的速度。
因此，本发明提出了一种在涡轮机和起动器-发电机之间的差动驱动模式，差动驱动模式既使得发电机能够以恒定的速度运行，又使得起动器能够以等于处于发电机模式的扭矩的两倍的扭矩运行，而不影响发电机的质量。此外，该轮系模式不需要任何附件的解耦。
第一电机和第二电机可以作为马达-发电机运行。
优选地，第一电机和集成了第二电机的起动器-发电机或第二电机是异步的。
涡轮机可以包括至少一个可逆的功率转换器，该至少一个可逆的功率转换器布置在第一电机和集成了第二电机的起动器-发电机或第二电机之间，以便将电功率从一个电机可逆地传递到另一个电机。
根据第一实施例，三个元件中的第一元件是行星架，所述三个元件中的第二元件是齿圈，以及所述三个元件中的第三元件是行星式齿轮装置。
根据第二实施例，三个元件中的第一元件是齿圈，所述三个元件中的第二元件是行星架，以及所述三个元件中的第三元件是行星式齿轮装置。
根据第三实施例，三个元件中的第二元件用于联接到起动器-发电机。在该实施例中，三个元件中的第一元件是行星架，所述三个元件中的第二元件是齿圈，以及所述三个元件中的第三元件是行星式齿轮装置。在该构造中，所述三个元件中的第一元件也可以联接到第二电机。
根据第四实施例，三个元件中的第二元件用于联接到起动器-发电机。在该实施例中，所述三个元件中的第一元件是齿圈，所述三个元件中的第二元件是行星架，以及所述三个元件中的第三元件是行星式齿轮装置。在该构造中，所述三个元件中的第一元件也可以联接到第二电机。
本发明还涉及一种用于在飞行器中控制根据本发明的涡轮机的起动器-发电机的速度的方法，方法包括以下步骤：通过借助于控制构件控制第一电机来改变三个元件中第三元件的速度，使得以恒定的速度驱动处于发电机模式的集成了第二电机的起动器-发电机旋转。
附图说明
通过以下以非限制性示例的方式以及参照附图进行的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得明显，在附图中：
[图1a-图1b]图1a和图1b非常示意性地示出了根据本发明的第一实施例的涡轮机的不同运动学构造；
[图2]图2非常示意性地示出了根据本发明的第二实施例的涡轮机的运动学构造；
[图3a-图3b]图3a和图3b非常示意性地示出了根据本发明的第四实施例的涡轮机的不同运动学构造；
[图4]图4非常示意性地示出了根据本发明的第三实施例的涡轮机的运动学构造；以及
[图5a-图5c]图5a、图5b和图5c示出了根据本发明的涡轮机的周转式减速齿轮系的分解图和示意图。
在不同实施方式中具有相同功能的元件在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1至图4示出了根据本发明的涡轮机10。
涡轮机10包括附件齿轮箱12，附件齿轮箱被构造为由马达轴杆驱动。附件齿轮箱12可以包括多个齿轮系，多个齿轮系连接到用于驱动不同设备的输出轴。在此，齿轮箱的输出轴14中的一个输出轴驱动起动器-发电机16或驱动集成了第二电机40的起动器-发电机17。附件齿轮箱12通常充当驱动轴杆和起动器-发电机之间的连接件，起动器-发电机可以用于在起动阶段期间驱动涡轮机或在涡轮机开启时产生电流。
附件齿轮箱12的速度可以是大约20000转/分钟的高速。可以将起动器-发电机17的最大旋转速度限制为低于附件齿轮箱12的速度。
涡轮机10包括第一电机30和控制构件，控制构件被构造为控制第一电机30。第一电机30可以以马达模式或发电机模式运行。换句话说，第一电机30可以被构造为通过提供电能而以发电机模式运行，并且通过回收电能而以马达模式运行。
控制构件还被构造为控制起动器-发电机17。
第一电机30和电机17或第二电机40被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机。
优选地，第一电机30、第二电机40和起动器-发电机17在交流电流中是异步的。
涡轮机10可以包括可逆的功率转换器32、42，可逆的功率转换器布置在第一电机和起动器-发电机17或第二电机40之间，以便将电功率可逆地从一个电机传递到另一个电机。取决于马达模式或发电机模式，功率转换器可以是逆变器或矫直器。功率转换器可以转换三相交流电流。
根据本发明的实施例，起动器-发电机17可以包括起动器-发电机16，起动器-发电机16被构造为以起动器模式和发电机模式运行。
起动器-发电机17还可以包括第二电机40，第二电机被构造为以马达模式或发电机模式运行。第二电机40作为马达发电机运行。
控制构件还可以被构造为控制第二电机40。
第一电机30和第二电机40可以被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机。
优选地，第一电机30和第二电机40在交流电流中是异步的。
涡轮机10可以包括可逆的功率转换器32、42，可逆的功率转换器布置在第一电机30和第二电机40之间，以便将电功率可逆地从一个电机传递到另一个电机。更具体地，第一电机30连接到第一功率转换器32，以及第二电机40连接到第二功率转换器42，并且第一功率转换器32和第二功率转换器42连接在一起。每个电机30、40在两个象限(马达和发电机)中运行。
涡轮机10还包括周转式减速齿轮系50。周转式减速齿轮系的特性用于调整起动器-发电机16的旋转速度。
图5a、图5b和图5c示出了周转式减速齿轮系50。
周转式减速齿轮系50包括中心的行星式齿轮装置52A和行星架52U，中心的行星式齿轮装置被布置为能够围绕齿轮箱的轴杆以表示为ωA的旋转速度旋转，行星架被布置为能够围绕齿轮箱的轴杆以表示为ωU的旋转速度旋转。
周转式减速齿轮系50还包括行星齿轮52S，行星齿轮与中心的行星式齿轮装置52A啮合并且由行星架52U承载。
周转式减速齿轮系50还包括外齿圈52B，外齿圈被布置为能够围绕齿轮箱的轴杆以表示为ωB的旋转速度旋转，并且行星齿轮52S也与外齿圈啮合。
在周转式减速齿轮系50中，三个元件(即，中心的行星式齿轮装置52A、行星架52U和齿圈52B)都能够围绕齿轮箱的轴杆旋转。例如，齿圈52B可以在固定壳体52C内自由旋转，固定壳体被构造为保护齿轮箱50。
周转式减速齿轮系50的运行由威利斯(Willis)公式控制。这是一种二自由度机构，其中，已知中心的行星式齿轮装置52A、行星架52U和齿圈52B中的两个元件的旋转速度，使得能够计算第三元件的旋转速度。
威利斯公式由以下等式表示：
[公式1]
Figure BDA0003428417400000101
或
[公式2]
ωA–k×ωB+(k-1)×ωU＝0
其中，ωA是中心的行星式齿轮装置52A的旋转速度，ωU是行星架52U的旋转速度，ωB是齿圈52B的旋转速度，以及因数k(也被称为比值)是由齿轮的几何形状确定的常数。
对于图5中的齿轮箱，因数k遵循以下等式：
[公式3]
Figure BDA0003428417400000102
其中，ZA是中心的行星式齿轮装置52A的齿数，以及ZB是齿圈52B的齿数。因此，因数k是负的，模数小于1。
附件齿轮箱12联接到齿轮箱50的三个元件中的一个元件，集成了第二电机40的起动器-发电机17，以及更具体地，起动器-发电机16联接到齿轮箱50的第二元件，并且第一电机30联接到齿轮箱50的第三元件以控制第三元件的旋转速度。
根据本发明，控制构件被构造为改变第三元件的旋转速度(即，第一电机30的旋转速度ω30)，以使第二元件(即，处于发电机模式的起动器-发电机17或处于发电机模式的起动器-发电机16)以恒定的速度被驱动旋转。
为了获得处于发电机模式的起动器-发电机17的恒定的旋转速度，或者获得处于发电机模式的起动器-发电机16的恒定的旋转速度，针对附件齿轮箱12的输出轴14的给定旋转速度，可以改变齿轮箱50的第三元件的旋转速度。
根据本发明，控制构件被构造为改变第一电机30和起动器-发电机17或第二电机40的旋转速度，以便为处于起动器模式的起动器-发电机17提供最大扭矩。
相对于周转式减速齿轮系50的三个元件，六种运动学组合可以用于定位三个设备，即，附件齿轮箱12、集成了第二电机40的起动器-发电机17或起动器-发电机16和第一电机30。
起动器-发电机17或第二电机40也联接到齿轮箱50的一个元件。第二电机40可以定位在起动器-发电机17的轴杆上并且形成该起动器-发电机的一部分，或者定位在起动器-发电机16的轴杆上，或者定位在附件齿轮箱的轴杆上。
第一电机30和第二电机40各自包括定子和转子。根据施加到第一电机和第二电机的转子的扭矩和第一电机和第二电机的旋转速度ω30、ω40，第一电机30和第二电机40是能够控制的。然后，每个电机30、40的扭矩和速度通过由专用于每个电机的功率转换器32、42发送的电功率和电流的频率来控制。
此外，第二电机40通过可逆的功率转换器32、42电连接到第一电机30，以便将功率从一个电机传递到另一个电机。
第二电机40的位置使驱动装置20的可能的组合的数量加倍。这导致了下表中列出的十二种组合。
下表还示出了根据附件齿轮箱12的输出轴14的旋转速度ω12和第一电机30的旋转速度ω30，给出了处于发电机模式的起动器-发电机17的旋转速度ω16的函数，更具体地，给出了处于发电机模式的起动器-发电机16的旋转速度ω16的函数。电机的旋转速度ω40由其在齿轮箱50上串联联接的设备的旋转速度确定。在该表中，选项1对应于处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40与处于发电机模式的起动器-发电机17串联联接或与在齿轮箱50的相同元件上的起动器-发电机16串联联接的情况，并且选项2对应于处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40与在齿轮箱50的相同元件上的附件齿轮箱12的输出轴串联联接的情况。
[表1]
Figure BDA0003428417400000121
由附件齿轮箱12、起动器-发电机16或集成了第二电机40的起动器-发电机17和第一电机30提供的扭矩通过轮系的平衡表达式相关联。
特别地，对齿轮箱50的研究使得能够获得以下轮系和功率的平衡关系：
[公式4]
CA+CB+CU＝0
[公式5]
ωA×CA+ωB×CB+ωU×CU＝0
其中，CA是作用在行星式齿轮装置52A上的扭矩，CB是作用在齿圈52B上的扭矩，CU是作用在行星架52U上的扭矩，ωA是中心的行星式齿轮装置52A的旋转速度，ωB是齿圈52B的旋转速度，ωU是行星架52U的旋转速度。
这导致了在第一电机30处产生扭矩，并且因此根据速度和扭矩的方向在该电机处进行驱动或产生功率。
第二电机40与起动器-发电机16或附件齿轮箱12串联布置，由此确定第二电机40的旋转速度ω40等于该设备的旋转速度。
因此，第二电机40根据其施加的扭矩为驱动装置提供额外的自由度，并且该自由度是除了齿轮箱50的相应元件上的起动器-发电机16或附件齿轮箱12的自由度之外的额外的自由度。
该额外的自由度用于确保与第一电机30的功率传递。
实际上，如果不增加使得能够与第一电机30进行功率传递的第二电机40，则在涡轮机飞行的某些阶段中，从附件齿轮箱12的轴杆汲取的功率将小于由起动器-发电机16提供的电功率，并且在涡轮机飞行的某些阶段中，从附件齿轮箱12的轴杆汲取的功率将大于飞行阶段的要求。
由处于发电机模式的起动器-发电机16提供的电功率大于从附件齿轮箱12汲取的电功率的情况下，功率增益来自由处于马达模式的第一电机30汲取的电功率。
由处于发电机模式的起动器-发电机16提供的电功率小于从附件齿轮箱12汲取的电功率的情况下，由处于发电机模式的第一电机30汲取功率损耗。
第一电机30的电池使得能够在发电阶段期间回收电功率并且在驱动阶段期间恢复该电功率。
第一电机30的控制模式使得其能够在扭矩和速度方面的所有四个象限中运行。
然后，在整个飞行阶段期间从附件齿轮箱12汲取的总能量是由处于发电机模式的起动器-发电机16提供的电能。
驱动能量和发电能量之间的近似平衡导致参数的优化，所述参数例如为，齿轮箱50的周转式齿轮系的比值k和附件齿轮箱12侧的输入旋转速度。
实际上，驱动装置20取决于多个参数，多个参数包括：齿轮箱50的周转式齿轮系的比值k、附件齿轮箱12的输出端的旋转速度ω12相对于涡轮机的发动机轴杆的旋速度的比值和处于发电机模式的起动器-发电机16的旋转速度ω16的最大值。
通过优化这些参数，可以在十二种构造中进行选择，以特别实现以下目标：
-使起动器-发电机16的速度高于附件齿轮箱12的速度；
-减小第一电机30的扭矩以优化马达的尺寸；
-使第一电机30的速度尽可能的高；
-使第二电机40尽可能具有最高的速度；以及
-当运行处于发电机模式的起动器-发电机16时，优化第一电机30和第二电机40之间的功率表传递。
并非表1中的所有组合都使得能够实现这些目标。
因此，有必要对每个组合进行具体的优化研究，以激励在涡轮机上的实施方式的选择。以下描述的组合呈现了在涡轮机中集成时要考虑的不同优点。
图1a示出了“1B-选项1”构造，其中，附件齿轮箱12连接到行星架52U，集成了第二电机40的起动器-发电机17连接到齿圈52B，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。
图1b示出了“1B-选项1”构造，其中，附件齿轮箱12连接到行星架52U，起动器-发电机16连接到齿圈52B，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。在该构造中，第二电机40连接到齿圈52B。
这些构造使得能够满足以下约束：
-特别是由于起动器-发电机16连接到齿圈52B，集成了第二电机40的起动器-发电机17或起动器-发电机16的旋转速度ω16高于附件齿轮箱12的旋转速度ω12；
-特别是由于第一电机30连接到行星式齿轮装置52A，第一电机30的扭矩减小以优化马达的尺寸；
-特别是通过使第一电机30连接到行星式齿轮装置52A，第一电机30具有尽可能最高的旋转速度ω30；以及
-特别是通过使处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40连接到齿圈52B，处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40的转速ω40尽可能高。
在这些构造中，通过转换器-矫直器32、42实现对第一电机30和处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40的控制。
图2示出了“1B-选项2”构造，其中，附件齿轮箱12连接到行星架52U，起动器-发电机16连接到齿圈52B，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。在该构造中，第二电机40连接到行星架52U。
该构造使得能够满足以下约束：
-使起动器-发电机16的旋转速度ω16高于附件齿轮箱的旋转速度ω12；
-减小第一电机30的扭矩以优化马达的尺寸；以及
-使第一电机30的旋转速度ω30尽可能的高。
在该构造中，第二电机40的控制包括扭矩和速度控制回路，第二电机40和附件齿轮箱12连接到齿轮箱50的相同元件。
将第二电机40定位在起动器-发电机16的轴杆上(构造“1B-选项1”)还是定位在附件齿轮箱12的轴杆上(构造“1B-选项2”)的选择取决于应用，并且主要取决于设备的布局和尺寸，以及取决于涡轮机10的最大速度和起动器-发电机16的最大速度，涡轮机的最大速度和起动器-发电机16的最大速度由最大扭矩界定，从而由最大功率界定。
其他架构不一定与应用不兼容。构造的选择取决于所考虑的应用的功率水平。
通过优化这些参数，可以在十二种构造中进行选择，以特别实现以下目标：
-使起动器-发电机16的速度低于附件齿轮箱12的速度；
-减小第一电机30的扭矩以优化马达的尺寸；
-使第一电机30的速度尽可能的高；
-使第二电机40的速度尽可能的高；
-当运行处于发电机模式的起动器-发电机16时，优化第一电机30和第二电机40之间的功率传递。
起动器-发电机的速度低于或高于附件齿轮箱的速度取决于附件齿轮箱的最大速度，因为起动器-发电机的最大速度受要产生的扭矩的限制。
图3a示出了“2B-选项1”构造，其中，附件齿轮箱12连接到齿圈52B，集成了第二电机40的起动器-发电机17连接到行星架52U，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。
图3b示出了“2B-选项1”构造，其中，附件齿轮箱12连接到齿圈52B，起动器-发电机16连接到行星架52U，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。在该构造中，第二电机40连接到行星架52U。
图4示出了“2B-选项2”构造，其中，附件齿轮箱12连接到齿圈52B，起动器-发电机16连接到行星架52U，并且第一电机30连接到中心的行星式齿轮装置52A。在该构造中，第二电机40连接到齿圈52B。
在构造1B、选项1或选项2中，没有损耗是由于电功率的传递。实际上，第一电机30可以在发电机模式中通过周转式减速齿轮系50回收能量并且将能量返回到第二电机40，或者从第二电机40回收能量并且在马达模式中将能量返回到周转式减速齿轮系50。
由处于发电机模式的起动器-发电机17或处于发电机模式的起动器-发电机16获得最大功率。通常，该最大功率(被记为Pg_max)在发电机模式中被释放，并且该最大功率大约是在起动器模式中提供的最大功率(被记为Pd_max)的4/3。这些功率与以下等式相关：
[公式6]
Figure BDA0003428417400000161
其中，Pg_max是由处于发电机模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于发电机模式的起动器-发电机16获得的最大功率，以及Pd_max是由处于起动器模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于起动器模式的起动器-发电机16提供的最大功率，
以及
[公式7]
Figure BDA0003428417400000171
其中，Cd_max是由处于起动器模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于起动器模式的起动器-发电机16获得的最大扭矩，以及ωd_max是由处于发电机模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于发电机模式的起动器-发电机16获得的最大旋转速度。
处于发电机模式和起动器模式的最大旋转速度与以下等式相关：
[公式8]
ωg_max＝ωd_max*2
其中，ωg_max是由处于发电机模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于发电机模式的起动器-发电机16获得的最大旋转速度，以及ωd_max是由处于起动器模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或由处于起动器模式的起动器-发电机16提供的最大旋转速度。
下表列出了对处于起动器模式和处于发电机模式的起动器-发电机16的运行要求。在该表中，ω12_max是附件齿轮箱输出轴的最大旋转速度。
[表2]
Figure BDA0003428417400000181
在发电机模式中，起动器-发电机16的旋转速度在ωg_max/2和ωg_max之间变化，即，在第一电机30使得其速度不能够被调节到恒定值的情况下以2的比值变化。
差动驱动装置集成了第一电机30，差动驱动装置针对在附件齿轮箱12侧的输入速度来控制处于发电机模式的起动器-发电机16的恒定输出速度。在此，处于发电机模式的起动器-发电机16的恒定输出旋转速度等于其输出速度的平均值，即，ωd_max*3/2。处于发电机模式的起动器-发电机16的最大速度不超过该值。
对于第一电机30，起动器-发电机16的轴杆与涡轮机的轴杆之间的固定减速比的变化为+/-50％。该比值由ωd_max*3/2和速度ω12_max*3/4之间的比值固定。
在运行中，周转式减速齿轮系50以三种不同的方式运行。
首先，如果附件继电器壳体12的轴14的速度使得处于发电机模式的起动器-发电机16的速度对应于恒定速度的值，则第一电机30的驱动速度为零，并且起动器-发电机16的速度通过周转式齿轮系在第一电机30的零速度时的减速比与附件齿轮箱12的轴14的速度相关。
其次，如果附件齿轮箱12的轴14的速度使得处于发电机模式的起动器-发电机16的速度大于恒定速度的值，则控制第一电机30以发电机模式沿一定的旋转方向运行，以降低起动器-发电机16的速度。然后将回收的能量返回到以马达模式运行的第二电机40。回收和恢复的能量使得由涡轮机的轴恢复的全部功率能够在起动器-发电机处被释放，而没有耗散损耗。
当第一电机30以马达模式运行时，功率和扭矩遵循以下关系式：
[公式9]
P16＝PT+PDifferentialOutput＝P12
其中，P16是起动器-发电机的功率，PT是第一电机30和第二电机40之间传递的功率，PDifferentialOutput是周转式减速齿轮系50的输出功率，以及P12是附件齿轮箱12的功率。
[公式10]
Cg＝C40+CDifferentialOutput
其中，Cg是处于发电机模式的起动器-发电机的扭矩，C40是第二电机40的扭矩，以及CDifferentialOutput是周转式减速齿轮系50的输出扭矩。
在第一电机30和第二电机40之间传递的功率等于处于发电机模式的起动器-发电机16的功率(被记为Pg)的50％。
定位在起动器-发电机16的轴杆上的第二电机40的最大扭矩遵循以下等式：
[公式11]
Figure BDA0003428417400000191
其中，Pd_max是处于起动器模式的起动器-发电机16的最大功率，ωd_max是处于起动器模式的起动器-发电机16的最大旋转速度，以及Cd_max是处于起动器模式的起动器-发电机16的最大扭矩。
由处于发电机模式的起动器-发电机16恢复的最大扭矩等于Cd_max/4。
定位在行星式齿轮装置52A上的第一电机30的最大扭矩等于k*Cd/4，其中，k是轮系的比值。
齿轮系的比值k和处于发电机模式的起动器-发电机16的恒定旋转速度的选择是如下的两个参数，这两个参数被调整成使得在起动器模式中，由起动器-发电机16和定位在起动器-发电机16的轴杆上的处于马达模式的第二电机40产生的最大扭矩，以及在行星式齿轮装置52A上的处于马达模式的第二电机40产生的扭矩使得能够在起动阶段期间在涡轮机的轴杆处产生所需的最大扭矩。
由于起动器-发电机17的尺寸主要受待产生的扭矩的影响，因此起动器-发电机17的尺寸必须不超过能够产生扭矩Cd_max/2的发电机的尺寸，该扭矩值会影响发电机的尺寸。
第三，如果附件齿轮箱12的轴14的速度使得起动器-发电机16的速度小于涡轮机的需求，则控制第一电机30以马达模式沿另一旋转方向运行，以增加起动器-发电机16的速度。返回到第一电机30的能量源自从以发电机模式运行的第二电机40回收的能量。
从附件齿轮箱12汲取的功率被整体地转换为由处于发电机模式的起动器-发电机16提供的功率。该电功率的传递不会导致损耗：第一电机30在发电机模式中通过周转式减速齿轮系50回收能量并且将能量返回到第二电机40，或者从第二电机40回收能量并且在马达模式中将能量返回到周转式减速齿轮系50。
根据(优选地是异步的)电机的设计和工艺，确保高可靠性的电机的冗余对电机的尺寸影响很小。
提供电功率的集成了第二电机40的起动器-发电机17的尺寸被设计为使其功率(被记为P17)等于电机40的功率(即，传递功率PT)和附件齿轮箱的功率(被记为P12)之和。因此，该起动器-发电机具有非常接近第二电机40的质量和起动器-发电机16的质量之和的质量。
实际上，如果附件齿轮箱12的轴的速度使得处于发电机模式的起动器-发电机16的速度低于涡轮机的要求，则处于马达模式的第一电机30从集成了第二电机40的起动器-发电机17回收驱动功率。
然后，功率遵循以下等式：
[公式12]
Pnetwork＝P17-PT＝(P12+PT)-PT＝P12
其中，Pnetwork是涡轮机的网络的功率，P17是集成了第二电机40的起动器-发电机17的功率，PT是第一电机30和集成了第二电机40的起动器-发电机17之间的传递功率，以及P12是附件齿轮箱12的功率。
因此，集成了第二电机40的起动器-发电机17的功率P17大于在附件齿轮箱12处释放的功率。
另一方面，为网络恢复的最终功率Pnetwork等于附件齿轮箱12的功率。
在起动阶段期间，第一电机30和第二电机40以马达模式运行，并且起动器-发电机16以起动器模式驱动涡轮机的轴杆以及附件。在涡轮机的轴杆处收集的功率是向处于起动器模式的起动器-发电机16供电、向第二电机40供电和向第一电机30供电的最终功率。功率遵循以下关系式：
[公式13]
P12＝2*PT+Pd
其中，P12是附件齿轮箱的功率，PT是第一电机30和第二电机40之间的传递功率，以及Pd是处于起动器模式的起动器-发电机16的功率。
供应给集成了第二电机40的起动器-发电机17的电功率遵循以下关系式：
[公式14]
P17＝Pd+PT＝P12-PT
其中，P17是集成了第二电机40的起动器-发电机17的功率，Pd是处于起动器模式的起动器-发电机16的功率，PT是第一电机30和集成了第二电机40的起动器-发电机17之间的传递功率，以及P12是附件齿轮箱12的功率。
轮系的比值k、差动器的构造和处于发电机模式的起动器-发电机16的恒定速度的选择使得能够实现在涡轮机的轴杆处所需的最大扭矩。
此外，由于行星式齿轮装置52A上的第一电机30的存在，涡轮机和起动器-发电机16之间的该差动驱动模式与处于功率分配起动器模式的起动器-发电机16的运行兼容。
向起动器-发电机16供应恒定的功率，并且第一电机30以低速汲取一些功率，以将起动时的扭矩增加约50％。
本发明还涉及用于控制如上所述的涡轮机10的起动器-发电机的速度的方法。
方法包括以下步骤：通过借助于控制构件控制第一电机30来改变三个元件中的第三元件的速度，使得以恒定的速度驱动处于发电机模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或起动器-发电机16旋转。
特别地，第一电机30的速度适配于附件齿轮箱12的输出轴的速度，使得处于发电机模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17的速度或起动器-发电机16的速度是恒定的。
该方法还可以包括以下步骤：改变第一电机30和处于马达模式的起动器-发电机17或第二电机40的旋转速度，以便为处于起动器模式的集成了第二电机40的所述起动器-发电机17提供所述第一电机30的最大扭矩和处于马达模式的集成了第二电机40的起动器-发电机17或第二电机40的最大扭矩。

Claims (10)

1.一种涡轮机(10)，特别是用于飞行器的涡轮机，所述涡轮机包括：
-附件齿轮箱(12)，
-第一电机(30)，
-起动器-发电机(17)，所述起动器-发电机集成了第二电机(40)，所述起动器-发电机被构造为以起动器模式和发电机模式运行，
所述第一电机(30)和集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机，
-控制构件，所述控制构件被构造为控制所述第一电机(30)和集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)，以及
-周转式减速齿轮系(50)，所述周转式减速齿轮系包括三个元件：中心的行星式齿轮装置(52A)、外齿圈(52B)和行星架(52U)，所述周转式减速齿轮系的行星齿轮(52S)与所述行星式齿轮装置(52A)和所述齿圈(52B)啮合，所述三个元件能够围绕齿轮箱(50)的轴杆旋转，所述三个元件中的第一元件用于联接到所述附件齿轮箱(12)，所述三个元件中的第二元件用于联接到集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)，所述三个元件中的第三元件由所述第一电机(30)驱动旋转，
其中，所述控制构件被构造为改变所述第一电机(30)和集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)的旋转速度，以便为处于起动器模式的所述起动器-发电机(17)提供最大扭矩，
并且其中，所述控制构件被构造为改变所述第一电机(30)的旋转速度，以便以恒定的速度驱动处于发电机模式的所述起动器-发电机(17)旋转。
2.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10)，其中，集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)包括起动器-发电机(16)和第二电机(40)，所述起动器-发电机(16)被构造为以起动器模式和发电机模式运行，所述第二电机被构造为以马达模式运行，其中，所述第一电机和所述第二电机(30，40)被布置为将电功率从一个电机传递到另一个电机，其中，所述控制构件被构造为改变所述第一电机和所述第二电机(30，40)的旋转速度，以便为处于起动器模式的所述起动器-发电机(16)提供所述第一电机和所述第二电机(30，40)的最大扭矩，并且其中，所述控制构件被构造成改变所述第一电机(30)的旋转速度，以便以恒定的速度驱动处于发电机模式的所述起动器-发电机(16)旋转。
3.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10)，其中，所述第一电机和所述第二电机(30，40)是马达-发电机。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10)，所述涡轮机包括至少一个可逆的功率转换器(32，42)，所述至少一个可逆的功率转换器布置在所述第一电机(30)和集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)或所述第二电机(40)之间，以便将电功率从一个电机可逆地传递到另一个电机。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10)，其中，所述第一电机(30)和集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)或所述第二电机(40)是异步的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机(10)，其中，所述三个元件中的第一元件是所述行星架(52U)，所述三个元件中的第二元件是所述齿圈(52B)，以及所述三个元件中的第三元件是所述行星式齿轮装置(52A)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机(10)，其中，所述三个元件中的第一元件是所述齿圈(52B)，所述三个元件中的第二元件是所述行星架(52U)，以及所述三个元件中的第三元件是所述行星式齿轮装置(52A)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机(10)，当从属于权利要求2时，其中，所述三个元件中的第二元件用于联接到所述起动器-发电机(16)，并且其中，所述三个元件中的第一元件是所述行星架(52U)，所述三个元件中的第二元件是所述齿圈(52B)，以及所述三个元件中的第三元件是所述行星式齿轮装置(52A)，并且其中，所述三个元件中的第一元件还联接到所述第二电机(40)。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机(10)，当从属于权利要求2时，其中，所述三个元件中的第二元件用于联接到所述起动器-发电机(16)，并且其中，所述三个元件中的第一元件是所述齿圈(52B)，所述三个元件中的第二元件是所述行星架(52U)，以及所述三个元件中的第三元件是所述行星式齿轮装置(52A)，并且其中，所述三个元件中的第一元件还联接到所述第二电机(40)。
10.一种用于在飞行器中控制根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机(10)的起动器-发电机的速度的方法，所述方法包括以下步骤：通过借助于所述控制构件控制所述第一电机(30)来改变所述三个元件中第三元件的速度，使得以恒定的速度驱动处于发电机模式的集成了所述第二电机(40)的所述起动器-发电机(17)旋转。
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