CN117642337A - 用于混合式涡轮机的发电架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于以热/电混合推进的飞行器的电气架构，对于每个涡轮发动机，该架构包括：‑飞行器交流电网(120)，‑机械地联接到所述涡轮发动机的高压轴的至少一个第一电机(HPMG1，HPMG2)，‑机械地联接到所述涡轮发动机的低压轴的至少一个第二电机(LPG1，LPG2)，‑可逆AC/AC电能转换模块(13a‑15a，13b‑15b)，‑开关元件(101，102，104，105，106，107，109)，‑用于控制转换模块和所述开关元件的电子系统(110)，电子系统配置成：‑将所述架构置于与开关元件的第一配置对应的至少一个所谓的“功率分配混合”操作模式中，在该操作模式中，所述至少一个第二机器(LPG1，LPG2)联接到飞行器网络(120)，且至少一个第一机器(HPMG1，HPMG2)通过电能转换模块联接到飞行器网络。

Description

用于混合式涡轮机的发电架构
技术领域
本申请涉及飞行器的电气架构领域，提出一种改进的电气架构，该电气架构特别是能够使交流电流从涡轮机的低压轴和高压轴提供给以热/电混合推进的飞行器的飞行器网络。
背景技术
越来越多的飞行器使用混合推进系统来操作，混合推进系统即为包括涡轮机、一个或多个发电机和发电机-电动机的系统。
对于每个涡轮发动机，飞行器的混合推进装置可包括数个配电网络：推进配电网络、非推进配电网络，可选地包括用于涡轮发动机的电气化调节系统的负载的配电网络。
推进配电网络旨在对与推进系统相关的设备(通常具有高功率)供电。推进配电网络通常是DC型配电网络，其高电压水平取决于所涉及的功率。
非推进配电网络旨在对中等功率设备供电，中等功率设备主要为与非推进系统相关的设备，还称为“飞行器”负载。非推进配电网络的中间电压水平通常小于推进配电网络的电压水平。在一些已知的架构中，该网络是DC型网络。
通常寻求实现一种飞行器电气架构，该电气架构将飞行器机身和涡轮发动机中可用的能量源互连，并能够使用一个或多个电机来提供或取出受控的功率，以确保与推进相关的所有这些功能与其它能量需求的供应功能的兼容性，以及提供对使用各种能量源和能量存储装置取出和提供所有这些能量的优化管理。
已经出现如下飞行器电气架构，该电气架构能够使用分别位于高压轴和低压轴上的一个或多个电机来提供或取出受控的功率。例如，源自申请人的文献WO2020174165(A1)呈现了这种类型的架构。
然而，现有的这种架构解决方案通常适用于HVDC类型的飞行器配电网络。
对于向飞行器负载提供交流电力且最佳地利用涡轮机轴的功率，存在需求。
发明内容
本发明提出一种改进的混合推进架构，根据飞行器的推进要求，该混合推进架构能够在涡轮发动机的高压轴和低压轴上注入和取出功率，向飞行器的负载供电，有利地向飞行器的涡轮发动机的电气化调节系统的负载供电，而这以最佳且安全的方式进行。
根据推进要求，所提出的混合推进架构能够最佳地利用涡轮发动机轴的功率；根据推进要求，该混合推进架构能够在涡轮发动机轴上取出和注入功率；以及根据非推进要求，该混合推进架构能够在高压轴和低压轴之间共享取出的功率，同时保证功能的可用性和操作的安全性。
根据一个实施例，本发明涉及一种用于以热/电混合推进的飞行器的电气架构，所述飞行器包括两个涡轮发动机，对于每个涡轮发动机，所述架构包括：
-包括非推进配电网络的交流(AC)飞行器电网，
-机械地联接到所述涡轮发动机的高压轴的至少一个第一电机，所述第一电机配置成以电动机模式操作以提供机械推进功率，以及以发电机模式操作以接收机械功率并提供电力，
-至少一个第二电机，机械地联接到所述涡轮发动机的低压轴，且以发电机模式配置以接收机械功率并提供电力，特别是交流(AC)电力，
-可逆AC/AC电能转换模块，布置在能够联接到第一电机的至少一个第一网络部分和能够联接到第二电机的至少一个第二网络部分之间，
-开关元件，
-控制转换模块和所述开关元件的电子系统，电子系统配置成：
-将所述架构置于与开关元件的第一配置对应的至少一个所谓的“通过功率分配进行混合”操作模式中，在该操作模式中，所述至少一个第二机器联接到飞行器网络，且至少一个第一机器通过电能转换模块联接到飞行器网络。
特别地，第二机器可直接联接到飞行器网络，而第一机器通过电能转换模块间接联接到飞行器网络。
在该“通过功率分配进行混合”操作模式中，第二机器因此对所述飞行器网络提供第一AC电力，而无需经过中间转换器，特别是无需经过所述电能转换模块，同时所述至少一个第一机器通过所述电能转换模块提供第二AC电力。
因此，实现AC网络的功率共享，同时元件的数量受到限制，特别是为了这种共享所需的转换器的数量受到限制。
控制转换模块和所述开关元件的电子系统通常设置有至少一个电动机控制单元。
因此，可通过连接到高压轴的所述至少一个第一机器和连接到低压轴的所述至少一个第二机器来实现AC供给。
根据本发明的架构的优点在于保持AC飞行器网络且独立于飞行器网络来进行发动机的混合。
根据本发明的架构还能够汇集功率转换器来实现混合场景。
这种架构能够使飞行器制造商保留现有的系统(例如，ATA24型系统)和经过试验和测试的成熟的电气负载，同时从具有更高性能和在燃料消耗方面更经济的涡轮机解决方案中受益。
有利地，在“通过功率分配进行混合”操作模式中，所述至少一个第二机器对所述飞行器网络和所述至少一个第一机器提供第一电力，其中，所述第一电力和所述第二电力的相应水平可由发动机控制单元调节和控制。
因此，可以在发动机控制单元的控制下，根据其减少消耗、可操作性裕度或其它约束条件的要求，在低压(LP)轴和高压(HP)轴之间实现功率分配。
根据可能的实现方式，电子控制系统还可配置成将所述架构置于至少一个其它称为“高压轴辅助”的操作模式中，在该操作模式中，所述至少一个第二机器通过AC/AC电能转换模块联接到所述至少一个第一机器，以对以电动机模式操作的所述至少一个第一机器提供电能。因此，架构还可使得能量从低压轴转移到高压轴。
根据可能的实现方式，架构可进一步包括至少一个辅助AC电能源，至少一个辅助AC电能源特别是能够安装在飞行器的机身的一部分中，电子控制系统还配置成将所述架构置于称为“发动机启动”的另一操作模式中，在该操作模式中，辅助电能源通过AC/AC电能转换装置联接到所述至少一个第一电机，所述至少一个第一机器以电动机模式操作。因此，这种架构还与涡轮发动机的电启动兼容。
根据一种实现可能性，所述至少一个第二电机可由调节器和三个级的集合形成，这三个级级联安装且联接到涡轮发动机的相同低压轴，所述集合设置有：
-第一级，第一级设置有含永磁体的三相发电机，以通过第一级的输出端处的交流电流向调节器供电，
-第二级，第二级设置有旋转二极管激励器，以根据通过对所述交流电流进行整流而获得的直流，来提供整流后的输出电流，
-主级，主级设置有由所述整流后的输出电流供电的三相同步电机，并产生频率与低压轴的转速成比例的电流，来作为输出。
AC/AC转换器模块能够确定形成高速电动机-发电机的所述至少一个第一机器的尺寸，操作所述至少一个第一机器，以及获得对机器及其转换器的质量优化。
有利地，AC/AC电能转换模块由矩阵式AC/AC转换器或交-交转换器形成，矩阵式AC/AC转换器由双向开关的矩阵形成。
根据一种实现可能性，AC/AC电能转换模块可由第一可逆AC/DC转换器和第二可逆AC/DC转换器形成，第一可逆AC/DC转换器和第二可逆AC/DC转换器级联安装且联接到直流(DC)推进配电网络的一组电动机负载。
有利地，架构还可配置成采用与所述开关元件的配置对应的操作模式，以将所述至少一个第二电机和所述至少一个第一电机联接到推进配电网络的所述电动机负载。
因此，除了上文定义的操作模式之一之外，可提供第一可逆AC/DC转换器和第二可逆AC/DC转换器的连接，以使得来自所述至少一个第一机器和所述至少一个第二机器的电力能够转移到涡轮发动机的电动机负载。因此，通过对电动机负载提供双电能源，可以提高其可用性。
根据一种实现可能性，第一AC/DC转换器直接连接到所述至少一个第一机器，并与所述至少一个第一机器包含在相同组件中，特别是相同外壳中。
根据另一方面，本申请旨在保护一种以热/电混合推进的飞行器，该飞行器包括两个涡轮发动机，每个涡轮发动机包括至少一个高压轴和一个低压轴，且对于每个涡轮发动机，所述飞行器包括如上文定义的电气架构。
附图说明
通过阅读下文参考附图对非限制性示例进行的描述，将最好地理解本发明，且本发明的其它细节、特点和优点将更清楚地显现出来，在附图中：
[图1]示意性地示出了根据本发明的用于以热/电混合推进的飞行器的电气架构的第一实施例，其可以对AC网络供电并实现涡轮发动机的各种混合场景；
[图2]示意性地示出了联接到低压轴且能够包含在根据本发明的电气架构中的电机的各个级；
[图3A]
[图3B]
[图3C]
[图3D]示意性地示出了含永磁体的机器的实现方式的各种示例，永磁体包含在联接到低压轴且包含在根据本发明的架构中的电机的一个级中；
[图4]
[图5]
[图6]
[图7]
[图8]示意性地示出了第一电机的各种实施例，每个第一电机联接到低压轴；
[图9]示意性地示出了具有矩阵布置且能够包含在根据本发明的电气架构中的可逆AC/AC转换器的示例；
[图10]示意性地示出了根据本发明的第二实施例的电气架构；
[图11]示意性地示出了根据本发明的第三实施例的电气架构；
[图12]示意性地示出了根据本发明的第四实施例的电气架构；
[图13]示意性地示出了根据本发明的第五实施例的电气架构；
[图14]示出了图1所示的电气架构的变型；
[图15]示出了图1所示的电气架构的变型；
[图16]
[图17]
[图18]示意性地示出了第二电机的各种实施例，每个第二电机联接到低压轴。
各个图中，相同、相似或等同的部分具有相同的数字标号，以便于从一个图转到另一个图。
图中所示的各个部分不一定以统一的比例示出，以使图更加易读。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电气架构的特定示例性实施例，这里，对以热/电混合推进的双发动机型飞行器提供该架构。
该架构包括与涡轮发动机相关联的部分和与飞行器相关联的部分，虚线SEA表示位于涡轮发动机中的架构部分和位于飞行器机身中的架构部分之间的分割。
这里，仅针对飞行器的两个涡轮发动机之一描述和描绘了图1中的架构，但是图1中的架构由两个几乎对称的部分组成，每个部分与涡轮发动机相关联。
这里，电气架构使得AC电能能够从高压(HP)轴和低压(LP)轴提供给所谓的“飞行器”网络120。这里，飞行器网络120是具有360Hz至800Hz的可变频率和例如115V或230V的有效电压水平的AC电网。飞行器网络120包括第一部分122和第二部分124，第一部分122和第二部分124可通过位于这两个部分122、124之间的开关元件125a、125b而彼此分隔。每个部分122、124可包含非推进配电网络，非推进配电网络旨在对与非推进系统相关的设备(还称为“飞行器负载”)供电。
在该示例性实施例中，架构还通过配电总线17、19连接到第一组负载112和第二组负载114，其称为“电动机负载”。通常对这些组112、114提供高压DC电流(HVDC)，例如，这些组在大约540V或800V的电压下操作。
在所示的示例性实施例中，与同一个涡轮发动机相关联的两组负载112、114可彼此独立和/或彼此分隔。
在该示例中，架构由彼此对称或几乎对称的通道组成。因此，架构设置有多个电机HPMG1、HPMG2，其称为“第一电机”，每个电机通过直接联接或通过减速箱(即，齿轮系统)而机械地联接到相同的涡轮发动机的高压轴。
每个第一电机HPMG1、HPMG2配置成以电动机模式操作以提供机械推进功率，以及以发电机模式操作以接收机械功率并提供电力。每个第一电机HPMG1、HPMG2提供注入和取出专用于涡轮发动机的推进要求的机械功率的功能，包括注入功率以便启动，注入功率以便辅助高压轴来构成涡轮发动机的平行混合。根据飞行器和涡轮发动机的要求，第一电机HPMG1、HPMG2还实现生成电力的功能。
因此，当每个第一电机以发电机模式操作时，每个第一电机HPMG1、HPMG2是电源，而当每个第一电机以电动机模式操作时，特别是当涡轮发动机启动时，每个第一电机HPMG1、HPMG2是负载。例如，第一电机HPMG1、HPMG2可以是联接到高压(HP)轴的电动机-发电机，特别是含永磁体的电动机-发电机。
每个第一电机HPMG1、HPMG2可以以直接连接的方式机械地联接到高压轴，或者在一种变型中，通过附件齿轮箱(AGB)机械地联接到高压轴。附件齿轮箱可专用于第一电机HPMG1、HPMG2。特别地，可以在每个第一电机HPMG1、HPMG2和高压轴之间布置角传动。
架构还包括多个电机LPG1、LPG2，电机LPG1、LPG2通过直接联接或通过齿轮箱而机械地联接到涡轮发动机的低压轴。这些电机称为“第二电机”LPG1、LPG2，实现取出专用于推进要求的机械功率的功能。这里，第二电机LPG1、LPG2配置成以发电机模式操作，以接收机械功率并相应地提供电力，特别是AC信号形式的电力。根据飞行器和涡轮发动机的要求，第二电机LPG1、LPG2实现生成电力的功能。有利地，第二电机LPG1、LPG2是交流发电机，特别是联接到低压(LP)轴的3级类型的交流发电机，下文将提供此类电机的更详细的示例性实施例。
在该示例性实施例中，每个第一电机HPMG1、HPMG2连接到可逆AC/DC转换器15a、15b。这里，转换器15a、15b特别是能够调整由第一机器HPMG1、HPMG2以交流电压或交流电流的形式提供的、处于通常为HVDC型的推进配电网络的电压的电力，并将该电压调节为预定值。该值可以约为标称电压值Unom的正或负百分之几，例如在Unom的-1％或-2％和标称电压Unom的+1％或+2％之间，其中，Unom可以例如约为540V或800V。
这里，每个第二电机LPG1、LPG2还能够连接到第一可逆AC/DC转换器13a、13b。在该示例性实施例中，转换器13a、13b还特别是能够调整来自第二机器LPG1，LPG2、处于交流电压或交流电流的形式、处于推进配电网络的电压的电力。
除了向一组或多组电动机负载分配功率HDVC之外，架构配置成对飞行器网络120提供AC电能。
为此，在第一通道中，连接到低压轴的第二机器LPG1能够直接联接到飞行器网络120的第一部分122。因此，第二机器LPG1可直接对飞行器网络120的第一部分122提供AC电力，而无需经过中间转换器，特别是无需经过连续的AC/DC转换器13a、15a。
在该第一通道中，连接到高压轴的第一机器HPMG1可通过连续的可逆AC/DC转换器15a、13a联接到飞行器网络120的第一部分122，然后形成可逆AC/AC转换器。因此，在第一机器HPMG1和飞行器网络120的第一部分122之间存在间接联接。
在第二通道中，连接到低压轴的另一个第二机器LPG2可直接联接到飞行器网络120的第二部分124。因此，机器LPG2可以对飞行器网络120的第二部分124提供AC电力，而无需经过中间转换器，特别是无需经过连续的AC/DC转换器13b、15b。
在该第二通道中，连接到高压轴的另一个第一机器HPMG2能够通过连续的可逆AC/DC转换器15b、13b联接到飞行器网络120的第二部分124，然后形成另一可逆AC/AC转换器。因此，在机器HPMG2和飞行器网络120的第二部分124之间存在间接联接。
架构还设置有开关元件101、102、103、104、105、106、107、109，以交替地断开某些网络部分以及将某些网络部分连接在一起。开关元件的接通(闭合)或断开(打开)状态由电子控制系统控制。
涡轮发动机部分中的开关元件101、102、103、104可通过该系统的电子控制单元110来控制，电子控制单元110通常是发动机控制单元EEC(表示“电子发动机控制器”)或FADEC(表示“全权限数字发动机控制”)或发动机网络的专用计算机(图中未示出)。
电子控制单元110可设置有计算机的硬件架构，通常包括处理器、非易失性存储器、易失性存储器以及接口。处理器能够使用易失性存储器来执行存储在非易失性存储器中的计算机程序。接口能够获取表示涡轮发动机的操作的信号以及发送控制信号。电子控制单元110可包括计算机，或者与发动机处的另一计算机相关联并通信。
布置在飞行器部分中的开关元件105、106、107、109本身可通过一个或多个所谓的“飞行器”计算机160来控制，飞行器计算机160通常不同于涡轮发动机部分的计算机。为了不使图的负担过重，图1中仅示出了开关105的命令。
在电子控制系统中，控制单元110可以在网络中与飞行器计算机160连接。
例如，开关元件101、102、103、104、105、106、107、109可以是诸如接触器的机电器件的形式。这些接触器还可使得架构的各部分，例如故障部分被隔离。
电气架构能够采用对应于与电气架构相关联的开关元件的各种相应配置和状态的各种操作模式。
因此，电气架构的特殊之处在于能够采用第一所谓的“通过功率平衡进行混合”操作模式，该操作模式在第一通道中对应于开关元件101、105、102的第一配置，这里，开关元件101、105、102置于接通(即闭合)状态，以使第二机器LPG1能够联接到飞行器网络120的部分122并对飞行器网络120的部分122供电，以及使连续的转换器15a、13a能够联接到飞行器网络120的部分122，也是以便对飞行器网络120的部分122提供来自第一机器HPMG1的电力。
类似地，在第二通道中，在类似于第一通道的布置的示例中，机器LPG2可联接到飞行器网络120，以对飞行器网络120提供AC电力。为此，位于飞行器网络120和第二机器LPG2的输出端之间的开关元件103置于接通(即闭合)状态，而位于飞行器网络120和开关元件103之间的另一开关元件106也置于接通(即闭合)状态。机器HPG2间接联接到飞行器网络120，以通过连续的转换器15b、13b对网络120提供AC电力。为此，位于飞行器网络120和连续的可逆AC/DC转换器13b、15b之间的开关元件104置于闭合状态。
在该操作模式中，在与高压轴和低压轴相关联的每个发电通道之间级联插入的两个可逆AC/DC静态转换器13a、15a(相应地，13b、15b)形成AC/AC转换器，以产生用于飞行器网络120的AC电力。
在通过HP轴和LP轴之间的功率平衡进行混合的操作模式中，AC/AC转换器13a、15a在飞行器网络侧120以第二机器LPG1的频率同步，且允许根据来自EEC控制单元110的指令在高压轴和低压轴之间分配供电。
这种模式可以在两个阶段中操作，其中，联接(或并联布置)两个机器LPG1、HPG1(相应地，LPG2、HPG2)的阶段，在该阶段中，转换器13a(相应地，13b)生成在幅度和频率上与第二机器LPG1(相应地，LPG2)的电压同步的电压，以通过闭合开关元件102(相应地，104)使两个发电机能够并联布置。接下来，在利用功率平衡的发电模式中，调节通向第二机器LPG1和转换器13a(相应地，LPG2和转换器13b)的指令，以在两个高压轴和低压轴之间分配取出的功率。在这两种情况下，DC/AC转换器13a(相应地，13b)的输出频率优选地与第二机器LPG1(相应地，LPG2)的频率相同。
EEC控制单元110能够调整分别由第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)和第二机器LPG1(相应地，LPG2)提供的功率，且能够控制由所述第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)和第二机器LPG1(相应地，LPG2)中的每一个提供的比例，特别是向飞行器网络120提供的比例。取出的总功率还可分配给HP轴和LP轴之间的飞行器负载和电动机负载。
根据减少燃料消耗或提高涡轮发动机的可操作性裕度的要求，取决于涡轮发动机的操作点，EEC控制单元110可生成指令信号(例如在图1中，由从EEC到HPMG1的箭头表示的指令信号)以将功率分配给涡轮发动机的发电机的控制器。
可设想数种方式来实现这种分配：要么在两个发电机之间按百分比分配总功率，要么限制一个轴上的取出以迫使在另一轴上取出。对于电网的调节点处的电压，调节发电机，当在一个发电机上取出受到限制时，第二发电机补偿缺失的电流的比例，以保持调节点处的电压。
根据涡轮发动机的要求来调节功率分配。这里，分配取出的总功率，以提供给位于飞行器网络120中的飞行器负载以及位于HP轴和LP轴之间的电动机负载112、114。
在该通过功率平衡进行混合的操作模式中，第一机器HPMG1的输出端处的第一转换器15a(相应地，15b)实现有源AC/DC整流器的功能，将第一机器HPMG1的输出端处的交流电流或交流电压转换成直流电流或电压。第二转换器13a(相应地，13b)本身实现DC/AC逆变器的功能，将来自第一转换器15a(相应地，15b)的直流电流/电压转换成与来自第二机器LPG1(相应地，LPG2)的电信号具有相同电信号频率的交流电流和电流/电压。除了联接顺序之外，来自第一转换器15a(相应地，15b)的电信号的幅度可根据如上所述的功率平衡要求来调节。
通过图1所示的架构，可进行另一类型的混合。因此，根据另一所谓的“功率共享辅助”操作模式，第二机器#LPG1(相应地，LPG2)通过电能转换模块的连续的转换器13a、然后15a(相应地，13b、然后15b)联接到第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)，以对所述第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)供电，然后第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)以电动机模式操作。可以将电能从与低压轴相关联的第二机器LPG1(相应地，LPG2)转移到与高压轴相关联的第一电机HPMG1(相应地，HPMG2)以实现从低压轴对高压轴的辅助。
在该操作模式中，第二转换器13a(相应地，13b)形成AC/DC整流器，具有对来自第二机器LPG1(相应地，LPG2)的交流电流或电压进行整流的功能。第一转换器15a(相应地，15b)本身形成DC/AC逆变器，将来自第二转换器13a(相应地，13b)的直流电流/电压转换成交流电流和电流/电压。
在该示例中，对于每个通道，架构还包括AC辅助能量源142、144，以具有可用的附加来源，而能够对推进网络和/或非推进网络提供能量。如图1所示，辅助能量源142、144可布置在架构的飞行器部分中，因此位于飞行器机身中。AC辅助能量源142、144可根据开关元件107、109的状态(分别是闭合或打开)连接到架构的其余部分或者与架构的其余部分隔离。
辅助能量源142、144可联接到推进配电网络，且配置成当第一机器以电动机模式操作时对第一机器HPMG1、HPMG2提供能量，以及当电机不可用时对推进配电网络提供能量。辅助能量源142、144可用于能量优化或确定尺寸的目的。辅助能量源142、144可包括辅助电机APU(“辅助功率单元”)，辅助电机APU设置有通常为交流发电机类型的发电机。
在一种变型中，或者与所示的辅助能量源142、144相结合，设置在地面上的机群单元还可用作辅助供给，且能够在地面上实现发动机启动，同时对飞行器和电动机负载供给。
辅助能量源还可以是从另一发电机或另一涡轮发动机的发电机获得的供电。然后，这样的供给能够实现交叉启动，其中，一个发动机从相对的发动机启动。
根据一个特定操作模式，控制系统可以将架构置于开关元件的另一配置中，在该另一配置中，辅助电能源142(相应地，144)通过连续的AC/DC和可逆AC/DC转换器13a、15a(相应地，13b、15b)联接到第一电机HPMG1(相应地，HPMG2)，形成AC/AC转换器。然后，第一机器HPMG1、HPMG2以电动机模式操作。这种操作模式特别是用于实现从飞行器源启动发动机。在这种操作模式中，开关元件107、103(相应地，109、104)闭合以允许这种联接。在地面上或飞行时，在发动机启动模式中，第二机器LPG1(相应地，LPG2)通过打开开关元件101、103而断开。飞行器和电动机负载本身可保持连接。
在该操作模式中，第二转换器13a(相应地，13b)形成AC/DC整流器，具有对来自辅助电能源142(相应地，144)的交流电流或电压进行整流的功能。第一转换器15a(相应地，15b)本身形成DC/AC逆变器，将来自第二转换器13a(相应地，13b)的直流电流/电压转换成交流电流和电流/电压。
在所描述的所有操作模式中，可逆AC/DC转换器13a、15a、13b、15b相互连接，以便还能够将HVDC中间总线17、19上的功率转移到涡轮发动机的负载。因此，对电动机负载提供双来源，从而提高其可用性。
EEC控制单元110是计算机，其管理涡轮发动机的操作，决定混合方案以及提供从每个HP轴和LP轴获取的功率。为此，EEC控制单元110向功率转换器13a和15a、13b和15b发送电子指令信号，功率转换器13a和15a、13b和15b负责管理要在每个低压部分和高压部分之间转移的功率的比例。如上所指示的转换器13a和15a、13b和15b可设置有它们自己的闭合控制卡。在图1所示的示例性实施例中，对电网和开关元件(接触器)的管理由EEC控制单元110实现。在这种情况下，EEC控制单元110承载管理电动机网络的附加功能。
根据图15所示的变型，还能够通过另一控制单元220来实现对接触器，特别是开关元件101、102、103、104的控制，控制单元220不同于控制单元110，但是与控制单元110通信并交换电子控制信号。控制单元220可设置有类似于控制单元110的硬件架构或重复控制单元110的元件。控制单元220通常设置有处理器、非易失性存储器、易失性存储器以及接口。
该不同的控制单元220还可设计成与EEC控制单元110协作来管理整个推进电气系统。然后，控制单元220首先可与EEC 110和单元160对接，以交换信息和命令指令，其次与转换器13a、13b、15a、15b和推进系统的所有开关对接，以提供它们的控制命令。
该原理可适用于图1、图10、图11、图12、图13、图14和图15中的实施例。
如同图2所示的示例性实施例，联接到低压轴的第二电机LPG1、LPG2可以是包含发电机控制单元或GCU 22的三级同步电机21、23、25。这种单元通常设置有电压调节器和一组模拟和/或逻辑控制和保护电子电路。控制单元22通常形成图1的位于飞行器区域中的控制单元160的一部分。
这些级21、23、25通常级联安装在相同的低压(LP)机械轴20上。虚线SRS界定示意性地示出的级21、22、23的相应转子部分和相同级21、22、23的相应定子部分。
第一级21设置有PMG(“永磁发电机”)类型的发电机，该发电机通常为三相，并通过交流电流对调节单元22供电。
与第一级并置的第二级23本身设置有反向三相同步发电机，用作激励器。
该第二级23的激励器部分的固定DC电流通过对由PMG发电机提供的AC电流进行整流，而在调节单元22的输出端处以DC电流Iexc的形式产生。第二级的主绕组231位于旋转部分上，提供由安装在相同轴20上的旋转二极管233整流后的电流。二极管233在输出端处连接到第三级25的激励器部分，第三级25还称为“主级”。
与第二级并置的第三级25实现交流发电机的功能，处于具有绕线转子的三相同步电机的形式。其转子部分由第二级23提供直流Ir。安装在其定子部分上的主绕组为三相，并连接到被提供了交流电流的网络部分。在第一机器LPG1、LPG2的输出端处提供的电流Is的频率与低压轴的转速成比例。
另一方面，对于永磁电机的转子，转子设置有永磁体，永磁体布置成在气隙中再现旋转场。
如图3A至图3D所示，可存在机器HPMG1(相应地，HPMG2)的各种布置。
根据具有相邻磁体和径向磁化的第一种实现可能性(图3A)，转子设置有磁体，在该特定示例性实现方式中，转子设置有四个磁体31、32、33、34，这四个磁体抵靠着彼此来放置并沿着圆形轮廓设置，每个磁体31、32、33、34具有径向磁化，且在给定磁体和抵靠着该给定磁体来放置的相邻磁体之间相应地具有沿着相反方向的磁化。磁体31、32、33、34可分布在围绕电枢36布置的圆柱形励磁绕组轭30周围。
第二种实现可能性(图3B)提供一种转子，如同之前的示例，转子设置有磁体31、32、33、34的布置，与之前的示例的不同之处在于此时，磁体31、32、33、34由给定的空间和/或非磁性材料成对地分开。
可提供第三种实现可能性，此时是切向磁化。在这种情况下，如图3C所示，转子可设置有磁体31′、32′、33′、34′，磁体31′、32′、33′、34′的布置类似于上述布置，但是各自的磁化是沿着与圆形轮廓相切的方向，磁体31′、32′、33′、34′围绕该圆形轮廓分布。
称为“通量集中”的第四种实现可能性如图3D所示。图3D提供由极片成对地分开、规则地围绕并抵靠着电枢分布的磁体311、312、313、315、316、317、318。磁体311、312、313、315、316、317、318径向延伸，同时沿着切向具有磁化。
对于上文关于图1描述的、具有两个通道的布置的第一机器HPMG1、HPMG2，可提供各种配置，以获得对连接到高压(HP)轴的两个机器的两个等效供电。特别是如图4至图8所示，根据所需的分隔程度，可存在各种配置。
图4给出了电机完全分隔开的第一配置。电机HPMG1、HPMG2通过附件箱41机械地联接到高压轴。附件箱41的机械输入端43旨在联接到高压轴。附件箱41的第一机械输出端45联接到第一电机HPMG1，附件箱41的第二机械输出端47联接到另一电机HPMG2。每个电机HPMG1、HPMG2包括每个电机特有的定子42a，42b、转子44a，44b以及外壳48a，48b。电机HPMG1、HPMG2在附件箱41上彼此分隔。因此，电机HPMG1、HPMG2的转速可不同于高压轴的转速，并具有由附件箱限定的倍增比。这两个机器可以以相同的速度旋转，但是沿着由附件箱施加的相反的旋转方向旋转。
第二配置如图5所示，此时提供以直接连接的方式机械地联接到高压轴40的电机HPMG1、HPMG2。因此，电机HPMG1、HPMG2以与高压轴相同的速度旋转。每个电机HPMG1、HPMG2设置有每个电机特有的定子42a，42b、转子44a，44b以及外壳48a，48b。
第三配置如图6所示，其示出了以直接连接的方式机械地联接到高压轴40的电机HPMG1、HPMG2。每个电机HPMG1、HPMG2包括每个电机特有的定子42a、42b和转子44a、44b，以及这两个电机公用的外壳48。电机HPMG1、HPMG2在内部通过磁路和电路(未示出)彼此分隔。
此时，图7给出了以直接连接的方式机械地联接到高压轴40的电机HPMG1、HPMG2和这两个电机公用的外壳48的构造。每个电机HPMG1、HPMG2包括每个电机特有的定子42a，42b、转子44以及公用的转子磁路。电机HPMG1、HPMG2在定子42a、42b上彼此磁性分隔且电分隔。
另一配置在图8中给出，其中，电机HPMG1、HPMG2还是以直接连接的方式机械地联接到高压轴40。电机HPMG1、HPMG2包括这两个电机公用的定子42、转子44和外壳48，以及公用的定子和转子磁路(未示出)。电机HPMG1、HPMG2在定子42上彼此电分隔。
类似地，对于机器LPG1、LPG2，可提供各种配置。
图16给出了电机LPG1、LPG2完全分隔开的第一配置。
第二配置如图17所示，此时提供以直接连接的方式机械地联接到低压轴的电机LPG1、LPG2。
第三配置如图18所示，其示出了以直接连接的方式机械地联接到低压轴的电机LPG1、LPG2，每个电机LPG1、LPG2包括每个电机特有的定子和转子，以及这两个电机公用的外壳。
在前文关于图1描述的示例性架构中，每个第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)与位于第一机器HPMG1、HPMG2的输出端处的AC/DC静态转换器15a(相应地，15b)相关联。第一机器HPMG1、HPMG2及其关联的转换器可以分开，使得各自位于不同的箱中。在一种变型中，如同图14所示的示例，可进行设置以将第一机器HPMG1及其关联的可逆AC/DC转换器包含在同一个组件150a(相应地，150b)中，其称为“智能机器”，然后发电机和转换器通常位于同一个外壳中。这种集成能够优化质量和空间要求，原因是可以可选地省去一些线缆、EMC(“电磁兼容性”)滤波以及冷却电路。
如前文所指示的，级联布置的可逆AC/DC转换器13a和15a或13b和15b可由单个AC/AC转换器，特别是交-交转换器或矩阵式AC/AC转换器替代。
图9给出了矩阵式转换器的等效电气图的示例，这里，转换器在电压源94A、94B、94C和电流源96A、96B、96C之间设置有由例如IGBT晶体管类型的双向开关91a、91b、91c、91d、92a、92b、92c、93a、93b、93c构成的3*3矩阵。
在图10中给出上述电气架构的变型实施例。
对于这种变型，省略了给电动机负载分配电力。因此，这种架构例如适用于涡轮发动机，但无需对位于涡轮发动机处的电动机负载进行电气化。这里，两个连续的可逆AC/DC和DC/AC转换器由可逆AC/AC转换器130a、130b替代，可逆AC/AC转换器130a、130b可以为矩阵类型，例如是前文关于图9描述的转换器。转换器的双向开关的各个状态可由EEC控制单元110控制。
在这种架构中，如同在其它架构中，转换器通常设置有它自己的控制模块，通常设置有至少一个电子卡，能够与电动机处的另一中间计算机上的EEC控制单元110交换信号。
因此，该架构提供的功能类似于图1的架构的功能，除了电动机负载的HVDC供电之外。
因此，该变型架构还可通过与低压轴相关联的第二机器LPG1、LPG2和/或通过与高压轴相关联的第一机器HPMG1、HPMG2，对AC飞行器网络120供电，由EEC控制单元110控制由这些机器LPG1、HPMG1(相应地，HPMG2、LPG2)提供的相应功率的比例。
这里，如同前文描述的示例性实施例，控制单元110可设置有至少两个分隔通道，以与转换器交换信号。这种冗余原理还可应用于图15所示的单元220。
该变型架构还可通过来自辅助能量源142、144的替代电能来对推进网络供电，特别是利用该电能传输到第一机器HPMG1、HPMG2来实现涡轮发动机的启动，然后第一机器HPMG1、HPMG2以电动机模式操作。
然后，可借助两个通道同时通过机器HPMG1、HPMG2来实现电动机启动，或者在一种变型中，借助单个通道通过机器HPMG1或HPMG2来实现电动机启动，特别是在另一通道发生故障的情况下。
对于该变型，如同前文描述的示例性实施例，可使第一机器HPMG1(相应地，HPMG2)及其可逆AC/AC转换器130a(相应地，130b)关联在“智能机器”类型的同一个组件150a(相应地，150b)中。
在图11中给出具有单个通道的另一变型，此时设置有电机LPG，电机LPG的类型与前文给出的一个或另一示例的第二机器相同，且安装在低压轴上。该电机LPG与由一个或多个电子电路形成的控制单元1111相关联，这里，控制单元1111位于飞行器机身中。
架构设置有机器HPMG，机器HPMG安装在高压轴上，且可以是如前文描述的3级机器的形式，以提供处于受控电压的AC供给。该电机HPMG与由一个或多个电子电路形成的独立控制单元1112相关联，这里，控制单元1112位于飞行器机身中。
因此，在该示例性实施例中，机器HPMG、LPG各自可以是三级机器，从而特别是能够从飞行器源实现电动机启动。
该变型提供的功能还有：
-由与低压轴相关联的电机LPG提供的电力和由与高压轴相关联的电机HPMG提供的电力之间的平衡，
-通过对机器HPMG供电的外部源142来辅助启动涡轮发动机，然后机器HPMG以电动机模式操作，
-对一组电动机负载112供应高压DC电。
这里，如同图1所示的示例性实施例，级联布置的AC/DC转换器13a和DC/AC转换器15a的集合形成设置在与低压轴相关联的机器LPG和与高压轴相关联的机器HPMG之间的AC/AC转换器。然而，这里，该架构的布置的不同之处尤其在于可通过布置在机器HPMG和AC/DC转换器15a之间的开关元件108，使得与高压轴相关联的机器HPMG与AC/AC转换器模块隔离。
因此，开关元件102、108设置在AC/AC转换器的任一侧，当开关元件102、108打开时，能够使转换器与架构的其余部分隔离。在这种情况下，当开关元件102、105接通时，第二机器LPG能够对飞行器网络120的部分122提供电能，无需与第一机器共享功率。类似地，当开关元件106接通时，第一机器HPMG能够对飞行器网络120的部分124提供电能，无需与第二机器共享功率。
机器HPMG还可直接对网络120的部分124供电，而无需经过中间转换器。
另一变型如图12所示，与之前的变型的不同之处在于省略对电动机负载的分配。这种变型特别适用于电动机内部负载未电气化的涡轮发动机。
如同前文的示例性实施例，与HP轴相关联的机器HPMG可以是3级机器，以提供受控AC电压供给。AC/AC转换器130可以是2个连续的AC/DC和DC/AC转换器或单个直接转换器的形式，例如矩阵式或交-交转换器类型。
还可存在如下操作模式，其中，通过与LP轴相关联的机器LPG提供的电力和与HP轴相关联的机器HPMG提供的电力之间的功率平衡进行混合，以及使得辅助源能够启动电动机。
在图13中给出另一变型架构。该变型与之前的变型的不同之处尤其在于省略辅助源。这里，还可存在通过与低压轴相关联的机器LPG提供的电力和与高压轴相关联的机器HPMG提供的电力之间的功率平衡进行的操作模式。AC/AC转换器130还可以是2个连续的AC/DC和DC/AC转换器或单个直接转换器的形式，例如矩阵式或交-交转换器类型。这种变型特别适用于电动机内部负载未电气化且不需要电启动的涡轮发动机。
前文描述的一个或另一发电架构可适用于具有可变频率的传统飞行器AC电网，同时使用较少数量的设备并提供实现数种功能的组件。
因此，按照这种方式，通过如上所述的架构，保持对飞行器的AC发电，同时给涡轮发动机提供从两个HP轴和LP轴进行取出而受益的可能性，特别是对于1、10至12、14，实现各种混合场景。

Claims (6)

1.一种用于以热/电混合推进的飞行器的电气架构，所述飞行器包括两个涡轮发动机，对于每个涡轮发动机，所述架构包括：
-包括非推进配电网络的飞行器交流电网(120)，
-机械地联接到所述涡轮发动机的高压轴的至少一个第一电机(HPMG1，HPMG2，HPMG)，所述第一电机(HPMG1，HPMG2，HPMG)配置成以电动机模式操作以提供机械推进功率，以及以发电机模式操作以接收机械功率并提供电力，
-至少一个第二电机(LPG1，LPG2，LPG)，机械地联接到所述涡轮发动机的低压轴，且以发电机模式配置以接收机械功率并提供电力，
-可逆AC/AC电能转换模块(13a-15a，13b-15b，130a，130b，130)，布置在能够联接到所述第一电机(HPMG1，HPMG2，HPMG)的至少一个第一网络部分和能够联接到所述第二电机(LPG1，LPG2，LPG)的至少一个第二网络部分之间，
-开关元件(101，102，104，105，106，107，109，108)，
-控制所述转换模块和所述开关元件的电子系统(110，160，220)，所述电子控制系统设置有电动机控制单元(110)，所述电子控制系统(110，160，220)配置成：
-将所述架构置于与所述开关元件的第一配置对应的至少一个所谓的“功率分配混合”操作模式中，在所述操作模式中，所述至少一个第二机器(LPG1，LPG2，LPG)联接到所述飞行器网络(120)，且至少一个第一机器(HPMG1，HPMG2，HPMG)通过所述电能转换模块联接到所述飞行器网络，
其中，所述AC/AC电能转换模块(130)由矩阵式AC/AC转换器(13a，13a)或交-交转换器形成，所述矩阵式AC/AC转换器由双向开关(91a，91b，91c，92a，92b，92c，93a，93b，93c)的矩阵形成。
2.根据权利要求1所述的电气架构，其中，所述电子控制系统(110，160，220)设置有电动机控制单元(110)，其中，在所述“功率分配混合”操作模式中，所述第一电力和所述第二电力的相应水平能够由所述电动机控制单元(110)调节和控制。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电气架构，所述电子控制系统(110)进一步配置成将所述架构置于至少一个其它“辅助高压轴”操作模式中，在所述操作模式中，所述至少一个第二机器(LPG1，LPG2，LPG)通过所述AC/AC电能转换模块(130)联接到所述至少一个第一机器(HPMG1，HPMG2，HPMG)，以对以电动机模式操作的所述至少一个第一机器(HPMG1，HPMG2，HPMG)提供电能。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气架构，进一步包括至少一个辅助交流电能源(142，144)，所述至少一个辅助交流电能源特别是能够安装在所述飞行器的机身的一部分中，所述电子控制系统(110)进一步配置成将所述架构置于至少一个其它所谓的“电动机启动”操作模式中，在所述操作模式中，所述辅助电能源(142，144)通过所述AC/AC电能转换装置(130)联接到所述至少一个第一电机(HPMG1，HPMG2，HPMG)，所述至少一个第一机器(HPMG1，HPMG2，HPMG)以电动机模式操作。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电气架构，其中，所述至少一个第二电机(LPG1，LPG2，LPG)由调节器(22)和三个级(21，23，25)的集合形成，所述三个级级联安装且联接到相同的涡轮发动机低压轴，所述集合设置有：
-第一级(21)，所述第一级设置有含永磁体的三相发电机，以通过所述第一级的输出端处的交流电流对调节器(22)供电，
-第二级(23)，所述第二级设置有旋转二极管激励器，以根据通过对所述交流电流进行整流而获得的直流电流(Iexc)来提供整流后的输出电流，
-主级(25)，所述主级设置有由所述整流后的输出电流供电的三相同步电机，并产生频率与所述低压轴的转速成比例的电流，来作为输出。
6.一种以热/电混合推进的飞行器，包括两个涡轮发动机，每个涡轮发动机包括至少一个高压轴和一个低压轴，且对于每个涡轮发动机，所述飞行器包括根据前述权利要求中任一项所述的电气架构。
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