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1、南京航空航天大学硕士学位论文 1绪 论 0.1 航空起动/发电机系统国内外研究概况 起动/发电机是利用电机的可逆原理，让机载的发电机兼作发动机的起动机，一台电机两种用途，减少了机载设备体积和重量，有效地提高了整个机载电气系统的可靠性。因此，实现起动/发电双功能是先进飞机、机车、船舶等电气系统发展的一个重要发展方向1。随着多电飞机和全电飞机的发展，电能将取代飞机上的液压、气压等二次能源，飞机的飞行控制系统、环境控制系统、发动机燃油/滑油系统、起动及刹车系统的电力作动化，使得飞机发电系统已成为最重要的生命保障系统。近年来，由于功率电子和电驱动技术的提高，航空电气系统的稳定性、容错性和功率密度等性能
2、期望得到进一步增强，用单一的交流电机构成集成化的起动/发电系统在航空应用中也越来越受重视2。 早期的飞机采用有刷直流起动发电机，其优点是起动性能好、控制简单，但其本身存在的一系列缺点使其应用与进一步发展受到了很大的限制： 直流电机存在电刷和换向器，维护复杂，使用寿命短；直流电机功率等级低，而近期先进的战斗机发动机功率较大，而且对发动机起动性能要求也越来越高，所需起动转矩大3。 稀土永磁发电机采用起动/发电机技术的优点是：适宜大容量且发电效率高、功率密度大、结构可靠性好、适宜高速运行及起动和发电功能组合；该系统的主要缺点是：高温及振动环境适应性差，难以实现故障灭磁4。 在二十世纪 80 至 90
3、 年代，麦迪逊的威斯康辛大学一直开展笼形感应起动/发电机的研究，验证了采用高频连接的绝缘感应起动/发电机的可行性。功率电子学的应用使该系统更加先进，并消除了感应发电机应用于公共电网系统的很多问题。将笼形感应电机应用于航空环境及宇航系统的优点及局限性还有待进一步研究及评估1。 开关磁阻起动/发电机系统（SRS/G）作为集成化起动/发电机在国内外都已有相关研究，用于未来航空发动机具有可观的价值。将开关磁阻起动/发电机用于航空系统的最初研究由 S.R.MacMinn 等报道，他们构建设计了一台集成化的起动/发电机系统，该电机作为电动机运行时，在恒定的转矩和功率模式下达到转速 26000r/min、1
4、7 马力；作为发电机运行时，在 2：1 的发动机运行速度范围内输出恒定功率。到目前为止，很多关于开关磁阻起动/发电机系统的研究都已被开展。经验证，开关磁阻电机作为起动/发电机用于航空系统最重要的优点有：可靠性；容错性；由于无永磁体，且相与相间磁和电的相互独立性，使电机的可靠性大大提高；转子机械的整体性双凸极起动/发电机系统一体化设计与实现 2允许高速、 高功率密度运行； SRS/G 高温、 高速度运行环境下可直接带动飞机发动机，消除了飞行器上的齿轮箱和辅助液压系统1,4,5。 实现飞机发动机的起动和发电双功能组合，是当今无刷直流起动/发电机系统的明显优势之一，该功能组合对飞机的总体性能具有重要
5、意义6-8： （1）省略了发动机专用起动机或起动装置及其附件，简化了发动机相关结构，有效减轻了飞机冗余重量； （2）控制器与功率变换器的配合，可方便飞机总体实现不同的起动控制，增强了系统的适应性； （3）可用 DSP（Digital Signal Processor）等数字控制芯片实现无刷电机控制的数字化、实时性及多能化、诊断性和通讯，为多电飞机和全电飞机打下基础； （4）在多引擎飞机上，任一功率变换器都能在给飞机电网供电的同时，给其它作起动的功率变换器供电，因此，整个起动/发电系统具有内在的可靠性和余度性。 0.2 课题研究背景及意义 20 世纪 90 年代，著名电机专家 T.A.Lipo
6、教授发明了与开关磁阻电机（SRM）相似的永磁双凸极电机（DSPM）。国内浙江大学、华中科技大学、东南大学、山东大学等开展了双凸极永磁电机调速系统的研究， 包括电机设计、 磁场计算、 等效磁路模型、控制策略、PI 参数设计以及数字控制技术等，研究结果表明了双凸极永磁电机用于调速技术的优越性9-15。 南京航空航天大学在永磁双凸极电机的基础上提出了电励磁双凸极电机 （DSEM） 。由于附加了励磁线圈，电励磁双凸极电机在电机磁路、运行原理、力矩特性和系统控制规律等方面与开关磁阻电机有较大区别。 电励磁双凸极电机是电励磁同步电机和磁阻电机的有机结合体，这种电机的特点是：基本保持开关磁阻电机结构简单、控
7、制灵活、动态响应快、可用作起动发电机等优点，而且调速性能、转矩/电流比和效率等方面均优于开关磁阻电机，因此，电励磁双凸极电机是无刷直流起动/发电机值得选择的一种方案。 通过对电励磁双凸极电机进行性能测试与控制系统设计，这种电机可构成起动/发电机系统。电励磁双凸极起动/发电机具有开关磁阻起动/发电机的优点，且发电控制更为简单方便，无需位置传感器，直接控制励磁电流即可控制输出电压，发电性能优良。这些优点已由本课题组研制成功的车用 30kW 双凸极高压直流发电机系统得到了验证。 电励磁双凸极起动/发电机（DSES/G）工作于起动模式时，外接电源给电励磁电机的励磁线圈供电，控制器根据位置传感器检测到的
8、位置信号，控制双向全桥变换器南京航空航天大学硕士学位论文 3开关管的通断， 给对应的相绕组供电， 使电机产生固定方向的转矩， 带动发动机旋转；当电励磁双凸极起动/发电机工作于发电模式时，发动机带动电励磁电机旋转，控制器封锁全桥变换器的开关管，励磁绕组由励磁机供电，电机三相电枢绕组的磁通发生变化，产生三相交变的感应电压，通过二极管整流后，输出直流电能。若负载或转速变化时，可通过发电机调压器来调节励磁电流的大小以维持电压恒定输出。 近几年功率电子和数字信号处理技术的发展使起动/发电机系统更趋向于自动化，全数字控制技术应用于电励磁双凸极起动/发电机系统，不仅使系统的集成度得到提高，而且使系统具有便于
9、实施先进控制策略和调节控制参数等优点，有利于优化系统性能。 目前国内外对开关磁阻起动/发电机研究较多， 而对于双凸极电机进行起动/发电一体化设计的研究刚刚起步。本文主要对电励磁双凸极起动/发电机（DSES/G）的一体化设计和全数字控制技术进行研究，设计了双凸极起动/发电机原理样机，并进行了实验验证。 虽然本文研究主要是针对航空电源系统而开展的，但 DSES/G 的一系列特点也同样适合用于坦克、船舶、水下航行器等运动载体。此外，电励磁双凸极电机也很适合用作汽车/电动车的起动/发电机。 0.3 课题研究目的和内容 0.3.1 研究目的 本文主要研究电励磁双凸极电机，如无特殊说明，文中双凸极电机均指
10、电励磁双凸极电机。 本课题的研究目的：（1）分析双凸极起动/发电机一体化工作原理，起动/发电机系统的总体要求，起动/发电机系统的技术指标；（2）双凸极起动/发电机系统功率变换器的一体化设计，起动控制和发电控制方法研究；（3）双凸极起动/发电机系统切换方法及其软硬件实现；（4）双凸极起动/发电机位置信号的误差分析。 0.3.2 研究内容 本课题得到江苏省高技术项目、江苏省自然科学基金、教育部博士点基金项目的支持，对双凸极起动/发电机系统进行以下几方面的研究： （1） 双凸极起动/发电机系统的国内外研究概况，双凸极起动/发电机结构和一体化工作原理。 （2） 双凸极起动/发电机系统的总体结构，起动系
11、统、继电器切换、发电系统的双凸极起动/发电机系统一体化设计与实现 4功能要求，起动/发电机系统的主要技术指标。 （3） 双凸极起动/发电机系统的方案设计与 MATLAB 仿真，方案设计主要包括：功率变换器一体化设计分析、起动控制方法和发电控制方法、起动/发电状态的切换控制等。 （4） 双凸极起动/发电机位置信号误差的分析及仿真，通过软件对误差角进行数字检测。 （5） 基于 DSP 的双凸极起动/发电机控制系统的设计和实现，验证理论、仿真分析以及系统硬、软件设计的正确性。 南京航空航天大学硕士学位论文 5第一章 双凸极起动/发电机结构与工作原理 本章主要介绍了电励磁双凸极电机的结构、静态特性和数
12、学模型，并在此基础上讨论电励磁双凸极起动/发电机一体化的工作原理。 1.1 双凸极电机的结构 电励磁双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展起来的一种新型无刷直流电机。由于电机无电刷和换向器，转子上无绕组，而且发电工作时也不需要位置传感器和可控功率变换器，使其结构简单、成本低、可靠性高、维修方便，制造工艺也很简单，电机寿命仅取决于轴承寿命。 图 1.1 为一台三相 6/4 极电励磁双凸极电机的结构示意图， 电机的基本结构与开关磁阻电机相似，定、转子均为凸极齿槽结构，铁芯均由硅钢片迭压而成，定子上装有集中电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组，空间相对的定子齿上的绕组串联构成一相。定子极弧为定子齿距的
13、1/2，即/6机械角，则一个极下转子齿与定子齿的重迭角之和恒等于转子极弧，而与转子位置无关，从而使合成气隙磁导为一常数，这样不仅可保证电机励磁绕组所匝链的磁链将不随转子位置角而改变， 励磁绕组不会产生感应电势，而且电机静止加励磁时无定位力矩，电机任一相定子绕组交链的互感磁链仅与该相磁导成正比16。 图 1.1 6/4 极电励磁双凸极电机结构示意图 1.2 双凸极电机的静态特性和数学模型 双凸极电机的静态特性主要指电机静态时各参数随转子位置角和电流变化的特性。 由于电机内磁场的分布复杂， 为讨论方便， 忽略电机的磁路饱和边缘效应的影响，双凸极起动/发电机系统一体化设计与实现 6也就是近似认为电感
14、与电流无关，称这种简化的电机模型为线性模型17-19。 1.2.1 双凸极电机的静态特性 双凸极电机定子和转子的槽深较定转子齿间气隙大得多，则槽中的气隙磁导很小，可忽略。双凸极电机的等效磁路如图 1.2 所示，其中Gf和Ff分别为励磁装置磁导和虚拟磁动势；Fa、Fb和Fc分别为 A、B、C 三相定子齿与转子齿之间的虚拟磁动势，Ga、Gb和Gc分别为 A、B、C 三相定子齿与转子齿之间的气隙磁导。定转子齿间气隙磁导与定转子重合角有关， 而定转子的重合角可表示为转子位置角的分段线性函数，如图 1.3 所示。其中 a、b和 c分别为各相定转子重叠角。为方便讨论，定义合成气隙磁导GuGa+Gb+Gc，
15、它与电机定转子齿重叠角之和成正比。因为双凸极电机定转子齿重叠角与转子位置角无关，所以合成气隙磁导为一常数。 aGaFfFcGbGfGbFcFabc0图 1.2 电励磁双凸极电机等效磁路图图 1.3 各相定转子重叠角和转子位置角关系图 由等效磁路图可以得出电励磁双凸极电机的静态特性16。励磁绕组的自感Lf为 )/(2 ufffGGNL= （1.1） 其中：N f为励磁绕组匝数，Lf为常数。 A 相绕组自感La为 aaGNL2 a （1.2） 其中：N a为相绕组匝数，La与转子位置角呈分段线性关系。 相绕组与励磁绕组的互感Laf为 afaafGNNL （1.3） Laf与转子位置角也呈分段线性关系。 相绕组与励磁绕组互感Laf与相绕组自感La的比值等于励磁绕组匝数与相绕组匝数的比，该比值为一常数，设为k，即 afaaf NNLLk= （1.4） 相绕组间互感Lab(以 AB 两相为例)较小可以忽略，即 南京航空航天大学硕士学位论文 702+=fuba abGGGGNL （1.5） 1.2.2 双凸极电机的数学模型 电励磁双凸极电机的数学模型包括磁链方程、电压方程、功率方程、转矩方程和机械方程。这些数学模型是基于磁路定律、电路定律、牛顿运动定律和能量守恒定律建立的。 （1）磁链方程 IL = （1.6） 以三相 6/4 极电机为例，式中各参量分别为 =fcba，
