大型客机发电系统研究

2015-12-25吴善永

科技视界 2015年18期

关键词：磁阻同步电机励磁

吴善永曹涛

（上海飞机设计研究院，中国上海 201210）

0 概述

发电机是向飞机上电子电气设备提供电力与电动力的关键部件，起动发电机使机载发电机从单一发电型发展为起动发动机与发电双功能型，是现代先进机载电机技术发展的重要方向，已经成为多电、全电飞机的核心技术之一。

1 几种发电系统比较

目前来看，适宜成为飞机电源起动发电系统的电机类型主要有三级式电励磁同步电机、异步感应电机、开关磁阻电机、双凸极电机和混合励磁同步电机。

1.1 三级式无刷起动/发电系统

旋转整流器式三级无刷同步发电机仍然是目前航空电源系统的主选电机类型，在恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）的发电系统中得到了广泛的运用。

三级式无刷同步发电机由主发电机、励磁机、副励磁机和旋转整流器组成，三个电机转子与旋转整流器共轴安装。当电机运转时，励磁机产生的交流电经整流后供主发电机励磁，通过调节励磁机的励磁电流从而改变主发电机的磁场，以此实现无刷控制，另外它的副励磁机专为调压器和控制保护器供电。[1]

图1 是用于波音787 电源系统的250kVA 三级式无刷同步发电机，作为变频起动发电机，该电机频率范围为360-800Hz，重量为92.3kg，MTBF 为30000FH，MTBUR 为20000FH。

图1 波音787 电源系统250kVA 变频起动发电机

理论上讲，在旋转整流器式三级无刷同步发电机的基础上进一步发展起动/发电双功能，有许多关键技术需要攻关。如转子静止时旋转整流器式无刷同步电动机的励磁、主回路的拓扑、电动运行的控制等。另外，三级无刷同步发电机结构本身已经较为复杂，用作起动机时，还必须在励磁机定子极上增加一套三相绕组，导致电机结构过于复杂，影响电源系统的可靠性。电压闭环调节环节包括励磁机、主发电机、调节器等环节，其动态性能难以提高。

1.2 异步电机起动/发电系统

异步电机和功率变换器的组合可以构成广泛使用的调速系统，异步电机也可以逆向运行构成发电系统。

国外对异步电机构成的起动/发电系统研究较早。20世纪80年代，美国Wisconsin 大学T.A.Lipo 教授领导的研究小组就开始研究异步电机在航空起动/发电系统中的应用，并成功地研制出了原理样机：起动/发电系统由鼠笼异步起动/发电机、并联谐振高频交流链逆变器以及单相PDM（Pulse Density Modulated）变换器构成（见图2）。同时，英国还对双馈感应发电机的无位置传感器技术进行了研究。[2]

图2 异步电机起动/发电系统结构图

我国对异步电机发电系统研究较早的有南京航空航天大学的胡育文教授和海军工程大学的马伟明院士。他们分别对笼型异步电机与双馈绕组电机的发电控制进行了较为深入的研究。另外，沈阳工业大学的王凤翔教授还对双馈感应发电机进行了研究。

到目前为止，还没有见到国内外大功率异步电机起动/发电系统装机试验成功的报道。

1.3 开关磁阻电机起动发电系统

20世纪80年代，开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine，SRM）由于结构简单坚固，转子上无绕组，适合高速运行，效率高等优点而受到研究人员的青睐。美国GE、Sundstrand 公司在USAF（United States Airforce）和NASA 支持下率先对SRM 无刷起动/发电系统进行了研究，并研制了30kW、250kW 等试验样机，详细介绍了开关磁阻起动/发电系统的构成、起动控制、发电控制及性能。其中，研制的30kW开关磁阻起动/发电系统为单通道发电系统，电机采用的是6/4 极结构SRM，功率密度达到3.89kW/kg，最高转速为52000r/min；而250kW 开关磁阻起动/发电系统是双通道发电系统，电机采用的是12/8 极结构SRM（图3 所示），系统额定输出功率250kW，过载能力330kW。电机和变换器均采用油冷方式，发电转速最高达22224r/min，电机功率密度为5.3kW/kg，系统的功率密度为2.56kW/kg，电机的效率高达91.4%，电压品质满足MIL-STD-704E[3]。经过多年的研究和试验，美国的SR 起动/发电技术已相当成熟。

图3 12/8 极结构SRM

与欧美国家相比，国内开关磁阻起动/发电系统研究较晚。国内研究开关磁阻电机的研究机构较多，南京航空航天大学对开关磁阻电机的起动特性发电特性，功率变换器拓扑，发电控制策略以及无位置传感器控制技术进行了研究，取得了一系列成果。西北工业大学的研究人员主要进行了发电系统的建模分析和故障仿真研究。但迄今，国内还没有大功率的开关磁阻起动/发电系统装机试验成功的报道。

1.4 双凸极电机起动/发电系统

双凸极永磁电机（Doubly Salient Permanent Machine，DSPM）是20世纪90年代美国T.A.Lipo 教授提出的一种新型磁阻式电机。Lipo 教授领导的课题小组对DSPM 的电磁设计，电动和发电运行进行了基本的理论与实验研究。此后欧美及国内也相继开展了对DSPM 电机的研制工作，国内主要有东南大学，上海大学以及南京航空航天大学，研究结果表明：DSPM 电机具有效率高、转矩/电流比大、控制灵活等优良性能。图4 给出了6/4 结构的DSPM 截面图，由图可见DSPM 的结构和SRM 相似，只是在定子上增加了永磁体，转子上无绕组和永磁材料，结构简单可靠，同样适合作为飞机的起动/发电机，构成起动/发电系统。用DSPM 构成起动/发电系统的不足之处在于发电运行时不能进行故障灭磁，且发电输出需要外加变换器控制。[4]

图4 6/4 结构永磁双凸极电机

图5 6/4 结构电励磁双凸极电机

为了解决发电运行带来的问题，后来又提出了电励磁双凸极电机（Doubly Salient Electro-Magnetic Machine，DSEM），即用励磁线圈取代DSPM 定子上的永磁体，从而通过调节励磁电流来改变电机的气隙磁场，6/4 结构电励磁双凸极电机如图5 所示。

南京航空航天大学最早对电励磁双凸极电机的电动控制和发电运行进行了研究，并将其构成起动/发电系统。图6 给出了起动/发电系统的构成框图，主要由主发电机、励磁机、双向功率变换器以及控制器构成。

图6 电励磁双凸极起动/发电系统

南京航空航天大学联合航空125 厂，经过十余年的刻苦攻关，研制成功QFW-18 双凸极无刷直流起动/发电系统，这是国内第一台在航空发动机台架上完成冷、热开车试验的无刷直流起动发电系统。

1.5 混合励磁同步电机起动/发电系统

永磁同步电机无论电动状态，还是发电状态都具有高效率、能量密度大的突出优点，最近，在新型电动汽车及混合动力汽车电源系统中，永磁电机构成的起动发电系统已经引起人们高度重视，并进行了大量研究和应用。实际上，20世纪70年代末美国GE 公司完成了采用晶闸管和钐钴永磁同步电机的变速恒频无刷起动发电系统的可行性研究，80年代初在A-10 攻击机上装机试飞，结果表明这种起动发电机起动和发电性能良好。然而，永磁电机存在以下两个重要问题：①采用单一永磁体励磁，电机内磁场调节困难，导致电动运行难以弱磁控制，恒功率范围小，发电运行调压困难，短路保护难以实现；②既便是高性能永磁材料（钐钴永磁体，钕铁硼永磁体）的选用，也难免永磁体在高温、振动环境下工作点漂移变化的问题，使电机工作性能受到影响。这两点不足限制了其在航空主电源系统中的进一步推广应用。[5]

混合励磁同步电机（Hybrid Excitation Synchronous Machine，简称HESM）在永磁电机基础上加入电励磁控制绕组以实现对气隙磁场的有效调节，是将永磁电机和电励磁电机进行有机结合形成的一种新型电机。

目前，国内外学者对混合励磁同步电机的研究主要集中在转子分割型HESM 方面，结构如图7 所示。转子分割型HESM 的气隙磁场是由永磁磁通和电励磁磁通的周向分量叠加得到，因此在电机的最佳工作状态时发电机的永磁磁势和电励磁磁势作用基本相等，电机功率密度较低。另外，轴向磁路必须经过机壳（定子背轭）因而容易饱和使得气隙磁密和空载电动势偏低，固有电压调整率较高，电机额定负载时的励磁电流较大，效率不高，难以应用于大功率航空起动发电系统场合。

图7 转子分割型混合励磁同步电机结构

切向结构永磁同步电机转子结构呈“聚磁”作用，具有气隙磁密高的显著优点，特别适用于大功率应用场合。南京航空航天大学在切向磁钢永磁同步电机基础上，将其转子极靴进行轴向延伸，通过附加气隙及环形导磁桥构成轴向磁分路，利用磁分路中的励磁磁势调节气隙磁场，从而构成全新的混合励磁同步电机，结构如图8 所示。

切向磁钢混合励磁同步电机不仅继承了切向结构永磁同步电机无刷结构和气隙磁密高的优点，而且兼具电励磁同步电机磁场可调的特性，从而解决永磁电机气隙磁场调节困难和高温下工作点漂移的两个关键问题，另外，电机转子上无绕组，为固体结构，结构可靠。因此该新型电机是航空发电机或起动发电机的又一新选择。

图8 切向磁钢混合励磁同步电机结构示意图

2 起动/发电系统方案分析

进一步比较第2 节五种起动发电系统，其中开关磁阻起动/发电系统和双凸极电机起动/发电系统都具有电机结构非常简单可靠、适合高温高速运行的优点，但是两种电机均属于磁阻类电机，电势波形非正弦，因此无法应用于交流电源系统。

综上，从原理上看，三种电机可以用作变频交流起动发电机，第一种是旋转整流器三级式同步电机，国外的厂家这种电机的技术已相当成熟，并有相当多的专利技术对其保护，国内针对其起动发电技术尚未开展实质性研究，还有很多关键技术需要攻关；第二种是混合励磁同步发电机，它是将永磁和电励磁组合构成的无刷同步发电机，继承了永磁电机的高效高功率密度的优点，更可贵的是转子上去除了可靠性较低的旋转整流器，为固体转子，可靠性高，但属于新电机，需要一个成熟的过程；第三种电机为异步发电机，其优点也是转子结构简单，但励磁容量较大，转子损耗也较大，效率和功率密度偏低，是这种电机的主要不足之处。