永磁辅助式同步磁阻电机航空发电系统的研究

赵雅周，袁静兰，李 洋

(北京曙光航空电气有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

永磁辅助式同步磁阻电机结合了永磁同步电机和同步磁阻电机的特点，具有功率密度高、效率高、调速范围宽等显著特点，作为电动机在家用电器、电动汽车、工业电机等领域取得了应用。如果将此技术应用在飞机电源领域，采取新型控制策略，使电机兼容电动和发电两种工作状态，限制短路电流在安全、合理范围内，无疑将显著提高供电系统的效率和功率密度。

本文结合永磁辅助式同步磁阻电机及飞机对新型直流电源的需求，比较了不同类型起动发电机优缺点，为适应高效、高功率密度和高转速的需求，提出了一种永磁辅助式同步磁阻电机的270 V高压直流电源系统新构型,介绍了系统工作原理，针对发电模式提出了双三相永磁辅助式同步磁阻电机电压外环恒转矩角电流内环控制策略，建立系统发电Simulink模型。仿真结果表明，系统供电品质可满足国军标和飞机对电源系统需求，本文的研究对开展新型航空电源系统研制提供了技术基础。

1 系统需求

高压直流电源系统是先进飞机电源系统的主要发展方向之一，随着飞机向高速、高机动、任务多样化等方向发展，机载供电系统对其发电机的效率、质量和体积都提出了更高的指标要求，同时要实现起动和发电一体化系统设计。经过多年的发展，随着电力电子器件技术发展以及高温绝缘导线和高温磁性材料的开发，不断有新构型电机被研发出来。其中，适合作为高压直流电源并兼具起动和发电的电机构型对比如表1所示。

表1 各类型起发电机对比

三级同步电机稳定性好，技术非常成熟，但由于旋转整流器和电机极对数的限制，较难实现高速运行。开关磁阻电机(含双凸极型磁阻电机)结构简单，机械强度高，高速及超高速运行可靠，但由于电机定子侧励磁，功率密度相对较低。永磁同步电机具有高效率、高功率密度等优点，但其没法灭磁，短路电流无法抑制，因此在航空系统上应用较少。永磁辅助同步磁阻电机具有永磁同步电机的优势，但其仅含有少量的永磁体，通过合理的抗短路设计能够将短路故障时电流限制在额定工作电流附近，不存在灭磁问题，同时可设计新型控制策略，提高电机输出电压品质，以满足国军标和直升机对电源系统的要求。因此，基于永磁辅助式同步磁阻电机的起动发电系统作为新型航空电源系统具有显著优势。

2 工作原理

2.1 系统构型

基于永磁辅助同步磁阻起动发电机的高压直流电源系统如图1所示，该系统主要由永磁辅助式同步磁阻双三相起动发电机(以下简称起动发电机)、起动/发电复用电源变换器(以下简称电源变换器)、起动电源等组成。在起动工况下，电源变换器控制地面电源或机上辅助应急电源给电机供电，使起动发电机工作在电动机状态，并产生起动转矩，驱动飞机发动机旋转，起动转矩以磁阻转矩为主、电磁转矩为辅。系统能量流向为从起动电源的电能到电机和原动机的机械能。在发电工况下，电源变换器通过双三相功率管开关动作对永磁辅助同步磁阻起动发电机进行升压闭环控制，控制电机输出电压保持在270 V，系统能量流向为从原动机的机械能到用电设备的电能。

图1 系统原理框图

2.2 起动发电机

永磁辅助式同步磁阻电机在d，q参考坐标系下的空间矢量图如图2所示。

图2 永磁辅助式同步磁阻电机的空间矢量图

图2中，is是电枢绕组电流矢量；us是电枢绕组电压矢量；Ld和Lq分别是直轴电感与交轴电感；id和iq分别是直轴电流与交轴电流；ψpm是空气磁障中永磁体产生的磁链；ψ0是电枢绕组电流is产生的磁链；ψs是电枢绕组电流磁链与永磁体磁链的合成磁链；α是is与q轴的夹角；β是is与d轴的夹角；γ是ψ0与d轴夹角；θ是us与is夹角。各参数的数学模型表示如下。

电压方程:

(1)

(2)

磁链方程：

ψd=Ldid+ψpm

(3)

ψq=Lqiq

(4)

电磁转矩方程：

Tem=p(ψdid-ψqiq)=p[ψpmid+(Ld-Lq)idiq]=

(5)

式中:ω为转子电角速度，p为极对数，Rs为电枢绕组的相电阻。

机械方程：

(6)

式中:Ω是转子的机械角速度；J是电机的转动惯量；TL是负载转矩；RΩ是阻力系数。

本文提出的45 kW永磁辅助式同步磁阻起动发电机采用24槽4极结构，同时电机采用双三相绕组结构，每套绕组间隔30°，达到高效率、高功率密度的目的。

电机二维有限元分析模型如图3所示。

定子绕组结构分布如图4所示。

图3 电机有限元仿真模型图4 电机绕组结构分布

转子磁障采用U形三层不等厚磁障结构设计，既可以降低其转矩脉动，又可以提高凸极比，提高电机电磁性能；每层内外磁桥厚度设计为不同样式，以降低转子的机械应力，满足高转速下机械强度要求，转子有限元剖分图如图5所示，转子在转速为1.2倍额定转速负载下的应力分布图如图6所示。

图5 转子有限元剖分图

图6 转子在28 800 r/min额定负载下应力分布图

电机电负荷和线负荷的提高，导致电机散热问题突出，电机采用新型定子绕组喷油、循油与转子喷油冷却的油冷通道的散热结构，提高电机功率密度。本文的永磁辅助同步磁阻起动发电机额定发电状态下功率密度可达到3 kW/kg以上，效率可达到92%。

2.3 电源变换器

电源变换器实现永磁辅助式同步磁阻起动发电机的起动和发电控制及功率变换，为起/发复用结构，如图7所示。电源变换器主要由双三相全桥主功率电路、滤波电容、电流传感器、驱动电路、控制电路、保护电路组成。其中双三相全桥电路为实现电机在起动时的矢量控制与发电时的PWM整流控制所需的主功率电路；滤波电容一方面降低此电流导致的直流母线电压脉动幅值，另一方面作为能量缓冲，抑制配电网突加/卸负载时，由于发电机输出功率响应滞后而产生的直流电压跌落与过冲的幅值；驱动电路的功能为根据控制电路输入的PWM信号，实现对双三相全桥功率器件的高效、可靠驱动。

图7 电源变换器框图

3 控制策略及仿真

3.1 控制策略

系统具有起动和发电两种工作状态，起动为短时工作模式，电机处于电动机模式，不进行具体描述。作为航空电源，发电模式是电机长期工作状态，也是本系统控制的重点部分。本文提出一种双三相永磁辅助式同步磁阻电机电压外环恒转矩角电流内环控制策略，控制框图如图8所示。发电的控制目标为稳定直流侧电压270 V，系统外环为电压环，直流额定负载为45 kW，2倍过载90 kW；由于存在突加或突卸负载工况，采用负载电流前馈方法提高电压环响应速度。内环采用固定电流角度控制，电流角度选取的依据为额定负载时实现最大转矩电流比控制，2倍过载时变换器交流侧线电压峰值不超过270 V。

图8 双三相永磁辅助式同步磁阻电机电压外环恒转矩角电流内环控制框图

图8中，VCR为电压控制调节器，直流母线电压与基准电压作差之后经VCR计算得到所需电流幅值，经电流分配之后得到相应的d、q轴电流指令，VCR选择PI调节器。为了保证突减负载时系统稳定性，在d轴通道加入一求负绝对值模块。

永磁辅助式同步磁阻电机转矩：

Te=3p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]=

3piq[ψf+(Ld-Lq)id]

(7)

式中:id、iq和Ld、Lq为采用空间矢量解耦变换后的dq轴电流和dq轴电感；ψf为永磁体磁链；p为极对数。由式(7)可见，当突卸负载时，为了保证转矩快速降低并反向，应控制id轴电流为非正数，否则若id与iq电流仍然同号，则磁阻转矩无法反向，不利于卸载时对电压突增的抑制，甚至使系统失去稳定性。

VCR的本质是根据负载情况调节电机的相电流幅值。然而，当负载状况突变时，VCR作为PI控制器，需要检测到实际电压偏离270 V指令电压才能改变输出相电流幅值，这就导致了VCR在响应速度上的不足，为此采取负载电流前馈的控制方法进行补偿，即采样负载电流，通过Te=UdcIdc/ω得到负载变动后所需的电机输出转矩，再经过式(1)的逆变换及dq轴电流与is电流角分配关系得到响应的电机相电流幅值。

式中：Ω为机械角速度；p为极对数；θ为is与d轴夹角。

3.2 仿真模型

在Simulink环境下搭建起动发电控制系统，系统开关频率为20 kHz，死区时间1.2 μs，对控制部分相关连续系统进行离散化，离散化方法为Tustin变换，电机参数设置如表2所示。为了缩短仿真时间，电机转动惯量取值小于实际系统，J=5×10-3kg·m2，直流母线电容选取为3 000 μF。

表2 电机仿真参数

双三相永磁辅助式同步磁阻电机Simulink模型如图9所示。电流内环分配与计算仿真模块、双SVPWM计算仿真模块、主功率仿真模块在此省略。

图9 双三相永磁辅助式同步磁阻电机Simulink模型

3.3 仿真分析

在电机转速为24 000 r/min，分别仿真发电机负载为空载、25%、50%、75%、100%、150%、200%额定负载状态下，电机输出270 V直流电压精度和脉动电压。

100%额定负载下输出电压波形如图10所示，电脉动峰峰值为0.5 V。

图10 100%额定负载下输出电压脉动

保持发电机转速为24 000 r/min，进行系统突加、突卸负载实验。实验时，发电机初始状态分别为10%和20%额定负载，突加至85%和170%额定负载，测试该过程中发电机电压最低值与电压恢复至稳态电压的时间；再突卸负载，测试该过程中发电机电压最高值与电压恢复至稳态电压的时间。实验结果如表4所示。

表3 稳态调压实验数据

表4 突加突卸负载实验数据

从10%突加至85%额定负载输出电压瞬态波形如图11所示，从85%突卸至10%额定负载输出电压瞬态波形如图12所示。

图11 从10%突加至85%额定负载输出电压波形

图12 85%负载突卸至10%负载输出电压波形

额定负载状态下，电机输出畸变频谱如图13所示。

图13 额定负载下电压畸变频谱

模拟电机交流输出端短路，校核各相短路电流是否会对电机产生过热、烧毁等严重影响，仿真结果如图14所示。可以看出，各相短路稳定时短路电流为64 A，为额定电流的0.94倍，即其短路时发热低于额定工况下发热，不会对电机产生过热影响。

图14 短路电流波形图

4 结 语

本文结合永磁辅助式同步磁阻电机的特点及飞机对高压直流电源系统高效、高功率密度和高转速的需求，比较了不同类型起动发电机优缺点，提出了一种基于永磁辅助同步磁阻电机原理的270 V高压直流电源系统新构型,介绍了系统构成、工作原理，针对发电模式提出了双三相永磁辅助式同步磁阻电机电压外环恒转矩角电流内环控制策略，建立系统发电Simulink模型。仿真结果表明，系统供电品质可满足国军标和飞机对电源系统需求，本文的研究对永磁辅助式同步磁阻电机在航空领域的应用提供了技术基础。