飞机电推进系统高效能电机及其驱动控制技术

飞机动力系统的电气化是继机载二次能源逐步统一为电能之后航空电气化发展的重要方向和高级阶段,能够大幅提升飞机动力系统能量利用效率,是航空业绿色发展的重要途径。电机系统是飞机电推进系统的核心机电能量变换环节,高效能电机、电力电子变换及其驱动控制技术是电推进飞机发展的基础支撑。该文从电推进飞机动力系统架构出发,分析电推进飞机电机系统的特征与要求。总结永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机4种类型电机在电推进飞机上的研究和应用现状,系统讨论电推进系统中不同类型电机和电机驱动器的关键技术。最后,展望新材料、新器件、新工艺、人工智能和综合热管理等技术对电推进飞机电机及其驱动控制技术发展的推动作用。

面向数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器及其高密度集成

该文提出适用于数据中心48 V供电系统的混合型母线变换器电路拓扑及其高密度集成方法,通过在开关电容变换器中嵌入自耦变压器和LLC谐振变换器,大幅增加开关电容变换器的降压比,且利用矩阵式变压器结构实现变换器输出电流能力的大幅提升。基于所提出的混合型母线变换器,进一步提出其高密度集成方法,综合采用磁集成、绕组集成等方式,实现变换器功率密度和效率的提升。研制40~60 V输入、变比8:1、输出电流100 A、开关频率1 MHz的八分之一砖模块,功率密度达到1.704 kW/in3,最高效率达到97.9%。

基于部分功率调控的有源–无源电容分裂叠加式高峰均比低频脉冲功率平抑方法

高峰均比低频脉冲电流载荷影响航天器电源系统高效稳定运行,基于大容量储能电容阵的脉冲功率被动平抑技术极大增加航天器系统的体积重量。以降低航天器电源系统体积重量为目标,提出基于部分功率调控的脉冲功率平抑方法。通过将无源解耦电容分裂为有源电容与无源解耦电容串联,不仅为负载提供稳定的供电电压,而且大幅增加解耦电容电压波动范围、减小解耦电容体积重量。由于有源电容仅需提供部分脉冲负载功率,有效降低了脉冲功率主动平抑所需额外增加的功率电路容量、体积重量和损耗。文中详细分析所提脉冲平抑系统架构、电路实现及其控制方法,实验结果证明了所提方法的可行性和有效性。

航空电励磁双凸极电机单/双层绕组下的发电性能研究

不同绕组结构的电机发电性能存在很大差异,选取合适的绕组形式对于电励磁双凸极电机在航空电源系统中的应用至关重要。该文对比研究单、双层绕组电励磁双凸极电机线性区和饱和区发电性能。首先,阐述2种电机的绕组结构形式与磁路特点。其次,在此基础上建立等效磁路模型,解析获得绕组结构对漏磁通的影响规律与机理,从原理上解释了不同绕组结构电励磁双凸极电机饱和特性差异的原因。最后,比较线性区和饱和区单、双层绕组电励磁双凸极电机的输出性能。结果表明:电流密度较低时,单层绕组电励磁双凸极电机的励磁效率更高,输出能力更强,但是双层绕组电机具有较强的过载能力,在航空电源系统中有更大的应用潜力。研制了原理样机,实验结果验证了仿真分析的有效性。

基于光伏–储能集成功率模块的航天器分布式供电系统能量管理策略

提出基于光伏–储能集成功率模块的航天器分布式供电系统及其能量管理策略。采用三端口变换器为基本模块连接航天器光伏发电单元和蓄电池储能单元,并构建空间分布式供电系统,实现了航天器分布式光伏和储能单元的高效集成化功率变换与能量管理;利用光伏剩余发电容量和蓄电池荷电状态动态调整各分布式集成三端口功率模块输出下垂系数,实现了各分布式光伏发电模块输出功率最大化,以及各分布式储能电池荷电状态均衡化。详细分析了提出的航天器分布式供电系统及其能量管理策略的基本原理,并通过实验验证了理论分析的正确性和可行性。

基于矩阵磁结构的平面电感寄生电容优化设计

当平面电感的单层绕组匝数超过一匝时,外侧绕组间存储的电场能量会导致寄生电容偏大。为降低平面电感寄生电容,文中将一个电感拆分为多个分立电感以实现单层一匝的绕制方案,并分析分立电感方案与单磁心方案在铁损、铜损和体积方面的变化。针对分立电感体积增大这一问题,进一步提出矩阵磁方案,给出两电感、四电感磁集成结构。有限元仿真结果表明,相接近的体积下,矩阵磁方案降低了77%的寄生电容,并减小了69%的铜损。最后,搭建一台Buck变换器。功率实验结果表明,矩阵磁结构平面电感具有更优的性能。

面向高峰均功率比低频脉冲负载三相交流供电系统的电能综合补偿器

为了提高供电系统可靠性和电能质量,提出面向高峰均功率比低频脉冲负载三相交流供电系统的电能综合补偿器。综合补偿器采用两级式三相AC-DC变换器,同时补偿低频脉冲功率和高频谐波,实现了三相交流输入功率和输出侧低频脉冲负载功率的解耦,消除了低频脉冲负载对交流供电源的周期性冲击等不利影响。通过允许解耦电容电压宽幅变化,减小解耦电容容量和体积重量。提出基于脉冲检测的低通滤波器功率前馈控制方法,提高负载频率突变时的动态响应,实现了脉冲功率的快速补偿。该文详细分析综合补偿器的电路结构、工作原理和控制方法。实验结果验证了所提综合补偿器的有效性和可行性。

航空并列式混合励磁无刷直流发电机短路特性研究

结合航空低压直流电源系统应用特点,对并列式混合励磁无刷直流电机短路特性开展研究。分析永磁与双凸极电机段绕组耦合关系与电感特性,揭示并列式混合励磁电机高电抗特征,在此基础上研究直流侧短路故障下的电枢反应与短路电流变化规律;根据绕组拓扑形式特点,围绕两类相间短路故障,系统分析短路电流与整流输出电压特性,探讨电机中性点连接方式对短路电流的影响,提出并列式混合励磁无刷直流发电机不同短路故障下的短路电流抑制与短路保护方法。研制12300r/min、11kW低压直流电源系统并列式混合励磁无刷直流发电机系统,并进行短路实验验证。理论与实验结果表明,并列式混合励磁无刷直流电机具有较好的短路电流抑制能力,在航空直流电源系统中具有重要的应用优势与价值。

电励磁双凸极无刷直流发电机热网络建模与热特性研究

电励磁双凸极无刷直流发电机具有调压方便、可靠性高的优点,在航空电源领域得到应用,但励磁绕组的引入会带来额外的励磁损耗,进而影响电机的温升。建立准确快速的电励磁双凸极电机温度场模型,并进行热特性研究对其安全稳定运行非常关键。该文对比分析集中励磁与分布励磁双凸极电机的结构特点与损耗分布特性。针对集中励磁双凸极电机的非均匀槽特点,考虑异型槽之间的热耦合作用,建立热网络分析模型。建立有限元分析模型验证了热网络模型的正确性,并对比分析不同转速与负载下集中励磁与分布励磁双凸极电机的热特性。搭建水冷集中励磁双凸极电机实验平台,并完成电磁与温升实验。实验结果与仿真结果一致,表明水冷条件下集中励磁双凸极电机相比于分布励磁双凸极电机具有更高的效率与更低的温升。

主励磁机高频信号注入的无刷励磁同步电机低速阶段无位置传感器起动控制

无刷励磁同步电机用作航空起动发电机,通常需安装位置传感器。为解决位置传感器带来的系统复杂化和可靠性降低的问题,低速阶段可采用主发电机高频信号注入估计转子位置,但引入的电流谐波会对起动输出力矩造成较大影响。为此该文提出一种适用于低速阶段的基于主励磁机高频信号注入的无刷励磁同步电机无位置传感器起动控制方法,利用主励磁机间接向主发电机励磁绕组注入高频信号,提取主发电机电枢绕组中的高频响应信号,经过计算处理获得转子位置信息。当电机静止时,主发电机励磁磁场的建立过程会在电枢绕组中感应产生的电流,根据电流极性判断转子初始位置所在扇区,并校正转子初始位置估计值。最后实验证明所提的无位置传感器起动控制方法具有较好的位置检测精度,能够实现无刷励磁同步电机在低速阶段的起动控制。

永磁同步电机伺服系统改进型无差拍电流控制算法

高性能电流环是提升永磁同步电机伺服系统性能的重要保证和基础,在控制过程中,电流环易受延迟环节、采样误差等因素影响,需具备较强的抗扰动能力。基于此,文中研究了一种带电流校正环节的改进型无差拍电流控制算法。该方法以传统无差拍电流控制算法为基础,对电流采样环节进行改进。将k时刻的电流采样值与k时刻的电流预测值进行加权处理,作为新的电流反馈值,再进行无差拍控制,抑制采样误差对电流控制的影响,进而提升稳态过程中电流的抗扰动能力。并针对永磁伺服系统样机进行了Matlab仿真和实验,验证了文中方法的正确性和有效性。

航空线缆的绝缘性能与检测综述

航空电缆作为航空装备电气系统能量传输通道,敷设广、占比高。然而,由于线缆铺设环境特殊、距离长,不便于检测与检修,绝缘状态无法及时监测,一旦发生故障将造成巨大损失。随着多电/全电飞机的发展,航空电气系统对线缆的绝缘性能与结构设计提出更高要求。因此,该文从绝缘性能、电导率分析、绝缘老化特性、局部放电检测、航空电弧检测与识别等5个方面综述国内外的最新研究成果,总结适用于航空线缆绝缘缺陷检测、老化特性、多参量表征、选型改进等方案。在综述的基础上,结合多电飞机电压等级提升、功率增加、低碳排放的发展趋势,指出航空线缆绝缘方面的主要威胁、挑战和发展趋势,为后续航空线缆乃至多电飞机的优化改进提供了参考。

多电发动机内装式高速起动发电机研究与实践

多电发动机是多电飞机的核心,内装式高速起动发电机是多电发动机的关键性支撑技术。该文论述多电发动机基本概念,结合内装式高速起动发电机集成位置和运行环境特点,系统总结了多电发动机高速起动发电机系统发展现状,并提出内装式高速双凸极起动发电技术;分析铁心材料对电机运行性能的影响规律,研究转子应力分布和并列结构转子动力学特性,结合关键参数敏感度分析,提出基于铁心材料特性与转子稳定性约束的高速双凸极起动发电机优化设计方法;研制高速油冷双凸极起动发电机原理样机,完成起动与发电实验验证。电励磁双凸极电机兼具结构坚固可靠和发电控制简单的优势,在多电发动机内装式起动发电系统中具有重要的应用价值。

混合励磁电机结构原理、设计与运行控制技术综述及展望

混合励磁电机内部励磁源由永磁和电励磁两种励磁源有机结合而成,具有气隙磁场调节方便、功率密度高和宽转速范围效率高等优点,在工业驱动、新能源发电和交通运载装备等领域具有广阔应用前景。从混合励磁电机的基本概念出发,重点围绕混合励磁同步电机和混合励磁磁场调制电机两种拓扑形式,阐述不同拓扑混合励磁电机的结构特点及其磁通调节机理。在此基础上,归纳出不同应用场合下混合励磁电机的通用设计方法和多维度协同控制方法。最后,围绕交通电气化背景,对此类电机在多电飞机、舰船和电动汽车上应用的技术现状和前景进行总结,并讨论该类电机的关键技术和发展方向。

模块化光伏直流并网系统分布式自主控制策略

提出了模块化光伏直流并网系统分布式自主控制策略。通过将各模块输出电压信息叠加到输入侧母线电压基准中,不仅实现了输入侧母线电压的无主从调节,而且自动实现了各模块输出电压的均衡控制。所提出的控制策略无需通信或中央控制器,实现了串并联模块化光伏直流并网系统的完全分布式自主控制,且能实现故障模块和替换模块的热插拔,具有控制简单、易于实现、可靠性高等优点,并通过实验验证了理论分析的正确性。

基于旋转坐标系的锥形无轴承开关磁阻电机数学模型

针对传统基于定角度坐标系的虚位移法推导无轴承开关磁阻电机数学模型复杂的缺陷,该文将旋转坐标系与虚位移法结合,建立了双相导通下锥形无轴承开关磁阻电机的数学模型。在考虑转子径向和轴向位移的条件下,该数学模型准确地描述了电机的径向力、轴向力和电磁转矩。利用有限元仿真验证了该数学模型的良好特性,为电机的悬浮控制系统设计提供了可靠的理论基础。

一种提高弱电网下LCL型并网逆变器鲁棒性的相位超前补偿策略

LCL型并网逆变器中,电容电流反馈有源阻尼法可以有效抑制LCL滤波器的谐振。但是,数字控制延时会改变电容电流反馈有源阻尼效果,从而影响系统对电网阻抗的鲁棒性。为削弱数字控制延时的不利影响,提出相位超前补偿方法以补偿电容电流反馈的控制延时。通过分析不同谐振频率下系统的稳定性,得出改进后系统的增益裕度要求都能被满足,并设计出相位超前补偿器的参数。接着,为保证电网阻抗变化时系统的稳定性,给出电容电流反馈系数的设计方法。当采用选取的电容电流反馈系数时,分析加入相位超前补偿器前后的闭环极点轨迹。最后,通过一台1kW原理样机,验证了所提出理论研究的有效性。

高转矩密度转子磁分路混合励磁电机转子涡流损耗及散热优化

转子磁分路混合励磁电机转子通常采用实心磁极的结构,导致其转子涡流损耗大、转子温度高,限制了其转矩密度及效率的进一步提升。从降低转子磁分路混合励磁电机的转子涡流损耗及温升两个角度出发,首先分析永磁体分段与模块化转子结构对转子涡流损耗的影响规律,并进行优化设计;在此基础上,根据传热学基本理论,构建电机的三维稳态温度场计算模型,揭示了不同运行工况下电机的温度分布规律,提出一种机壳水冷和端盖水冷相结合的多水道冷却散热方法。结果表明,在峰值转速运行工况下,新型散热方法使得转子实心磁极的最高温升从175℃降低至136℃,进一步提升电机的输出能力及可靠性。最后,对100kW转子磁分路混合励磁电机样机进行效率与温升实验,实验验证了理论计算和所提方法的正确性和有效性。

定子无铁心永磁电机技术研究现状与发展

由于定子全部或局部取消了具有磁饱和特性的导磁铁心介质,定子无铁心永磁电机具有效率高、过载能力强、无齿槽转矩、转子损耗低等优点,在飞轮储能、风力发电、航空航天伺服和全电推进系统等场合具有重要的应用前景。依据磁场形成原理对定子无铁心和无槽永磁电机进行了分类,包括径向磁场型、轴向磁场型、直线运动型等。阐述了不同结构拓扑下的定子无铁心电机的特征和关键技术,包括定子绕组的设计与冷却、气隙磁场正弦度的优化、小电感特性下的控制技术等。总结了国内外定子无铁心和无槽永磁电机研究进展及其应用情况。结合定子无铁心永磁电机的效率、转矩等特性,讨论了该类电机的研究方向和发展趋势。

宽输出电压范围集成Buck型无桥PFC变换器

提出一种集成Buck型无桥有源功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器及其控制方法。变换器能够工作于升压模式或降压模式,使得直流侧电压能够在宽范围内调节;采用载波层叠脉宽调制(pulse width modulation,PWM)控制策略,使变换器能够根据网侧电压和直流侧电压的大小关系能够自动工作于单级模式或准单级模式,集成Buck变换器仅需处理部分功率,大部分功率只需经过单级变换,且在直流电压低于电网电压峰值时实现三电平输出,有效减小了导通和开关损耗,提升了整体效率。文中详细分析变换器的工作原理、控制策略及特性,通过实验验证所提出的集成Buck型无桥PFC、变换器及其控制方法的正确性和有效性。