大型客机发电系统研究

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1、大型客机发电系统研究吴善永　曹　涛（上海飞机设计研究院，中国上海201210）【摘　要】对几种航空发电系统的技术特点进行了研究比较，最后结合我国大型客机发电系统的选择提出了一些看法。.jyqkin；而250k（图3所示），系统额定输出功率250kIL-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。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

2、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（DoublySalientPermanentMachine,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

3、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]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（DoublySalientElectro-MagicMachine,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

4、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。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QFachine，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

5、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。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

6、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。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

7、，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

8、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。3　总结因此，综合来看，三级式同步电机起动/发电系统和新型混合励磁同步电机起动/发电系统是大型客机电源系统