航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统的研究

摘要

随着多电飞机(MEA)和全电飞机(AEA)技术的不断发展，以往的低压直流，恒速恒频和变速恒频发电系统在可靠性、容错性、环境的适应性以及发电机大容量、高功率密度等重要指标上已无法满足飞机总体要求。而从可靠性、可维护性、体积重量和电气性能等指标综合来看，270V高压直流电源将成为新一代飞机的首选电源系统。开关磁阻电机具有结构简单、低成本、高容错性、高功率密度以及高速运行能力，而且能方便地实现起动和发电双功能等特点，这些决定了开关磁阻起动/发电机系统在270V航空高压直流起动/发电机系统中将占有一席之地。 本文以航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统为主要研究内容，在对前人成果的广泛了解和深入研究的基础上，系统地研究了开关磁阻起动/发电机系统的基本工作原理和控制方案，提出矩角特性在提高最小起动转矩来改善开关磁阻电机起动特性方面的应用，概括了开关磁阻起动/发电机系统的优缺点。 在磁化曲线簇的基础上运用MATLAB/SIMULINK软件建立了开关磁阻发电机系统的非线性仿真模型。通过仿真和实验对开关磁阻发电机系统的稳态特性、动态特性以及电机故障进行了分析。 在计算机辅助设计（CAD）仿真软件的基础上，完成了270V、70kW油冷航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统的电磁设计，并进行了性能和控制参数选择等方面的仿真。研制出270V、70kW航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统原理性的数字控制器和功率变换器，并对这套控制系统在小功率样机上进行了验证。 针对12/8结构、双通道开关磁阻发电机系统（SRG）单通道工作时的性能，提出改变线圈的连接方式来改变单通道工作的相电感，从而使得单通道工作时也能够达到理想的输出功率，并研究了线圈连接方式对开关磁阻电机单边磁拉力和电机振动方面的影响。 本文还分析了开关磁阻电机定、转子不同部位的磁密，在此基础上计算了开关磁阻电机的铁损耗，并研究了线圈的连接方式对磁密和铁损的影响。 此外，在研究航空高压直流开关磁阻起动/发电机系统的过程中，为了对相关理论进行验证，课题组研制出多种小功率样机，并在这些样机上进行了大量的实验研究。