全电飞机推进用不对称单元多相电机系统

The all electric aircraft (AEA) is a promising trend of advanced aircraft and the propulsion motor is key technology. The complex operation environment and conditions have strict requirements on motor reliability, torque density and efficiency. We plan to research a novel propulsion system-a symmetric unit multi-phase motor system, in which n×m phase winding is split into several m phase unit with different torque/speed characteristics. Better torque, efficiency and dynamic characteristic can be achieved to suit propulsion conditions, and improve torque density, efficiency and reliability. This research plan to propose phase split method and power distribution method, analyze influence of asymmetric winding and propose a design program of high power density and efficiency. As well, influence of coupled winding on magnetic field, torque rolling and efficiency will be analyzed, aiming to solve nonlinear control parameters, quick efficiency optimization control, mode shifted and fault tolerance control problems. Control method of efficiency maximum during the whole operation process. This research will be useful for further analyses of all electric aircraft propulsion.

全电飞机是下一代先进飞机的发展方向。推进电机是全电飞机的关键技术。难点在于工作环境和工况复杂多变，对电机的可靠性、转矩密度和效率要求高。申请者拟研究一种基于多相电机的全电飞机推进系统---“不对称单元多相电机系统”。将n×m相电机分为n个m相单元，每个单元的转矩/转速特性不同，各单元配合获得更大的力矩和效率以及动态特性，可以更好的配合飞机推进工况，提高转矩密度、效率和可靠性。课题拟研究获得与飞行工况相匹配的绕组裂相与单元功率配置方法；研究不对称绕组对电机的影响，提出高功率密度、高效率的电机设计方案。分析不对称单元绕组之间的耦合对电机磁路、转矩波动、效率等的影响；解决各单元控制参数的非线性、快速效率寻优控制与模式转换的混杂系统问题以及容错控制的策略重构等问题，提出以全飞行剖面内效率最优的电机控制方法和容错控制方法。为该类电机的深入研究以及在全电飞机推进系统中的应用打下基础。

针对全电飞机推进电机高功率密度、高效率、高可靠性、快速响应等需求，及峰值功率大、持续功率低的工况特点，本课题提出了一种不对称多相永磁电机结构。本项目主要研究电机的电磁设计、结构设计、冷却设计、控制策略、容错策略等内容，并通过样机测试进行实验研究和验证。所取得的研究进展和成果有：.建立了不对称电机的模型，研究了电机的相数和裂相方式对电机的性能的影响，提出了不对称电机设计的一般性原则。研究结果表明，在不对称电机中，独立绕组的套数小于每套绕组相数，每套绕组相数小于六相，每极每相槽数槽数为不大于2的电磁结构适合在不对称电机中使用，可以兼顾电机的设计灵活性、运行性能、容错性能和控制难度。结合实际工况，本课题选择了3×5相电机。.为了快速设计匹配电机中各套绕组的参数，提出了等转矩匹配、等功率匹配和等基速匹配三种基本匹配模式，并分析了三种模式对电机性能的影响。结果表明，全电飞机中，等转矩匹配包容性最强，1-2h飞行中能耗最低，而等基速匹配在更长时间的飞行中损耗最低。.分析了不对称绕组对电机磁场的影响，结果表明，不对称绕组会导致电机合成磁场中的谐波增加，采用齿宽不等的不对称铁芯可以抑制谐波的增加，使电机磁场和对称绕组基本一致。分析了电机效率和损耗，理想条件下，电机各套绕组产生的损耗相同时电机效率最高，实际运行效率最高的转矩分配在这个平衡点附近，为电机控制提供了理论依据。.建立了有限元模型，分析了在电机不同位置开孔或增加散热鳍片等对电机应力和温升的影响，结果表明，在飞机高速对流的条件下，合理的凹槽和空洞可以使电机结构件重量降低10%，散热效果提高10%，稳定温升降低5K左右。.提出了基于自抗扰的电机控制策略，可以很好的解决多套绕组的同步控制，并且提高了电机的动态性能，有利于提高飞行平稳性和抗扰动的能力。.研发了电机和控制器样机，并通过硬件在环模拟实际工况进行了测试，结果表明不对称绕组可以减少5%-10%的能耗。