航空用内置式永磁容错发电机及其控制系统的研究

With the development of more electric / all electric aircraft，researching on the Built-in power generation systems of aero more electric engine has become more and more popular in the international aviation industry. This application proposed a six-phase external rotor permanent magnet fault tolerant generator and its control system on the basis of the structure and work condition of the aero more electric engine. Three aspects are studied in this program, one is the integrated optimization design on electromagnetic, thermal and mechanical structure of the motor; the other is the constant voltage control under variable speed, the control method could maintain a constant 270V output voltage under a wide speed range (12:1) of the primer; the last is multiphase fault tolerant control of the power generation system, when the winding of the generator system or power electronic devices occurred faults in one phase, two phase or three-phase ( including open circuit, short circuit , and its combinations), the symmetrical six-phase power system can smoothly switch to non-symmetrical five-phase, four-phase and three-phase power system respectively, meanwhile the power generation system can still output 100% , 80% and 60 % of the rated power with constant voltage. If some achievements could be obtained, the power density, safety and reliability of independent aero power generation system would be improved and could open up a aero more electric engine development road belong to our own property rights.

随着多电/全电飞机的发展，研发多电航空发动机用内置式发电系统已成为国际航空工业的热点问题。本申请针对航空多电发动机的结构和工作特点，提出了六相外转子式永磁容错发电机及其控制系统，并对其关键技术进行应用基础性研究。研究内容主要包括三方面，一是电机本体的电磁、热以及机械结构三方面的综合优化设计；二是整个发电系统的变速直流恒压控制，以保证原动机在宽转速范围变化时（12:1），直流馈电电压（270V）不变；三是发电系统的多相故障容错控制，即当发电机统的绕组或功率管发生一相、两相甚至三相故障时（包括断路、短路及其组合故障），对称的六相发电系统可以平滑地切换到非对称的五相、四相及三相发电系统，同时发电系统仍可分别输出100%、80%和60%的额定功率，直流馈电电压不变。若有所收获，必将提高航空独立电源的功率密度和安全可靠性，并能开辟出一条属于我国自主产权的多电航空发动机发展道路。

随着多电及全电飞机的快速发展，航空电源系统成为越来越重要的部分，对其功率等级、电能质量及可靠性等发面均提出了更高的要求，因此，研究具有高功率密度、高输出性能和强容错能力的航空发电系统成为迫切需求。永磁容错电机具有高功率密度和强容错能力的特点，结合相应的功率变换器易于实现高可靠性容错发电，在航空发电机领域具有重要的应用价值。因此，针对容错发电要求，本项目完成以下内容：.首先，建立了六相永磁容错电机本体特征以及数学模型，提出了基于三相四桥臂主功率拓扑的航空用永磁容错电机发电系统。根据发电系统的数学模型推导了输出电压与电感电流等物理量之间的关系，同时，结合电压极限圆方程和功率守恒原则推导出弱磁电流计算公式，进而提出了直接给定直轴电流的弱磁恒压控制算法，实现了系统在较宽转速范围内实现恒压发电。.其次，以保证故障前后磁动势不变为目标，提出了容错发电控制策略。该策略将三维空间矢量调制与三相四桥臂拓扑相结合，实现了当发电系统发生单相功率管或者绕组故障时（断路及短路故障），系统输出性能基本不变，同时电磁转矩脉动最小化，降低故障态下转轴的机械振动强度。为了进一步提高系统可靠性，实现发电系统的多相容错能力，采用了双余度控制技术，将六相永磁容错电机作为双绕组电机使用，正常态时每套余度各输出50%功率，某余度多相故障时将其切离系统，使用另一余度输出全部功率。.最后，利用MATLAB仿真软件搭建容错发电系统仿真模型，对正常态变载变速以及弱磁算法进行仿真验证，同时对单余度一相断路短路故障及双余度切换进行了仿真分析。基于永磁容错电机搭建了以TMS320F28335为控制核心的全数字控制平台，使用C语言进行语言进行算法编程，主要包括控制算法程序、三维空间调制程序、故障识别程序等，在此基础上进行软硬件联调，完成正常态变载、变速、弱磁实验以及故障态一相断路补偿、一相短路补偿、余度切换实验。仿真、实验结果与理论分析结果相符，验证了系统控制策略的可行性和正确性。