高温电磁特性变化下内置式开关磁阻起动/发电机的瞬时转矩估算与控制方法研究

The embedded starting/generating integration is the core technology of the more electric aircraft, but the particular high temperature environment at the high pressure shaft of the engine will change the electromagnetic characteristics of the starter/generator, which results in low control performances and high machine temperature rise, and seriously influence the starting reliability. In this project, concerning on the air starting of the engine, the operating characteristics and instantaneous torque control of the switched reluctance starter/generator will be studied under high temperature to enhance the starting reliability and flight safety. Considering the material and structure, the field-circuit coupling calculation of the switched reluctance starter/generator will be conducted to analyze the mechanism of the electromagnetic characteristics variation under high temperature and obtain its influences on the performances. Based on the local linearization of the flux linkage-current trajectory, the instantaneous torque analytical estimation method of the switched reluctance starter/generator will be proposed, which just requires the unsaturated phase inductance and reduces the effects of the electromagnetic characteristics variation on the torque control performances. According to the change mode of the torque current ratio characteristics of the switched reluctance starter/generator, the multi-constrained torque hysteresis regulation and region dividing angle online optimization strategy will be proposed to implement the smooth torque control with lower machine temperature rise, and enhance the starting reliability under high temperature. This project has great significance for high performance and reliable starting of embedded switched reluctance starter/generator, and can also provide reference to other applications of the switched reluctance machine with high and varied temperature.

内置式一体化起动/发电是多电飞机的核心技术，而发动机高压轴处特有的高温环境会改变起动/发电机的电磁特性，导致控制性能下降、电机温升提高等问题，严重影响起动可靠性。本项目以发动机空中停车再起动为背景，研究高温下开关磁阻起动/发电机的运行特性与瞬时转矩控制，以提升起动可靠性和飞行安全性。考虑材料及结构因素，对开关磁阻起动/发电机进行场路耦合计算，分析高温电磁特性变化机理，掌握其对性能的影响规律；基于磁链-电流轨迹局部线性化，提出仅需非饱和相电感的开关磁阻起动/发电机瞬时转矩解析估算方法，降低电磁特性变化对转矩控制性能的影响；依据开关磁阻起动/发电机转矩电流比特性变化规律，提出多约束转矩滞环调节与区域分界角在线寻优策略，实现转矩平滑控制，并抑制电机温升，提升高温环境下起动的可靠性。本项目对于内置式开关磁阻起动/发电机的高性能可靠起动具有重要意义，同时可为开关磁阻电机的其他高温及变温应用所借鉴。

本项目以内置式一体化开关磁阻起发系统为对象，针对其特有的高温运行环境，从电磁特性分析、瞬时转矩估算、低温升平滑控制等方面开展研究，旨在解决由高温导致的控制性能下降、电机温升提高等问题。通过项目的执行，项目组对高温下开关磁阻起发电机的电磁特性进行了详细的理论与仿真分析，研制了耐350℃的开关磁阻起发电机样机，搭建了高温测试平台，实测获得了不同温度下的磁链、电感和转矩特性，同时分析了特性变化机理以及对运行性能的影响规律；基于特殊位置磁链数据以及磁共能理论，提出了开关磁阻起发电机电磁特性动态获取方法，为电磁特性在线更新提供了支撑，同时利用Hermite插值，推导了瞬时转矩的解析表达式，实现了瞬时转矩的高精度估算；从磁阻的角度分析了开关磁阻起发电机转矩特性凸凹特征的形成原因，提出了高转矩电流比换相控制方法以及区域分界角在线优化策略，实现了对瞬时转矩的高效平滑控制，在减小转矩波动的同时，降低了电机温升。除上述研究外，项目组还针对开关磁阻起发电机，在转子位置估计、低分辨率转子位置应用、模块化功率变换器驱动、模型预测转矩及力控制、高动态四象限运行等方面开展了进一步的研究，重点突出了参数实时获取与在线自主控制。立项至今，项目组共发表标注本项目资助论文13篇，其中IEEE Transactions 5篇，获得ICEMS国际会议最佳论文奖1项，申请国家发明专利10项，获授权3项，以项目相关内容培养研究生9名。此外，在项目执行期内，项目负责人被聘为国家精密微特电机工程技术研究中心特聘专家、航空工业航空电力系统研发中心特聘专家，新任IEEE TIE以及IEEE TTE编委，分别在IEEE TTE、CES TEMS、IECON上主办多电飞机电驱动系统相关专刊或分会场。本项目成果可以推动航空内置式一体化起发技术的发展，也可为开关磁阻电机的其他复杂工况、恶劣环境应用所借鉴。