开关磁阻组合起动机／发电机设计及试验

摘要：开关磁阻发电机是一种与传统发电机有本质差异的新颖无刷直流发电机。针对磁阻电机、功率变换器和控制器彼此强耦合且气隙磁场剧烈往复变化、相绕组集励磁储能与续流发电双重功能等特征，提出了融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析及稳、动态性能仿真于一体的集成CAD方法，研制了4k W开关磁阻组合起动机／发电机并按照飞机供电标准进行稳态品质试验、突加突卸载及变速瞬态特性试验、组合起动／发电试验和容错发电试验，给出了样机实测数据及图表。

关键词：开关磁阻；组合起动机／发电机；磁链空间

1　引言 　　未来先进飞机等运动载体之供电系统对发电机的可靠性、可维护性、容错性、高温高速环境适应性、起动和发电功能组合性及容量、功率密度、效率等指标和瞬变特性都提出很高要求

［1，2］，目前飞机所用的有刷直流发电机（DCG）、旋转整流无刷同步发电机（WFG）以及稀土永磁同步发电机（REPMG）都很难同时满足上述诸多要求。如DCG的可靠性、可维护性、功率密度、效率低，WFG的高温高速环境适应性、起动与发电功能组合性不理想，REPMG的恒压调节性和高温环境适应性差等缺陷。开关磁阻组合起动机／发电机（SRIS／G）诞生于八十年代末期，它所独有的电磁及结构特点，恰好迎合了未来飞机对供电系统的上述要求，因此国外于近期先后研制了飞机用30 k W、250 k W SRIS／G

［3，4］并进行了大量试飞试验，实测结果验证了其优异的综合性能并预示了广阔应用前景。国内对SRIS／G的研究尚属空白。本文在阐述了开关磁阻发电机（SRG）按磁阻效应发电的电磁机理基础上，对SRIS／G的设计、仿真技术进行了初步研究并进行了样机验证。

2　SRG特点及发电机理

2．1　SRG结构特点 　　SRG由磁阻电机、功率变换器和控制器三部分组成，典型的三相6／4结构如图1。

　　磁阻电机转子由凸极铁芯迭压构成，它比异步电机鼠笼转子结构还简单且既无磁源、又无绕组，因此尤其适合高速、高温、振动等恶劣环境；定子由凸极结构少齿槽铁芯和相绕组电气上独立、机械上互不叠压的集中式绕组构成，因相绕组通过控制器分时实现励磁储能和发电转换电能，因而调节和控制组短路、断路，其它相绕组仍可正常工作，因而可方便实现容错运行。功率变换器桥臂间电气上彼此独立，更因相绕组串联在主功率电路之间，因此，从根本上避免了各类变频器、变换器出现的上下管“直通”故障，极大地提高了功率变换可靠性。控制器主要包括电压、电流及位置信号控制、功率变换器驱动、保护和不同状态的控制策略，是决定SRIS／G起动特性和发电品质的关键。




图1　三相6／4结构SRG电气原理图 2．2　发电机理 　　SRG以磁阻变化实现机电能量转换，由电磁场理论可知，SRG相绕组电磁储能Wmag与相电流i和相磁链φ关联,即Wmag=∫↑i↓0φdi。若假设磁路不饱和，则φ仅与相绕组电感L（θ)相关,即ψ＝i·L（θ），θ为定转子相对位置角；因此电磁储能可进一步表示为Wmag=∫↑i↓0L（θ）di=1/2i2L（θ）。若SRG在外界转矩作用下发生角位移Δθ，则SRG产生的电磁转矩Tem为：




从（1）可知：欲使SRG产生与外界驱动转矩相反的电磁转矩，则只要SRG之相电流i工作于аL（θ）аθ＜0的区域，而与相电流方向无关；同样欲将开关磁阻电机作电动机，则只需工作在аL（θ）аθ＞0的区域。因此，只要控制器能使电机工作于不同相电感区域，就可方便地实现起动、发电功能组合。 3　SRG集成设计 集成设计是融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析和稳、动态性能仿真于一体的交互设计过程。由于SRG与传统发电机在电磁关系上有突出的本质差别，表现在磁场、相绕组及控制三方面：（a）能量转换需要的大磁阻变化率等效于气隙磁场或相磁链的剧烈变化，导致SRG无稳定磁工作点，而是动态、往复的磁链空间；（b）集中式相绕组综合了储能（励磁）和变换能量（续流发电）双重功能，且相电流的大小和导通、截止位置均与定转子参数及控制器密切相关；（c）不同控制策略的发电品质与磁阻电机参数及功率变换器拓扑密切相关。基于磁阻电机、变换器和控制器间的强耦合关系，本文提出SRG集成设计方法。 3．1　电磁参数预估 　　开关磁阻电机的主要电磁结构参数有定转子内外径、齿高及齿极弧系数和绕组匝数；其中关键参数为电枢内径Da和绕组匝数Nφ。基于磁路不饱和线性模型的结构参数预估方法［6］，存在过程繁杂、经验系数多且范围大等缺点。本文针对SRG的电磁特征，给出Da和Nφ估算公式如下：




式中　Pi为计算功率；As为电负荷；Bδ为磁负荷；αsr为定子齿宽相对极弧系数；θcon为导通区间；nmin，ωmin为最低发电转速及角速度；λ为长细比；UN为额定发电电压；a为电枢支路数；βs为定子齿距角。 3．2　磁链空间数值分析 　　初步确定电枢内径Da和绕组匝数Nφ后，依据槽满率、电流密度以及导磁材料磁密等常规电机设计经验参数，逐一确定齿高、内外径等参数。为求解由相电流ik和转子位置角θL二元变量张成的相磁链空间［ψik，θL］，必须构造能对场源ik和任意转子位置角θL进行自适应处理的有限元数据前处理程序，然后通过对预估相电流最大值imax的N等分和转子齿距周期θZ＝360／Z以M步旋转并进行N×（M＋1）次有限元计算，就可得到SRG的离散相磁链空间［ψik，θL］（N＋1）×（M＋1），式中ik＝K·imax／N，K＝1，N；θL＝L·θZ／M，L＝0，M。图2（a）是4 k W样机的相磁链空间，（b）是磁链空间中ik＝26．6 A、θL　　＝45°（定转子齿重合）时SRG磁场分布。 3．3　系统建模与仿真 　　SRG是磁阻电机、功率变换器及控制器的高度综合体，这是系统建模的关键。在已获得电机磁特征的相磁链空间基础上，结合图1所示的功率变换器主电路结构，考虑到三相绕组的实时控制策略不完全对称等情况，SRG的非线性数学模型如下：




式中　sφ是表征相绕组处于励磁或发电状态的标识符；iφ和rφ分别表示SRG之某相绕组电流和相电阻；ψφ和θφ分别表示相磁链和转子位置角；ΔUT、ΔUD表示主功率电路中开关管和续流管的饱和压降；RL、C表示系统的负载电阻及滤波电容；θon、θoff分别表示开通角和关断角；U表示母线实时电压；iφHi和iφLOW表示与控制策略相关的相控参数。


　　 　　 （a）磁链空间 （b）


图2　SRG磁链空间及磁场分布


若将式(3)用统一时序状态方程表示,则数学模型如下:




式中　ΔU在SA（或SB、SC）＝1时，ΔU＝ΔUT，当SA（SB、SC）＝－1时，ΔU ＝ ΔUD 。　　利用（4）可对SRG的1．5倍过载稳态相电流进行仿真如图3（a），图3（b）和图3（c）分别是实施传统PI控制和现代自学习控制策略所对应额定4k W突加载之线电压、相电流瞬变过程，可见，自学习控制可有效缩短瞬变过程。关于SRIS／G的系统建模及数字仿真将另文详述。 4　样机试验 4．1　起动、发电功能组合试验 　　试验系统由18．5 k W的Z4－132－1直流调速系统、SRIS／G、转速转矩传感器、齿轮箱、起动电源和负载箱构成如图4。起动状态下，接触器Dk和Fk均处于S态，由起动电源ED（400 VDC、3 k W）给SRIS／G供电，经4∶1齿轮箱减速，拖动Z4－132－1（作发电机运行）至1500r／min，起动过程结束；调节接于Z4发电机电枢的起动模拟负载Rs，可以得到不同阻转矩特性的起动特性曲线。将Dk和Fk置于G态，则进入发电状态，此时Z4－132－1便作为原动机拖动SRIS／G升速，一旦转速达到发电建压点7500r／min，则SRIS／G便恒压发电270 VDC。起动过程到发电过程的切换可由人工或自动实施，切换过程中母线电压、电流、转速的时变特性如图5。图中起动阶段相电流波形是实施恒转矩起动而采取PWM斩波的结果，放弃电动状态即Dk接G后，母线电压及电流将循图1中电阻RL和电容C进行放　　电，转速则因能耗制动而下降；当FK处于G态则Z4原动机升速，当升至7500r／min时，SRIS／G便进行建压并恒压发电。






　　 图3　线电压、相电流稳态及瞬态仿真




图4 起动及发电组合试验原理框图


4．2　发电性能试验 　　飞机正常及应急状态下的电源稳态指标主要有容量、效率、功率密度、电压精度、纹波及畸变系数等，瞬态指标主要是发动机变速或电网负载突加、突卸造成的电压瞬变如超调电压峰值、超调时间等。这些指标在飞机供电系统国军标GJB－181和美国军标MIL－STD－704A／B／C／D中均有规定；但270V直流电源标准国内还没有，新颁布的MIL－STD－704E（简记704E）又对先期的704C、704D进行了更严格的修订，尤其是大幅度压缩了电压超调的上、下限和瞬变时间，以确保未来飞机电源高品质供电要求。本项目用704E标准，对SRIS／G样机进行试验测试，数据如表1。变速及100％突加、突卸载电压及电流波形如图6（a），图6（b）是图6（a）的局部展开，它表明SRG在变速及突变载条件下无超调现象。




图5　SRIS／G组合系统状态切换电压、


电流、转速波形


4．3　容错发电试验 　　对电源系统而言，容错指发电机或功率变换器出现短路或断路等故障时，仍能向飞机电网供电。由于SR　摘要：开关磁阻发电机是一种与传统发电机有本质差异的新颖无刷直流发电机。针对磁阻电机、功率变换器和控制器彼此强耦合且气隙磁场剧烈往复变化、相绕组集励磁储能与续流发电双重功能等特征，提出了融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析及稳、动态性能仿真于一体的集成CAD方法，研制了4k W开关磁阻组合起动机／发电机并按照飞机供电标准进行稳态品质试验、突加突卸载及变速瞬态特性试验、组合起动／发电试验和容错发电试验，给出了样机实测数据及图表。 关键词：开关磁阻；组合起动机／发电机；磁链空间 1　引言 　　未来先进飞机等运动载体之供电系统对发电机的可靠性、可维护性、容错性、高温高速环境适应性、起动和发电功能组合性及容量、功率密度、效率等指标和瞬变特性都提出很高要求［1，2］，目前飞机所用的有刷直流发电机（DCG）、旋转整流无刷同步发电机（WFG）以及稀土永磁同步发电机（REPMG）都很难同时满足上述诸多要求。如DCG的可靠性、可维护性、功率密度、效率低，WFG的高温高速环境适应性、起动与发电功能组合性不理想，REPMG的恒压调节性和高温环境适应性差等缺陷。开关磁阻组合起动机／发电机（SRIS／G）诞生于八十年代末期，它所独有的电磁及结构特点，恰好迎合了未来飞机对供电系统的上述要求，因此国外于近期先后研制了飞机用30 k W、250 k W SRIS／G［3，4］并进行了大量试飞试验，实测结果验证了其优异的综合性能并预示了广阔应用前景。国内对SRIS／G的研究尚属空白。本文在阐述了开关磁阻发电机（SRG）按磁阻效应发电的电磁机理基础上，对SRIS／G的设计、仿真技术进行了初步研究并进行了样机验证。 2　SRG特点及发电机理 2．1　SRG结构特点 　　SRG由磁阻电机、功率变换器和控制器三部分组成，典型的三相6／4结构如图1。　　磁阻电机转子由凸极铁芯迭压构成，它比异步电机鼠笼转子结构还简单且既无磁源、又无绕组，因此尤其适合高速、高温、振动等恶劣环境；定子由凸极结构少齿槽铁芯和相绕组电气上独立、机械上互不叠压的集中式绕组构成，因相绕组通过控制器分时实现励磁储能和发电转换电能，因而调节和控制组短路、断路，其它相绕组仍可正常工作，因而可方便实现容错运行。功率变换器桥臂间电气上彼此独立，更因相绕组串联在主功率电路之间，因此，从根本上避免了各类变频器、变换器出现的上下管“直通”故障，极大地提高了功率变换可靠性。控制器主要包括电压、电流及位置信号控制、功率变换器驱动、保护和不同状态的控制策略，是决定SRIS／G起动特性和发电品质的关键。




图1　三相6／4结构SRG电气原理图 2．2　发电机理 　　SRG以磁阻变化实现机电能量转换，由电磁场理论可知，SRG相绕组电磁储能Wmag与相电流i和相磁链φ关联,即Wmag=∫↑i↓0φdi。若假设磁路不饱和，则φ仅与相绕组电感L（θ)相关,即ψ＝i·L（θ），θ为定转子相对位置角；因此电磁储能可进一步表示为Wmag=∫↑i↓0L（θ）di=1/2i2L（θ）。若SRG在外界转矩作用下发生角位移Δθ，则SRG产生的电磁转矩Tem为：




从（1）可知：欲使SRG产生与外界驱动转矩相反的电磁转矩，则只要SRG之相电流i工作于аL（θ）аθ＜0的区域，而与相电流方向无关；同样欲将开关磁阻电机作电动机，则只需工作在аL（θ）аθ＞0的区域。因此，只要控制器能使电机工作于不同相电感区域，就可方便地实现起动、发电功能组合。 3　SRG集成设计 集成设计是融电磁结构参数预估、相磁链空间数值分析和稳、动态性能仿真于一体的交互设计过程。由于SRG与传统发电机在电磁关系上有突出的本质差别，表现在磁场、相绕组及控制三方面：（a）能量转换需要的大磁阻变化率等效于气隙磁场或相磁链的剧烈变化，导致SRG无稳定磁工作点，而是动态、往复的磁链空间；（b）集中式相绕组综合了储能（励磁）和变换能量（续流发电）双重功能，且相电流的大小和导通、截止位置均与定转子参数及控制器密切相关；（c）不同控制策略的发电品质与磁阻电机参数及功率变换器拓扑密切相关。基于磁阻电机、变换器和控制器间的强耦合关系，本文提出SRG集成设计方法。 3．1　电磁参数预估 　　开关磁阻电机的主要电磁结构参数有定转子内外径、齿高及齿极弧系数和绕组匝数；其中关键参数为电枢内径Da和绕组匝数Nφ。基于磁路不饱和线性模型的结构参数预估方法［6］，存在过程繁杂、经验系数多且范围大等缺点。本文针对SRG的电磁特征，给出Da和Nφ估算公式如下：




式中　Pi为计算功率；As为电负荷；Bδ为磁负荷；αsr为定子齿宽相对极弧系数；θcon为导通区间；nmin，ωmin为最低发电转速及角速度；λ为长细比；UN为额定发电电压；a为电枢支路数；βs为定子齿距角。 3．2　磁链空间数值分析 　　初步确定电枢内径Da和绕组匝数Nφ后，依据槽满率、电流密度以及导磁材料磁密等常规电机设计经验参数，逐一确定齿高、内外径等参数。为求解由相电流ik和转子位置角θL二元变量张成的相磁链空间［ψik，θL］，必须构造能对场源ik和任意转子位置角θL进行自适应处理的有限元数据前处理程序，然后通过对预估相电流最大值imax的N等分和转子齿距周期θZ＝360／Z以M步旋转并进行N×（M＋1）次有限元计算，就可得到SRG的离散相磁链空间［ψik，θL］（N＋1）×（M＋1），式中ik＝K·imax／N，K＝1，N；θL＝L·θZ／M，L＝0，M。图2（a）是4 k W样机的相磁链空间，（b）是磁链空间中ik＝26．6 A、θL　　＝45°（定转子齿重合）时SRG磁场分布。 3．3　系统建模与仿真 　　SRG是磁阻电机、功率变换器及控制器的高度综合体，这是系统建模的关键。在已获得电机磁特征的相磁链空间基础上，结合图1所示的功率变换器主电路结构，考虑到三相绕组的实时控制策略不完全对称等情况，SRG的非线性数学模型如下：




式中　sφ是表征相绕组处于励磁或发电状态的标识符；iφ和rφ分别表示SRG之某相绕组电流和相电阻；ψφ和θφ分别表示相磁链和转子位置角；ΔUT、ΔUD表示主功率电路中开关管和续流管的饱和压降；RL、C表示系统的负载电阻及滤波电容；θon、θoff分别表示开通角和关断角；U表示母线实时电压；iφHi和iφLOW表示与控制策略相关的相控参数。


　　 　　 （a）磁链空间 （b）


图2　SRG磁链空间及磁场分布


若将式(3)用统一时序状态方程表示,则数学模型如下:




式中　ΔU在SA（或SB、SC）＝1时，ΔU＝ΔUT，当SA（SB、SC）＝－1时，ΔU ＝ ΔUD 。　　利用（4）可对SRG的1．5倍过载稳态相电流进行仿真如图3（a），图3（b）和图3（c）分别是实施传统PI控制和现代自学习控制策略所对应额定4k W突加载之线电压、相电流瞬变过程，可见，自学习控制可有效缩短瞬变过程。关于SRIS／G的系统建模及数字仿真将另文详述。 4　样机试验 4．1　起动、发电功能组合试验 　　试验系统由18．5 k W的Z4－132－1直流调速系统、SRIS／G、转速转矩传感器、齿轮箱、起动电源和负载箱构成如图4。起动状态下，接触器Dk和Fk均处于S态，由起动电源ED（400 VDC、3 k W）给SRIS／G供电，经4∶1齿轮箱减速，拖动Z4－132－1（作发电机运行）至1500r／min，起动过程结束；调节接于Z4发电机电枢的起动模拟负载Rs，可以得到不同阻转矩特性的起动特性曲线。将Dk和Fk置于G态，则进入发电状态，此时Z4－132－1便作为原动机拖动SRIS／G升速，一旦转速达到发电建压点7500r／min，则SRIS／G便恒压发电270 VDC。起动过程到发电过程的切换可由人工或自动实施，切换过程中母线电压、电流、转速的时变特性如图5。图中起动阶段相电流波形是实施恒转矩起动而采取PWM斩波的结果，放弃电动状态即Dk接G后，母线电压及电流将循图1中电阻RL和电容C进行放　　电，转速则因能耗制动而下降；当FK处于G态则Z4原动机升速，当升至7500r／min时，SRIS／G便进行建压并恒压发电。






　　 图3　线电压、相电流稳态及瞬态仿真




图4 起动及发电组合试验原理框图


4．2　发电性能试验 　　飞机正常及应急状态下的电源稳态指标主要有容量、效率、功率密度、电压精度、纹波及畸变系数等，瞬态指标主要是发动机变速或电网负载突加、突卸造成的电压瞬变如超调电压峰值、超调时间等。这些指标在飞机供电系统国军标GJB－181和美国军标MIL－STD－704A／B／C／D中均有规定；但270V直流电源标准国内还没有，新颁布的MIL－STD－704E（简记704E）又对先期的704C、704D进行了更严格的修订，尤其是大幅度压缩了电压超调的上、下限和瞬变时间，以确保未来飞机电源高品质供电要求。本项目用704E标准，对SRIS／G样机进行试验测试，数据如表1。变速及100％突加、突卸载电压及电流波形如图6（a），图6（b）是图6（a）的局部展开，它表明SRG在变速及突变载条件下无超调现象。




图5　SRIS／G组合系统状态切换电压、


电流、转速波形


4．3　容错发电试验 　　对电源系统而言，容错指发电机或功率变换器出现短路或断路等故障时，仍能向飞机电网供电。由于SRG相绕组的电磁特征和功率变换结构特征，即使相绕组短路或断路，因转子无磁源，故不会在短路相绕组中产生环流；同样因SRG相间无电磁耦合，功率变换器一相桥臂故障，另外两相仍能正常工作。本文进行了单相、两相断路及一相绕组短路容错发电试验，图7是SRG二相绕组突断时，母线电　　压、电流的瞬变波形。




图6　SRG变速及突变载电压瞬变 5　结论 　　（1）SRG具有结构简单、组合起动／发电方便、适宜高温高速环境、发电品质好等突出优点，尤其是电枢将励磁与发电通过分时控制合二为一，极大改善了SRG的电压调节特性，使其瞬变过程能完全满足甚至优于MIL－STD－704E的要求。　　（2）SRG在电磁关系上与传统发电机有明显的差异，主要表现在相磁链空间、相绕组和变换器桥臂间独立并兼具励磁与发电功能的集中式电枢绕组及磁阻电机、变换器和控制器彼此间强耦合性。采用CAD设计技术和自学习控制技术，是确保SRG发电品质的关键和实施不同起动特性的关键。G相绕组的电磁特征和功率变换结构特征，即使相绕组短路或断路，因转子无磁源，故不会在短路相绕组中产生环流；同样因SRG相间无电磁耦合，功率变换器一相桥臂故障，另外两相仍能正常工作。本文进行了单相、两相断路及一相绕组短路容错发电试验，图7是SRG二相绕组突断时，母线电　　压、电流的瞬变波形。




图6　SRG变速及突变载电压瞬变 5　结论 　　（1）SRG具有结构简单、组合起动／发电方便、适宜高温高速环境、发电品质好等突出优点，尤其是电枢将励磁与发电通过分时控制合二为一，极大改善了SRG的电压调节特性，使其瞬变过程能完全满足甚至优于MIL－STD－704E的要求。　　（2）SRG在电磁关系上与传统发电机有明显的差异，主要表现在相磁链空间、相绕组和变换器桥臂间独立并兼具励磁与发电功能的集中式电枢绕组及磁阻电机、变换器和控制器彼此间强耦合性。采用CAD设计技术和自学习控制技术，是确保SRG发电品质的关键和实施不同起动特性的关键。