高速轴向电励磁双凸极电机设计与特性分析

现代多电飞机技术不断发展,对航空电源系统提出了更高的要求。依据航空起动发电机具有可靠性高、功率密度高、电源容量大的要求,设计了一种高速轴向电励磁双凸极电机（DSAEM）。对电机的基本结构和工作原理进行了描述,建立了电机的数学模型,并通过有限元仿真加以验证,详细分析了电机的磁场、电感、空载特性和负载特性。结果表明,高速轴向电励磁双凸极电机具有完全对称的三相磁链,可输出更稳定的电压,其电机绕组的空间利用率高、功率密度大、效率高,可满足航空电源的基本需求。     

带恒功率负载的机载直流电源系统稳定性分析

恒功率负载特性是多电飞机电源系统的典型特性之一,将飞机的电源系统和恒功率负载结合,为了得到带恒功率负载的机载电源系统的稳定性条件,以机载直流稳压电源系统为研究对象,将其简化为相应的等效电路,建立恒功率特性载荷模型,通过全系统的理论分析、数学建模,依据劳斯判据,得到对于给定的恒功率负载的机载直流电源系统,通过增大电机补偿电容可以提高其稳定性的结论。并且通过仿真以及实验对得到的稳定性条件进行验证。结果可用于电路的设计以及优化。     

高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响;研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响;针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 k W、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

多电发动机内装式高速起动发电机研究与实践

多电发动机是多电飞机的核心,内装式高速起动发电机是多电发动机的关键性支撑技术。该文论述多电发动机基本概念,结合内装式高速起动发电机集成位置和运行环境特点,系统总结了多电发动机高速起动发电机系统发展现状,并提出内装式高速双凸极起动发电技术;分析铁心材料对电机运行性能的影响规律,研究转子应力分布和并列结构转子动力学特性,结合关键参数敏感度分析,提出基于铁心材料特性与转子稳定性约束的高速双凸极起动发电机优化设计方法;研制高速油冷双凸极起动发电机原理样机,完成起动与发电实验验证。电励磁双凸极电机兼具结构坚固可靠和发电控制简单的优势,在多电发动机内装式起动发电系统中具有重要的应用价值。     

飞机电刹车驱动器设计与研究

以飞机全电刹车为研究背景,介绍了飞机电刹车系统的组成。设计了以飞机直流电为驱动电源、无刷直流电动机作动器为控制对象的飞机电刹车驱动器。借助MATLAB,对电刹车驱动器进行仿真。仿真结果和实验结果表明,刹车驱动器设计合理,性能优良。     

飞机地面电源供电品质在线测试系统设计

飞机地面电源向飞机供电时,由于飞机的用电需求差异大,在用电突变过程中,可能存在不适应的现象。为测试地面电源的在线供电品质,检查相互适应性的问题,设计了飞机地面电源在线测试系统。系统参照飞机地面供电特性国军标确定测试内容,硬件采用由PC/104架构计算机、高速并行AD采集卡等构成的嵌入式系统,利用LabVIEW进行系统软件编制,依据GJB 5189—2003飞机供电特性参数测试方法设计测试算法。通过在某型地面电源车的实际测试,该系统操作简单、测量准确、便携性好,达到了设计要求,满足了机务工作急需,具有较高的实用价值和经济意义。     

航空推进电源系统研究综述

随着电力电子技术的进步和航空产业绿色发展的需求,以电能作为主体推进动力的航空飞行器受到了广泛关注,特别是航空推进电源系统的设计对于优化飞机结构、减少碳排放和提高飞机可靠性具有重要意义。同时,多电/全电背景下的飞机电源系统在转换效率、功重比和能量综合管理等方面也面临着新的问题与挑战。围绕电推进飞机的关键技术,对航空推进电源系统的能源体系架构、电力电子变换器拓扑结构、协同控制方法和能量管理等方面进行了研究现状的梳理。在此基础上,归纳和展望了飞机电推进系统,包括宽禁带半导体器件、大功率脉冲性负载以及分布式电推进等方面的未来研究趋势。     

多电飞机电机绝缘研究现状和未来挑战

出于可持续发展考虑,近几十年来,飞机正在向电气化发展以减少对机械、液压和气动系统的依赖,进一步提高系统效率与可靠性。但是由于当前技术限制,多电/全电飞机的功率远不及传统飞机,提高飞机推进功率和系统比功率是重点研究问题。更高的系统电压等级和新型宽禁带功率器件都能够改善以上问题,但与此同时也会带来严峻的挑战：高海拔区域高压绝缘设计与低海拔区域有显著差异,高海拔运行将面临低气压、高温和高湿等恶劣环境条件;由宽禁带器件驱动的电机需要耐受更快上升时间和更高频的脉宽调制(pulse width modulation, PWM)脉冲电压,这会对电机绕组带来更大的冲击。本文总结了多电飞机电机电气绝缘设计相关标准与挑战,考虑了高海拔环境因素与快速PWM脉冲电应力因素对电机绝缘影响,并指出现有标准中的不足和未来研究展望。     

一种两级式起动/发电电源系统的起动方式研究

多电飞机、全电飞机的快速发展以及机载用电设备的不断增加,对电源系统提出了更高的要求。在传统的三级式同步电机的基础上提出的两级式混合励磁同步电机,在实现无刷化励磁的同时,兼顾了永磁电机的高功率密度和电励磁电机磁场可调的优点,在机载电源系统中应用前景广阔。基于一台用于两级式起动/发电电源系统的切向/径向磁路并联结构混合励磁同步电机,针对在转子静止时采用直流励磁方式主发电机无法获得励磁电流的问题,经过理论推导和实际测试总结出一种起动励磁控制策略,结合空间矢量算法,有效提高了起动过程的响应速度和带载能力,分别通过仿真和实验证明了该方案的正确性和可行性。     

1.12MW高速永磁电机多物理场综合设计

高速电机设计时即要满足电磁性能要求,又要满足机械特性的要求,还需满足冷却与温升的要求,因此高速电机的设计是一个多物理场迭代综合设计过程。针对高速电机的多物理场一体化设计过程,本文基于电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等对一台1.12MW,18 000r/min的高速永磁电机进行了综合设计,在多物理场仿真分析的基础上,得到了满足电磁性能、转子强度、临界转速和电机温升的综合设计结果,并加工了一台样机,进行了电机性能实验、转子机械特性实验以及温升实验,实验结果与计算结果相吻合,验证了本文仿真分析与设计方法的可行性,对大功率高速永磁电机的设计与发展具有一定的借鉴意义。     

基于Simulink的多电飞机电气系统运行特性研究

针对多电飞机电气系统结构日益复杂,其稳定性也愈加重要的现状,研究了电气系统中主电源、应急电源和负载模型的控制方法以及相互之间的影响。首先,详细介绍了基于SVPWM的双闭环控制下永磁同步发电机和电动机的运行策略;其次,分析了28 V航空蓄电池适配的双向DC/DC变换器的设计方法,并基于半桥拓扑设计和改进了电压电流双闭环控制方法;接着以恒功率负载为切入点,使用李雅普诺夫第一法和变换器的小信号模型分析,分别讨论了在不同运行状况下的系统稳定性。在Matlab/Simulink平台上搭建了电气系统仿真模型,仿真结果表明：恒功率负载对多电飞机电气系统的稳定性有较大的影响,而并网电气系统的抗干扰能力较强,且在运行状况切换时动态响应快,从而验证了模型的可靠性。     

航空电机及控制器的温度场仿真分析

对一种航空用高功率密度无刷直流电机,建立电机和控制器一体的三维热仿真模型。根据电机系统内部热交换及传热学相关理论,确定系统内散热系数与热边界条件,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对建立的热仿真模型进行温度场仿真与分析,得到了不同环境温度变化情况下电机和控制器的温度场分布和温度对时间变化的曲线。经与试验得到数据进行对比分析,验证了仿真的准确性。这对电机和控制器的设计与温度场计算提供了依据。     

基于ANSYS的高速感应电机设计

设计了一台额定功率2 kW,额定转速59000 r/min的高速感应电机。根据电机在高速运行时带来的高损耗,选取了性能更好的铁基纳米晶合金作为高速感应电机的定子铁心材料。对于感应电机在高转差率时产生的高谐波转矩,通过采用带端环的闭口圆形槽转子,使电机具有较高的起动电阻,从而获得优良的起动及运行特性,利用ANSYS软件对其转子结构进行应力分析,并验证在高转速下的可靠性。建立了高速感应电机的有限元模型,通过与相同结构参数的硅钢DW310_35电机进行性能对比。结果显示,采用铁基纳米晶合金1K107定子铁心的电机相比硅钢DW310_35电机,总损耗减小了81.2 W,效率提高了4.5%,功率因数提高了0.031。     

真空干泵用屏蔽电机温度场仿真分析与试验

针对真空干泵用屏蔽电机在额定运行过程中温升过高导致绝缘老化,影响机组运行安全的问题,对1台4.5 kW真空干泵用水冷式屏蔽电机的水冷结构进行了设计,并进行了温度场仿真分析和试验。利用机械软件建立了屏蔽电机三维模型,借助有限元分析软件建立屏蔽电机温度场计算的仿真模型,设置热源激励和边界条件,获得了电机内各部件的温度场分布规律,并分析了冷却水流量、水道宽度、水道数及冷却水温对电机温升的影响;搭建试验平台进行温升试验,获得了从冷态起动到温升稳定过程中各部位温度,绘制温度随时间变化特征曲线。温度场分析与试验结果表明该电机设计合理,为后续的真空泵用屏蔽电机温度场分析及冷却系统的选择提供了一定的参考依据。     

基于WINCC6.0和STEP7的直流调速系统的设计和实现

根据民用飞机电源系统发电机的试验需求,基于WINCC6.0和STEP7软件,设计并实现了用于模拟飞机发动机的拖动台直流调速系统。该调速系统具有优异的转速调节特性,良好的人机交互功能和保护功能,能较好的满足民用飞机发电机的试验需求。基于WINCC6.0和STEP7的直流调速系统的成功实现,不仅保障了民用飞机电源系统设计验证工作,而且还积累了我国民用飞机电源系统试验配套设施研制经验,对我国民用飞机电源系统试验具有重要的指导意义。     

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 k W、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似"热密封"的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

全封闭大功率永磁牵引电机的温度场数值计算

为研究全封闭大功率永磁牵引电机额定工况下的稳态温度场,以一台额定功率为815 kW的永磁同步牵引电机为研究对象,依据成型绕组槽部导热模型,建立了整机三维温度场共轭传热计算模型。考虑旋转磁化、冲压过程和磁密高阶谐波对定子铁耗的影响,以及水套-定子铁心间接触热阻抗对电机温升的影响,采用Fluent软件对电机额定工况下的稳态流场与温度场求解,使用电阻法和埋置检温计法（ETD）测得电机在额定工况下绕组的平均温升、铁心测点和绕组端部测点局部温升,绝对误差分别为-3.7 K、-0.3 K和7.6 K。进一步分析了电机水路和内风路流场分布特性、水套-定子铁心间接触间隙对绕组平均温升的影响以及槽内绕组附近的温升分布情况,最后提出了该类电机冷却系统设计优化方向。     

基于磁热耦合法的高速永磁电机温升计算及其应用

针对温升计算过程中材料的温度特性对损耗产生影响的问题,利用电磁场与温度场双向耦合的分析方法,并在求解过程中计及损耗的空间分布,从而实现高速永磁电机温升的准确计算。以一台15kW表贴式高速永磁体同步电机为例,考虑电机各部件装配间隙,运用磁热耦合方法计算了电机在额定转速时的温升情况,与传统温度场加载热密度法计算结果对比,并通过温升实验验证了双向耦合计算方法的准确性。以磁热耦合研究方法为基础,对高速电机护套的选材问题进行探讨,提出在护套上加装适当厚度的铜屏蔽层来降低损耗与温升,同时分析表贴式与内置式转子结构对对电机损耗与温升的影响,为高速永磁电机转子结构设计提供可靠有效的参考依据。     

电动汽车用永磁同步电机散热设计与仿真试验

通过热管传热技术快速导出端部绕组的热量,实现电机温升的降低,是解决电动汽车电机高功率密度问题的途径之一。设计了热管装配工艺,利用ANSYS Fluent对2种电机进行有限元模型建立和温度场仿真计算,并制作样机进一步试验。试验结果表明:仿真结果与样机测试结果相近,高温区域位于绕组端部,装有热管的冷却系统电机设计能够有效地降低电机温升。     

大功率高速永磁电机柔性转子系统模态分析

高速电机的转速高、转子细长,与常速电机相比接近临界转速的可能性大大增加,当电机额定转速接近临界转速时,电机会发生剧烈的振动,甚至使转子损坏。大功率高速电机的转子长度远远大于转子直径,很难设计为刚性转子,需要穿越1阶临界转速,工作在1阶临界转速和2阶临界转速中间的安全区域,而这个安全区域的范围却很小,这对大功率高速电机转子系统的动力学设计带来了极大的困难。基于一台1.12MW、18 000r/min的高速永磁电机,对转子系统的动力学特性进行理论分析,对有叶轮和无叶轮状态下的转子模态和临界转速进行计算,分析轴承支承刚度、陀螺效应以及转子主要尺寸对临界转速的影响,并通过样机进行了实验验证,总结了相应的规律,为大功率高速电机挠性转子的设计提供了参考。