高可靠性电励磁双凸极容错起动发电机系统关键技术的研究

The more electric/all electric aircraft raises higher requirement for the reliability of starter/generator system. The multiphase electric machine and its fault-tolerant control technology is an important way to improve the reliability of the starter/generator system. The three-phase Doubly Salient Electromagnetic Machine (DSEM) was developed as a starter/generator and verified on an aircraft. The preparatory study found that the conventional DSEM with multiphase has the shortcoming of nonnegligible inductance asymmetry and cogging torque, which will affect the machine performance. Therefore, the Fault-Tolerant Doubly Salient Electromagnetic Starter/Generator（FTDSES/G）is proposed in this project. The selection method of phase, stator and rotor pole number will be presented. The phase asymmetry problem of multiphase DSEM will be solved. Based on the presented machine topology and its bidirectional converter, the control law and its impact on the operating characteristics of the FTDSES/G system will be revealed. The project will help to expand the theory and applications of DSEM and starter/generator system, and build national independent intellectual property rights on the new aircraft starter/generator. The research results can be used in aircraft field directly.

全电多电飞机的发展对起动发电系统的高可靠性提出了更高的要求，采用多相结构实现容错控制是提高起动发电机可靠性的重要技术途径。三相电励磁双凸极电机（DSEM）构成的起动发电系统已在飞机上得到试飞验证。但研究发现DSEM若采用多相结构，存在明显的电感不对称与定位转矩，将影响起动发电性能。基于此，本项目提出对电励磁双凸极容错起动发电机（FTDSES/G）进行研究，研究多相DSEM的相数、定转子极对数等结构参数的选取方法，给出解决相电感不对称与定位转矩的方法，确定适合容错起动发电运行的DSEM拓扑结构和优化设计准则；在此基础上，研究确定FTDSES/G的双向功率变换器拓扑结构，揭示双向功率变换器、FTDSES/G系统的容错控制规律及运行特性。本项目将有利于拓展DSEM、起动发电以及电机系统容错控制的理论研究及应用领域，形成具有完全自主知识产权的新型航空容错起动发电机技术。研究成果可应用于航空等领域。

全电多电飞机的发展对起动发电系统的高可靠性提出了更高的要求，采用多相结构实现容错控制是提高起动发电机可靠性的重要技术途径。针对现有多相电励磁双凸极电机（DSEM）存在明显的电感不对称与定位转矩，影响起动发电性能的问题，本项目提出对电励磁双凸极容错起动发电机（FTDSES/G）进行研究。主要研究内容包括：.1、揭示了定、转子极数和极弧系数等结构参数对各绕组电感、电动势等性能参数的影响规律；建立了多相DSEM普遍适用的定子极数、转子极数和定、转子极弧系数等结构参数的约束公式；提出采用短距励磁绕组DSEM绕组布置方式实现了各相电感的对称；研究了电感对称的四相、五相和六相DSEM拓扑结构。.2、研究了应用于FTDSES/G的容错双向功率变换器技术。针对四相DSEM，提出了基于两通道全桥变换器的新型容错变换器、带双向开关的四相冗余桥臂容错变换器，并研究了其容错控制策略；针对六相DSEM，提出了利用两个三相变换器组成的六相双通道变换器及其容错控制方法。.3、研究了DSEM起动和发电运行状态下的容错控制、故障以及容错运行特性。起动时，分别讨论了电感对称的四相和六相电励磁双凸极电机系统的正常运行、缺相故障运行和容错运行时的运行特性。发电时，以四相DSEG为例研究了多相DSEG容错发电技术。.4、对FTDSES/G系统进行了实验研究。试制了四相、六相DSEM样机，并进行了测试；研究了电机与功率变换器多种故障的模拟方法和容错运行的测试方法；然后研究了实验系统的结构与实现技术；最后构成了应用于FTDSES/G及其控制技术研究的试验系统，并进行了实验验证。.在此基础上，本项目还对DSEM失磁故障的容错变换器及控制策略、位置传感器故障的无位置传感器控制，以及间接矩阵式双向功率变换器的开路故障及容错控制等内容进行了扩展研究。.本项目执行期间，培养博士研究生6名，其中已毕业3名；培养硕士研究生11名，其中已毕业6名；共发表或录用相关论文21篇，其中SCI收录的期刊论文10篇，EI期刊收录的论文3篇，以及EI收录的会议论文8篇；申请了26件发明专利，其中获得授权18件。