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飛機(jī)發(fā)動機(jī)通過液壓、燃?xì)廨啓C(jī)等方式啟動，但啟動后發(fā)動機(jī)就不再工作，浪費(fèi)了飛機(jī)上很大的空間。

而且，飛機(jī)上電力消耗的增加，使得可用空間越來越小。 采用啟動發(fā)電技術(shù)，利用飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)，從而帶動航空啟動發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。

1. 啟動發(fā)電機(jī)

啟動發(fā)電系統(tǒng)主要利用電機(jī)的可逆原理。 當(dāng)電機(jī)通電時，可以通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。 當(dāng)拖動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，電動機(jī)可以被發(fā)電機(jī)利用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

利用這一原理，飛機(jī)電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)可以有兩個用途。

通過控制系統(tǒng)的控制，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時，飛行器上的電池向電機(jī)提供28V直流電壓，電機(jī)作為電動機(jī)提供發(fā)動機(jī)的額定啟動扭矩并拖動發(fā)動機(jī)啟動。

點(diǎn)火后發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，表示電機(jī)啟動狀態(tài)完成。

發(fā)動機(jī)帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，為飛行器上的電源充電，進(jìn)而為用電設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)啟動與發(fā)電一體化。

航空起動發(fā)電機(jī)的設(shè)計采用內(nèi)轉(zhuǎn)子、徑向磁場、開槽鐵芯結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)形式，航空領(lǐng)域采用徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)。 常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式有表面粘貼式和內(nèi)置式。

內(nèi)藏式電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體直接嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部。 永磁體不易脫落，有利于電機(jī)用于航空系統(tǒng)時的安全。 電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時不易甩出。

并且通過轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，相比表面安裝轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)扭矩可以得到大幅提升，有利于提高航空啟動發(fā)電機(jī)的功率密度和過載能力。

當(dāng)永磁體磁化長度與氣隙長度相同時，可以對內(nèi)置電機(jī)的永磁體磁鏈進(jìn)行設(shè)計，以提高電機(jī)的弱磁能力。

通過兩種結(jié)構(gòu)的比較，對于航空領(lǐng)域使用的起動機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，決定采用內(nèi)置徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)作為航空起動機(jī)，對可靠性、安全性和功率要求更高。密度。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案。

對設(shè)計的定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模，通過電磁仿真獲得電機(jī)扭矩、合成磁拉力、磁密度、反電動勢和鐵損等電磁仿真結(jié)果。

根據(jù)電磁仿真結(jié)果，對定子各部分磁密升和飽和、轉(zhuǎn)矩波動、反電動勢大小和正弦性以及電機(jī)效率等電機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行分析。

對設(shè)計的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體設(shè)計的緊湊、輕量化。 下圖為電機(jī)在1500r/min和1500r/min不同安匝數(shù)下的重要參數(shù)仿真結(jié)果。

正常啟動工況下，效率在94.22%以上，啟動效率高。

啟動時要求啟動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩波動率小，啟動狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩波動率不超過5.3%，啟動轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，設(shè)計滿足啟動性能要求。

隨著電流的增加，各處的磁密度穩(wěn)步增加，最大磁密度點(diǎn)出現(xiàn)在鞋處。 設(shè)計合理。

2、設(shè)計優(yōu)化

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的磁隔離結(jié)構(gòu)和永磁體的尺寸對電機(jī)的漏磁場和電機(jī)的強(qiáng)弱磁場性能影響很大。 通過調(diào)整電機(jī)的隔磁結(jié)構(gòu)，減少電機(jī)的漏磁現(xiàn)象，使電機(jī)滿足小型化的要求。 降低系統(tǒng)扭矩要求。

對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙尺寸進(jìn)行電磁仿真優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化扭矩，將氣隙減小至1.3mm，優(yōu)化整個電機(jī)結(jié)構(gòu)，增加氣隙磁密，增強(qiáng)主磁通，增加扭矩。 。

圖3-13為優(yōu)化氣隙1.3mm、轉(zhuǎn)子切向開口尺寸1.2mm的電機(jī)與氣隙1.5mm、轉(zhuǎn)子切向開口尺寸1mm的電機(jī)電磁仿真的轉(zhuǎn)矩特性圖。

雖然轉(zhuǎn)子切向開口方向尺寸增大，降低了轉(zhuǎn)子磁密度，但通過氣隙尺寸的減小，扭矩仍然得到較大提升，通過減小氣隙尺寸達(dá)到扭矩優(yōu)化的目的。

對于當(dāng)前的電機(jī)，匝數(shù)與第2章的設(shè)計相同，為1，定子電流消耗等于定子磁動勢。

優(yōu)化模型在消耗電流為700A時可實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出扭矩28.01N·m發(fā)電運(yùn)行技術(shù)，滿足系統(tǒng)消耗電流不超過800A時輸出扭矩27.12N·m的性能指標(biāo)。

電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩脈動率為2.85%。 當(dāng)其在3%以下時，與第2章設(shè)計的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動率相比，轉(zhuǎn)矩脈動率有所降低，即啟動平滑性有所提高。

當(dāng)消耗電流為400A時，電機(jī)有效功率達(dá)到11.42KW，效率為97.95%，發(fā)電性能良好。 當(dāng)定子磁動勢從0變化到0時，效率在95%以上，屬于高效率。

電機(jī)在運(yùn)行時需要對電機(jī)軸進(jìn)行支撐，因此需要設(shè)計電機(jī)的前后端蓋。

而電機(jī)的前后端蓋用于將電機(jī)與電機(jī)外殼連接起來，起到支撐、散熱和保護(hù)電機(jī)的作用。

設(shè)計過程中發(fā)電運(yùn)行技術(shù)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，考慮了前后端蓋的小型化、輕量化設(shè)計。

前端蓋采用內(nèi)外倒角過渡，端蓋面板外徑尺寸也逐漸減小，而不是不考慮端蓋厚度而采用外徑尺寸，減輕了端蓋的重量，符合系統(tǒng)小型化、輕量化設(shè)計。 原則。

端蓋邊緣有4個直徑3.5mm的定位銷孔，不對稱分布，用于定位。

端蓋面板部分切除，并采用6根加強(qiáng)筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效減輕端蓋重量，增加電機(jī)冷卻通風(fēng)面積。

電機(jī)外殼與電機(jī)前端蓋連接處外徑為164mm。 電機(jī)前端蓋與電機(jī)外殼采用12個開槽沉頭螺釘連接。

在強(qiáng)度允許的情況下，螺釘靠近面板與端蓋邊緣的過渡處。 在不影響端蓋強(qiáng)度的情況下，將面板與螺釘安裝邊緣之間的過渡處剪掉適量，留出安裝半沉頭螺釘?shù)目臻g。 。

并且前端蓋的外徑減小。 電機(jī)前端蓋外徑為156mm，達(dá)到了減輕端蓋重量的目的，對于電機(jī)的小型化、輕量化設(shè)計具有重要意義。

電機(jī)后端蓋外徑為171mm，采用8顆開槽沉頭螺釘和8顆M3螺釘與電機(jī)外殼連接。

為了滿足電機(jī)小型化、輕量化的要求，后端蓋切除了一部分區(qū)域，并采用6根加強(qiáng)筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，以滿足后端蓋支撐的強(qiáng)度要求。

同時有利于電機(jī)內(nèi)部散熱，減少因電機(jī)溫度問題引起的系統(tǒng)故障問題。

3、系統(tǒng)發(fā)電

啟動發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電實(shí)驗(yàn)需要拖拉機(jī)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。

采用功率12KW的電機(jī)驅(qū)動啟動發(fā)電機(jī)，處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行。 據(jù)調(diào)試，目前發(fā)電轉(zhuǎn)速可達(dá)5000r/min，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電輸出電壓穩(wěn)定在28V左右的發(fā)電功能。

從圖中可以看出，電機(jī)的空載正弦性良好。 通過拖動電機(jī)發(fā)電，發(fā)電電壓可穩(wěn)定在28V左右。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)本體設(shè)計和控制器硬件電路設(shè)計的合理可行性。

靜扭矩系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果表明，在高速運(yùn)行時，可以有效降低高速運(yùn)行時的反電動勢，從而有效控制系統(tǒng)輸出電壓不超過28V。

通過系統(tǒng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了電機(jī)和控制器的設(shè)計。 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5000r/min的運(yùn)行速度、100A的負(fù)載，系統(tǒng)可承受電流幅值高達(dá)460A。

結(jié)論

由于全電動飛機(jī)的發(fā)展，航空低壓啟動和發(fā)電系統(tǒng)有無刷發(fā)展的需求。 為推進(jìn)航空低壓啟動及發(fā)電系統(tǒng)的無刷化進(jìn)程，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

一是針對高速小型電機(jī)大扭矩、低反電動勢的設(shè)計問題，完成小型電機(jī)的設(shè)計以及新型電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

其次，在相同定子結(jié)構(gòu)下，利用新型電機(jī)極槽匹配方式、繞線方式、永磁體結(jié)構(gòu)、氣隙尺寸等電機(jī)參數(shù)進(jìn)行電磁仿真優(yōu)化，得到電機(jī)輕量化設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計和電機(jī)的輕量化設(shè)計。強(qiáng)磁和弱磁性能。 兩臺電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計。

三是完成航空起動發(fā)電系統(tǒng)的控制器硬件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決低壓大功率系統(tǒng)中電流大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻控制。

根據(jù)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)，完成關(guān)鍵部件的選型； 針對系統(tǒng)電流大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題，構(gòu)建驅(qū)動電源模塊的設(shè)計框架，并完成控制器硬件電路設(shè)計； 設(shè)計控制器的三相電流和母線電流傳輸及散熱結(jié)構(gòu)，解決系統(tǒng)中電流大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

第四，在電機(jī)和控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對實(shí)際電機(jī)和控制器進(jìn)行了加工，搭建了啟動發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并對電機(jī)本體和控制器的設(shè)計進(jìn)行了驗(yàn)證。

搭建航空啟動發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行基礎(chǔ)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對設(shè)計的電機(jī)和控制器硬件電路進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試； 通過電機(jī)靜扭矩系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)對電機(jī)本體設(shè)計進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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