[发明专利]航空发动机起动器/发电机以及控制器

说明书

本申请为申请日为2007年3月23日、国际申请号为PCT/US2007/007192、国家申请号为200780010530.2、发明名称为“航空发动机起动器/发电机以及控制器”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及一种在起动模式下把电能转化为机械能和在发电模式下把机械能转化为电能的双向能量转化无刷电气旋转设备的组合。特别地，本发明涉及一种高功率密度的航空发动机起动和发电系统，该系统包括三个电机机组、起动器/发电机(S/G)以及在此被称为逆变器/变流器/控制器(ICC)的基于IGBT的数字控制设备。而且，本发明涉及除去基于S/G的绕线磁场同步机的转子位置传感器，结果形成一种无传感器(sensorless)控制的S/G和ICC系统。

背景技术

目前存在用于航空器的起动器发电机系统，这些系统被用来起动航空发动机以及在发电模式下在航空发动机已被起动之后利用该航空发动机以因此给所述航空器上的动力系统提供电能。例如，授予William Shilling等的美国专利申请号No.4,743,777中描述了具有两个定子励磁绕组的起动器发电机系统，其包括可变压、可变频的功率变流器，该功率变流器被交流地连接以驱动作为起动马达的电动机或者以在发电机运行过程中从所述机械接收电能。授予Madan Bansal等的美国专利号No.5,587,647中描述了一种双输出、同步感应的起动/发电系统。所述Bansal系统包括被相互耦接到轴的同步发电机和感应电动机/发电机，其中所述轴被外部原动机例如航空发动机驱动。所述Bansal系统还包括整流器/逆变器，该整流器/逆变器允许双向的功率通量以实现发电以及所述航空发动机的电起动。

尽管上述的现有技术在起动航空发动机中以及在一旦所述发动机已被起动由所述航空发动机发电中是有帮助的，但是希望产生一种在起动模式或/和发电模式下具有更高功率密度、更高效率以及更高动力性能之一的系统。

发明内容

根据本发明的至少一个方面，存在一种包括起动器/发电机(S/G)和逆变器/变流器/控制器(ICC)的航空发动机的起动器/发电机系统，其中所述起动器/发电机系统与本领域内的传统系统相比在起动模式或/和发电模式下具有更高功率密度、更高效率以及更高动力性能。

所述S/G包括三个电机：主电机、励磁机以及永磁发电机(PMG)。可以是基于IGBT的逆变器/变流器/控制器以及是数字控制的双向电子设备的ICC被连接到所述S/G的主电机的定子绕组的输入/输出端。所述电子设备产生交流电以在起动模式下驱动所述S/G并在发电模式下把所述交流电转化为所述航空器上需要的直流电。

第一实施例包括至少S/G系统的两个方面，该两个方面使所述整个系统的重量更轻、性能更优越。所述第一方面是双功能的励磁机定子，该励磁机定子含有和位于所述ICC中的接触器一起工作的绕组。在起动模式过程中，所述绕组通过所述接触器被配置成交流的三相绕组，在发电过程中，所述绕组通过同样的接触器被配置成单个的直流绕组。不必在所述电机上增加显著的尺寸和重量，所述双交流和直流功能的绕组分别能满足起动和发电模式的需要。所述第二方面是除去在起动模式和发电模式下用于功率电子开关的换向的传统的机械式位置传感器。这显著减小了所述S/G的尺寸和重量。

第二实施例致力于所述S/G系统的起动模式，包括五个方面，与本领域内的传统方法相比，该五个方面在起动模式下起到使所述S/G具有更好的力矩密度的作用。所述第一方面是在所述感应电机的制动模式下被配置和控制的励磁机定子的三相交流绕组。实现零速无传感器的方法对应于该实施例的第二相关方面。所述第三方面是自动磁场的衰减机构，该机构被研发成以在起动模式下把所述逆变器很好的保持在脉宽调制(PWM)区域内以及在遍及整个的速度范围内保持有效的电流调整。所述第四个方面是把自动场衰减和近似统一的功率因数控制策略相结合，以便当所述逆变器电压饱和时实现高速下的更高功率密度。所述第五方面是矢量控制策略与负的d-轴电流分布相结合，其中所述负的d-轴电流分布反向对准所述主电机的场电流以产生最大的磁阻转矩从而克服由所述磁饱和引起的转矩限制。所述方法与传统方法相比增加了所述S/G的转矩密度。