專利名稱：飛機發動機起動/發電系統和控制的方法
技術領域：
本文描述的實施例總體涉及飛機發動機，并且更具體地涉及飛機發動機起動和發電系統和控制的方法。
背景技術：
至少一些已知用于飛機的起動器/發電機系統用于在起動模式中起動飛機發動機，和用于在飛機發動機起動之后使用飛機發動機以在發電模式中提供電能到飛機上的電力系統。例如，至少一些已知系統包括帶有兩個定子激勵器繞組的起動器/發電機和可變電壓、可變頻率的功率轉換器，其交替地連接以作為起動馬達驅動電動機或者以在發電機操作期間從動力電機(dynamic electric machine)接收電能。在至少一些系統中，一個繞組是用于起動模式的多相AC繞組，并且一個繞組是用于發電模式的DC繞組。然而，這種系統包括沉重且昂貴的繞組選擇電路。而且，這種系統中激勵器定子使用不充分，并且轉換電路大。而且，至少一些已知系統中的同步激勵器不能產生用于處于零速或低速的起動器 /發電機中的主同步機的足夠的激勵功率。例如，至少一些已知系統在發電模式期間供應 DC電壓到傳統激勵器的激勵器繞組，并且在起動模式期間供應AC電壓到相同繞組。然而， 這種系統要求對激勵器的AC供應電壓高于反相器的輸入處DC總線或DC環路電壓能夠被反向到的最大電壓，這要求額外電路以提高DC總線或DC環路電壓。結果，更高的AC電壓使得這種系統更易于產生電暈效應。此外，至少一些已知系統利用AC激勵用于起動模式和發電模式。這種系統通常包括多相AC激勵器，其在起動模式期間被控制以在高的恒定頻率下操作以便通過旋轉變壓器效應(rotating transformer effect)在設置在軸上的激勵器電樞中產生AC電壓。電樞的輸出連接到旋轉整流器，其設置在相同軸上，并且輸出期望的DC電壓用以為主電機的激勵繞組供電。在發電模式期間，所供應的AC電壓的頻率從高的恒定頻率切換到低的恒定頻率。通過旋轉變壓器效應再次產生電樞中的AC電壓，該旋轉變壓器效應通過旋轉整流器提供激勵功率到主發電機。為了在兩種模式中都利用AC激勵，與用于僅發電應用的電流相比，在發電模式中通常利用更高的激勵電流。這導致要求大的沉重的轉換器。高電流可避免，但要求引入用于起動模式的額外的繞組選擇電路。
發明內容
提供本發明內容用于以簡單的形式介紹將在具體實施例中在下文進一步描述的概念的選擇。發明內容并不意圖確認要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不意圖用作幫助確定要求保護的主題的范圍。一方面，提供用于飛機發動機的起動和發電系統。起動和發電系統包括起動器/ 發電機和聯接到起動器/發電機的反相器/轉換器/控制器(ICC)。該起動器/發電機構造成在起動模式中起動飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率。起動器/發電機包括激勵器和旋轉軸。ICC構造成在起動模式中以第一頻率提供AC功率到起動器/發電機，并且構造成在發電模式期間控制激勵器使得發電模式AC功率具有第二頻率，其中第一頻率基于軸的軸速。另一方面，提供用于飛機發動機的起動和發電系統。該起動和發電系統包括起動器/發電機和聯接到起動器/發電機的反相器/轉換器/控制器(ICC)。起動器/發電機構造成在起動模式中起動飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率。起動器/發電機包括激勵器和旋轉軸。ICC構造成在起動模式中以第一頻率提供AC功率到起動器/發電機，并且在發電模式期間控制激勵器使得發電模式AC功率具有第二頻率。ICC包括控制板，其構造成通過基于軸的軸速確定第一頻率來控制ICC。又一方面，提供方法用于控制用于飛機發動機的起動和發電系統。該起動和發電系統包括起動器/發電機，其包括旋轉軸。起動和發電系統還包括反相器/轉換器/控制器(ICC)。該方法包括在起動模式期間通過ICC以第一頻率提供AC功率到起動器/發電機，并且利用起動器/發電機起動飛機發動機，其中第一頻率是基于軸的軸速的可變頻率。 該方法還包括在發電模式期間利用ICC控制起動器/發電機以第二頻率產生AC功率。
通過參考結合附圖的以下說明可更好地理解本文描述的實施例。圖1是用于飛機發動機的示范起動和發電系統的示意框圖；圖2是可用于圖1所示起動和發電系統的示范起動器/發電機的截面視圖；圖3是圖1所示起動和發電系統的示范電氣結構的方框示意圖；圖4是可用于圖1所示起動和發電系統的示范外殼的第一等距視圖；圖5是圖4所示外殼的第二等距視圖；圖6是示出組裝圖1所示起動和發電系統的示范方法的流程圖。 具體實施例以下將參考附圖詳細描述本發明的各種實施例。本文描述的實施例涉及雙向能量轉換、無刷式、電氣旋轉裝置，其在起動模式中將電能轉換成機械能并且在發電模式中將機械能轉換為電能。圖1是根據本發明的示范實施例的、用于飛機發動機(未示出)的起動和發電系統100的示意框圖。圖2是可用于系統100的起動器/發電機(S/G) 102的截面視圖。在示范實施例中，起動和發電系統100包括S/G 102和電聯接到S/G 102的反相器/轉換器 / 控制器(ICC) 104。參考圖1和圖2，并且在示范實施例中，S/G 102構造成在起動模式中起動飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率，以下將更詳細地解釋。而且，S/G 102是三個電機的聯合。特別地，S/G 102是主電機106、激勵器108和永磁發電機(PMG) 110的聯合。該配置通常稱為三電機組。在一實施例中，主電機106是凸極同步電機(salient synchronous machine)。在示范實施例中，主電機106包括主定子112和主轉子114。主轉子114包括延伸通過其中的軸116，和具有電聯接到主轉子114的輸出(未示出)的旋轉整流器118。在示范實施例中，整流器118定位在軸116內。然而，在其它實施例中，整流器118可關于軸116不同地定位。此外，在一實施例中，整流器118是全波旋轉整流器。在另一實施例中，整流器118是半波旋轉整流器。在示范實施例中，主定子112包括3相AC繞組(圖1和圖2 中未示出)。可選實施例可包括任何合適的繞組，諸如但不受限于6相AC繞組、9相AC繞組等。而且，在示范實施例中，激勵器108包括激勵器定子120和激勵器轉子122。激勵器定子120包括第一 3相AC繞組(圖1和圖2中未示出)，并且激勵器轉子122包括聯接到整流器118的輸入(未示出)處的第二 3相AC繞組(圖1和圖2中未示出)。而且，永磁發電機(PMG) 110包括PMG定子IM和PMG轉子126。參考圖1，ICC 104在起動模式中以第一頻率提供AC功率到S/G 102，并在發電模式期間控制S/G 102以小于第一頻率的第二頻率產生AC功率。第一頻率是可變的并且基于軸116的軸速。第二頻率基本恒定并且小于第一頻率，以最小化從激勵器定子120傳輸的功率同時仍使激勵器108能夠恰當地控制，以下將詳細解釋。而且，在示范實施例中，ICC 104包括電聯接到主定子112并且電聯接到飛機內的電氣系統(未示出)的主電橋128。 ICC 104還包括電聯接到激勵器定子122并且電聯接到外部電源130的激勵器電橋132。更特別地，激勵器電橋132電聯接到第一 AC繞組。激勵器電橋132還電聯接到PMG定子124。 在示范實施例中，主電橋1 是絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)/二極管電橋。然而，可選實施例可利用任何合適的電橋。在示范實施例中，激勵器電橋132也是IGTB/二極管電橋。在可選實施例中，激勵器電橋132是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)電橋。在另一可選實施例中，激勵器電橋132是碳化硅(SiC)MOSFET電橋。然而，更多可選實施例可利用任何合適的電橋。在以下描述中，主電橋1 和激勵器電橋132可以分別可互換地稱為主反相器/轉換器和激勵器反相器/轉換器。圖3是起動和發電系統100的電氣結構200的方框示意圖。更特別地，圖3示出系統100，其中重點在于組成主電橋IM和激勵器電橋132的構件。在示范實施例中，ICC 104還包括電聯接到主電橋1 和激勵器電橋132的控制板202。控制板202包括主電橋數字信號處理器(DSP) 204、激勵器電橋DSP 206和現場可編程門陣列(FPGA) 208。聯接到激勵器定子120的第一 AC激勵器繞組210電聯接到FPGA 208和激勵器電橋132。聯接到激勵器轉子122的第二 AC激勵器繞組212電聯接到主轉子114。主定子AC繞組214電聯接到FPGA 208。當在系統100的起動模式期間利用時，主電橋DSP 204可在本文中可互換地稱為起動器反相器控制器或起動器反相器DSP。當在系統100的發電模式期間利用時，主電橋DSP可在本文中可互換地稱為發電機轉換器控制器或發電機轉換器DSP。而且，當在系統100的起動模式期間利用時，激勵器電橋DSP 206可在本文中可互換地稱為激勵器反相器控制器或激勵器反相器DSP。當在系統100的發電模式期間利用時，激勵器電橋DSP 206 可在本文中可互換地稱為激勵器轉換器控制器或激勵器轉換器DSP。主電橋DSP 204操作地聯接到主電橋128并且包括用于控制主電橋128的嵌入式軟件。特別地，在系統100的起動模式中主電橋DSP 204控制主電橋128以產生AC功率以驅動S/G 102。而且，在系統 100的發電模式中主電橋DSP 204控制主電橋128以將AC功率轉換成DC功率用于為飛機的其他構件(未示出)所利用。圖4和圖5是ICC 104(圖1和圖3所示)的等距視圖，ICC 104可容納在外殼300 中，外殼300定尺寸成插入飛機(未示出)內的箱體(cabinet)(未示出)中或安裝在飛機 (未示出)內的箱體(未示出)上。在示范實施例中，外殼300定尺寸成包含冷卻板302，其便于從ICC 104的熱耗散和/或熱移除。外殼300還包含主電橋128、激勵器電橋132、主電橋DSP 204、激勵器電橋DSP 206和FPGA 208。而且，外殼300包含濾波帽(filter cap) 組件304和一個或多個檢測組件306。輸出電壓接線盒308聯接在外殼300的外表面310 上，以提供DC功率到飛機內的其他構件(未示出)。在利用期間，并且參考圖1到圖5，起動和發電系統100具有兩種操作模式起動
模式和發電模式。在發電模式中，3相激勵器AC繞組212在激勵器轉子122和激勵器定子
120之間的空氣間隙(未示出)中產生必要的旋轉場。與第一 AC激勵器繞組210相互作
用的旋轉磁場在第一 AC激勵器繞組210中產生電壓。另外，在起動模式期間3相AC繞組
210從激勵器定子120傳送電磁能到激勵器轉子122。更特別地，因為系統100將它的操作
時間的大部分花費在發電模式中，所以激勵器定子120在每相的匝數和磁電路(magnetic
circuitry)(未示出)方面對發電操作最優地構造。激勵器定子繞組210的電流因而最小
化到低水平并且仍可恰當地控制。而且，激勵器電橋DSP 206控制激勵器定子120，使得激
勵器108中的空氣間隙中的旋轉場的方向與軸116的旋轉方向相對，因而迫使激勵器108
在它的制動模式中起感應機的作用。當感應機在它的制動模式中工作時，電樞的輸出處的
功率是兩項的和PS和Pm = (I-S) Ps，其中Ps是從激勵器定子120傳送的電功率，Pm是從軸
116上的機械功率轉換的機械功率，并且S是滑差(slip)，其為定子場的速度與轉子速度之
間的差。另外，S由等式(1)如下定義 ω, -ω
權利要求
1.一種用于飛機發動機的起動和發電系統，所述起動和發電系統包括起動器/發電機，其構造成在起動模式中起動所述飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率，所述起動器/發電機包括激勵器和旋轉軸；和反相器/轉換器/控制器(ICC)，其聯接到所述起動器/發電機，所述ICC構造成在起動模式中以第一頻率提供AC功率到所述起動器/發電機，并且構造成在發電模式期間控制所述激勵器，使得發電模式AC功率具有第二頻率，其中，所述第一頻率基于所述軸的軸速。
2.根據權利要求1所述的起動和發電系統，其特征在于，所述第二頻率恒定并且小于所述第一頻率。
3.根據權利要求1所述的起動和發電系統，其特征在于，所述起動器/發電機還包括主電機，其包括主定子和主轉子；和永磁發電機(PMG)，其包括PMG定子和PMG轉子。
4.根據權利要求3所述的起動和發電系統，其特征在于，所述ICC包括聯接到所述主定子的主IGBT電橋，所述主電機構造成在發電模式期間以所述第二頻率產生AC功率。
5.根據權利要求4所述的起動和發電系統，其特征在于，所述ICC包括聯接到所述激勵器定子的激勵器電橋，所述激勵器電橋構造成控制所述激勵器，使得所述激勵器作為制動模式感應機操作。
6.根據權利要求5所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器電橋包括IGBT電橋、MOSFET電橋和SiC MOSFET電橋中的一種。
7.根據權利要求5所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器電橋構造成產生可變AC激勵器供應電壓。
8.根據權利要求1所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器包括激勵器定子和激勵器轉子，所述激勵器定子包括AC繞組，并且其中，所述ICC包括構造成以所述第一頻率提供AC功率到所述繞組的激勵器電橋。
9.一種用于飛機發動機的起動和發電系統，所述起動和發電系統包括起動器/發電機，其構造成在起動模式中起動所述飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率，所述起動器/發電機包括激勵器和旋轉軸；反相器/轉換器/控制器(ICC)，其聯接到所述起動器/發電機，所述ICC構造成在起動模式中以第一頻率提供AC功率到所述起動器/發電機，并且構造成在發電模式期間控制所述激勵器，使得所述發電模式AC功率具有第二頻率，所述ICC包括控制板，其構造成通過基于所述軸的軸速確定所述第一頻率來控制所述ICC。
10.根據權利要求9所述的起動和發電系統，其特征在于，所述第二頻率恒定并且小于所述第一頻率。
11.根據權利要求9所述的起動和發電系統，其特征在于，所述起動器/發電機還包括主電機，其包括主定子和主轉子；和永磁發電機(PMG)，其包括PMG定子和PMG轉子。
12.根據權利要求11所述的起動和發電系統，其特征在于，所述ICC還包括聯接到所述主定子的主IGBT電橋，所述主電機構造成在發電模式期間以第二頻率產生AC功率。
13.根據權利要求12所述的起動和發電系統，其特征在于，所述ICC包括聯接到所述激勵器定子的激勵器電橋，所述激勵器電橋構造成控制所述激勵器，使得所述激勵器作為制動模式感應機操作。
14.根據權利要求13所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器電橋包括IGBT 電橋、MOSFET電橋和SiC MOSFET電橋中的一種。
15.根據權利要求13所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器電橋構造成產生可變AC激勵器供應電壓。
16.根據權利要求9所述的起動和發電系統，其特征在于，所述激勵器包括激勵器定子，其包括AC繞組，并且其中，所述ICC包括構造成以第一頻率提供AC功率到所述繞組的激勵器電橋。
17.—種控制用于飛機發動機的起動和發電系統的方法，所述起動和發電系統包括起動器/發電機和反相器/轉換器/控制器(ICC)，所述起動器/發電機包括旋轉軸，所述方法包括在起動模式期間通過所述ICC以第一頻率提供AC功率到所述起動器/發電機，其中， 所述第一頻率是基于所述軸的軸速的可變頻率；利用所述起動器/發電機起動所述飛機發動機；并且在發電模式期間利用所述ICC控制所述起動器/發電機以第二頻率產生AC功率。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，所述起動器/發電機包括激勵器，其具有至少一個AC繞組，并且所述ICC包括激勵器電橋，并且其中，在起動模式期間的所述提供 AC功率包括確定所述軸速；基于所述軸速確定所述第一頻率；并且以所述第一頻率提供AC功率到所述至少一個AC繞組。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，提供AC功率到所述至少一個AC繞組包括利用所述激勵器電橋產生可變AC激勵器供應電壓。
20.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，還包括在發電模式期間利用主電機以第二頻率產生AC功率。
全文摘要
一種用于飛機發動機的起動和發電系統包括起動器/發電機和聯接到該起動器/發電機的反相器/轉換器/控制器(ICC)。該起動器/發電機構造成在起動模式中起動飛機發動機并且構造成在發電模式中產生AC功率。起動器/發電機包括激勵器和旋轉軸。ICC構造成在起動模式中以第一頻率提供AC功率到起動器/發電機，并且構造成在發電模式期間控制激勵器，使得發電模式AC功率具有第二頻率，其中第一頻率基于軸的軸速。
文檔編號F02N11/08GK102428265SQ201080022552
公開日2012年4月25日 申請日期2010年3月31日 優先權日2009年5月19日
發明者D·D·卡里皮德斯, M·A·E·阿巴斯, S·加塔里克, X·賈, 黃豪 申請人:通用電氣公司