技术领域
[0001] 本
发明属于航空航天电气设计及制造技术领域，具体涉及一种无人机用
涡轮风扇
发动机的起发电系统。
背景技术
[0002] 中小型高速无人机用动
力装置主要是涡喷、涡扇发动机。涡扇发动机的起动方式分为空中起动和地面起动。空中起动为导弹常规使用的起动方式，一般使用火药起动器和烟火点火器等，火工品工作时对发动机造成的冲击较大，该种起动方式对发动机寿命有影响。无人机常用起动方式为地面起动，地面起动现常用方式是高压气源吹转发动机至点火转速，发动机点火起动。该种起动方式需要配套地面气源车并提供高压气源、气源车
增压设备，保障设备复杂，体积庞大，在发动机起动完成后气源车需要手动脱离。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种高、低电压兼容内置式无刷直流起发电系统，在发动机起动阶段，系统采用高压供电拖转发动机到点火转速，发动
电机点火后，系统继续助力发动机至一定转速在发动机工作后转换为发电机工作状态，提供发动机和无人机所需低压
电能。
[0004] 一种高、低电压兼容内置式无刷直流起发电系统，系统包括无刷起发电机、起动
控制器和发电控制器，所述无刷起发电机内置于发动机内部并与发动机转动机构直连；
[0005] 所述无刷起发电机在发动机起动状态用作起动机并工作在电动状态，拖转发动机至点火转速并在点火后助力；在发动机点火后用作发电机并工作在发电状态；
[0006] 所述起动控制器用于驱动控制起发电机的电动运行，在发动机起动阶段，起动控制器驱动控制电机将发动机从静止拖动到满足发动机点火所需要的转速，并助力发动机运行到达要求转速后，自动停止电机的电动驱动控制；
[0007] 所述发电控制器将起发电机输出的三相交流电整流为28.5V直流电，为无人机上的负载供电。
[0008] 进一步地，所述无刷起发电机电动转速范围为0～30000r/min，发电转速范围为28000r/min～51000r/min。
[0009] 进一步地，所述起动控制器采用270V高压直流供电，逆变出三相交流电给电机，
驱动电机拖转发送机旋转；供电电压为270VDC，0～15000r/min；输出转矩≥7Nm，15000r/min～30000r/min，输出功率≥11kW。
[0010] 进一步地，所述发电控制器在28000r/min～32000r/min转速范围内额定输出功率2kW，在32000r/min～51000r/min转速范围内额定输出功率4kW。
[0011] 进一步地，所述无刷起发电机在起动和发电过程中，起发电机均通过输出转矩和发动机进行
能量传递，通过电枢中的绕组引出线实现起发电机与外界电能的交换。
[0012] 进一步地，所述无刷起发电机包括
轴承、电枢、机壳、
转子、前端盖和
齿轮；所述转子通过轴承安装在机壳内对应电枢的
位置，转子极数设计为四极，转子的右端连接齿轮，无刷起发电机均通过齿轮和发动机进行能量交换，所述前端盖将机壳的开口端封闭。
[0013] 进一步地，所述转子上的磁
钢通过左
挡板、右挡板和护套固定在
转轴的外圆周上，所述磁钢分为平行充磁磁钢和切向充磁磁钢，两种磁钢在圆周方向上间隔排布。
[0014] 进一步地，所述无刷起发电机采用滑油冷却，所述机壳一端设有过油孔与发动机油路通过油管零件连接，滑油又通过前、后喷油杆的两股射流，分别对无刷起发电机的两个轴承进行润滑和冷却。
[0015] 进一步地，所述起动控制器包括控制板、驱动板和功率器件；所述控制板包括电压、
电流采用调理
电路，完成
母线电压、电机相电流的
采样，用于电机驱动控制
算法的输入，主控芯片为数字
信号处理器，根据采样的电流和电压信号，完成电机驱动算法的实现，输出
脉宽调制(PWM)信号给驱动板，通讯
接口用于接收上位机的指令；
[0016] 所述驱动板根据控制板输出的PWM信号驱动控制IGBT功率器件，完成IGBT的开通、关断控制；
[0017] 所述功率器件包括六个IGBT组成的三相全桥电路和母线电容，三相全桥电路为全功率转换电路，将270V高压直流电进行DC-AC变换，输出给电机的三相绕组，驱动电机转动。
[0018] 进一步地，所述发电控制器包括主功率电路、自检电路和工作指令控制电路；
[0019] 所述主功率电路包括三相不可控整流电路、
LC滤波器、熔断器和电源组；所述三相不可控整流电路完成交流-直流转换，将无刷起发电机的三相交流输入转
化成高压直流输出，电压随输入交流电压的变化而变化；
[0020] 所述LC滤波器完成三相不可控整流电路输出高压直流电压的滤波；
[0021] 所述电源组由十二个模
块电源并联而成，实现高压直流到低压直流的转换，功率不小于7200W；
[0022] 所述熔断器配合模块电源工作，实现模块电源的过载保护；
[0023] 所述自检电路在发电控制器上电后进行
硬件电路的自检，通过IO接口将自检结果反馈给上位机；
[0024] 工作指令控制电路接收上位机的使能或禁止发电指令，控制主功率电路是否发电。
[0025] 有益效果：
[0026] 1、本发明采用内置式无刷起动/发电机替代了原有的发电机，由于起动功率大(20kW)，起动采用高压直流270V供电，通过起动控制器驱动控制起发电机，拖转发动机。在发动机点火成功后，根据无人机上的用电需求，将电机发出的三相交流电变换为28V低压直流电，供无人机上用电设备的用电。在发射车上增加的起动控制器体积较气源车体积大大减小，简化了地面保障设备。发动机在起动完成后，起动控制器上的
电缆可与无人机上的脱落插头一起断开，操作简单。
[0027] 2、本发明的无刷起发电机内装在发动机的高压转子轴上，可以取消发动机的燃气涡轮起动机和附件机匣，减小发动机的重量和迎风面积，所产生的电功率由两根发动机轴分担，有利于控制喘振，改善发动机的性能，有利于无人机的小型化设计，也可以简化地面保障设备，是发动机附件的一个重要发展趋势，也是开展无人机用长寿命涡轮/涡扇发动机研制的一项关键技术。
[0028] 3、本发明的无刷起发电机与发动机转动机构直连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音，并且提高
传动系统的效率。
[0029] 4、本发明的无刷起发电机设置独立且相互隔离的
电枢绕组和转速绕组，通过发电控制器进行
波形处理，输出两路与发动机高压转子同频的
正弦波信号，可用于发动机高压转子的转速检测。
[0030] 5、本发明的无刷起发电机中转子极数设计为四极，对磁钢进行分段设计以减少单块磁钢对护套造成的
应力，较少的极数可以减少起发电机
铁耗、降低发热；精校动平衡，提高转子动态
稳定性和平衡
精度。
[0031] 6、本发明转子上的磁钢采用平行充磁磁钢和切向充磁磁钢，两种磁钢在圆周方向上间隔排布，这种径向和切向相结合的复合磁体结构，与传统的磁体结构相比，可以增加磁钢磁势，减小极间磁漏，获得更大的气隙磁通
密度，进而提高电机的功率密度。
附图说明
[0032] 图1为本发明高、低电压兼容内置式无刷直流起发电系统组成示意图；
[0033] 图2为本发明无刷起发电机的结构示意图；
[0034] 图3为本发明无刷起发电机转子的结构示意图；
[0035] 图4为本发明无刷起发电机齿轮径向圆柱销固定方式示意图；
[0036] 图5为本发明起动控制器的控制原理图；
[0037] 图6为本发明发电控制器的控制原理图；
[0038] 其中，1-齿轮、2-前端盖、3-机壳、4-电枢、5-轴承、6-接线板、7-过油孔、8-右挡板、9-转轴、10-磁钢、11-护套、12-左挡板、13-切向充磁磁钢、14-平行充磁磁钢。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图并举
实施例，对本发明进行详细描述。
[0040] 本发明提供了一种高、低电压兼容内置式无刷直流起发电系统，如附图1所示，该系统包括无刷起发电机、起动控制器、发电控制器及连接电缆。
[0041] 高、低压兼容内置式无刷起发电系统的功能是在发动机起动阶段，采用270VDC高压供电，起动控制器以
电动机工作状态拖转发动机到点火转速，发动电机点火后，无刷起发电机继续助力发动机至一定转速在发动机工作后，无刷起发电机转换为发电机工作状态，发电控制器将发动机高压转子的机械能转换为电能，提供发动机和无人机所需低压28.5VDC。其中，无刷起发电机与发动机的高压转子轴通过齿轮连接，为内置式的安装结构。
[0042] 无刷起发电机在发动机起动状态用作起动机，工作在电动状态，拖转发动机至点火转速并在点火后助力。在发动机点火后用作发电机，工作在发电状态。电动转速范围为0～30000r/min，发电转速范围为28000r/min～51000r/min。起动控制器用于驱动控制起发电机的电动运行。在发动机起动阶段，起动控制器驱动控制电机将发动机从静止拖动到满足发动机点火所需要的转速，并助力发动机运行到达要求转速后，自动停止电机的电动驱动控制。起动控制器采用270V高压直流供电，逆变出三相交流电给电机，驱动电机拖转发送机旋转。供电电压为270VDC，0～15000r/min要求输出转矩≥7Nm，15000r/min～30000r/min要求输出功率≥11kW。
[0043] 发电控制器主要功能是将起发电机输出的三相交流电整流为28.5V直流电，为机上负载供电，要求在28000r/min～32000r/min转速范围内额定输出功率2kW，在32000r/min～51000r/min转速范围内额定输出功率4kW。
[0044] 如附图2所示，无刷起发电机包括轴承5、电枢4、机壳3、转子、前端盖2和齿轮1；转子通过轴承5安装在机壳3内对应电枢4的位置，转子极数设计为四极，转子的右端连接齿轮1，无刷起发电机均通过齿轮1和发动机进行能量交换，前端盖2将机壳3的开口端封闭。
[0045] 如附图3所示，转子上的磁钢10通过左挡板12、右挡板8和护套11固定在转轴9的外圆周上，磁钢10分为平行充磁磁钢14和切向充磁磁钢13，两种磁钢在转轴9的圆周方向上间隔排布。
[0046] 如图4所示，起发电机在起动、发电不同工况下受力方向相反，所以齿轮
螺母采用径向圆柱销固定方式，防止出现松动。
[0047] 起发电机
定子铁芯由
硅钢片通
过喷胶叠装而成，绕组材料上选用聚酰亚胺漆包线，电枢浸专用浸渍漆，采用AF250做引出线，焊点
银铜焊接，引出线套聚四氟乙烯管。起发电机电机定子，需要重点控制绝缘
电阻、三相绕组相间电阻及绕组耐压，绕制线圈之前应将铁芯
槽口清理干净；布槽绝缘时，应检查槽绝缘放入铁芯槽内部分不允许有折痕、破损；线圈绕制过程中，漆包线不允许有折痕，漆皮层无损伤；安装线绑扎时，需每根安装线进行绝缘防护，同时在绕组两端用无
碱玻璃
纤维带带绑牢。
[0048] 磁钢10材料选用耐高温材料XG28/35，应用Halbach结构，增加磁钢磁势，同时转子的
热膨胀系数相同；转轴为空
心轴，可减少转子重量和
离心力。磁钢外圆采用护套11进行防护，护套11及左挡板12和右挡板8的材料均为高温
合金GH4169，在磁钢与护套11之间的配合关系上，采用
过盈配合方式，避免
永磁体高速旋转时承受拉应力。转子各零件的
接触面涂高温高强度粘接胶，并采用焊接的形式固定护套11。
[0049] 起动控制器的功能如下：在发动机起动阶段，起动控制器接收上位机(地面发控设备或
操纵台)的带转指令，控制电机将发动机从静止拖动到满足发动机点火所需要的转速，并助力发动机运行到达要求转速后，自动停止电机的电动驱动控制。起动控制器采用270V高压直流供电，逆变出三相交流电给电机，驱动电机拖转发送机旋转。原理图如图5所示。
[0050] 起动控制器包括控制板、驱动板和功率器件；控制板包括电压、电流采用调理电路，完成母线电压、电机相电流的采样，用于电机驱动控制算法的输入，主控芯片为
数字信号处理器，根据采样的电流和电压信号，完成电机驱动算法的实现，输出脉宽调制(PWM)信号给驱动板，通讯接口用于接收上位机的指令；
[0051] 驱动板根据控制板输出的PWM信号驱动控制IGBT功率器件，完成IGBT的开通、关断控制；
[0052] 功率器件包括六个IGBT组成的三相全桥电路和母线电容，三相全桥电路为全功率转换电路，将270V高压直流电进行DC-AC变换，输出给电机的三相绕组，驱动电机转动。
[0053] 起动控制器
软件采用id＝0的无位置
传感器矢量控制算法。
[0054] 在低速情况下，由于电机反电势很小，电机参数的偏差以及逆变器死区的影响将使基于反电势的开环估计方法的准确度大大降低，严重影响系统的稳态和动态性能，甚至引起电机失步。因此，在低速段采用基于电流控制的开环变频调速，中、高速段采用无传感器矢量控制方法。具体的工作模式有以下三种工作模式：
[0055] 在0～3000r/min采用开环的控制方式，
定位后由固定电流拖转发动机至3000r/min。q轴电流给定为固定给定至值，位置为根据给定转速积分所得位置。
[0056] 在3000r/min～15000r/min采用转速闭环+电流闭环(转矩闭环)的双闭环模式，实现电机拖转发动机的转速控制。q轴电流给定为转速PI控制器的输出，位置为转子位置估算模块估算位置。
[0057] 在15000r/min～30000r/min采用电流闭环(转矩闭环)的单闭环模式进行发动机助力。q轴电流给定为根据功率和转速计算所得值，位置为转子位置估算模块估算位置。
[0058] 控制器功率供电电压为270V，并且最大输出功率约为21kW，为防止高压端对低压控制电路产生干扰，将控制器壳体分为高压区和低压区，采用物理隔离。将DSP主控电路、信号调理电路、通信电路以及电源管理电路作为弱点端，全部安装在控制印制板中，而将驱动电路、主功率电路、滤波电路以及采样电路安装在强电部分。
[0059] 起动控制器采用
电连接器与上位机、电源以及电机实现电气连接，控制器有270V供电、28V供电、电机三相输出以及通讯等电气接口。连接器型号分别为：JY27496E21F75SHN、JY27496E11F04SN、JY27496E25F08SHN、JY27496E11F35SN。
[0060] 起动控制冷却方式为机壳表面和周围环境为自然
对流换热，
开关管安装底座上装3
有
散热翅，通过两个流量为3m/min的风扇强迫对流冷却。
[0061] 起动控制器体积为400mm×350mm×220mm，重量不大于15kg。
[0062] 发电机控制器的实际功能为AC/DC电源变换，用途为将起动/发电机输出的
频率和电压幅度都变化的交流电压变换为稳定的28.5V直流电压，给发动机的用电设备供电。
[0063] 如附图6所示，发电控制器包括主功率电路、自检电路和工作指令控制电路；
[0064] 主功率电路包括三相不可控整流电路、LC滤波器、熔断器和电源组；所述三相不可控整流电路完成交流-直流转换，将无刷起发电机的三相交流输入转化成高压直流输出，电压随输入交流电压的变化而变化；
[0065] LC滤波器完成三相不可控整流电路输出高压直流电压的滤波；
[0066] 电源组由十二个SynQor模块电源并联而成，单模块600W输出功率，12个模块并联输出功率可达7200W，实现高压直流到低压直流的转换，满足额定输出功率4kW和1.5倍过载功率要求。SynQor模块电源支持多模块并联，典型均流精度为±5％，具有保证稳态均流精度的I Share端和保证动态起动一致性的Start Sync端。
[0067] 熔断器配合模块电源工作，实现模块电源的过载保护；
[0068] 自检电路在发电控制器上电后进行硬件电路的自检，通过IO接口将自检结果反馈给上位机；发电控制器的自检电路主要由两个继电器K1和K2组成，主要实现检测输出是否
短路的功能。
[0069] 工作指令控制电路接收上位机的使能或禁止发电指令，控制主功率电路是否发电，工作指令控制电路主要实现通过接收发动机综合控制器发送的工作指令来控制发电控制器是否输出的功能，由电压检测电路和逻辑判断电路组成。
[0070] 发电控制器在满载4kW工作时，可在28000～51000r/min范围内使后级SynQor模块变换器效率达91％，整机效率可达90％。
[0071] 发电控制器采用电连接器与机上28V、无刷起发电机、发动机综控器、机上供电输入实现电气连接。连接器型号分别为：JY27496E25F08SN、JY27496E17F06SN、JY27496E15F15SN、JY27496E11F04SN。
[0072] 发电控制器体积为450mm×300mm×80mm，重量不大于10kg。
[0073] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
