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在新型无刷电机技术方面取得突出成果

发布时间:2022-10-02 08:39:06 来源:华体会全站官网登录入口 作者:华体会全站官网在线注册

  的相继服役标志着多电飞机技术已经成为现代先进战机的发展趋势。多电飞机的主电源(电力主要来源)来自于飞机发电机,全电飞机发展的关键技术基础, 也是我国军机多电化发展亟待突破的关键技术之一。

  张卓然教授长期从事航空电机与电源技术研究,在双凸极无刷直流电机、混合励磁交流电机等方面取得了突出的创新成果,为我国军机首次实现无刷起动发电一体化与容错应急发电技术做出了重要贡献。研究成果在空警2000、歼31、歼轰七B、运8-干等6种型号军机上装机应用,获国家技术发明二等奖、国防技术发明一等奖等4项科技奖励。出版专著1部,发表学术论文95篇,其中SCI收录17篇(含8篇影响因子6.4的顶级SCI期刊论文)、EI收录83篇(第1/通信作者69篇);获IEEEVPPC’2013国际会议唯一的最佳论文奖。论文被27个国家和地区的学者累计他引530余次。获授权发明专利25项(第1发明人17项),获日内瓦国际发明金奖。入选中组部“万人计划”青年拔尖人才(国防领域)、教育部“新世纪优秀人才计划”和江苏省“青蓝工程”高校中青年学术带头人等,是国家优秀青年科学基金和江苏省杰出青年基金获得者,荣获中国航空学会青年科技奖。

  (1)提出双凸极增磁发电运行与集成控制方法,提高了发电系统稳态调压精度以及动态性能,为我国军机直流电源系统首次实现无刷起动发电作出了贡献,将我国军机低压直流电源最大功率从12kW提升到18kW。

  飞机直流电源系统长期采用有刷直流电机,由于电刷和滑环的存在使其可靠性和维护性较差、高空高速下容量难以提升,不能满足多电/全电飞机主电源需求。近年来,美国四代机F-35创新采用开关磁阻起动发电技术,这是飞机电源系统无刷化的重要革新。开关磁阻电机发电运行必需可控功率变换器及位置传感器参与工作,削弱了电机本身结构简单可靠的优势。张卓然教授团队研究并揭示了双凸极电机高速和低速运行下的磁场分布特性及异同点,基于场路耦合分析确定了双凸极电机关键结构参数的优化方法和设计系数。提出了飞机高压直流发电系统集成控制技术,有效简化了发电系统结构。提出负载电流限制与输出电压调节解耦控制策略,提高了发电系统稳态调压精度以及动态性能。

  张卓然教授作为主要骨干参与研制的18kW双凸极无刷直流起动发电机应用于高空无人侦察机,相比现役QF-12起动发电机同尺寸、同转速下发电功率增加了50%,这是我国飞机直流电源系统首次实现无刷起动发电技术,也是继美国F-35飞机开关磁阻起动发电机之后成功应用的第二种飞机无刷起动发电技术,由于在双凸极无刷电机电磁设计与集成控制等方面的贡献获“国家技术发明二等奖”和“国防技术发明一等奖”。

  (2)提出了电压调节解耦控制方法以及无刷电机转子磁分路混合励磁技术,解决了飞机交流主电源中电磁式无刷同步电机可逆运行困难、旋转整流器高温高速下可靠性低的固有问题,实现了全新航空混合励磁同步电机发电技术。

  多电/全电飞机对主电源系统容量、可靠性等要求不断提高,传统航空电磁式无刷同步电机转子上旋转整流器高温、高速运行下易失效,以及可逆运行困难的两大问题将使其在多电飞机上的应用和发展面临极大挑战。

  混合励磁是对电机单一励磁方式的有效拓展,张卓然教授团队研究发现定子轴向磁路工作机理使得现有混合励磁电机气隙磁场畸变、电势波形非正弦,难以适应飞机交流主电源需求。张卓然教授提出全新转子磁分路混合励磁技术,并发展为单向/双向转子磁分路、径向/轴向附加气隙、轴向非均匀气隙等新型无刷电机结构拓扑,揭示了转子磁分路机理下的混合励磁电机磁路特性、电枢反应以及控制规律,系统解决了无刷励磁、高效灭磁、电势波形正弦以及起动发电一体化等科学问题。研发成功15kVA、132kVA系列混合励磁电机系统,已在中航工业北京曙光航空电气公司完成性能测试和试运行,相比航空三级式无刷同步电机结构显著简化,消除了旋转整流器,成为飞机交流电源系统的新选择。研发成功28.5VDC低压直流、270VDC高压直流以及115V交流电源等系列电压调节器,成功应用于空警2000、运8-干等重点型号飞机发电与起动发电系统。张卓然教授作为第1完成人完成的“新型飞机发电系统混合励磁同步电机研究”通过国防科工局组织的科技成果鉴定,鉴定委员会认为:“在国内外率先开展飞机混合励磁同步电机交流发电系统研究,在航空电源新型混合励磁同步电机系统技术方面取得了重要进展”,“成果原创性突出,…处于国内领先、国际先进水平”。

  (3)提出12相永磁容错发电机技术及其在低电压调整率和强容错能力苛刻要求下的设计方法,主持研发的12000r/min应急发电机成功应用于我国多种型号战机,解决了低压大电流下整流损耗严重的突出难题,满足了新研战机对高可靠容错应急发电机的迫切需求。

  应急电源系统对于保障飞机飞行安全、扩大战机飞行半径至关重要,由于电压调整率、控制策略等要求不同,应急发电机技术与主电源发电技术有很大区别。在极少资料借鉴的情况下,张卓然教授团队深入对比研究了6相双Y整流和12相零式整流输出下永磁发电机基本特性,提出12相永磁无刷直流发电机技术,完善了高磁饱和、低电压调整率和强容错能力综合要求下的设计理论。研究得到发电机本体绕组结构和整流电路的协调设计方法,显著减小整流二极管电流应力。探明了在低压大电流条件下,尽管绕组铜损有所增加,但整流电路功率损耗显著降低,使得系统总损耗降低。深入研究了多相永磁发电机负电压调整率输出机理,得到关键参数对于多相永磁同步发电机外特性的影响规律及低电压调整率设计方法,使得发电系统不外接电压调节装置仍能保证全负载范围内的输出电压要求。

  张卓然教授主持研发的12000r/min、6kW永磁无刷直流发电机由中航工业贵阳航空电机公司生产,成功应用于我国新研战机歼31和歼轰7B等战机应急电源系统,使整流二极管电流应力降低50%,发电损耗降低35%,消除了输出功率变换器和整流电路散热器,在国内首次实现飞机容错应急发电技术。作为第1完成人完成的“飞机应急发电系统切向磁钢永磁同步电机研究”通过国家国防科工局组织的科技鉴定,鉴定委员会认为:“在飞机应急无刷直流发电机技术方面取得重大突破。成果已成功应用于我国某型军用飞机,满足了新型战机对应急电源的迫切需求”。获得2014年度国防航空机载机电领域唯一的“国防技术发明二等奖”。

  中国工程院院士、英国皇家工程院院士、香港大学C.C.Chan教授在论文中评述张卓然教授提出的定子励磁型双凸极无刷电机,解决了转子励磁电机不可逆退磁和散热的难题。中国科学院院士、北京航空航天大学房建成教授在IEEE TIE论文中依据采用双凸极电机损耗分析得到的损耗系数计算了高速磁轴承的铁芯损耗。法国国家科学研究中心Philippe博士评述所提出的双凸极直流电机“实现发电机宽转速运行,转速高达12000r/min”。英国皇家工程院院士、IEEE Fellow Z.Q.Zhu教授在多篇SCI论文中引用团队研究成果,将张卓然教授提出的混合励磁电机称为“聚磁式混合励磁电机”,并评价其“实现了无刷励磁和高气隙磁密”。IEEE Fellow、IEEE Trans. Ind. Electron.主编Emil Levi教授评价所提出的12相永磁无刷直流发电机具有高功率密度和高可靠性特点。意大利电工委员会委员、米兰理工大学A.D. Gerlando教授在两篇SCI论文连续引用团队论文,认为所提出的多相永磁无刷直流发电机是“多相电机具有代表性的解决方案,具有低损耗、低成本及固有的鲁棒性等优点”。TIE最佳论文奖获得者、西班牙Federico教授在多相电机综述文章中评价张卓然教授团队“探索研究了采用无源二极管整流的12相发电机,不用可控变换器,结构简单可靠”。

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