全电飞机与电推进飞机技术：技术与研究成果介绍

清华大学电机系全电飞机与电推进飞机技术研究

团队介绍

清华大学电机工程与应用电子技术系“先进电能变换与电气化交通系统”团队由多名具有海内外博士学位的教师和工程师组成，依托“新型电力系统运行与控制”全国重点实验室，承担了200余项科研合作项目，包括30余项国家自然基金项目、20余项国家重点研发计划和国防预研项目，以及20余项国际合作与交流项目。团队在电力电子技术、电气化交通、新能源发电及并网、微电网与储能控制技术等方面进行研究，发表论文630余篇，授权国家发明专利50余项。

个人简介

许烈，1980年10月出生，清华大学电机系副研究员，研究方向为全电飞机技术和航空电推进技术。

目录

1. 背景介绍
2. 永磁同步电机系统设计
3. 永磁同步电机控制
4. 三芯片起发控制系统

背景介绍

多电/全电飞机是航空领域未来的发展方向。传统飞机的二次能源结构复杂，能量转换效率低，而全电飞机结构简化，能量管理高效。航空电机系统需要提供大容量高品质电能，同时满足降低燃油消耗的要求。配电系统包括飞机和发动机的操纵控制设备、完成任务所需设备以及机上人员生活工作设备等用电设备。传统电动机负载包括有刷直流电动机和异步电动机等，新型电动机负载包括机电作动机构、电液作动机构、电除冰系统、电驱动系统和多电/全电飞机的重要特征电动环境控制系统。

国外多电飞机起动/发电一体化的发展路线包括空客A380和波音787，均采用变速变频电源系统，其中波音787成功实现了起动/发电一体化。军机如F-22和F-35均采用270V高压直流供电系统，F-22应用三级式同步电机作为机上发电机，输出功率可达65kW。

我国军机多电/全电化发展的需求迫切，未来军机武器系统对用电需求大幅增加，需要通过提高电气系统的比例提升整机性能。传统液压伺服系统存在系统笨重、维护困难等问题，不适用于折叠翼飞机，而全电随动系统在法国、美国、英国等航空业发达的国家已得到应用。

不同起动/发电系统的参数对比显示，永磁同步电机在可靠性、效率、功率密度等方面具有优势。开关磁阻电机和三级式同步电机在飞机起动/发电系统构建上存在局限性，而永磁同步电机更适合新型电动飞机的发展方向。

永磁同步电机系统设计

设计要求包括起动、发电、恒转差率起动、恒功率发电、过压抑制等阶段。系统电气组成包括电压测量点、电流测量点、温度测量点、转速测量点等。电机电控系统优化设计包括拓扑结构方案对比选择、转子极数对比选择、定子槽数选择、工作基速选择等。不同方案综合性能对比显示，24-4-14000方案综合性能最佳。

永磁同步电机控制

电机模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程等。矢量控制包括转速外环和电流内环，控制器设计遵循工程最优原则。多相永磁同步电机控制基于VSD变换下的双闭环控制模型。无速度传感器控制算法包括直接计算法、模型参考自适应算法、电动积分法等。仿真和实验结果显示，无速度传感器控制算法能够有效估计电角度和转速。

三芯片起发控制系统

技术方案采用ARM+DSP+FPGA的异构三芯片架构。ARM作为总控芯片实现与上位机和其他系统间的通信，DSP负责控制算法的实现，FPGA作为主协调控制器并完成多路PWM驱动。异构多核结构提高系统运行可靠性，三芯片架构控制体系具有较高的可扩展性。

应用展示

矢量控制、无速度传感器控制、容错控制等技术在电推进系统台架测试、运行加减载测试、旋变故障监测测试、降额容错运行算法测试等方面得到应用，验证了技术的有效性和可靠性。