电气行业市场前景及投资研究报告：全电飞机电推进飞机技术

清華大学目录1、背景介绍NE2、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清華大学目录1、背景介绍NE2、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美大学背景介绍tiaghonUali多电/全电飞机已成为航空领域未来的发展方向电池联空电子设备电话NE机械技减压能L-@电环控系线电器电话一次能源：航空发动机传统飞机二次能源结构图全电飞机二次能源结构图结构简化，重量减轻能量管理高效结构复杂能量转换效率低油耗大、易泄漏可靠性/维护性高背景介绍清华大学iaghiaUai适应飞机电气化需求的航空电机系统口核心：由发动机传动的飞机发电机及其控制和保护设备电源口要求：发电机系统需要提供大容量高品质电能，同时需要满足降低燃油消耗的要求配电系统口组成：飞机和发动机的操纵控制设备、完成飞行任务所需设备以及机上人员生活工作设备等口用电设备传统电动机负载：有刷直流电动机和异步电动机等口新型电动机负载：机电作动机构、电液作动机构、电除冰系统、电驱动系统和电动环境控制系统多电/全电飞机的重要特征核心航空同服电动机系统与驱动电动机系统背景介绍清华大学Tiaghiesie国外多电飞机起动/发电一体化的发展路线客机：空客A380/波音7870两者均采用变速变频电源系统，其中，B787成功实现了起动/发电一体化AirbusA380-4×150kVAVFgeneration2x120kVAAPU8-787New0.6C-141A-380Boeing7870.4F-224x250kVAVFgenerationF-15-2×225kVAAPUFA0.2B-777B-7471980军机：F-22/F-351950196019701990200020022004200620082010美国空军的“猛禽”F-22以及目前最为先进的F-35战斗机均采用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背景介绍清华大学isghueUsixr我国军机多电/全电化发展的需求/军机多电/全电化需求追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/需要多电/全电化的军机机型战斗机侦察机军用运输机空中加油机战斗机、军用运输机、战略轰炸机、侦赛机、空中加油机电子对抗机、大型固定囊无人机、大型液压随动上限较低，全电随动追在眉睫传统液压伺服系统仍较为普遍，存在系统笨重、维护困难等缺点，不适用于折叠翼飞机从上世纪90年代开始，法国、美国、英国等航空业发达的国家就开始全电随动系统的开发和应用，目前部分机型已装配了全电随动系统我国开-15舰载机仍采用液压随动系统，且曾因液压系统出现泄漏导致事故发生电子战飞机背景介绍浦華大学hiaghieUaises不同起动/发电系统的参数对比航空电机所处于的工作环境具有一定特殊性，：需对电机的结构设计和材料选取进行研究，不仅满足起动和发电双功能，还要具备高可靠性如何在保证电机输出能力、可靠性的前提下，优化电机的质量、实现轻量化设计、缩小电机的体积、节省系统所占用的空间也是航空电机需要研究的问题电机类型CFIIVDC开关照拍电机VSCF可章性（30)费用(24)12.93027.617.0192特速22224rpm18000rpmudi0000z24.0大小维给性(20)重量(20)10.420.615.820.0效事13.294%91.4%96.1%80.2mm11.1kg供电质量（6)4.86.05.6体/置量(158.6mm202.7mm总计(100)65.385.695.806(235.8kgA美国军方对不同类型电气系统的综合评价航空起动发电系统的三类起动/发电机背景介绍清華大学hiaghinUaixensit永磁起动/发电机的优势口口永磁同步电机的优势口开关磁阻电机的劣势三级式电机的劣势对转子位置检调器的精度以及实时性要求较高转子结构复杂，使得起/发系统可靠性下降，不适于高温高压运行具有高功事密度、高效率、动态响应较快等优点开关磁阳电机独特的结构特征使其具有严重的非线性，使得对电机性能的精确分析和计算变得较为困难调压控制过程复杂，控制难度大大增加电机的可掌性和稳定性较好控制相对简单，更容易实现较好的控励磁方案奶存在技术图雅：交流磁方案的电激系统重量体积大，系统结构复杂；单相助磁方累无法满足大功电机定转子铁心的摄耗较大机械强度较差制荣路率主发电机的超动/发电双功能要求随看新型电动飞机向大型化、长航程以及高可靠性等方向发展，开关磁阻电机和三级式同步电机均在飞机起动/发电系统构建上显需出了较多的局限性阅质高利可用连的永品同步电机为床来电动机电机的电发房方店清華大学目录1、背景介绍NE2、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设计要求浦華大学Speed30,00025,00020,00015,00010,0005,000-d,0001012Time(s);本同起动价段发电阶服失娃空载发电恒动率起动正摩发电拉制FW恒转超起游过压滋荐回降使组，

当检测到厚线电氏对高时新波润荐总港有日路工作系统电气组成清華大学电压测量点电流测量点0温度测量点转速测量点w电机电控系统优化设计清華大学日A）拓扑结构的方案对比选择确定电机定子多槽，分布式绕组，转子表面贴磁结构B）转子极数对比选择一对比4极和6极电机性能，考虑控制器工作频率，确定4极结构C)定子槽数选择对比24槽，36槽电机性能，确定电机24槽结构D）工作基速选择对比不同基速（满电压速度），考虑起动和运行性能要求，确定电机工作基速为20000rpm电机电控系统优化设计泸美大学不同方案综合性能对比起动热负发电热负发电电性能超动电流过款1过载2功率密度

控制器24-4-1400024-4-2000024-4-2400036-4-14000364-2000036-4-2400024-6-1400024-6-2000024-6-2400036-6-1400036-6-2000036-6-24000GoodHeranBad电机电控系统优化设计StartingPerformance/起动性能AppliedvoltageAppliedvoltageVrms(Vm5)ConstantPhaseCurrentPhase(Arms)(Arms)电机电控系统优化设计GeneratingPerformance/发电性能PhaseCurrent(Arms)MachineEfficiencyThermalLoad(A^2/mm^3)电机电控系统优化设计ShortCircuitCharacteristics/短路特性短路稳态是电流有效值为1343A电流瞬态电流冲击值达到5.3kA，由于分析针对电机本体绕组短路，不考虑对控制器冲击影响但该电流将产生较大的瞬态冲击热负荷。PhaseCurrent(Arms)XYPlot在0-1s时间段内永磁体涡流损耗为6.04kW，绕组损耗为8.24kW，铁心损耗为440W。而在1-2s时间段内永磁体涡流损耗为1.03kW，绕组损耗为7.94kW，铁心损耗为Losses(kw)308W.电机电控系统优化设计ShortCircuitCharacteristics/短路特性PhaseCurrentinPh-GroundshortCurrentinPh-Phshort(Arms)rmsPhaseVoltageinPh-Phshort(Vacrms)Demagnetizationfiledwithmax.shortcurrent20泸美大学电机电控系统优化设计电机和控制器协同优化DNPC-PDPWMANPC-PDPWMANPC-PSPWM联瓣20k高开关频率20kHz有利于系统的控制与谐波特性：载波层叠PSPWM方法有利于减小控制器损耗。故障诊断与保护浦清华大学古系统保护与诊断：①电机失速诊断②接触器触点反馈诊断(③软件看门狗（Watchdog）14④初始化诊断1.交流过流保护2.交流过压保护3.三相电流不平衡诊断4.直流过/欠压保护5.直流电流保护15通讯失效诊断6.直流电流差动保护7.SiC模块温度保护16速度检测失效诊断①功率过载诊断?电机断相保护8.电容温度保护?驱动短路保护9.散热器温度检测(进出水口)20供电电源过/欠压诊断10.电机温度保护-NPC三相永磁同步清華大学样机三电平样机额定功率250kW，过载175%能力，NPC兼容三级式、永磁同步、交流异步多种电机类型先进的第四代IGBT技术，全数字化控制技术，高性能电机矢量控制技术。电机转速26000rpm现场调试时的样机照片样机SiC两电平双三相永磁同步清華大学dinghunUsiet技术指标参数电推进/起发一体双三相/两电平/Sic技术指标供电范围参数功能24-36VDC效率重量≥98.4%拓扑形式功率直流电压范围电机类型200-400kVA400-750VDC20.8kg矢量控制FOC控制方法（电推进）永磁同步无速度传感器控制多相电机容错控制电机额定转速开关频率1000-24000rpm恒转矩起动恒功率起动≥20kHz电机线电压电机相电流冷却方式环境温度速度信号通讯方式400VACrms控制方式（起发一体）急速模式≤360A×2ACrms恒电压发电控制水/油弱磁恒压发电控制≤50°C有绝缘检测控制系统Resolver/Encoder体积：490mm×300mm×120mm重量：20.8kg（不含冷却水）异构三芯片架构CAN/485/422/网实验平台泸華大学现场调试时的系统配置实验平台泸华大学实验平台上位机系统浦華大学TinhunUane上位机系统三5清華大学目录1、背景介绍NE2、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泸华大学电机模型>永磁同步电机数学模型电压方程：ua=Ri+L,di.,L,idtpug=Ri,+La磁链方程：·转矩方程：h+P=Ph[V.=Lq[-p(wa-)-三相永磁同步电机失量控制泸华大学>永磁同步电机矢量控制转速外环ia_n=Gpls(r-の)电流内环ud=Gpr_-(id_rey-ia)+ud_com[ug=Gpr_,(ig_rrig)+Ua_com交叉解耦项ug_com=の,Lia+[K,=OLKRL2Ta2TPI控制器设计（工程最优原则）=0RK.K,=K,/T,=K,/TRL2T清羊大学多相永磁同步电机控制双三相电机模型基于VSD变换下的双闭环控制模型五清華大学无速度传感器控制算法直接计算法模型参考自适应算法厦电动劳积分法-x-(2)dt基于电够变化的估算方法中高建区域全/降阶然市测源法-太电网步电机可调机型+0(0)扩能卡尔爱达技器法（(EKF)的估障方法模视润得法（SMO)[0,dr+0(0)模量零尚自洁应算MRASHFRVT脉振高频电压注入法新高期电压注入HFPV加权平均复合控制算法(R_)-(4me)-R,284,-IPr[i,sia(ny)](A_+(4m/wT-RI28,4MRASs(2e),=ab+(1μ)0,sn(240)KE_X+K9(s)[0,=bxu+(1p)0,(s)S'+KK_S+KK=K_4无速度传感器控制算法清美大学无速度传感器控制仿真结果无速度传感器控制实验结果IFP1预估角度实际角度实际角度与预估角度对比图实际转速与估计转速仿真波形全速域运行无位置算法仿真波形转速估计误差范围为±50rpm，电角度估计最大误差小于5°q轴电流实际值和预估值对比图8.0048.006电角度估计值与实际值仿真波形容错控制算法清美大学双三相电机矢量控制一?天量空间解籍·多-dq坐标变换8双三相电机容错049·断两相·断三相·断一相杆与科清美大学容错与无速度算法耦合问题国[9][（[]3LM(0)(0)os适应,=[6,@+8,(0)-:L,-L,*44,-,*4清莱大学容错与无速度算法耦