CC BY
33
УДК 621.313.84
doi 10.24411/2221-0458-2022-98-06-17
ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ НА РОЛЬ ИНТЕГРИРОВАННОГО
СТАРТЕРА-ГЕНЕРАТОРА
Уразбахтин Р.Р., Нуриева А.М., Пронин Е.А.
Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
ELECTRIC MACHINE SELECTION FOR THE ROLE OF INTEGRATED
STARTER-GENERATOR
RR Urazbakhtin, A.M. Nurieva, E.A. Pronin Ufa State Aviation Technical University, Ufa
В статье авторами производится выбор электрической машины, наиболее подходящей на роль интегрированного в авиационный двигатель стартера-генератора. Обосновывается важность проектирования и исследования интегрированных стартеров-генераторов с целью их дальнейшего применения на летательных аппаратах нового поколения. Проводится анализ современной научно-технической литературы по электрическим машинам, применяющимся в качестве стартеров-генераторов, в том числе в качестве интегрированных стартеров-генераторов. Для каждого рассмотренного типа электрических машин выявляются преимущества и недостатки. По результатам анализа научно-технической литературы делаются выводы о наиболее подходящем типе электрической машины на роль интегрированного стартера-генератора. Выявляются задачи, которые необходимо решить для применения выбранного типа электрической машины в качестве интегрированного стартера-генератора. Анонсируются будущие работы, которые необходимо провести для завершения проектирования и исследования интегрированного стартера-генератора.
Ключевые слова: более электрический самолет; полностью электрифицированный самолет; интегрированный стартер-генератор; электрическая машина с постоянными магнитами; бездатчиковое управление; устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды; двухконтурный турбореактивный двигатель
The analysis of modern scientific and technical literature on electric machines used as starter generators, including as integrated starter generators, is carried out. Advantages and disadvantages are identified for each type of electric machines considered. Based on the results of the analysis of scientific and technical literature, conclusions are drawn about the most suitable type of electric machine for the role of an integrated starter generator. The tasks that need to be solved for the application of the selected type of electric machine as an integrated starter generator are identified. Future works that need to be carried out to complete the design are announced.
Keywords: more electric aircraft; fully electrified aircraft; integrated starter generator; electric machine with permanent magnets; sensorless control; resistance to aggressive environmental influences; dual-circuit turbojet engine
Введение
Для современной авиации актуальны задачи повышения топливной эффективности и экологичности летательных аппаратов (ЛА). Ранее авторами было установлено, что наиболее перспективным и реализуемым на текущем уровне путем создания перспективных ЛА является его электрификация в рамках концепции более электрического самолета (БЭС) [1] и в последствии полностью электрифицированного самолета (ПЭС) [2]. Ключевой технологией в рамках концепций БЭС и ПЭС является интегрированный стартер-генератор (ИСГ), располагающийся непосредственно внутри маршевого авиационного двигателя (АД) и позволяющий производить электрический запуск этого АД и генерирующий электроэнергию в бортовую сеть ЛА во
время полета. Применение ИСГ на ЛА позволяет отказаться от отбора пневматической, гидравлической и механической мощностей от АД.
На сегодняшний день проектированию ИСГ посвящено достаточно мало научных работ, что обуславливает актуальность расширения теоретических знаний в области ИСГ. В работе авторами производится анализ существующих работ на тему стартеров-генераторов (СГ), в том числе ИСГ, и на основании аналитических данных производится выбор ЭМ, наилучшим образом удовлетворяющий требованиям ИСГ. Поэтому в статье авторами производится выбор ЭМ на роль ИСГ.
Цель исследования
Целью исследования является определение вида ЭМ, наиболее
подходящей на роль ИСГ, с учетом особенностей функционирования ИСГ в ТРДД. Определение вида ЭМ на роль ИСГ производится аналитически на основе анализа современной научно-технической литературы.
Материалы исследования К ЭМ, которые претендуют на роль ИСГ, предъявляются высокие требования надежности, ресурса, массы и габаритов. В связи с этим некоторые виды ЭМ изначально не рассматриваются на роль ИСГ. Например, не рассматриваются контактные синхронные ЭМ, так как в них есть подверженный износу и требующий регулярного обслуживания щеточно-коллекторный узел. Более того, в связи с падением влажности воздуха на больших высотах в щеточно-коллекторном узле может начаться искрение, что может потенциально сказаться на безопасности полета ЛА. Далее в статье проведен обзор различных видов ЭМ, которые могут претендовать на роль ИСГ.
Вентильные реактивные электрические машины (ВРЭМ) В работах [3-6] рассматривается применение ВРЭМ в качестве авиационного СГ. В [3] спроектирован СГ на основе ВРЭМ мощностью 2 кВт при частоте вращения 4800 об/мин,
обеспечивающий момент 15 Нм при частоте вращения 1000 об/мин в стартерном режиме. В работах [3, 4] производится проверка параметров СГ на основе ВРЭМ в составе системы запуска АД. В [5] спроектирован высокооборотный СГ на основе ВРЭМ мощностью 40 кВт при частоте вращения 36000 об/мин. В [6] построена тепловая модель СГ на основе ВРЭМ мощностью 30 кВт, на основе которой установлены ограничения тепловых сопротивлений системы охлаждения СГ.
ВРЭМ является серьезным кандидатом на роль ИСГ, так как способна обеспечивать высокое выходное
напряжение в режиме генерирования. Преимуществами ВРЭМ являются простота изготовления и обслуживания, высокая надежность и невысокая стоимость. Однако, ВРЭМ обладают недостатками в виде невысокого коэффициента мощности (в связи с большой величиной намагничивающей составляющей тока статора), большими габаритами (по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями сопоставимых мощностей) и невысоким коэффициентом полезного действия (КПД) при невысоких мощностях. Перспективой развития СГ на основе ВРЭМ является создание систем
бездатчикового управления и уменьшение их массы и габаритов.
Асинхронные ЭМ
В работах [7-10] рассматривается применение асинхронных ЭМ в качестве авиационных СГ. В [7] оптимизируется СГ на основе асинхронной ЭМ мощностью 6 кВт при частоте вращения 4800 об/мин, развивающей в стартерном режиме момент 30 Н м. В [8] мощность СГ составляет 6 кВт при частоте вращения 10000 об/мин, в [9] мощность СГ составляет 100 кВт в диапазоне частот от 6000 до 15000 об/мин (обеспечивает момент 30 Н м в стартерном режиме). В [10] исследован процесс переключения СГ на основе асинхронной ЭМ между стартерным и генераторным режимами работы.
Асинхронные ЭМ могут выступать в роли ИСГ, так как обладают высокой надежностью, бесконтактностью (в случае асинхронной ЭМ с ротором типа беличья клетка), невысокой стоимостью и просты в производстве. При этом для асинхронных ЭМ характерны невысокая плотность мощности и невысокий коэффициент полезного действия. Перспективами асинхронных ЭМ, планирующихся к применению в качестве ИСГ, являются разработка систем бездатчикового
ISSN 2077-6896
управления и проектирование асинхронных ЭМ отказоустойчивых топологий.
ЭМ с вращающимися выпрямителями
В работах [11, 12] рассматривается применение ЭМ с вращающимися выпрямителями в качестве СГ. Такие ЭМ обычно состоят из подвозбудителя, возбудителя, блока вращающихся выпрямителей и основного генератора, расположенных на одном валу. Для обеспечения работы СГ на основе ЭМ с вращающимися выпрямителями необходимо обеспечить питание от двух независимых инверторов. В [11] формируется оптимальная стратегия управления для СГ на основе ЭМ с вращающимися выпрямителями
мощностью 8 кВт и обеспечивающего момент 170 Нм. Цель предложенной стратегии - расчет оптимальных токов для минимизации потерь СГ в меди. В [12] получено выражение для расчета момента СГ на основе ЭМ с вращающимися выпрямителями, учитывающее перекрестную связь поля возбуждения (учитывает наличие взаимной индуктивности не только между полем возбуждения и осью d, но и между полем возбуждения и осью q).
ЭМ с вращающимися выпрямителями обладают высокими КПД и коэффициентом мощности, что делает ЭМ с вращающимися
ISSN 2077-6896
выпрямителями серьезными кандидатами на роль СГ. Недостатками ЭМ с вращающимися выпрямителями являются высокие масса и габариты, невысокая надежность. Эти недостатки обусловлены их сложной двух- или трехкаскадной конструкцией. Более того,
полупроводниковый блок вращающихся выпрямителей имеет ограничения по максимальной рабочей температуре около 125 °C, что исключает возможность размещения такой ЭМ в зоне АД с рабочей температурой выше 100 °C.
Двухроторные ЭМ В работах [13, 14] на роль СГ рассматриваются двухроторные ЭМ (от английского - doubly salient startergenerator). Роторы таких ЭМ располагаются на одном валу, при этом могут иметь различное количество зубцов или быть сдвинутыми на определенный
электрический угол. Конструкция таких ЭМ сочетает в себе признаки индукторных ЭМ и ЭМ с ПМ. В [13] исследуется оригинальный подход к управлению двухроторной ЭМ - в стартерном режиме одна секция ЭМ используется как электродвигатель, а вторая используется для отслеживания положения ротора. Экспериментальные исследования
проведены на двухроторной ЭМ
мощностью 18 кВт. В [14] проведено сравнение двух СГ на основе ВРЭМ и двухроторной ЭМ мощностями 40 кВт и частотами вращения 36000 об/мин. Результаты сравнения показали, что что СГ на основе ЭМ с двумя выраженными роторами обладает большими потерями в меди, при этом требует меньшей мощности возбуждения и обладает меньше потерями в целом на высоких частотах вращения ротора.
Двухроторные ЭМ являются серьезными кандидатами на роль СГ, так как они достаточно просты в управлении, обладают высокой надежностью благодаря простой конструкции и могут выполняться на значительные мощности. Недостатками двухроторных ЭМ является сложность обеспечения необходимой мощности СГ для запуска АД в стартерном режиме и значительные пульсации момента на валу в стартерном режиме.
ЭМ с ПМ
Необходимо отметить, что большинство современных работ по проектированию СГ посвящено
проектированию СГ на основе ЭМ с ПМ. Проектирование СГ на основе ЭМ с ПМ рассматривается в работах [15-19]. Работа [15] посвящена проектированию модульного синхронного СГ на основе ЭМ
с ПМ мощностью 90 кВт и частотой вращения 65000 об/мин. В [16] спроектирован СГ на основе ЭМ с ПМ мощностью 5 кВт и частотой вращения 24000 об/мин. При проектировании данного СГ на основе ЭМ с ПМ была применена многокритериальная оптимизация методом роя частиц. В [17] спроектирован высокооборотный СГ на основе ЭМ с ПМ мощностью 3 кВт при частоте вращения 65000 об/мин. Компьютерная модель спроектированного СГ на основе ЭМ с ПМ учитывает механическую связь его ротора с ротором АД. В [18] сравниваются СГ на
ЭМ с ПМ имеют ряд существенных преимуществ, делающих их наиболее серьезными кандидатами на роль СГ. ЭМ с ПМ обладают высокими надежностью и плотностью мощности, невысокими массой и габаритами. Ограничением при
основе ЭМ с ПМ и СГ на основе асинхронной ЭМ с фазным ротором. Результаты сравнения показали, что при необходимости обеспечить момент 140 Нм при мощности 8 кВт масса СГ на основе ЭМ с ПМ меньше на 5,8 кг по сравнению с СГ на основе асинхронной ЭМ с фазным ротором. В [19] проведен сравнительный анализ типов ЭМ, претендующих на роль СГ. Результаты сравнения, проведенного в [19], приведены в таблице 1. Согласно таблице 1, ЭМ с ПМ по совокупности параметров являются наиболее
подходящими кандидатами на роль СГ.
применении ЭМ с ПМ в качестве СГ выступает сложность обеспечения отказоустойчивости. Это связано с тем, что магнитный поток от ПМ ротора имеет постоянную величину и не ослабевает при возникновении отказа. В связи с
Таблица 1 - Сравнительный анализ типов ЭМ, претендующих на роль СГ [19]
Вид ЭМ Плотность мощности Перегрузка по моменту Возможность обеспечения отказоустойчивости Сложность конструкции
Асинхронные ЭМ с короткозамкнутым ротором Средняя Средняя Хорошая Низкая
ЭМ с ПМ Высокая Хорошая Плохая Средняя
ВРЭМ Средняя Средняя Хорошая Низкая
Асинхронные ЭМ с фазным ротором Низкая Хорошая Хорошая Высокая
ISSN 2077-6896
вышесказанным требуется разработка специальных стратегий управления ЭМ с ПМ, обеспечивающих их
отказоустойчивость. Обеспечение
отказоустойчивости ЭМ с ПМ сложная инженерная задача, решение которой возможно на современном этапе развития технологий. Также при применении ЭМ с ПМ в качестве СГ необходимо решать вопросы, связанные с обеспечением ее устойчивости к агрессивным воздействием окружающей среды.
Существующие решения по ИСГ Разработка и исследование ИСГ на сегодняшний день мало освящены в современной научно-технической
литературе. Проектированию ИСГ посвящены работы [20-25]. В [20] спроектирован ИСГ с гальванической развязкой фазных обмоток и реализованным бездатчиковым
управлением. В [21] разработан индукторный ИСГ для беспилотного ЛА с авиационным поршневым двигателем (АПД). Представленные математические модели ИСГ учитывают динамику ротора АПД. В [22] разработан ИСГ на основе ЭМ с ПМ для беспилотного ЛА. В [23] разработан ИСГ на основе ЭМ с ПМ мощностью 6 кВт и частотой вращения ротора 6000 об/мин для АПД
демонстратора технологий БЭС ЯК-18Т, успешно прошедший наземные испытания и планирующийся к проведению испытаний в составе ЛА. В [24] представлен высокотемпературный ИСГ для ТРДД, размеры которого выбраны согласно размерам его зоны размещения в ТРДД. В [25] проектируются ИСГ с внешним ротором.
В основном ИСГ в известных работах проектируются на основе ЭМ с ПМ. Интеграция СГ в основном проводится с АПД. АПД с ИСГ могут в основном применяться на легкомоторных ЛА. В большинстве известных работ по проектированию ИСГ не рассматривается взаимное влияние параметров ИСГ и АД, в который он интегрируется.
Результаты исследования и их обсуждение Результаты анализа научно-технической литературы показали, что кандидатами на роль ИСГ являются ВРЭМ, асинхронные ЭМ, ЭМ с вращающимися выпрямителями, двухроторные ЭМ и ЭМ с ПМ. При этом наиболее сильными кандидатами на роль ИСГ являются ЭМ с ПМ, так как при невысоких массе и габаритах они обладают высокими плотностью мощности и надежностью. Для того, чтобы применять ЭМ с ПМ в качестве
ИСГ, необходимо решить задачи обеспечения их отказоустойчивости и устойчивости к агрессивным воздействиям окружающей среды. Обе задачи возможно решить на современном этапе развития технологий. Необходимо отметить, что для полноценного применения ЭМ с ПМ в качестве ИСГ необходимо разработать бездатчиковую стратегию управления, эффективную как при околонулевых и низких, так и при высоких частотах вращения ротора. Выбор ЭМ с ПМ как основного кандидата на роль ИСГ подтверждается анализом современной научно-технической литературы по ИСГ.
Касательно проектирования и исследования ИСГ необходимо отметить, что разработки в этом направлении ведутся крупными корпорациями и научно-исследовательскими коллективами. На сегодняшний день известные работы посвящены проектированию ИСГ для АПД, в небольшой степени затрагивают проектирование ИСГ для газотурбинных двигателей (ГТД). В основной части работ не учитывается взаимное влияние параметров ИСГ и АД, в который он интегрируется. Перспективой развития ИСГ является выполнение ИСГ с бездатчиковыми системами управления и на основе ЭМ отказоустойчивых
ISSN 2077-6896
топологий. Анализ научно-технической литературы по ИСГ показал, что в основном ИСГ проектируются на основе ЭМ с ПМ.
Заключение
В статье проведен анализ научно-технической литературы по ЭМ, которые могут претендовать на роль ИСГ. Было установлено, что ИСГ целесообразно проектировать на основе ЭМ с ПМ, при этом необходимо решать задачи обеспечения отказоустойчивости и устойчивости к агрессивным условиям окружающей среды ЭМ с ПМ. Для ЭМ с ПМ, выступающей в роли ИСГ, должна управляться бездатчиковыми методами.
Результаты работы также показали, что ИСГ проектируются без учета особенностей, обусловленных их размещением непосредственно внутри АД. В будущих работах авторами будет проектироваться и исследоваться ИСГ для двухконтурного турбореактивного
двигателя (ТРДД). Будут рассматриваться различные особенности, обусловленные расположением ИСГ непосредственно в ТРДД, например, длительное воздействие высоких температур, колебания роторов ТРДД, особенности работы ТРДД при запуске и т.д.
Благодарности
Работа выполнена в рамках гранта в форме субсидий в области науки из бюджета Республики Башкортостан для государственной поддержки молодых ученых, тема «АП-ЭМ-02-21-ГБ».
Библиографический список
1.Sarlioglu B., Morris C. T. More electric aircraft: Review, challenges, and opportunities for commercial transport aircraft // IEEE transactions on Transportation Electrification. 2015. Vol. 1. №. 1. P. 54-64.
2. Wheeler P. Technology for the more and all electric aircraft of the future // 2016 IEEE International Conference on Automatica (ICA-ACCA). 2016. P. 1-5.
3. Zhao E., Song S., Li Y., Ma R., Liu W. Design and Initial Testing of an Integrated Switched Reluctance Starter/Generator System for Unmanned Aerial Vehicle //2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2018. P. 1918-1923.
4. Sun J., Kuang Z., Wu H., Wang S., Ning G. Implementation of a high-speed switched reluctance starter/generator system // 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems. 2011. P. 1-5.
5. Yu L., Zhang Z., Gerada D., Gerada C. Performance Comparison of Doubly Salient Reluctance Generators for High-Voltage DC Power System of More Electric Aircraft // 2018 IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC). 2018. P. 1-6.
6. Shoujun S., Weiguo L., Schaefer U. Thermal analysis of a 30kW Switched Reluctance Starter/Generator system used in aircraft //2009 International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives. 2009. P. 331-336.
7. Papaoikonomou D., Geest M., Polinder H. Comparison between induction and PM machine for high speed starter-generator applications // 7th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2014). 2014. P. 1-6.
8. Rubino S., Bojoi R., Cavagnino A., Vaschetto S. Asymmetrical twelve-phase induction starter/generator for more electric
engine in aircraft // 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). 2016. P. 1-8.
9. Rizzoli G., Serra G., Maggiore P., Tenconi A. Optimized design of a multiphase induction machine for an open rotor aeroengine shaft-line-embedded starter/generator // IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2013. P. 5203-5208.
10. Zhang L. H., Hu Y. W., Huang W. X. Research on the conversion from starting mode to generating mode of induction machine starter/generator system // Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2005. Vol. 26. № 3. P. 356-361.
11. Girardin A., Friedrich G. Optimal control for a Wound Rotor Synchronous starter generator // Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting. 2006. P. 14-19.
12. Pang J., Liu W., Jiao N., Wang J., Ma P. Calculation of Cross-Coupling Inductance and Electromagnetic Torque in Wound-Rotor Synchronous Starter/Generator // IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 66. № 7. P. 5115-5123.
13. Shi C., Wang H., Liu W. Sensorless Control Method for Wound-Field Doubly Salient Starter/Generator with Two-section
Interlaced-Rotor Structure. 2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). 2019. P. 254-259.
14. Yu L., Zhang Z., Gerada D., Gerada C. Performance Comparison of Doubly Salient Reluctance Generators for High-Voltage DC Power System of More Electric Aircraft // 2018 IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC). 2018. P. 1-6.
15. He X., Guo H., Ding X., Tian W. Design of High-Power and High-Speed PM Assisted Synchronous Reluctance Aero-Starter-Generator // 2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2019. P. 1-5.
16. Geest M., Polinder H., Ferreira J. A., Zeilstra D. Design and testing of a highspeed aerospace permanent magnet starter/generator // 2015 International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles (ESARS). 2015. P. 1-6.
17. Korolev V. V., Liskovskaya E. V., Pavlov D. A. Calculation and Simulation of a Starter-generator for the Aviation Gas Turbine Engine // 2020 XXIII International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM). 2020. P. 249-251.
ISSN 2077-6896
18. Friedrich G. Experimental comparison between Wound Rotor and permanent magnet synchronous machine for Integrated Starter Generator applications // 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. 2010. P. 1731-1736.
19. Geest M., Polinder H., Ferreira J. A., Zeilstra D. Machine selection and initial design of an aerospace starter/generator //2013 International Electric Machines & Drives Conference. 2013. P. 196-203.
20. Bhangu B. S., Rajashekara K. Electric Starter Generators: Their Integration into Gas Turbine Engines // IEEE Industry Applications Magazine. Vol. 20. № 2. P. 14-22.
21. Zhao E., Song S., Li Y., Ma R., Liu W. Design and Initial Testing of an Integrated Switched Reluctance Starter/Generator System for Unmanned Aerial Vehicle // 2018 21st International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2018. P. 1918-1923.
22. Zhang G. H., Ma C. Q., Sun H. Y., Zhang L. F., Liu L. and Wang K. Optimization
design of interior PM starter-generator // 2017 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2017. P. 1-5.
23. Ismagilov F. R. et al. Creation of an integrated starter-generator for the aircraft piston engine-demonstrator APD-500 // 2021 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS). 2021. P. 584-591.
24. Ismagilov F., Vavilov V., Gusakov D. High-temperature reversed startergenerator. Design and multi-criteria optimization // IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2017. P. 1977-1982.
25. Bojoi R., Cavagnino A., Tenconi A., Vaschetto S. Control of Shaft-Line-Embedded Multiphase Starter/Generator for Aero-Engine // IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 63. № 1. P. 641652.
Уразбахтин Руслан Рустемович, аспирант кафедры электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета, г. Уфа, E-mail: urr98@mail.ru
Нуриева Альбина Мавлитовна, магистрант кафедры электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета, г. Уфа, Email: albinka_nurieva@mail.ru
Пронин Егор Андреевич, магистрант кафедры электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета, г. Уфа, Email: apblider04@yandex.ru
Ruslan Rustemovich Urazbakhtin, postgraduate of the Department of Electromechanics, Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia, e-mail: urr98@mail.ru
Albina Mavlitovna Nurieva, master student of the Department of Electromechanics, Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia, e-mail: albinka_nurieva@mail.ru
Egor Andreevich Pronin, master student of the Department of Electromechanics, Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia, e-mail: apblider04@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 5.07.2022
