[發明專利]用于飛行器電力推進電機與電機控制器的保護系統

在審

• 申請號: 202111100841.6
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN114257156A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 弗雷德里克·拉科;尤金·V·索洛多夫尼克;維亞切斯拉夫·霍濟科夫
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: H02P27/00
• 分類號: H02P27/00;H02P25/16;H02P29/028;B64D27/24;B64D31/00;H02J9/06;H02P27/08
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 王紅艷

本公開涉及用于飛行器電力推進電機與電機控制器的保護系統。一種用于響應故障的發生而保護電力推進系統的方法。方法包括下列步驟：激活電機控制器中的逆變器的電源開關發生短路，以對由電機再生的電流進行重新導向，電機電耦接至電機控制器并且機械地耦接至螺旋槳。方法進一步包括：在電機再生電流的同時，使螺旋槳順槳。保護邏輯被設計成解決不同類型的故障，包括高壓直流電流總線中的故障、電機控制器中的故障以及電機中的故障。

技術領域

本公開整體涉及一種電力轉換系統，并且具體地，涉及用于將直流電流(DC)轉換成交流電流(AC)的電力轉換系統。具體地，本公開涉及用于將飛行器電力推進系統中的DC電力轉換成AC電力的方法和裝置。

背景技術

具有電力推進系統的飛行器(以下稱“電動飛行器”)配備有將電力轉換成機械力的電動機。例如，電動機可以使飛行器上的一個或多個螺旋槳轉動而提供推力。更具體地，電動機在磁場中具有線圈(以下稱“定子繞組”)。當電流經過定子繞組時，磁場對轉子施加扭矩，這使軸旋轉。在該過程中將電能轉換成機械功。

電動飛行器可以采用各種形式。例如，電動飛行器可以是飛行器、旋翼飛行器、直升機、四螺旋槳直升機、無人飛行器、或某一其他合適類型的飛行器。對于電動飛行器，電池較大并且出于推進之目的而被設計成提供大量的電力。在一個實現方式中，電池連接至高壓直流電流(HVDC)總線，即，也由發電機電源供應。如航空航天工業和此處使用的，在直流電流的上下文中，術語“高壓”指比500V_DC更高的任意DC電壓。通常，從三相230V_AC電力的整流中推導該DC高壓。

在用于飛行器的全部電動或混合電力推進系統中，使用大型電動機來提供飛行器的推力。因為構造簡單、比其他電機類型的運行更高效、并且與其他電機類型相比通常具有更低的重量，所以選擇永磁電動機用于電力推進。由電機控制器驅動PM電動機。電機控制器的功能是將HVDC電池電力轉換成驅動電力推進電機所需的至少三相AC電力的可變頻率/可變幅值。電機控制器的另一關鍵功能是保護系統免于故障狀況。混合或混合電力推進系統中的故障狀況可能導致發生意料不到的高電流和高能狀況。

在過去，已經針對利用高功率電機控制器和電機的飛機開發了現有技術的保護架構。然而，負載的性質、功率電平、負載的臨界點、接地方案等與混合電力推進應用非常不同。功率電平較低：最大的電機控制器負載為100kW，而電力推進負載為500kW至1000kW。這導致故障能量水平更高。在這樣的一種飛機中，高功率電機與電機控制器負載均不執行飛機推進功能。大多數功能涉及環境控制系統、電動機泵、發動機啟動、輔助動力單元啟動、以及沖壓風扇。這些功能都不是關鍵的。在沒有任何安全影響的情況下，損失一個或兩個電機負載是可接受的。此外，接地方案與針對電力推進所實現的方案不同。接地方案影響如何能夠并且快速地檢測故障并且影響檢測所使用的傳感器類型。不同類型的電機負載能夠影響其中發生故障之后電力流動的方向，由此需要實現故障后邏輯。之前系統中的不同類型的電機(感應或纏繞轉子機器與大型永磁體)影響保護及其邏輯。最后，驅動一個電機的電機控制器的數量與電機相的數量也影響保護邏輯。在典型的非電力推進應用中，單個電機控制器驅動單個三相電機。對于電力推進，由于高功率電平，電機通常被制成多相(12、18等)。因此，多個電機控制器驅動單個電機。這還影響保護邏輯以及其電機控制器之間的協調。

發明內容

下面在一些細節中公開的主題涉及一種用于飛行器電力推進的容錯電力系統架構。更具體地，公開了用于保護飛機電力推進電機驅動系統的系統和方法。此處所提出的架構還滿足了飛行器的高動力推進需求以及系統可控性和可用性的航空航天需求。在一些部件發生故障的情況下(或一個或多個故障)，此處公開的容錯系統繼續操作。此處，將系統的部分崩潰時維持功能的能力稱為“退化”。當系統的某部分發生故障時，容錯設計能夠使得系統可能以降低的水平繼續其預期操作，而非完全故障。