全电飞机与电推进飞机技术：技术与研究成果介绍

清华大学电机系先进电能变换与电气化交通团队李永东许烈2025年 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，扎根于电力电子技术研究的教师和工程师组成。科研团队依托“新型电力系统运行与控制”全国重点实验室，相关实验平台、测试设备等装置完备。 团队承担了200余项科研合作项目，其中含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，获得多项国内外奖励，取得了巨大的经济效益和良好的社会效益。团队成员近年来发表论文630余篇，其中SCI收录110余篇，EI收录380余篇；授权国家发明专利50余项；组织和共同举办了IPEMC、ICEMS、MEA等国际会议；主持和参加了众多国内电力电子和电气自动化领域的学术会议，并做大会报告，2009年成功举办第三届中国高校电力电子与电力传动学术年会（SPEED），并于2017年和2018年在清华大学成功组织召开了第一届和第二届“电气化交通前沿技术论坛”，在行业内响应热烈。团队长期从事电力电子技术、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的研究。 教育背景 1999-2003北京航空航天大学学士 ?2003-2004英国诺丁汉大学硕士 。2004-2008英国诺丁汉大学博士 工作经历 2022至今清华大学电机系副研究员 先进电能变换与电气化交通系统团队 许烈 研究方向 出生年月：1980年10月TEL:13436678775Email:xulie@mail.tsinghua.edu.cn 全电飞机技术、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 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 可靠性/维护性高 油耗大、易泄漏 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787 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 军机：F-22/F-35 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 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、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、大型预警机 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 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 美国军方对不同类型电气系统的综合评价 A航空起动发电系统的三类起动/发电机 永磁起动/发电机的优势 口开关磁阻电机的劣势 口三级式电机的劣势 永磁同步电机的优势 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 对转子位置检调器的精度以及实时性要求较高 具有高功事密度、高效率、动态响应较快等优点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制荣路 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 电机定转子铁心的摄耗较大机械强度较差 调压控制过程复杂，控制难度大大增加 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 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 清華大学日电机电控系统优化设计 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 泸美大学电机电控系统优化设计 电机电控系统优化设计 电机电控系统优化设计 电机电控系统优化设计 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。 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308W. 电机电控系统优化设计 泸美大学电机电控系统优化设计 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。 系统保护与诊断： 1.交流过流保护①电机失速诊断2.交流过压保护②接触器触点反馈诊断3.三相电流不平衡诊断(③软件看门狗（Watchdog）4.直流过/欠压保护14④初始化诊断5.直流电流保护15通讯失效诊断6.直流电流差动保护16速度检测失效诊断7.SiC模块温度保护①功率过载诊断8.电容温度保护?电机断相保护9.散热器温度检测(进出水口)?驱动短路保护10.电机温度保护20供电电源过/欠压诊断 清華大学样机-NPC三相永磁同步 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 清華大学样机SiC两电平双三相永磁同步 上位机系统 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 >永磁同步电机数学模型 电压方程： 磁链方程： ·转矩方程： >永磁同步电机矢量控制 转速外环 电流内环 交叉解耦项 ug_com=の,Lia+ PI控制器设计（工程最优原则） 多相永磁同步电机控制清羊大学 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 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 实际转速与估计转速仿真波形 转速估计误差范围为±50rpm，电角度估计最大误差小于5° 电角度估计值与实际值仿真波形 双三相电机矢量控制 ·断一相 容错与无速度算法耦合问题 容错与无速度算法耦合问题清莱大学 矢量控制清华大学应用展示 无速度传感器控制清华大学应用展示 容错控制清羊大学应用展示 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 清華大学土技术方案控制系统 三芯片控制系统：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，并下发当前的工作状态与工作指令。 FPGA可靠性高，速度快，作为主协调控制器并完成多路PWM驱动。 DSP负责控制算法的实现，采样与保护。 ·异构多核结构提高系统运行可靠性；三芯片通讯采用两套数据总线传输数据，避免单一数据总线传输数据产生竞争、昌险：三芯片架构控制体系具有较高的可扩展性，可以通过配置IO端口实现AD采样、PWM可扩展输出，是目前航空电气系统控制器普适性最好的平台， 清華大学技术方案控制系统 浦华大学技术方案一一下一代“双DSP、双核、三芯、双余度控制系统 谢谢！ 清华大学许烈 xulie@mail.tsinghua.edu.cn TEL:13436678775