稀土永磁电机在航空上的应用.docx

稀土永磁电机在航空上的应用 一、 稀土永磁电机在航空上的应用特点 随着稀土永磁材料、电力电子、微电子、微机、新型控制理论及电机理论的进步，稀土永磁电机的技术发展十分迅速，在航空领域显示出广泛的应用前景 和强大的生命力。 稀土永磁电机在航空上的应用具有以下特点： 1、 由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电机可明显降低重量、减小体积。航空用电机对其体积、重量有极为严格的要求。现代航空飞行器中，每1 kg设 备重量大约需要15?30 kg的附加重量来支持。 2、 稀土永磁材料的矫顽力Hc高，剩磁Br大，因而可产生很大的气隙磁通，大大缩小永磁转子的外径，从而减小转子的转动惯量，降低时间常数，改 善电机的动态特性。 3、 气隙宽度可以选取较大值，这样可以减小由于齿槽效应引起的力矩波动，也可抑制电枢反应对力矩波动的影响。电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小， 更适合突然反转、堵转驱动等特殊性能要求。 4、 使用无刷直流电动机还具有以下显著特点： 使用寿命长。目前飞机上大量使用有刷直流电动机，寿命只几百小时。随着航空技术的不断发展，各航空电机生产厂都面临延长产品寿命的技术压力。当 寿命要求提高到1000至2000小时时，有刷直流电动机的自身特点已无法满足要求。无刷直流电动机无电刷和换向器，可以大幅度提高寿命指标。 适宜于高速运行。转速越高，电机体积重量可以做得越小。但有刷直流电机由于机械换向的限制，转速很难在现有基础上进一步提高。无刷直流电机在轴承允 许的条件下，转速可成倍增加。 可靠性高。高空换向火化加大，影响可靠性，不利于电磁兼容；高空电刷磨损加剧，碳粉影响绝缘性能，减少电机寿命。无刷直流电机则不存在这些问题。 散热容易。无刷直流电机的主要发热源在定子上，自然散热条件好。同时可以方便地在定子壳体中进行油冷或水冷，特别是循油或喷油冷却可以极大地提 高电机的功率密度。这对于有刷直流电动机是十分危险的。 余度控制方便。无刷直流电机的可靠性薄弱环节在控制器和电机绕组上，多余度控制方法灵活。有刷直流电动机的薄弱环节在换向，较难实现单轴输出的 余度控制。 稀土永磁材料的内禀矫顽力高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，实现方波驱动，提高电机的出力。 由于稀土永磁电机具有上述一系列优点，因而非常适合于对性能、体积、重量要求特殊的航空领域；特别是稀土永磁无刷直流电机，被认为是航空领域最 有发展前景的电机。 二、 稀土永磁电机在航空上的应用现状 在发达国家，稀土永磁电机在航空上的应用已较为广泛，国内相对滞后，到目前为止只有少量新型号飞机得到应用。 稀土永磁电机在飞机上的主要应用对象为各种各样的电力作动系统。电力作动系统是以电动机为执行元件的驱动系统，广泛应用于飞机的飞控系统、环境 控制系统、刹车系统、燃油和起动系统等。 飞机上采用的作动系统有液压、电力、气压和机械4种。其中液压作动系统使用最为广泛；但目前正在大力发展和最有前途的作动系统是电力作动系统。 随着稀土永磁材料、大功率半导器件和微处理器的发展，电力作动系统已发展到与液压作动系统相竞争的地步。 飞控系统 飞控系统用的电力作动系统又叫功率电传作动器，主要用于翼面和方向舵的操作。主要分为电动液压作动器和机电作动器。 70年代中期，美国直升机的液压系统在重要的国际事件中频频出现故障，促使他们对稀土永磁电动舵机进行研究开发。美国通用电气公司、维克斯公司和 HR得克斯特朗公司为下一代飞行控制舵面研制的电动液压作动器采用了钕铁硼永磁无刷直流电机技术。研制的机电作动器采用了高压直流稀土永磁无刷直流电 机技术和脉宽调制式功率变换器技术。 电机控制器接收飞机上飞控计算机发出的控制指令，经过三通道舵回路系统伺服放大器的信号处理、综合与放大，进而驱动系统相应舵机的输出转角来操 纵飞机的舵及副翼的舵面偏转，从而改变飞机的姿态和航向，实现飞控系统对飞机飞行的自动控制。 电动环境控制系统 电动环境控制系统采用机电作动技术，其特点是采用大功率、高转速的变速驱动电动机。美国从1982年开始发展电动蒸汽循环式环境控制系统，并在 P-3反潜飞机上进行试验。该系统采用30000-70000 r/ min的变速高压直流稀土永磁无刷直流电机来驱动压气机。该钐钻永磁电动机在45000 r/ min 时输出34.3 kW的功率。 国内也已研制出电动环境控制系统电动活门稀土永磁无刷直流电动机，直接采用电机所具有的霍尔转子位置传感器输出信号间接测量电机转速，实现电机 在大范围变负载状态下的高精度稳速，而不需要单纯的速度传感器，解决了原直流有刷电励磁串激电机驱动电动活门时的时间控制精度问题。 (3)空中制氧系统 氧气浓缩器是先进飞机的重要机载设备，它为飞行员提供了生命的续航能力。目前国际上只有美国等四个国家拥有该项技术。我国已跻身