航空上稀土永磁電機的運用范文
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摘要：
本文首先概述了稀土永磁電機在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，其次介紹了稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用特點，最后對稀土永磁電機在航空領(lǐng)域中的發(fā)展及應(yīng)用趨勢進行了分析，具有一定的現(xiàn)實參考意義。
關(guān)鍵詞：
稀土永磁電機；航空；無刷直流電機；發(fā)展
1稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用現(xiàn)狀
飛機的電力作動系統(tǒng)是稀土永磁電機的主要使用對象，所謂電力作動系統(tǒng)即飛機驅(qū)動系統(tǒng)，其執(zhí)行元件為電動機，在飛機的燃油系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)以及飛控系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。
1．1燃油系統(tǒng)
以往通常依靠有刷直流電動機來驅(qū)動系統(tǒng)的液壓閥、液壓泵，但是現(xiàn)階段無刷直流電動機的應(yīng)用比較普遍。在泵的帶動下，電機能夠浸在燃油中，而且對電機本體及控制器進行安裝時采用同一殼體，使之處于完全密封的狀態(tài)。在燃油系統(tǒng)中采用稀土永磁電機，具有軟起動以及數(shù)字控制的速度閉環(huán)功能。
1．2剎車系統(tǒng)
1982年，美國成功研制出電剎車系統(tǒng)并將其試安裝在A－10攻擊機上，開展了一系列相關(guān)試驗。隨后，在1990年，美國在原有的基礎(chǔ)上采用滑輪蝸桿作動器以及大力釤鈷永磁無刷直流電機開發(fā)出第三代飛機電剎車系統(tǒng)。之后，美國于1998年研發(fā)出以四臺稀土永磁無刷直流電機作為電作動器的電剎車系統(tǒng)，并在F－16戰(zhàn)斗機上進行了安裝及試飛工作。該電剎車系統(tǒng)采用了具有較低慣性的元件以及稀土永磁無刷的電機，因而相比僅為10Hz響應(yīng)頻率的液壓作動器而言，機電作動器能夠達到20Hz至30Hz的響應(yīng)頻率。此外，該電剎車系統(tǒng)的使用在一定程度上減輕了戰(zhàn)斗機自身的重量。
1．3環(huán)境控制系統(tǒng)
自1982年，美國就著力于以電動蒸汽循環(huán)的方式來發(fā)展環(huán)境控制系統(tǒng)，同時在P－3反潛飛機上展開了一系列相關(guān)試驗。該系統(tǒng)的壓氣機依靠具有變速功能的直流高壓稀土永磁無刷直流電機來驅(qū)動，其速度能夠在30000至70000r/min的范圍內(nèi)變動。現(xiàn)階段，我國也已經(jīng)將稀土永磁無刷直流電動機應(yīng)用于飛機電動環(huán)境控制系統(tǒng)中，在該電機中，霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器能夠?qū)π盘栠M行輸出，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的間接測量，在負載出現(xiàn)大范圍變動時，在不利用速度傳感器的情況下，仍能保證電機速度的穩(wěn)定及高精度，有效解決了采用直流有刷電機對電動活門進行驅(qū)動時出現(xiàn)的時間精度控制問題。
1．4飛控系統(tǒng)
電力作動系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用對象主要為方向舵及翼面，包括機電作動器及液壓作動器兩類。1975年左右，在一些重大的國際事件中美國直升機的液壓系統(tǒng)故障發(fā)生率極高，在這種情況下，美國開發(fā)著力于研發(fā)稀土永磁電機，將釹鐵硼永磁無刷直流電機技術(shù)應(yīng)用于液壓作動器的研制中，將脈寬調(diào)制式功率變換器技術(shù)及高壓直流稀土永磁無刷直流電機技術(shù)應(yīng)用于機電作動器的研制中。
2稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用特點
(1)一般而言，飛機對其電機自身重量及體積的要求是非常嚴格的。而稀土永磁材料具有高磁能積的特點，因而能夠大幅度減小電機的體積及重量。
(2)由于稀土永磁材料具有較大的剩磁及矯頑力，因而產(chǎn)生的氣隙磁通是非常大的，能夠使永磁轉(zhuǎn)子的外層直徑大大減小，通過減小時間常數(shù)以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，使電機動態(tài)特性得到有效的改善。
(3)增加氣隙寬度，能夠減小在齒槽效應(yīng)下產(chǎn)生的力矩波動，一般情況下，電樞反應(yīng)會影響到力矩波動，而氣隙寬度的增加可以對這種影響產(chǎn)生一定的抑制作用。電樞反應(yīng)不會過多的影響到稀土永磁材料的去磁性能，因而在堵轉(zhuǎn)驅(qū)動及突然反轉(zhuǎn)等特殊的性能要求中更為適合。
(4)在無刷直流電機應(yīng)用稀土永磁材料，能夠大幅度延長電機的使用壽命，增加電機轉(zhuǎn)速，增強電機的散熱功能，實現(xiàn)余度的靈活控制，同時還能增加電機的出力。一般來講，航空對電機的體積、重量及性能的要求嚴格且特殊，而稀土永磁電機尤其是稀土永磁無刷直流電機以其眾多的優(yōu)點在航空領(lǐng)域得到了普遍的認可及應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。
3稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用趨勢
3．1稀土永磁有刷直流電動機
目前，在我國飛機上得到最多應(yīng)用的電機仍為有刷直流電機。這類電機的工藝發(fā)展較為成熟、具有較低的成本及不錯的特性，因而即便存在一些缺陷，對于飛機的某些系統(tǒng)，所發(fā)揮的作用仍然是不可小覷的，而且也一直在尋求更好的技術(shù)來彌補自身的缺陷。稀土永磁勵磁的應(yīng)用能夠使功率密度得到有效提高;為了進一步增強容錯性能，可以挖掘形式多樣的余度;可以通過換向器及多元合金貴金屬電刷的應(yīng)用來促進電機使用壽命的延長及換向性能的改善;此外，為了使電機轉(zhuǎn)動慣量得到進一步縮減，可以采用具有空心杯的電樞結(jié)構(gòu)裝置。
3．2稀土永磁無刷直流電機
在提升該電機可靠性的過程中，冗余技術(shù)的重要性日漸顯露，故障重構(gòu)技術(shù)、容錯控制技術(shù)及余度設(shè)計技術(shù)得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。其中，得到普遍發(fā)展的余度形式有串聯(lián)式以及并聯(lián)式這兩種。串聯(lián)式具有如下結(jié)構(gòu)性能:采用同殼體同軸的方式對相對獨立的兩個電機本體進行安裝，從而產(chǎn)生串聯(lián)式雙余度的結(jié)構(gòu);處于兩個電機中的電樞繞組對與之相匹配的控制器分別進行連接，完全對稱的兩個控制器相互間進行協(xié)調(diào)工作，并實時監(jiān)控彼此的故障。而并聯(lián)式的性能結(jié)構(gòu)如下:電機共享一套定轉(zhuǎn)子，將兩套完全獨立的電樞繞組嵌放在定子鐵心上，電樞繞組對分別與之相匹配的控制器進行連接，完全對稱的兩個控制器實施監(jiān)控彼此的故障，從而產(chǎn)生并聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)。此外，應(yīng)用多項技術(shù)來減小電機重量及體積。第一，應(yīng)用氣懸浮及磁懸浮技術(shù)來提高電機工作時的轉(zhuǎn)速;第二，應(yīng)用定轉(zhuǎn)子單雙邊冷卻、噴油冷卻、循環(huán)水油冷等技術(shù)來對電機冷卻條件進行改善。
3．3稀土永磁有限轉(zhuǎn)角力矩電機
在一定的角度范圍內(nèi)，該電機能夠直接對負載進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)準確定位及快速運動。該電機重量輕、體積小，具有較高的可靠性及定位精確度，同時，在有限的轉(zhuǎn)角內(nèi)能夠產(chǎn)生很大的力量，實現(xiàn)快速響應(yīng)。在一類特殊的可靠性、精度都非常高的位置伺服系統(tǒng)中，該電機往往占據(jù)著核心地位。這類特殊系統(tǒng)的組成部分包括控制器、位置傳感器以及有限轉(zhuǎn)角力矩電機。其中控制器采用雙余度控制電路，是與電機繞相匹配的;電機為雙余度繞組定子及單余度永磁轉(zhuǎn)子。不論是處于單通道還是雙余度的條件下，系統(tǒng)都可以正常運行，具有較高的使用可靠性。在飛機電剎車系統(tǒng)及飛控系統(tǒng)中采用該電機，開啟作動器伺服閥門時，不需要利用齒輪減速來完成驅(qū)動，而是可以作為驅(qū)動器直接完成驅(qū)動，一般來講，減速驅(qū)動往往具有一定的系統(tǒng)誤差，而這種直接驅(qū)動方式則可以避免誤差的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)寬頻響、大力矩及高精度的驅(qū)動。
4結(jié)語
總而言之，與發(fā)達國家相比，在稀土永磁電機在航空具體應(yīng)用實踐的規(guī)模及速度上，我國還處于滯后水平，但這也說明稀土永磁電機在我國航空領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用空間及前景是非常廣闊的，具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼耍仨毤哟罅Χ炔⒉扇∠嚓P(guān)措施來發(fā)展稀土永磁電機的可靠性性能、伺服系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、多余度電作動技術(shù)，加快稀土永磁電機在我國航空中的應(yīng)用，從而促進我國航天事業(yè)的快速發(fā)展。
參考文獻:
［1］鄒麗．稀土永磁電機在起重機行業(yè)的應(yīng)用研究［J］．起重機運輸機械，2014(08):20～22．
作者:趙勇 單位:廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院