航空上稀土永磁電機(jī)的運(yùn)用范文

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摘要：

本文首先概述了稀土永磁電機(jī)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(jī)在航空上的應(yīng)用特點(diǎn)，最后對(duì)稀土永磁電機(jī)在航空領(lǐng)域中的發(fā)展及應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了分析，具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。

關(guān)鍵詞：

稀土永磁電機(jī)；航空；無刷直流電機(jī)；發(fā)展

1稀土永磁電機(jī)在航空上的應(yīng)用現(xiàn)狀

飛機(jī)的電力作動(dòng)系統(tǒng)是稀土永磁電機(jī)的主要使用對(duì)象，所謂電力作動(dòng)系統(tǒng)即飛機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其執(zhí)行元件為電動(dòng)機(jī)，在飛機(jī)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(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓閥、液壓泵，但是現(xiàn)階段無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用比較普遍。在泵的帶動(dòng)下，電機(jī)能夠浸在燃油中，而且對(duì)電機(jī)本體及控制器進(jìn)行安裝時(shí)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(jī)，具有軟起動(dòng)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(jī)上，開展了一系列相關(guān)試驗(yàn)。隨后，在1990年，美國在原有的基礎(chǔ)上采用滑輪蝸桿作動(dòng)器以及大力釤鈷永磁無刷直流電機(jī)開發(fā)出第三代飛機(jī)電剎車系統(tǒng)。之后，美國于1998年研發(fā)出以四臺(tái)稀土永磁無刷直流電機(jī)作為電作動(dòng)器的電剎車系統(tǒng)，并在F－16戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)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(jī)，因而相比僅為10Hz響應(yīng)頻率的液壓作動(dòng)器而言，機(jī)電作動(dòng)器能夠達(dá)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(jī)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(dòng)蒸汽循環(huán)的方式來發(fā)展環(huán)境控制系統(tǒng)，同時(shí)在P－3反潛飛機(jī)上展開了一系列相關(guān)試驗(yàn)。該系統(tǒng)的壓氣機(jī)依靠具有變速功能的直流高壓稀土永磁無刷直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，其速度能夠在30000至70000r/min的范圍內(nèi)變動(dòng)。現(xiàn)階段，我國也已經(jīng)將稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于飛機(jī)電動(dòng)環(huán)境控制系統(tǒng)中，在該電機(jī)中，霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的間接測量，在負(fù)載出現(xiàn)大范圍變動(dòng)時(shí)，在不利用速度傳感器的情況下，仍能保證電機(jī)速度的穩(wěn)定及高精度，有效解決了采用直流有刷電機(jī)對(duì)電動(dòng)活門進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的時(shí)間精度控制問題。

1．4飛控系統(tǒng)

電力作動(dòng)系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)象主要為方向舵及翼面，包括機(jī)電作動(dòng)器及液壓作動(dòng)器兩類。1975年左右，在一些重大的國際事件中美國直升機(jī)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(jī)，將釹鐵硼永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于液壓作動(dòng)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(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電作動(dòng)器的研制中。

2稀土永磁電機(jī)在航空上的應(yīng)用特點(diǎn)

(1)一般而言，飛機(jī)對(duì)其電機(jī)自身重量及體積的要求是非常嚴(yán)格的。而稀土永磁材料具有高磁能積的特點(diǎn)，因而能夠大幅度減小電機(jī)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(shí)間常數(shù)以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使電機(jī)動(dòng)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(dòng)，一般情況下，電樞反應(yīng)會(huì)影響到力矩波動(dòng)，而氣隙寬度的增加可以對(duì)這種影響產(chǎn)生一定的抑制作用。電樞反應(yīng)不會(huì)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(dòng)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(jī)應(yīng)用稀土永磁材料，能夠大幅度延長電機(jī)的使用壽命，增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)電機(jī)的散熱功能，實(shí)現(xiàn)余度的靈活控制，同時(shí)還能增加電機(jī)的出力。一般來講，航空對(duì)電機(jī)的體積、重量及性能的要求嚴(yán)格且特殊，而稀土永磁電機(jī)尤其是稀土永磁無刷直流電機(jī)以其眾多的優(yōu)點(diǎn)在航空領(lǐng)域得到了普遍的認(rèn)可及應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。

3稀土永磁電機(jī)在航空上的應(yīng)用趨勢(shì)

3．1稀土永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)

目前，在我國飛機(jī)上得到最多應(yīng)用的電機(jī)仍為有刷直流電機(jī)。這類電機(jī)的工藝發(fā)展較為成熟、具有較低的成本及不錯(cuò)的特性，因而即便存在一些缺陷，對(duì)于飛機(jī)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(bǔ)自身的缺陷。稀土永磁勵(lì)磁的應(yīng)用能夠使功率密度得到有效提高;為了進(jìn)一步增強(qiáng)容錯(cuò)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(jìn)電機(jī)使用壽命的延長及換向性能的改善;此外，為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得到進(jìn)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(jī)

在提升該電機(jī)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(cuò)控制技術(shù)及余度設(shè)計(jì)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(duì)相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)電機(jī)本體進(jìn)行安裝，從而產(chǎn)生串聯(lián)式雙余度的結(jié)構(gòu);處于兩個(gè)電機(jī)中的電樞繞組對(duì)與之相匹配的控制器分別進(jìn)行連接，完全對(duì)稱的兩個(gè)控制器相互間進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，并實(shí)時(shí)監(jiān)控彼此的故障。而并聯(lián)式的性能結(jié)構(gòu)如下:電機(jī)共享一套定轉(zhuǎn)子，將兩套完全獨(dú)立的電樞繞組嵌放在定子鐵心上，電樞繞組對(duì)分別與之相匹配的控制器進(jìn)行連接，完全對(duì)稱的兩個(gè)控制器實(shí)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(xiàng)技術(shù)來減小電機(jī)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(jī)工作時(shí)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(duì)電機(jī)冷卻條件進(jìn)行改善。

3．3稀土永磁有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)

在一定的角度范圍內(nèi)，該電機(jī)能夠直接對(duì)負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位及快速運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)重量輕、體積小，具有較高的可靠性及定位精確度，同時(shí)，在有限的轉(zhuǎn)角內(nèi)能夠產(chǎn)生很大的力量，實(shí)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(jī)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(jī)。其中控制器采用雙余度控制電路，是與電機(jī)繞相匹配的;電機(jī)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(yùn)行，具有較高的使用可靠性。在飛機(jī)電剎車系統(tǒng)及飛控系統(tǒng)中采用該電機(jī)，開啟作動(dòng)器伺服閥門時(shí)，不需要利用齒輪減速來完成驅(qū)動(dòng)，而是可以作為驅(qū)動(dòng)器直接完成驅(qū)動(dòng)，一般來講，減速驅(qū)動(dòng)往往具有一定的系統(tǒng)誤差，而這種直接驅(qū)動(dòng)方式則可以避免誤差的出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)寬頻響、大力矩及高精度的驅(qū)動(dòng)。

4結(jié)語

總而言之，與發(fā)達(dá)國家相比，在稀土永磁電機(jī)在航空具體應(yīng)用實(shí)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(jī)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(jī)的可靠性性能、伺服系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、多余度電作動(dòng)技術(shù)，加快稀土永磁電機(jī)在我國航空中的應(yīng)用，從而促進(jìn)我國航天事業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

［1］鄒麗．稀土永磁電機(jī)在起重機(jī)行業(yè)的應(yīng)用研究［J］．起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械，2014(08):20～22．

作者:趙勇 單位:廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院