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媒体报道

永磁无人机的后续发展

        近日央视报到美国航母和核潜艇水下都成功发射无人机。紧着欧盟成员国以及以色列都在紧张研发无人机。因为在未来领空都会是由无人机来主导的。
        下面先容下稀土永磁铁在无人机上的应用;
        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 的附加重量来支撑。
        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实行元件的驱动系统,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。
        (1)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。美国通用电气企业、维克斯企业和HR得克斯特朗企业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。
        (2)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。该钐钴永磁电动机在 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。我国已跻身于该技术国际先进行列,研制成功氧气浓缩器。所用电机为低速高精度无刷直流电机稳速系统,采用钐钴永磁励磁,驱动阀门以 6 r/min 旋转。
        (4)电刹车系统
        美国于 1982 年研制成功电刹车系统,并在 A-10 攻击机上进行了试验。90 年完成第三代电刹车系统,采用了大力矩钐钴永磁无刷直流电动机和滑轮蜗杆作动器。
        98 年美国 F-16 战斗机试飞新的电刹车系统。该系统的电作动器采用四台稀土永磁无刷直流电动机。由于采用无刷电机和低惯性元件,机电作动器的响应频率达 20~30 Hz,而液压作动器的响应频率仅为 10 Hz。采用该电刹车系统可使战斗机减轻 22.5~45kg。
        (5)燃油系统
        系统的液压泵、液压阀过去大多采用有刷直流电动机驱动。现采用无刷直流电动机。电机随泵浸在燃油中工作,控制器与电机本体同壳体安装,完全密封。电机采用耐高温钕铁硼永磁或钐钴永磁,以及1J22 高导磁定子铁芯材料,具有数字控制的速度闭环和软起动功能。

        三、航空稀土永磁电机的发展趋势
        1、稀土永磁无刷直流电动机
        由于稀土永磁无刷直流电动机独特的优点,其在飞机上的应用速度也在加快。在功能上和性能上都在向更高水平发展。
        在可靠性方面,冗余技术日益得到重视。发展余度设计技术、容错控制技术、故障重构技术等。其中两种余度形式发展较为普遍:并联式和串联式。并联式的特点是只有一套定转子,定子铁心上嵌放两套独立的电枢绕组,每套电枢绕组分别连接各自的控制器,两个控制器完全对称,彼此进行故障监控,形成并联式双余度结构。串联式的结构特点是两个独立的电机本体同轴同壳体安装,形成串联式双余度结构;每个电机的电枢绕组分别连接各自的控制器,两个控制器完全对称,彼此进行故障监控、协调工作。
        在减小体积重量方面,采用多种技术。一是提高绝缘等级,提高磁钢的高温抗去磁能力。二是提高工作转速,采用磁悬浮、气悬浮等技术;三是改善冷却条件,采用循环水冷、循环油冷、喷油冷却、定子单边冷却、定转子双边冷却等技术。
        另外,大功率和高压直流是目前的重要发展方向之一。
        2、稀土永磁有限转角力矩电机
        该电机可在一定角度范围内直接驱动负载做快速运动和准确定位。其特点是:在有限的转角内出力大、响应快、定位精度高、可靠性高、体积小、重量轻。以该电机为核心可组成一种特殊的高精度、高可靠性位置伺服系统。
        该系统由稀土永磁有限转角力矩电机、位置传感器和控制器三部分组成。其中电机包括单余度永磁转子和双余度绕组定子,控制器包括与电机绕组相对应的双余度控制电路。系统可在双余度或单通道条件正常工作,从而大大提高系统的工作可靠性。当运行范围为 ±θ°角度时,电机通过特殊设计可实现在最小体积下输出最大力矩,并可获得很宽的频响特性。
        正是由于该系统独特的优点,国外于 80 年代末期就开展了这方面的研究,并已在航空航天领域得到成功应用。该系统在飞控系统和电刹车系统,可作为新型的直接驱动作动器的驱动系统,直接驱动作动器伺服阀门的开启,而不是通过齿轮减速驱动;从而可克服减速轮系传动系统的误差,减小液压传动系统的缺点,实现高精度、大力矩、宽频响驱动。
        3、稀土永磁有刷直流电机
        有刷直流电动机仍是目前我国飞机上使用最多的一种电机。该电机虽然有一些固有缺点,但由于其成本相对较低、工艺成熟、特性不错,因而在一些系统中仍在发挥重要作用,并不断寻求技术进步。采用稀土永磁励磁可有效提高功率密度;采用多种余度形式提高容错性;采用多元合金贵金属电刷和换向器改善换向性能,延长寿命;采用空心杯电枢结构减小转动惯量等。
        4、稀土永磁直线电机
        飞机电液伺服阀、氧气阀、应急放油阀、电动活门、发动机油门杆等直线运动场合的负载推力并不大,使用蜗轮蜗杆机构或者旋转丝杠结构仅仅希翼能将旋转运动变为直线运动,但却不适应飞机快速作动阀高可靠性、高频响和直接驱动的性能要求。
        混合式直线步进电机 (Hybrid Linear Stepping Motor,HLSM) 是一种将脉冲信号转换成微步距直线运动的数字脉冲电机,即使在开环条件下,无须直线位移传感器,也能够做到精确定位控制。该电机具有结构简单、行程长、耗电省、温升低、容易数字控制、无累积定位误差、惯性小、互换性强和可直接驱动等明显优点。
        该电机是一种高力矩直线电机,稀土永磁体薄片被镶嵌在定子齿面向气隙的平面上,转子设计成感应形式。由于感应性转子齿的作用,这种电机适用于低转速、高力矩的场合。其关键技术主要包括减小推力波动的平稳性控制、行程末端冲击和噪声的消除等技术。
        5、稀土永磁发电机
        目前国内外已发展 500 ~ 2000 VA 的无人机用稀土永磁同步发电机系列、45~150 kVA 机载电源系统用大容量稀土永磁发电机。为了满足航空电源品质的日益高标准需求,一种自适应复合励磁稀土永磁发电机正在受到国内外的关注。该发电机融合了稀土永磁和电励磁发电机的特点,具有高效和良好的电压自调整能力。
        6、稀土永磁双凸极电机
        稀土永磁双凸极电机是在开关磁阻电机的基础上发展起来的一种新型电机,在定子或转子上植入稀土永磁体,其输出转矩更大,并具有高可靠性及容错性,因而在航空领域展示出良好的应用前景。

        四、结语
        虽然国内在航空用稀土永磁电机方面开展了大量研究,但在实际应用的速度和规模上与发达国家的技术水平和工程应用水平还有不少差距。还需在以下几个方面加大发展力度:
        1、进一步提高可靠性,加快工程应用步伐。特别在稀土永磁体高温抗去磁能力、控制电路、位置传感器方面多进行可靠性试验与探索;
        2、发展高精度、宽调速比的高性能稀土永磁电机调速系统和伺服系统,以适应高精度电力作动系统的需要;
        3、研究多余度(三余度、四余度)电作动技术,以取代液压作动技术;
        4、研究稀土永磁电机伺服系统的高性能、实用化的控制策略。

        文章永磁无人机的后续发展由专业从事电机磁钢的东莞卡瑞奇磁铁厂于2018/12/14发布。


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