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1、用于电动机技术的概述更多的电动飞机(MEA)摘要：提出了一种电机驱动技术的概述关于安全性至关重要的航天应用程序一 个特定的焦点放在机器上，选择候选人和他们的驱动器拓扑。飞机应用需求高 可靠性、高可用性和高功率密度。目标减轻重量、降低复杂性、燃料消耗、操 作成本,和对环境的影响。新型电动驱动系统能满足这些需求并提供重要的技术， 经济改善传统的机械、液压、或气动系统。容错电机驱动可以实现。通过分区 和冗余多通道的使用三相系统或多个单相模块。分析方法采用比较笼感应,点电 机技术及其优缺点。分析表明,双三相 PMAC 电动机驱动器可能是一个理想选 择通用航空航天应用,平衡必要的冗余和过分复杂的平衡密度
2、,同时保持一个平衡 的操作失败。模块化的单相的方法提供了一个很好的折中之间的大小和复杂性, 但有高总谐波扭曲时供给和高转矩脉动。对于每个特定的飞机的应用程序,一个 参量的优缺需要合适的电机配置的耦合电磁和热分析,验证了有限元分析。指数 按以上条款执行,航空航天工业,无刷点电机,容错,更多的电动飞机、多相的机器, 可靠性、安全性至关重要的驱动器,变速驱动器。1.介绍交通的年率自二十世纪七十年代年代以来已经增长到 9%,拉近了世界的距离 变成了一个地球村。然而,今天的民用航空运输仍然存在昂贵的和占 2%的人为 CO 2 排放1。因此,飞机运营商和航空行业预计将提供持续的改进提高安全、 性能和可用性
3、,同时降低成本,噪音,和 CO 2 排放。为了满足这些期望,航空航天 系统正在经历一个长期的过渡从使用机械、液压和气动动力系统走向全球优化 的电气系统。电动马达驱动器有能力将电能转换为驱动执行器,泵,压缩机和其他子系统速 度变量。使用结合先进的电力电子和控制单元-给图2,电动驱动器可以提供收 益总体效率,重量储蓄、可靠性和成本效益,而会议要求。在此基础上,飞机行业 的最终目标是实现“所有电动飞机移动 运用所有的电力系统电源。据估计,一个 AEA 可以减轻飞机重量的 10%和燃料消耗 9%图3显示。因此,空客 A380 和下 一代波音 787 飞机功能电驱动执行机构如4:空客 A380 新的变频
4、 115 V 交流电 的电力供应,而波音 787270 V 有直流电(dc)配电的公交车。飞机安全性至关重要的应用程序完全是可以理解的保守疗法在实施新的想 法和技术。在某种程度上,有一个趋势在航空工业增加电气控制和驱动的扩散在 空气里。机械驱动制动器已经逐渐取代液压制动器与电定速“电液驱动伺服 阀控 A380,电器液压制动器提供液压驱动从一个本地化的泵和储层,允许操作一 个电力供应。这种“电”进展允许减少机械联系,后来呢液压动力供应网络,简化维 护和减轻重量。例如,电动发动机燃料泵,液压的地方,已经认识了提供的好处在 于系统效率、重量和大小、速度和灵活性控制如图5。这些目前称为分段目标 “更多
5、的电动飞机”(MEA)。2：电动飞机的历史电驱动飞机的概念远不是新的。1916 年,电气驱动的飞机被首次提出如 图6。第二次世界大战期间,英国“V”轰炸机电力用于主飞行控制和其他功能如图7。然而,随着机械、液压、和电气动驱动器达到技术成熟度和被广泛接受, 成为二级的标准驱动力量7: 如液压:对于大多数驱动功能（例如降落齿轮、制动和飞行控制系统)。 气动:增压、除冰和空气调节。电力:航空电子设备和实用函数。表 1变频调速是 D S 商场 IRCRAFT 撕开子系统马达驱动数量 最大功率（千 瓦）总功率（千瓦）飞行控制 28 50 80环境控制 10 10 40发动机驱动器 6 125 125着路
6、系统 20 5 30燃料泵 10 9 35气动系统 2 15 30其他 10 1 20在 1970 年代末,单相电力开始成为一个次要的能源,但没有普及。在 1980 年代,美国发起的几个民事和军事项目发展了电气驱动技术飞机的应用程序。这 种利用取得功率半导体永久性材料控制策略,使电驱动显示优势对安全性要求苛 刻的操作。尽管历史悠久的讨论,术语“全电动飞机”和“全电动飞机”正式在8-11, 旨在取代所有二级替代驱动器的电力。然而,这也代表飞机工业,所以美国空军开 始着手一项称为“MEA”的项目在 1990 年代,促进电动驱动器的发展在小步骤上。 给出的例子是电机驱动应用程序表 112最近,很多的
7、努力指向电力驱动方法1,4,7,12,13,MEA 的概念已经受到 了人们的欢迎。尽管如此,市场渗透是缓慢的，作为新系统必须实现系统可靠性 要求和证明适航。3. 应用的意图考虑安全性至关重要的驱动器的关键领域是飞机引擎发电机,飞行表面制 动器、引擎燃料泵和起落架前轮转向系统。在发电机的情况下,“更多的电动发动机”的概念 建议把电动背包或燃气轮机作为引擎。 本文只关注了制动器、发动机水泵和起落架涉及的电机技术。一般来说, 电气系统包括传感器、电机和电力电子。作为一个整体,他们应该提供的飞机应 用程序所需的能力,这是基础在14以下因素:可靠性;重量;功率密度;效率;控制特性和复杂性;设计和制造的复
8、杂性;热鲁棒性;大小;成本。当优化电动系统时,通常这些标准在冲突这样一个权衡总是需要匹配所需的特定 的应用程序。如。容错执行机构,重点放在如何实现完整的转矩速度和角度(即。 ,转矩脉动问题),燃料泵,它是的意思是确定所需的泵阻力矩转矩/速度剖面。A: 飞行表面控制驱动皮瓣和板条飞机的机翼上表面(图 1)需要控制用于电梯什么时候起飞和降落。 现有的商用飞机通常使用两个机械液压马达,通过轴运行总结翼展的长度。所有 襟翼的相对位置监控,因为他们的对称性在两翼是至关重要的飞行可控性。如果 出现皮瓣不对称或燃料泵发生故障,所有的皮瓣是防止进一步锁定在适当的位置 不稳定。用电机取代这些机械液压系统驱动形式
9、的个人执行机构在每一瓣表面 可以提供更大的功能15和消除需要什么集中液压泵16,轴系,管道工程,其他辅 助服务提供,有可能提高系统可靠性主要锡箔能力和质量。全面皮瓣致动器被构建和演示在试验装置(图 2)。它的目的是提供 3.4 海 里 10 千米 11800:1 传动装置,而同步襟翼的精度大于 0.25%的全部旅行期间在 所有其他时间收缩 0.5%。电力驱动汽车是一个三相永磁交流(PMAC)电动机定 额过高因子为 50%,使断裂时继续操作。B: 发动机燃料泵在民用航空器,机械功率提取推进发动机轴,然后传送到燃料泵通过发动机变 速箱。这是图 3 所示12。燃料泵由低压传输泵(发动机是否有如下 5
10、000 psi)和 高压燃油泵(5000 psi 或以上)。传统上,前者是电动和后者机械(齿轮)和液压驱 动。这是后者需要电气化节省空间,增加效率,降低维护要求。重要的是,而不是 发动机转速机械方法,电动燃油泵提供变速解决方案和可以动态地控制燃油流量 匹配实际需求,减少燃料消耗,操作,和维护成本。一个容错燃油泵马达驱动原型(图 4)。这是一个四阶段,30 千米表面 100 千瓦安 装 PMAC 运动 1/3 的定额过高的因素。这是能够处理一个单一的电气故障发生。C: 起落架前轮向系统目前,商用飞机起落架是液压驱动的。最小回转时间需要允许液压油冷却,离 刹车。一个项目展示的电气系统液压系统以提高
11、飞机的安全17图 5 所示。容 错是通过实现使用双三相点电动机在一个套管,与标准270 V 直流供电的额定 负载以 12 海里的速度 1000 转。前轮转向只使用在滑行,因此它的安全需求没有那么严格。两个驱动系统同时在一个操作“活动”配置在健康的条件下使一 个断电离合器“自由蓖麻”着陆起飞,在一个“积极备用”配置指挥下。图 4 一个 100 千瓦容错燃油泵马图 5 前轮转向拓扑的示意图4：机器类型的候选人电机在任何电气传动是一个关键组成部分系统在航空航天应用程序特定严格 的地方需求(从标准、法规和一组代码)对可靠性和电机的功率密度就业。对安 全性要求苛刻的应用,针对机械设计阳离子,还应该满足以
12、下标准1,18:电气、机械、电磁、热绝缘之间的通道;高转矩/重量比和高转矩/电流比率;高价值的相电感(点汽车);在全速范围内效率高。电机电刷或换向器不考虑,因为他们的高维护的需求,低转矩密度,以及缺乏可靠 性。因此,可行候选人机器仅限于感应,不情愿,点电机,如图 6 所示A:感应电动机19-26 鼠笼式感应电动机是以其简单,强度,便宜,和可靠性广泛用于工业。然而,相 互耦合二层所有定子和转子使得它几乎不可能将电动机分为磁隔离模块。 在文献,一些多相感应电动机驱动22,23,26已开发的模块化配置,这减少 了相间电和磁耦合。在某种程度上,提高其容错。然而,难度是更复杂的控制技术 的必要性，可能很
13、难实现同步由于安全要求单独控制的电子产品的每个阶段。 电机已被证明一个开路后可以继续操作失败,但似乎还没有设计的能力持续的短 路。B: 磁阻马达27-41磁阻电动机有一个健壮的转子结构,用途绕组,这是能够承受的最大热或机械 应力。因此,它成为一个低成本的应用的理想机器。同步磁阻电动机的转子介绍了通过凸极或添加内部通量，方向指导沿着直轴 磁通。一次转子运行速度同步,没有电动势诱导转子，在转子感应电动机可以更 有效的比感应电动机消除转子电阻的损失。定子绕组是正弦分布在空隙,感应电 动机的类似相反,开关磁阻电机(SR)受欢迎的27,30-32,34在直接驱动应用 程序和现在进军航空原型28,29,3
14、8,40,41由于其天然的容错能力。SR 电 机定子和转子凸极,和天生独立相绕组。自单相励磁电流,另一个简单的变换器拓 扑(每个阶段两个开关)通常采用,进一步提供阶段之间的独立性。如果发生短路 阶段,SR 电机仍能有一个比例减少平均转矩能力。一个额外的好处，SR 电动机 在于串联变换器的阶段，开关与电机相绕组,它消除了射穿断层引起的转换开关。在文献里,一个四阶段 SR 拓扑尤其 8/6 应该在航空航天应用40,41和一般 作为一个好的容错性和之间的妥协的复杂性。然而,这四个阶段的指责将不可能 开发完整的转矩转子位置,这导致许多驱动应用程序的问题。因为磁化电流和转矩产生的电流必须由定子绕组提供,
15、SR 电机大约 50%大 于等效点马达29。有一些争论 SR 电机是否可以小于感应电动机类似的功能。 SR 电机肯定小得多的绕组,减少耦合是两层阶段,足够转子损失一般导致在他们 被视为优先感应的机器为容错航空航天应用。C:永磁电机17,18,42-62广泛地说,可以使用 PMAC 电机作为一个集体的名字，涵盖所有异步电动机 包括电刷，更少的直流无刷交流矩形(或梯形)和正弦电流。它们的特点高功率 密度和效率,高转矩/惯性和转矩/体积比,提高可靠性。从本质上讲,无刷直流和无 刷交流电机相同的硬件配置但不同波形的供应可以通过修改软件的控制策略。 因此,没有进一步的需要区分这两个分析。点电机可以利用多种方式有关转子点安排。一般来说,表面贴装点电机产量 较低的小转子直径惯性(因此好动态性能),而室内永磁汽车单位电感,从而提供更 高的领域疲软传感器能力43。设计容错一般结合深经前综合症和单层集 中绕组拓扑18,49,50互感降到最低。为模块化的汽车在38,48可以实现物 理、电、磁、热隔离相绕组。虽然承认 PMAC 电机提供更高比磁阻和感应电动机转矩密度,内在的容错。 在传统点机拓扑结构,电流可以在失败的流量,即使莱恩是断开电源,因为持续存在的磁铁效 应。然而,与谨慎的参数选择,
