稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用劉衛(wèi)國解恩(西北工業(yè)大學(xué)稀土永磁電機及控制技術(shù)研究所，陜西省西安市，710072)來源：永磁電機會議論文集，編輯：閆晶芬摘要：敘述了稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用特點，介紹了該類電機在國內(nèi)外航空上的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)特點和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：稀土永磁，電機，航空1、稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用特點隨著稀土永磁材料、電力電子、微電子、微機、新型控制理論及電機理論的進步，稀土永磁電機的技術(shù)發(fā)展十分迅速，在航空領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強大的生命力。稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用具有以下特點：由于稀土永磁材料的高磁能積，使得電機可明顯降低重量、減小體積。航空用電機對其體積、重量有極為嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)代航空飛行器中，每1kg設(shè)備重量大約需要15?30kg的附加重量來支持。稀土永磁材料的矯頑力Hc高，剩磁Br大，因而可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，大大縮小永磁轉(zhuǎn)子的外徑，從而減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，降低時間常數(shù)，改善電機的動態(tài)特性。氣隙寬度可以選取較大值，這樣可以減小由于齒槽效應(yīng)引起的力矩波動，也可抑制電樞反應(yīng)對力矩波動的影響。電樞反應(yīng)對稀土永磁體的去磁作用較小，更適合突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)驅(qū)動等特殊性能要求。做成無刷直流電動機還具有以下顯著特點：使用壽命長。目前飛機上大量使用有刷直流電動機，壽命只有幾百小時。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，各航空電機生產(chǎn)廠都面臨延長產(chǎn)品壽命的技術(shù)壓力。當(dāng)壽命要求提高到1000至2000小時時，有刷直流電動機的自身特點已無法滿足要求。無刷直流電動機無電刷和換向器，可以大幅度提高壽命指標(biāo)。適宜于高速運行。轉(zhuǎn)速越高，電機體積重量可以做得越小。但有刷直流電機由于機械換向的限制，轉(zhuǎn)速很難在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步提高。無刷直流電機在軸承允許的條件下，轉(zhuǎn)速可成倍增加?？煽啃愿?。高空換向火化加大，影響可靠性，不利于電磁兼容；高空電刷磨損加劇，碳粉影響絕緣性能，減少電機壽命。無刷直流電機則不存在這些問題。散熱容易。無刷直流電機的主要發(fā)熱源在定子上，自然散熱條件好。同時可以方便地在定子殼體中進行油冷或水冷，特別是循油或噴油冷卻可以極大地提高電機的功率密度。這對于有刷直流電動機是十分危險的。余度控制方便。無刷直流電機的可靠性薄弱環(huán)節(jié)在控制器和電機繞組上，多余度控制方法靈活。有刷直流電動機的薄弱環(huán)節(jié)在換向，較難實現(xiàn)單軸輸出的余度控制。稀土永磁材料的內(nèi)稟矯頑力高，磁場定向性好，因而容易實現(xiàn)在氣隙中建立近似于矩形波的磁場，實現(xiàn)方波驅(qū)動，提高電機的出力。由于稀土永磁電機具有上述一系列優(yōu)點，因而非常適合于對性能、體積重量要求特殊的航空領(lǐng)域；特別是稀土永磁無刷直流電機，被認(rèn)為是航空領(lǐng)域最有發(fā)展前景的電機。2、稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用現(xiàn)狀在發(fā)達國家，稀土永磁電機在航空上的應(yīng)用已較為廣泛，國內(nèi)相對滯后，到目前為止只有少量新型號飛機得到應(yīng)用。稀土永磁電機在飛機上的主要應(yīng)用對象為各種各樣的電力作動系統(tǒng)。電力作動系統(tǒng)是以電動機為執(zhí)行元件的驅(qū)動系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于飛機的飛控系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、燃油和起動系統(tǒng)等。飛機上采用的作動系統(tǒng)有液壓、電力、氣壓和機械4種。其中液壓作動系統(tǒng)使用最廣泛;但目前正在大力發(fā)展和最有前途的作動系統(tǒng)是電力作動系統(tǒng)。隨著稀土永磁材料、大功率半導(dǎo)器件和微處理器的發(fā)展，電力作動系統(tǒng)已發(fā)展到與液壓作動系統(tǒng)相競爭的地步。飛控系統(tǒng)飛控系統(tǒng)用的電力作動系統(tǒng)又叫功率電傳作動器。主要用于翼面和方向舵的操作。主要分為電動液壓作動器和機電作動器。70年代中期，美國直升機的液壓系統(tǒng)在重要的國際事件中頻頻出現(xiàn)故障，促使他們對稀土永磁電動舵機進行研究開發(fā)。美國通用電氣公司、維克斯公司和HR得克斯特朗公司為下一代飛行控制舵面研制的電動液壓作動器采用了釹鐵硼永磁無刷直流電機技術(shù)。研制的機電作動器采用了高壓直流稀土永磁無刷直流電機技術(shù)和脈寬調(diào)制式功率變換器技術(shù)。電機控制器接收飛機上飛控計算機發(fā)出的控制指令，經(jīng)過三通道舵回路系統(tǒng)伺服放大器的信號處理、綜合與放大，進而驅(qū)動系統(tǒng)相應(yīng)舵機的輸出轉(zhuǎn)角來操縱飛機的舵及副翼的舵面偏轉(zhuǎn)，從而改變飛機的姿態(tài)和航向，實現(xiàn)飛控系統(tǒng)對飛機飛行的自動控制。電動環(huán)境控制系統(tǒng)電動環(huán)境控制系統(tǒng)采用機電作動技術(shù)，其特點是采用大功率、高轉(zhuǎn)速的變速驅(qū)動電動機。美國從1982年開始發(fā)展電動蒸汽循環(huán)式環(huán)境控制系統(tǒng)，并在P-3反潛飛機上進行試驗。該系統(tǒng)采用30000~70000r/min的變速高壓直流稀土永磁無刷直流電機來驅(qū)動壓氣機。該釤鉆永磁電動機在45000r/min時輸出34.3kW的功率。國內(nèi)也已研制出電動環(huán)境控制系統(tǒng)電動活門稀土永磁無刷直流電動機，直接采用電機所具有的霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號間接測量電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機在大范圍變負(fù)載狀態(tài)下的高精度穩(wěn)速，而不需要單純的速度傳感器，解決了原直流有刷電勵磁串激電機驅(qū)動電動活門時的時間控制精度問題。空中制氧系統(tǒng)氧氣濃縮器是先進飛機的重要機載設(shè)備，它為飛行員提供了生命的續(xù)航能力。目前國際上只有美國等四個國家擁有該項技術(shù)。我國已躋身于該技術(shù)國際先進行列，研制成功氧氣濃縮器。所用電機為低速高精度無刷直流電機穩(wěn)速系統(tǒng)，采用釤鉆永磁勵磁，驅(qū)動閥門以6r/min旋轉(zhuǎn)。電剎車系統(tǒng)美國于1982年研制成功電剎車系統(tǒng)，并在A-10攻擊機上進行了試驗。90年完成第三代電剎車系統(tǒng)，采用了大力矩釤鉆永磁無刷直流電動機和滑輪蝸桿作動器。98年美國F-16戰(zhàn)斗機試飛新的電剎車系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電作動器采用四臺稀土永磁無刷直流電動機。由于采用無刷電機和低慣性元件，機電作動器的響應(yīng)頻率達20-30Hz,而液壓作動器的響應(yīng)頻率僅為10Hz。采用該電剎車系統(tǒng)可使戰(zhàn)斗機減輕22.5-45kg。燃油系統(tǒng)系統(tǒng)的液壓泵、液壓閥過去大多采用有刷直流電動機驅(qū)動?，F(xiàn)采用無刷直流電動機。電機隨泵浸在燃油中工作，控制器與電機本體同殼體安裝，完全密封。電機采用耐高溫釹鐵硼永磁或釤鉆永磁，以及1J22高導(dǎo)磁定子鐵芯材料，具有數(shù)字控制的速度閉環(huán)和軟起動功能。3、航空稀土永磁電機的發(fā)展趨勢稀土永磁無刷直流電動機由于稀土永磁無刷直流電動機獨特的優(yōu)點，其在飛機上的應(yīng)用速度也在加快。在功能上和性能上都在向更高水平發(fā)展。在可靠性方面，冗余技術(shù)日益得到重視。發(fā)展余度設(shè)計技術(shù)、容錯控制技術(shù)、故障重構(gòu)技術(shù)等。其中兩種余度形式發(fā)展較為普遍：并聯(lián)式和串聯(lián)式。并聯(lián)式的特點是只有一套定轉(zhuǎn)子，定子鐵心上嵌放兩套獨立的電樞繞組，每套電樞繞組分別連接各自的控制器，兩個控制器完全對稱，彼此進行故障監(jiān)控，形成并聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)。串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點是兩個獨立的電機本體同軸同殼體安裝，形成串聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)；每個電機的電樞繞組分別連接各自的控制器，兩個控制器完全對稱，彼此進行故障監(jiān)控、協(xié)調(diào)工作。在減小體積重量方面，采用多種技術(shù)。一是提高絕緣等級，提高磁鋼的高溫抗去磁能力。二是提高工作轉(zhuǎn)速，采用磁懸浮、氣懸浮等技術(shù)；三是改善冷卻條件，采用循環(huán)水冷、循環(huán)油冷、噴油冷卻、定子單邊冷卻、定轉(zhuǎn)子雙邊冷卻等技術(shù)。另外，大功率和高壓直流是目前的重要發(fā)展方向之一。稀土永磁有限轉(zhuǎn)角力矩電機該電機可在一定角度范圍內(nèi)直接驅(qū)動負(fù)載做快速運動和準(zhǔn)確定位。其特點是，在有限的轉(zhuǎn)角內(nèi)出力大、響應(yīng)快、定位精度高、可靠性高、體積小、重量輕。以該電機為核心可組成一種特殊的高精度、高可靠性位置伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由稀土永磁有限轉(zhuǎn)角力矩電機、位置傳感器和控制器三部分組成。其中電機包括單余度永磁轉(zhuǎn)子和雙余度繞組定子，控制器包括與電機繞組相對應(yīng)的雙余度控制電路。系統(tǒng)可在雙余度或單通道條件正常工作，從而大大提高系統(tǒng)的工作可靠性。當(dāng)運行范圍為±0°角度時，電機通過特殊設(shè)計可實現(xiàn)在最小體積下輸出最大力矩，并可獲得很寬的頻響特性。正是由于該系統(tǒng)獨特的優(yōu)點，國外于80年代末期就開展了這方面的研究，并已在航空航天領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。該系統(tǒng)在飛控系統(tǒng)和電剎車系統(tǒng)，可作為新型的直接驅(qū)動作動器的驅(qū)動系統(tǒng)，直接驅(qū)動作動器伺服閥門的開啟，而不是通過齒輪減速驅(qū)動；從而可克服減速輪系傳動系統(tǒng)的誤差，減小液壓傳動系統(tǒng)的缺點，實現(xiàn)高精度、大力矩、寬頻響驅(qū)動。稀土永磁有刷直流電機有刷直流電動機仍是目前我國飛機上使用最多的一種電機。該電機雖然有一些固有缺點，但由于其成本相對較低、工藝成熟、特性不錯，因而在一些系統(tǒng)中仍在發(fā)揮重要作用，并不斷尋求技術(shù)進步。采用稀土永磁勵磁可有效提高功率密度；采用多種余度形式提高容錯性；采用多元合金貴金屬電刷和換向器改善換向性能，延長壽命；采用空心杯電樞結(jié)構(gòu)減小轉(zhuǎn)動慣量等。（4） 稀土永磁直線電機飛機電液伺服閥、氧氣閥、應(yīng)急放油閥、電動活門、發(fā)動機油門桿等直線運動場合的負(fù)載推力并不大，使用蝸輪蝸桿機構(gòu)或者旋轉(zhuǎn)絲杠結(jié)構(gòu)僅僅希望能將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，但卻不適應(yīng)飛機快速作動閥高可靠性、高頻響和直接驅(qū)動的性能要求。混合式直線步進電機（HybridLinearSteppingMotor，HLSM）是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成微步距直線運動的數(shù)字脈沖電機，即使在開環(huán)條件下，無須直線位移傳感器，也能夠做到精確定位控制。該電機具有結(jié)構(gòu)簡單、行程長、耗電省、溫升低、容易數(shù)字控制、無累積定位誤差、慣性小、互換性強和可直接驅(qū)動等明顯優(yōu)點。該電機是一種高力矩直線電機，稀土永磁體薄片被鑲嵌在定子齒面向氣隙的平面上，轉(zhuǎn)子設(shè)計成感應(yīng)形式。由于感應(yīng)性轉(zhuǎn)子齒的作用，這種電機適用于低轉(zhuǎn)速、高力矩的場合。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括減小推力波動的平穩(wěn)性控制、行程末端沖擊和噪聲的消除等技術(shù)。（5） 稀土永磁發(fā)電機目前國內(nèi)外已發(fā)展500?2000VA的無人機用稀土永磁同步發(fā)電機系列、45?150kVA機載電源系統(tǒng)用大容量稀土永磁發(fā)電機。為了滿足航空電源品質(zhì)的日益高標(biāo)準(zhǔn)需求，一種自適應(yīng)復(fù)合勵磁稀土永磁發(fā)電機正在受到國內(nèi)外的關(guān)注。該發(fā)電機融合了稀土永磁和電勵磁發(fā)電機的特點，具有高效和良好的電壓自調(diào)整能力。（6） 稀土永磁雙凸極電機稀土永磁雙凸極電機是在開關(guān)磁阻電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電機，在定子或轉(zhuǎn)子上植入稀土永磁體，其輸出轉(zhuǎn)矩更大，并具有高可靠性及容錯性，因而在航空領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。4、結(jié)束語雖然國內(nèi)在航空用稀土永磁電機方面開展了大量研究，但在實際應(yīng)用的速度和規(guī)模上與發(fā)達國家的技術(shù)水平和工程應(yīng)用水平還有不少差距。還需在以下幾個方面加大發(fā)展力度：（1） 進一步提高可靠性，加快工程應(yīng)用步伐。特別在稀土永磁體高溫抗去磁能力、控制電路、位置傳感器方面多進行可靠性試驗與探索；（2） 發(fā)展高精度、寬調(diào)速比的高性能稀土永磁電機調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，以適應(yīng)高精度電力作動系統(tǒng)的需要；（3） 研究多余度（三余度、四余度）電作動技術(shù)，以取代液壓作動技術(shù)；（4） 研究稀土永磁電機伺服系統(tǒng)的高性能、實用化的控制策略