永磁無人機的後續發展

   近日央視報到美國航母和核潛艇水下都成功發射無人機，緊著歐盟成員國以及以色列都在緊張研發無人機，因為在未來領空都會是由無人機來主導的，下麵介紹下稀土永磁鐵在無人機上的應用。

   隨著稀土永磁材料、電力電子、微電子、微機、新型控製理論及電機理論的進步，稀土永磁電機的技術發展十分迅速，在航空領域顯示出廣泛的應用前景和強大的生命力。

   稀土永磁電機在航空上的應用具有以下特點：

   1、由於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、重量有極為嚴格的要求。現代航空飛行器中，每 1 kg 設備重量大約需要 15～30 kg 的附加重量來支持。

   2、稀土永磁材料的矯頑力 Hc 高，剩磁 Br 大，因而可產生很大的氣隙磁通，大大縮小永磁轉子的外徑，從而減小轉子的轉動慣量，降低時間常數，改善電機的動態特性。

   3、氣隙寬度可以選取較大值，這樣可以減小由於齒槽效應引起的力矩波動，也可抑製電樞反應對力矩波動的影響。電樞反應對稀土永磁體的去磁作用較小，更適合突然反轉、堵轉驅動等特殊性能要求。

   4、使用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，壽命隻幾百小時。隨著航空技術的不斷發展，各航空電機生產廠都麵臨延長產品壽命的技術壓力。當壽命要求提高到 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。

   適宜於高速運行。轉速越高，電機體積重量可以做得越小。但有刷直流電機由於機械換向的限製，轉速很難在現有基礎上進一步提高。無刷直流電機在軸承允許的條件下，轉速可成倍增加。

   可靠性高。高空換向火化加大，影響可靠性，不利於電磁兼容；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。這對於有刷直流電動機是十分危險的。

   餘度控製方便。無刷直流電機的可靠性薄弱環節在控製器和電機繞組上，多餘度控製方法靈活。有刷直流電動機的薄弱環節在換向，較難實現單軸輸出的餘度控製。

   稀土永磁材料的內稟矯頑力高，磁場定向性好，因而容易實現在氣隙中建立近似於矩形波的磁場，實現方波驅動，提高電機的出力。

   由於稀土永磁電機具有上述一係列優點，因而非常適合於對性能、體積、重量要求特殊的航空領域；特別是稀土永磁無刷直流電機，被認為是航空領域最有發展前景的電機。

   稀土永磁電機在航空上的應用現狀

   在發達國家，稀土永磁電機在航空上的應用已較為廣泛，國內相對滯後，到目前為止隻有少量新型號飛機得到應用，稀土永磁電機在飛機上的主要應用對象為各種各樣的電力作動係統。電力作動係統是以電動機為執行元件的驅動係統，廣泛應用於飛機的飛控係統、環境控製係統、刹車係統、燃油和起動係統等。

   飛機上采用的作動係統有液壓、電力、氣壓和機械4種。其中液壓作動係統使用最為廣泛；但目前正在大力發展和最有前途的作動係統是電力作動係統。隨著稀土永磁材料、大功率半導器件和微處理器的發展，電力作動係統已發展到與液壓作動係統相競爭的地步。

   (1)飛控係統

   飛控係統用的電力作動係統又叫功率電傳作動器，主要用於翼麵和方向舵的操作。主要分為電動液壓作動器和機電作動器。

   70 年代中期，美國直升機的液壓係統在重要的國際事件中頻頻出現故障，促使他們對稀土永磁電動舵機進行研究開發。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製舵麵研製的電動液壓作動器采用了釹鐵硼永磁無刷直流電機技術。研製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和脈寬調製式功率變換器技術。

   電機控製器接收飛機上飛控計算機發出的控製指令，經過三通道舵回路係統伺服放大器的信號處理、綜合與放大，進而驅動係統相應舵機的輸出轉角來操縱飛機的舵及副翼的舵麵偏轉，從而改變飛機的姿態和航向，實現飛控係統對飛機飛行的自動控製。

   (2)電動環境控製係統

   電動環境控製係統采用機電作動技術，其特點是采用大功率、高轉速的變速驅動電動機。美國從 1982 年開始發展電動蒸汽循環式環境控製係統，並在P-3 反潛飛機上進行試驗。該係統采用 30000~70000 r／min 的變速高壓直流稀土永磁無刷直流電機來驅動壓氣機。該釤鈷永磁電動機在 45000 r／min  時輸出  34.3 kW 的功率。

   國內也已研製出電動環境控製係統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子位置傳感器輸出信號間接測量電機轉速，實現電機在大範圍變負載狀態下的高精度穩速，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動電動活門時的時間控製精度問題。

   (3)空中製氧係統

   氧氣濃縮器是先進飛機的重要機載設備，它為飛行員提供了生命的續航能力。目前國際上隻有美國等四個國家擁有該項技術。我國已躋身於該技術國際先進行列，研製成功氧氣濃縮器。所用電機為低速高精度無刷直流電機穩速係統，采用釤鈷永磁勵磁，驅動閥門以 6 r／min 旋轉。

    (4)電刹車係統

   美國於 1982 年研製成功電刹車係統，並在 A-10 攻擊機上進行了試驗。90 年完成第三代電刹車係統，采用了大力矩釤鈷永磁無刷直流電動機和滑輪蝸杆作動器。     98 年美國 F-16 戰鬥機試飛新的電刹車係統。該係統的電作動器采用四台稀土永磁無刷直流電動機。由於采用無刷電機和低慣性元件，機電作動器的響應頻率達 20~30 Hz，而液壓作動器的響應頻率僅為 10 Hz。采用該電刹車係統可使戰鬥機減輕 22.5~45kg。

   (5)燃油係統

   係統的液壓泵、液壓閥過去大多采用有刷直流電動機驅動。現采用無刷直流電動機。電機隨泵浸在燃油中工作，控製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鈷永磁，以及1J22 高導磁定子鐵芯材料，具有數字控製的速度閉環和軟起動功能。

   航空稀土永磁電機的發展趨勢

   1、稀土永磁無刷直流電動機

   由於稀土永磁無刷直流電動機獨特的優點，其在飛機上的應用速度也在加快。在功能上和性能上都在向更高水平發展。

   在可靠性方麵，冗餘技術日益得到重視。發展餘度設計技術、容錯控製技術、故障重構技術等。其中兩種餘度形式發展較為普遍：並聯式和串聯式。並聯式的特點是隻有一套定轉子，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製器，兩個控製器完全對稱，彼此進行故障監控，形成並聯式雙餘度結構。串聯式的結構特點是兩個獨立的電機本體同軸同殼體安裝，形成串聯式雙餘度結構；每個電機的電樞繞組分別連接各自的控製器，兩個控製器完全對稱，彼此進行故障監控、協調工作。

   在減小體積重量方麵，采用多種技術。一是提高絕緣等級，提高磁鋼的高溫抗去磁能力。二是提高工作轉速，采用磁懸浮、氣懸浮等技術；三是改善冷卻條件，采用循環水冷、循環油冷、噴油冷卻、定子單邊冷卻、定轉子雙邊冷卻等技術。

   另外，大功率和高壓直流是目前的重要發展方向之一。

   2、稀土永磁有限轉角力矩電機

   該電機可在一定角度範圍內直接驅動負載做快速運動和準確定位。其特點是:在有限的轉角內出力大、響應快、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、高可靠性位置伺服係統。

   該係統由稀土永磁有限轉角力矩電機、位置傳感器和控製器三部分組成。其中電機包括單餘度永磁轉子和雙餘度繞組定子，控製器包括與電機繞組相對應的雙餘度控製電路。係統可在雙餘度或單通道條件正常工作，從而大大提高係統的工作可靠性。當運行範圍為 ±θ°角度時，電機通過特殊設計可實現在最小體積下輸出最大力矩，並可獲得很寬的頻響特性。

   正是由於該係統獨特的優點，國外於 80 年代末期就開展了這方麵的研究，並已在航空航天領域得到成功應用。該係統在飛控係統和電刹車係統，可作為新型的直接驅動作動器的驅動係統，直接驅動作動器伺服閥門的開啟，而不是通過齒輪減速驅動；從而可克服減速輪係傳動係統的誤差，減小液壓傳動係統的缺點，實現高精度、大力矩、寬頻響驅動。

   3、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，但由於其成本相對較低、工藝成熟、特性不錯，因而在一些係統中仍在發揮重要作用，並不斷尋求技術進步。采用稀土永磁勵磁可有效提高功率密度；采用多種餘度形式提高容錯性；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；采用空心杯電樞結構減小轉動慣量等。

   4、稀土永磁直線電機

   飛機電液伺服閥、氧氣閥、應急放油閥、電動活門、發動機油門杆等直線運動場合的負載推力並不大，使用蝸輪蝸杆機構或者旋轉絲杠結構僅僅希望能將旋轉運動變為直線運動，但卻不適應飛機快速作動閥高可靠性、高頻響和直接驅動的性能要求。

   混合式直線步進電機 (Hybrid Linear Stepping Motor，HLSM) 是一種將脈衝信號轉換成微步距直線運動的數字脈衝電機，即使在開環條件下，無須直線位移傳感器，也能夠做到精確定位控製。該電機具有結構簡單、行程長、耗電省、溫升低、容易數字控製、無累積定位誤差、慣性小、互換性強和可直接驅動等明顯優點。        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麵向氣隙的平麵上，轉子設計成感應形式。由於感應性轉子齒的作用，這種電機適用於低轉速、高力矩的場合。其關鍵技術主要包括減小推力波動的平穩性控製、行程末端衝擊和噪聲的消除等技術。

   5、稀土永磁發電機

   目前國內外已發展 500 ~ 2000 VA 的無人機用稀土永磁同步發電機係列、45～150 kVA 機載電源係統用大容量稀土永磁發電機。為了滿足航空電源品質的日益高標準需求，一種自適應複合勵磁稀土永磁發電機正在受到國內外的關注。該發電機融合了稀土永磁和電勵磁發電機的特點，具有高效和良好的電壓自調整能力。           6、稀土永磁雙凸極電機

   稀土永磁雙凸極電機是在開關磁阻電機的基礎上發展起來的一種新型電機，在定子或轉子上植入稀土永磁體，其輸出轉矩更大，並具有高可靠性及容錯性，因而在航空領域展示出良好的應用前景。

   結語；

   雖然國內在航空用稀土永磁電機方麵開展了大量研究，但在實際應用的速度和規模上與發達國家的技術水平和工程應用水平還有不少差距。還需在以下幾個方麵加大發展力度：

   1、進一步提高可靠性，加快工程應用步伐。特別在稀土永磁體高溫抗去磁能力、控製電路、位置傳感器方麵多進行可靠性試驗與探索；

   2、發展高精度、寬調速比的高性能稀土永磁電機調速係統和伺服係統，以適應高精度電力作動係統的需要；

   3、研究多餘度(三餘度、四餘度)電作動技術，以取代液壓作動技術；

   4、研究稀土永磁電機伺服係統的高性能、實用化的控製策略。

   文章永磁無人機的後續發展由專業從事電機磁鋼廠家東莞茄子视频在线观看免费下载APP於2018/12/14發布，修改於2022年8月2日，修改原因：網站改版導致原鏈接失效。

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