应用于多电飞机的电机驱动技术概况外文翻译资料

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应用于多电飞机的电机驱动技术概况

Wenping Cao, Senior Member, IEEE, Barrie C. Mecrow, Member, IEEE, Glynn J. Atkinson, Member, IEEE,John W. Bennett, and David J. Atkinson

摘要：这篇论文特别关注了候选机械和他们的驱动拓扑结构，表述了关于电机驱动技术于航空关键安全领域的应用。航空器在减少重量、复杂性、耗油量、运营成本和环境影响的同时，需要有高可靠性、高适用性、高能量密度等特性。新的电机驱动系统可以达到传统机械、液压、气动系统的这些需求，并且对其技术和经济方面有所改善。容错电机驱动器可以通过区分和冗余多路三相系统或并联单相模式获得。分析方法是比较笼型感应电机、磁阻电机和永磁电机的驱动技术和他们相关的优缺点。分析表明选择两个或三个三相永磁交流（PMAC）电机驱动的方式在航空领域被普遍应用，它能在运行故障后，通过打破必要冗余平衡和过度复杂性来维持平衡运行。模块化单相通道的电机在型号大小和复杂性中间提供了不错的平衡性，但受制于用于驱动的高总谐波失真和故障后的高转矩波动。在为每个特定的飞机配置合适电机时，必须通过做一组电磁和热性能方面的分析实验来进行参数优化，并且用有限元分析验证其可行性。

关键词:Actuators, aerospace industry, brushiess PM motors, fault tolerance, more electric aircraft, multiphase machines, reliability,safety-critical drives, variable speed drives.

1. 简介

航空客运交通从1960年以来以每年9%的速度在增长，这使世界更接近于一个地球村。但是，如今的民航运输仍然非常昂贵并且要付2%的人为CO2排放费。因此，飞机运营商和航空工业集团都希望在减少费用、噪声和CO2排放量的同时在安全性、容纳性和适用范围上得到持续的改善。为了达到这些需求，航空工业系统在机械、液压和气动系统中经历一场长期的全球化的电力系统革命革。与先进的电力电子技术和控制策略结合应用，电机驱动技术能够以不同的速度将电能传递到驱动机构中，如泵、压缩机和其他子系统，电机驱动能在达到可靠性和其他需要的同时提高整体的效率、减轻重量和提高成本效率。在这个基础上，航空产业的最终目标是获得“全电飞机”（AEA）——将所有的能量系统由电力源系统代替。那时，也许一个全电飞机可以减少飞机10%的重量和9%的耗油量。所以，空客公司的A380和下一代的波音787飞机都以电驱动作动器为特色：空客A380采用新型的交流（ac）变频115V电源，相反，波音787用的是plusmn;270V的直流电源。

飞机安全性的重要性体现在对应用新的想法和技术采取保守的理解态度。现在，航空工业中一种将电力控制和驱动分散化的趋势在增长。机械驱动执行机构逐渐被由电子伺服阀驱动的液压执行机构代替——电液作动器。在A380中，电液作动器允许从附近的电源为泵和储层提供液压作动。这里“多电”词条意味着减少机械联动，近来液压动力源提供网络全覆盖，这简化维护和减少重量。例如，代替了液压的电力引擎油泵，被发现到在系统效率、重量、大小和速度控制的灵活性中有很大进步，这些阶段性的目标现在正被称作“多电飞机”（MEA）。

1. 电力飞机的历史

现在飞机上电驱动的概念已经和最初的有很大区别了。在1916年，电驱动首次被提出。在第二次世界大战中，英国“V”型轰炸机用电力实现主要飞行控制和其他驱动功能。然而，当机械、液压、气动驱动达到了技术成熟并获得广泛认可的时候，标准的二级驱动力量是：

液压技术：用于大多数驱动装置（如起落架、刹车装置和飞行控制系统）。

气动技术：用于密封装置、除冰装置和空调等。

电力技术：用于航电设备和公共设施等。

表1 多电飞机电机驱动在小型飞机上的应用

在20世纪70年代末，单相电力开始成为一种二级能源，但并没有在当时普及。在20世纪80年代，美国发起了若干项目来发展电力驱动技术，为了能将它应用在民用和军用飞机上。这种技术进步利用的是永磁技术 (PMs)，半导体功率材料和控制工程策略，这使电力驱动在对安全性要求苛刻的领域中展现了一些优越性。尽管有过很长历史的讨论，“多电飞机”和“多电飞行器”这样的术语最终被正式提出，是为了用电力部分代替所有二级备用驱动器。但是，这代表了一场飞机制造业最根本上的改变，所以美国空军在20世纪90年代着手倡议小步的推广电力驱动方式——“MEA”。MEA电机驱动应用的例子在表一中列出了。

在最近一段时间，电力驱动的模式涌现了大量的成果，多电飞机（MEA）的概念也已经被人们广泛的接受。尽管如此，市场渗入还是很慢，因为新的系统必须符合系统可靠性需求，并被证明适航。

1. 应用领域

重点考虑的驱动部分是飞机上安全要求苛刻的地方，如引擎发电机、飞行面作动器、引擎油泵和起落架前轮转向系统。在发电机中，“多电引擎”的概念是指将发电机集成到燃气涡轮发动机中。这篇文章仅仅关注了作动器，发动机泵和起落架等牵涉电机技术的部分。

一般来说，电力系统包含了传感器、电机和动力电子设备。总体上，他们应该基于以下因素为飞机提供所需的功能应用：

·可靠性；

·重量；

·功率密度；

·效率；

·控制功能和复杂性；

·设计和制造的复杂性；

·热稳定性

·尺寸

·造价

每当我们优化一个电力系统的时候，这些标准经常会互相矛盾，以至于我们总是需要在匹配某个特定的系统需求时做一个权衡。例如，对容错作动器来说，重点要放在如何在全转速和转角中获得完整转矩。对油泵来说，这意味着泵的阻力矩决定了所需要的转矩/速度模型。

A.飞行面作动控制

飞行器在起飞或降落时，需要控制其襟翼和前缘缝翼的表面以提供升力。现在的商用飞机普遍通过一根轴及两个液压马达机械的叠加来使翼展长度的机翼运动。所有襟翼的相对位置是要被监控的，因为他们相对两翼的对称性对飞行可控性是至关重要的。如果一个襟翼出现不对称或者一个油泵失效了，那所有的襟翼都会在当前位置被锁住以阻止更多的不稳定。

以单独放置作动器在各襟翼面的形式，用电驱动代替液压机械系统，可以提供更佳的功能性，不用再将液压泵、轴系、管道系统和其他辅助设备集中安置，并且有可能改善系统的可靠性、可维护性等。

这里已经有一个完整的襟翼作动器被建造出来并被一个试验台验证了。它能在10krpm的转速下传递3.4Nm的能量到11800：1的齿轮系中，并使襟翼在整个航行过程中同步准确度大于0.25%，在其他过程中大于0.5%。电动机是一个有50%超调量的三相永磁交流（PMAC）电机，它可以确保在故障时的保持持续运行。

B.引擎油泵

在民用飞机上，机械能经喷气发动机引擎轴系传动至齿轮箱转化为油泵的液压能。如图3所示。详细的说，引擎油泵由低压输送泵（低于5000psi）和高压油泵（大于等于5000psi）组成。习惯上，前者是电驱动的而后者是液压机械驱动的，后者亟待电气化驱动来节省空间、提高效率和减少维修需求。重点是，这是不用改变发动机转速的机械方法。电动油泵供油速度是可变的，而且可以动态的控制燃油流量以准确的匹配需求、减少耗油量、运营成本和维修费用。

一个容错电机泵已经有了样机（如图4）。这是一个有1/3超调量的四相30krpm100kw的永磁交流电机。它能够处理发生的一种特定电气故障。

C.起落架前轮转向系统

一般来说，商用飞机起落架是液压驱动的。由于接近刹车，最小运转时间需要保证液压机液体能够冷却。有项目显示电力系统代替液压系统后，改善了飞机的安全性，如图5所示。故障容错在整个用双三相永磁电机的过程中都要在一个很小的箱子里被执行。供给plusmn;270V的标准直流电，1000rpm转速下额定载荷为12Nm。前轮转向仅仅在滑行时使用，另外它的安全性需求相对不严格。在起飞和降落的过程中一个没电的离合器紧紧抓住自由的脚轮，这时两个驱动系统同时运行在“活跃-活跃”的配置下，在离合器故障时处于一个“活跃-可靠”的配置。

1. 候选的电机类型

在任何对可靠性和能量密度提出严格要求的特定航空航天电动系统中，电动机都是非常重要的部分（从标准、规定和一组代码）。考虑到电机将被应用于对安全性要求苛刻的项目中，以下几点条件需要被满足：

·线路之间的电、机械、磁和热绝缘性；

·有高的转矩/重量比和高的转矩/电流比；

·相电感的高（对永磁电机来说）；

·全航速范围内的的高效率；

有刷或有交换器的电器是不考虑的，因为他们有很高的维护需要、低的转矩密度和匮乏的可靠性。因此，可行的候选机械仅限于电磁感性电机、磁阻电机和永磁电机，如图6。

发电机

电磁感应

磁阻

永磁电机

鼠笼式的电机

同步电机

开关磁阻电机

无刷直流电机

无刷交流电机

图6 多点飞机驱动系统对机械部分的选择

A.电磁感应电机

鼠笼式电磁感应电机以其结构简单、牢固、造价低廉和可靠性高而受誉，因此他们在工业中应用非常广泛。但是，由于在各相绕组与转子之间存在的互耦，想将马达分割为磁绝缘的几个部分几乎是不可能的。

在文献中，已经发现几个多相感应电动机驱动发展成了模块化的配置，这减少了各相绕组电与磁力耦合并在一定程度上改善了他们的故障容错。但是，对复杂控制方式的刁难是必然存在的，由于这种方式需要单独对个控制电路进行安全性分析并单独加工制造各个绕组，使得这种方式难以实施并同步配置。电动机已经被证实能够在断路指示器

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