电推进飞机定子励磁型无刷电机应用研究

基于电推进飞机的发展需求,结合航空背景,研究一种定子励磁型无刷电机应用于飞机电驱动系统的性能指标。分析了该电机的拓扑结构特点,采用参数化建模方法,在ANSYS Maxwell中建立了电机的仿真模型。运用有限元分析,以转矩特性为主要参数,对该电机进行了仿真优化,得到了适合于电推进飞机场合的电机最优模型。对优化后的电机电磁特性进一步分析,包括转矩特性、电机效率、输出功率和磁场分布等。结果表明:优化后的电机永磁体用量减少了0.18 dm^(3),输出转矩提高了7.7%,转矩脉动系数下降了8.1%,输出功率密度达4.8 kW/kg,效率达96.1%。该电机具有结构简单、功率密度高、电机效率高的优点。

分布式电推进飞机能量优化动态管理技术研究

针对分布式混合涡轮电推进飞机电力系统动态能量管理技术开展研究,将分层模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法用于其能量优化控制,针对分布式电推进飞机飞行功率需求的变化特点,采用了两层能量管理控制器的方法。即顶层MPC控制混合电推进飞机系统的飞行过程能量优化分配和多发电机组间、非关键载荷的投切状态等,实现燃油消耗代偿最小的目标,将优化问题等效为混合整形二次规划问题(Mixed integer quadratic programing,MIQP);底层MPC则控制双向DC-DC变换器,负责管理电池组的充放电状态和维持直流母线的电压动态平衡,利用储能装置的“削峰填谷”,改善并优化系统在飞行任务过程中的平衡工作点,同时实现飞机电网能量的动静态特性的协同控制,达到对混合电推进飞机电力系统的动态能量优化管理的目的,并与采用基于规则控制的能量管理策略进行了对比研究。最后通过建立基于RT-LAB的分布式电推进飞机电力系统硬件在环半实物仿真平台,对混合涡轮电推进飞机的分层MPC能量管理算法进行了技术验证,数字仿真和半物理试验结果表明其对于混合电推进飞机的动态能量管理具有很强的鲁棒性和操作性,验证了理论分析和设计的正确性。

飞机电推进系统高效能电机及其驱动控制技术

飞机动力系统的电气化是继机载二次能源逐步统一为电能之后航空电气化发展的重要方向和高级阶段,能够大幅提升飞机动力系统能量利用效率,是航空业绿色发展的重要途径。电机系统是飞机电推进系统的核心机电能量变换环节,高效能电机、电力电子变换及其驱动控制技术是电推进飞机发展的基础支撑。该文从电推进飞机动力系统架构出发,分析电推进飞机电机系统的特征与要求。总结永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机4种类型电机在电推进飞机上的研究和应用现状,系统讨论电推进系统中不同类型电机和电机驱动器的关键技术。最后,展望新材料、新器件、新工艺、人工智能和综合热管理等技术对电推进飞机电机及其驱动控制技术发展的推动作用。

不同机翼面积的分布式电推进飞机方案设计

为了明确不同机翼面积分布式电推进飞机设计方案的优劣,分别建立了相对常规布局飞机减小机翼面积进行巡航和起降多目标优化设计和机翼面积与常规布局飞机一致开展巡航性能单目标优化设计的流程;以某4座全电飞机为平台,开展了分布式电推进飞机的方案设计。仿真结果表明,相比于常规布局飞机,机翼面积不变的分布式电推进飞机设计方案巡航升阻比高、性能好。本研究对分布式电推进飞机的方案设计具有一定的参考价值。

分布式电推进飞机电力系统研究综述

继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后,电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向,有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放,代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状,论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构,比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构,系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术。小型纯电动飞机正在逐步迈向实用化,而分布式混合电推进技术是中大型飞机电气化的重要方向,仍然需要航空机电和动力系统等交叉融合与创新发展。

分布式电推进飞机动力系统评估优化方法

以电推进飞机的动力系统作为研究对象,开展了以下研究工作:采用电力系统潮流计算方法,分析了采用高压直流供电体制的分布式电推进飞机电气系统,模拟了其在稳定运行状态与断路故障状态下的能量流动关系,同时分析了直流电压等级对电气系统的影响。搭建了完整的分布式电推进飞机动力系统仿真模型,依据基于时间和基于高度的飞行剖面,对比分析了纯电推进与涡轮电推进架构在推进功率、推进效率与航程3个评价指标上的优劣。建立了动力系统典型部件的参数化模型,并使用符号规划算法对建立的参数化模型进行了优化计算,比较了传统涡轮推进与涡轮电推进架构下动力系统质量与燃油消耗率间的优化权衡关系。研究结果为分布式电推进飞机混合动力系统的设计提供了有价值的正向设计方法。

NASA亚声速大型飞机电推进技术研究综述

本文通过对近年来美国国家航空航天局(NASA)在亚声速大型电推进飞机(EAP)领域探索的研究,从飞机布局的变革、电推进系统技术成熟度的提高以及基础设施建设等几个方面进行总结分析。梳理了NASA研究的几种大型飞机可能的电推进布局形式,跟踪NASA在电机、功率变换器以及所采用的电推进材料等关键技术方面的研究进展,以及测试电推进飞机性能必需的地面试验台的建设情况。电推进技术的进步和发展,改变了传统的飞机设计思想,利用电推进的技术特征,考虑电推进与飞机机体的集成等设计理念,对我国大型飞机电推进技术的研究具有一定的参考和借鉴意义。

电推进飞机新型高功率密度轴向磁场永磁电机对比与分析

为了实现电推进飞机电机的高功率密度和高效率,提出了一种无槽轴向磁场永磁电机,该电机在继承定子无铁心轴向磁场永磁电机高效率优势的同时,能够实现更高的功率输出能力。首先,阐述了3种轴向磁场永磁电机的拓扑结构,包括定子无铁心轴向磁场永磁电机、无槽轴向磁场永磁电机及无轭分块电枢轴向磁场永磁电机。在此基础上,分别对3种电机的绕组因数、转矩输出能力和损耗分布进行了深入分析,对其损耗产生机理和影响因素进行了研究。针对飞机推进电机应用场合,对3种电机的电磁特性进行了对比。结果表明,提出的无槽轴向磁场永磁电机具有高功率密度和高效率的优势,适合应用于电推进飞机。最后,研制了一台50 kW定子无铁心轴向磁场永磁电机原理样机,试验结果验证了理论和仿真分析方法的正确性。

电推进飞机移相双绕组永磁电机特性分析

对飞机电推进系统双通道永磁电机进行了研究,首先阐述了双通道电机系统在电推进飞机上的冗余输出原理,随后对比了不同绕组形式的双三相电机,提出了采用移相双三相绕组的双通道永磁电机形式,着重研究了移相双三相电机的电磁特性。然后分析了其不同工况下的定子损耗分布特性,并结合电机冷却方式和散热能力,计算了电机在发生局部故障以单通道运行时的输出能力。最后研制了110 kW双通道永磁电机原理样机,通过实验对分析结果进行了验证。计算结果表明电机在单通道运行时可维持至少70%额定功率的输出,可为飞机在应急情况下提供冗余动力。

分布式电推进飞机双永磁电动机系统控制策略

为了减小气流等其他因素对分布式电推进飞机中各推进电动机带来的负载扰动导致的转速突变,使得总推力突变或机身左右两侧推力不一致而导致飞机偏航,需要保证各推进电动机具有良好的抗干扰能力和转速同步性。针对此问题,提出了一种针对双永磁电机系统的改进交叉耦合控制策略,采用了改进趋近律的滑模同步控制器。同时设计了一种负载观测器,该观测器以可直接通过位置传感器测得的电机转子位置信号为已知量,避免了微分突变的引入。对所提出的双永磁电机系统控制策略进行了一系列仿真及实验验证,仿真与实验结果发现:在转矩突变时,该控制策略与传统交叉耦合控制策略相比,转速突变减小约50%,同步误差减小约18%,证明了该控制策略与传统交叉耦合控制策略相比具有更高的同步性能和更强的抗干扰能力。

分布式电推进飞机动力学特性分析与评估

基于分布式电推进飞机研究方向大多仍在总体、气动、动力系统优化设计方面的现状,针对某项目分布式电推进飞机方案,开展了分布式电推进飞机动力学特性分析和评估方面的研究。通过基于涡格法和激励盘模型的快速气动评估计算与分析,分别对分布式增升系统开/关两种构型开展基本气动特性分析以及操稳特性评估对比。结果表明,分布式增升系统的开启能够提升升力特性,但分布式增升系统开/关也将改变飞机稳定特性;最终通过调整重心位置能够使飞机拥有较好的稳定特性和理想的配平操纵舵偏。

燃料串/并联的航空SOFC-GT混合系统性能对比分析

固体氧化物燃料电池-涡轮(SOFC-GT)混合系统作为电推进飞机的动力源时,会面临低温低压的大气环境以及对重量有严苛的要求,因此通过优化系统构型使得该混合系统满足航空应用是一种有效的解决方式。为此本文提出了燃料并联和串联的两种SOFC-GT混合系统构型,并从热力循环理论、系统热力学性能以及系统功重比等方面依次对其进行了对比分析。结果表明,并联系统的热力学性能要优于串联系统,对于系统发电效率、比功和功重比分别提高3.32%,113.14%和34.04%,CO_(2)排放率降低3.22%。随压比的提升串联系统的效率存在最优点,随燃烧室温度的提升并联系统的效率持续下降。在空燃比为4~6的变化范围内,串联系统的输出功率变化幅度更大,相对并联系统为116.29%~87.11%。除此之外,虽然SOFC-GT混合系统的功重比相对较低,但基于其优异的效率,在系统能量密度方面整体要优于锂电池,这有利于提升电推进飞机的性能。

高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性

提出一种适用于高速巡航的对转涵道风扇的双电机驱动架构,采用对转风扇-风扇-电机-电机(FFMM)的布局设计。在该驱动架构中,前后级驱动电机根据气动需求具有不同的功率和尺寸。FFMM布局的双电机驱动架构整体安装在涵道中心体内,有利于提高对转涵道风扇的气动性能,然而同一腔体内的双电机间存在热耦合和绕组间空腔的积温现象,难以判断风扇运行过程的电机温升情况和基于对转风扇气流的冷却效果。分析了所提FFMM布局的双电机驱动架构在不同工况下的电机损耗分布特性;探究了电机间热耦合对前后电机温升的影响,并对电机间积温空腔热网络模型进行优化;为平衡中心体内前后电机的温度分布,减少中心体结构轴向长度,采用环状导热片结构调节双电机间的热耦合程度,有效提高电机间积温空腔的散热性能并优化前后电机的温升分布。基于高速对转涵道风扇搭建实验平台并完成电磁与温升实验。实验结果与仿真结果一致,表明直接风冷条件下FFMM布局高速对转涵道风扇有着较强的散热能力,并且环状导热片对FFMM布局的中心体内部温度的分布有着更好的冷却效果。