飞机电气化背景下的先进航空电机系统

多电/全电飞机将机载二次能源逐步统一为电能,电推进飞机进一步将电能用于飞行动力源,飞机电气化被认为是飞机机电系统与动力系统融合的重大革新,已经成为航空技术发展的重要方向。航空电机系统是支撑飞机电气化的重要基础。文中介绍了飞机电气化的基本概念和发展现状,阐述了电气化对飞机电源与用电设备的重要影响,重点论述了航空电机系统对飞机电气化发展的重要性及其面临的研究机遇与挑战。基于此,系统分析了适应飞机电气化发展需求的先进航空发电机与电动机系统,并进一步总结了支撑先进电机系统发展的关键技术,包括新型电工材料与器件、冷却技术、多物理场耦合分析方法与集成化综合设计理念。

多电飞机电力系统及其关键技术

多电飞机将机载二次能源逐步统一为电能,有效提高了飞机的燃油经济性、可靠性和维护性,已成为航空科技发展的重要方向。作为机载二次能源系统的核心,电力系统在多电飞机发展过程中起到了关键支撑作用。电力系统及其关键技术的创新发展是实现飞机综合性能提升和全局优化的必要基础。本文从多电飞机的基本概念与特点出发,分析对比了典型多电飞机的电力系统架构,在此基础上系统地总结了支撑多电飞机电力系统发展的关键技术,讨论了未来多电飞机电力系统高压、直流和智能化的发展趋势。

电气化飞机电力系统智能化设计研究综述

能源危机和环境问题推动了绿色航空的发展,飞机电气化是绿色航空的主要实现手段,已经成为航空技术发展的重要方向。本文介绍了飞机电气化的发展历程,阐述了电气化飞机电力系统的关键技术及其研究现状,分析了先进飞机电力系统设计的关键技术,指出了飞机电力系统综合化、智能化的发展特点。在分析飞机电力系统设计存在的问题的基础上,文章初步提出了电气化飞机电力系统智能化设计平台的理论框架、功能和特点,分析了支撑电力系统智能化设计平台的关键技术,指出了航空智能化设计的研究方向。

寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响

随着开关频率的增大,寄生电感对碳化硅(SiC)器件动态开关过程的影响程度也越来越大,无法充分发挥其高速开关下低开关损耗的性能优势。本文采用理论定性分析与实验定量研究相结合的方法,考虑相关寄生电感,对SiC MOSFET基本开关电路建立数学模型,确立影响开关特性的主要因素,然后通过SiC器件高速电路双脉冲测试平台,对各部分寄生电感对SiC器件开关性能的影响进行系统研究,揭示寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响规律。在此基础之上,根据SiC高速开关电路实际布局的限制,在布局紧凑程度或回路走线总长度相对不变的情况下,对各部分寄生电感的匹配关系进行研究,归纳出SiC器件开关过程受寄生参数影响的特性规律,从而指导SiC基高速开关电路的优化布局设计。

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。

多电飞机大功率高压直流起动发电机系统研究与实现

起动发电(SG)一体化是多电飞机(MEA)和全电飞机(AEA)机载主电源系统的重要特征与关键技术。高压直流电源(HVDC)系统输出不受交流电频率约束,电机可工作在更高转速从而提高功率密度,且易于并联提高供电可靠性,已经成为飞机电源系统的重要发展方向。提出三级式高压直流起动发电系统架构,阐述了其组成和工作原理,分析了发电和起动模态下永磁发电机(PMG)、励磁机(ME)和主电机(MG)的运行特性,以及发电模态下励磁机的恒流源和电流放大器特性;研究了起动模态下主电机的转矩产生机理和影响因素以及励磁机单相交流励磁特性。研制成功120kW/270V高压直流起动发电机系统,构建起动发电一体化实验平台,完成了发电及发动机模拟起动运行实验,实验与仿真结果一致,为大功率高压直流起动发电系统在新一代飞机上的应用奠定了理论和技术基础。

面向多电飞机的脉冲波形下局部放电规律

为满足多电飞机(MEA)的大功率用电需求,系统工作电压需要进一步提高,而较高电压会增加相关部件的绝缘失效风险。面向多电飞机特定工作场景和参数,搭建了模拟飞机电作动器中的绕组间绝缘故障测试平台,开展了1kHz范围内的局部放电(PD)大量重复实验,研究了特定电压幅值、正弦波和方波脉冲波形下局部放电幅值、放电重复率和放电相位等统计特征,并计算评估了不同频率值下多电飞机中的局部放电行为。实验结果表明:在设定频域范围内,方波脉冲下的起始放电电压(PDIV)都低于正弦,方波脉冲波形对绝缘影响更大;随着频率升高,放电幅值逐渐降低,但放电重复率几乎呈线性增长;放电时刻集中于上升沿/下降沿末端。以50Hz作为对比基准频率,1kHz时的放电幅值降低80%,而放电重复率增加11.92倍,较高频率下多次累积的小幅值击穿成为威胁绝缘失效的主要原因。计算分析认为高频下空间电荷场强变化导致的放电延迟时间减少和周期数目增加分别导致局部放电脉冲幅值降低和放电重复率增加。本实验结果有助于针对多电飞机电气系统和相关装备开展针对性绝缘测试和评估,并有望为多电飞机向大功率高电压方向的设计提供参考和借鉴。

一种适用于SiC基变换器的桥臂串扰抑制方法

在对碳化硅基变换器中的桥臂串扰产生机理进行深入分析的基础上,提出一种新型有源箝位桥臂串扰抑制方法,并构成适用于碳化硅(Silicon carbide,SiC)基桥臂电路的串扰抑制驱动电路。给出其等效电路模态分析,讨论了关键参数的设计方法。设计制作了串扰抑制驱动电路模块板,并在1kW永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动实验平台上进行了验证。实验结果表明,该方法能够有效抑制SiC基变换器中的桥臂串扰。

宽禁带半导体器件研究现状与展望

电力电子器件是电力电子技术的重要基础。由于传统的硅电力电子器件的性能已经逼近其材料极限,很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能,成为电力电子器件新的研究发展方向。本文对碳化硅和氮化镓电力电子器件的商业化产品水平和实验室研究现状进行了综述和探讨,并对宽禁带半导体器件在未来功率器件市场中的应用前景进行了预测及展望。

SiC功率开关管短路特性分析及保护综述

为保证碳化硅(SiC)功率器件安全可靠工作,其中一个关键性问题就是功率器件的短路能力。介绍两种短路故障,分析了短路电流变化机理,对3种典型商用SiC功率开关管(SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT)的短路特性进行了对比分析,并对它们的短路检测及保护方法进行了对比分析和归纳,最后进一步探讨和总结了SiC开关管短路能力及短路保护中存在的问题。

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。

涡流效应对脉冲漏磁检测信号的影响

为了研究脉冲漏磁检测中涡流效应对漏磁信号的影响,应用有限元分析软件建立了脉冲漏磁检测仿真模型,对被测样本内磁场与涡流分布随时间变化的情况进行了分析,进而研究了基于不同激励电压和磁芯磁导率仿真模型的漏磁信号波形。仿真结果表明,当磁场激励较小时,漏磁信号在脉冲激励电压的上升阶段存在过冲现象,随后达到稳态。搭建了检测平台进行检测试验,检测结果与仿真结果相一致,研究表明在缺陷检测中应用检测信号峰值特征评估缺陷深度的方法具有更高的精度。

起动发电机在中国大型客机上的应用

变频交流(AC)发电机在三级式恒频交流同步发电机的基础上发展而来,其宽的变速工作范围给发电机系统带来了新的特点,而变频交流起动发电机又是在变频交流发电机基础上进一步发展的,其运行条件及工作特性更为复杂。首先介绍变频交流发电机的结构特点,并给出其设计关键点以及变频工作对发电系统的影响;进一步针对变频交流起动发电机新增的起动功能,重点分析起动工作时励磁机的两种工作方式,并给出建议的工作方式。通过分析现有变频交流起动发电机及其起动发电系统,指出进一步提高其功率密度和效率是完全可能且必要的,从而为其在中国未来大型客机上的应用和发展提供参考与建议。