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NASA加速研究飞机电推进兆瓦级驱动系统

2017-09-13 09:15:01     来源:微电机世界网        

【大比特导读】要想在商用飞机上实现电推进,必不可少的是轻型、兆瓦级驱动系统,这种系统要比汽车上的功率更大,比舰船上的重量更轻,同时还要具有较高的效率,因为在兆瓦等级,百分之几的电力损失将意味着有数千瓦的废能需要排散。

涡轮电机

2035年可选的部分涡轮电商用飞机概念图(STARC-ABL方案),飞机尾部采用边界层抽吸电动风扇

要想在商用飞机上实现电推进,必不可少的是轻型、兆瓦级驱动系统,这种系统要比汽车上的功率更大,比舰船上的重量更轻,同时还要具有较高的效率,因为在兆瓦等级,百分之几的电力损失将意味着有数千瓦的废能需要排散。

针对商用飞机的电推进系统需求,NASA已经开始研究兆瓦级的电动机和电力变换装置。这些系统将支持近期和中期可用在单通道客机上的部分涡轮电推进和混合电推进系统的研发。目前这些项目已经完成了硬件试验。电驱动系统包括三个主要元素:电源、配电系统和消耗电力的载荷。NASA关注的重点包括发电机(电源)、电动机(载荷)以及电力变换装置和用于配送更高功率电力的线缆系统(属于配电系统的一部分)。其中,电力变换装置又包括将交流变直流的整流器和直流变交流的逆变器。

高功率密度电动机研究

伊利诺斯州立大学和俄亥俄州立大学分别获得了一份NASA研究协议(NRA),开发功率密度达到13千瓦/千克的电机,其目标效率大于93%(GE近日公布的1兆瓦新型演示电机效率达到98%)。NASA格林研究中心正在开发另外一种电动机,功率密度为16千瓦/千克,效率大于98%。这种功率密度已经远远超过了美国能源部为车辆电动机设定的2020年达到1.6千瓦/千克的目标。

正在开发的电动机包括三种:永磁电动机(伊利诺斯州立大学)、感应电动机(俄亥俄州立大学)和绕线电动机(格林研究中心)。

伊利诺斯州立大学正在开发1兆瓦的永磁同步电机(永磁电机可用在电动车上,顾名思义,其转子采用永磁铁而非电磁线圈)。这种电机采用外部转子,碳纤维壳体和永磁铁,转速18000转/分。伊利诺斯州立大学已经完成了将空气冷却电机集成到罗罗自由工场“电动可变发动机”上的转子全速试验和设计工作。这是一种并联混合电推进系统,其中由电池为电动机供电驱动风扇辅助地面滑行、起飞和空转下降,以减少燃油消耗。研究的电动机功率范围为1~2.6兆瓦。

永磁电动机作为发电机用在涡轮电推进飞机上将面临挑战:如果出现紧急情况时如何让其停止。NASA格林研究中心工程师拉尔夫·詹森(Ralph |Jansen)称,感应电动机和绕线电动机可以通过关断电磁场来让其停止。感应电动机功率密度比不上永磁电动机,但是其对电力电子器件的要求较低。

俄亥俄州立大学正在开发一种2.7兆瓦的环形感应电动机。该电动机为直径1米的环状,转速为2700转/分,外部转子由定子线圈产生的磁场驱动旋转。该电动机使用了带状导体缠绕定子。位于有源区外侧的导体带部分采用液体直接冷却,这样可以让定子通过大电流,提高电动机功率密度。俄亥俄州立大学正在制造300千瓦、1兆瓦和1.7兆瓦的电动机样机,用以验证冷却、制造和性能。该大学同时设计了10兆瓦的环形电动机,并将其集成到一个涡扇发动机上。该电动机转速提高到5000转/分,这样可以提高功率密度,但是会增加结构设计的复杂性,并且当转子和定子缝隙中的空气速度接近1马赫数时会增加游隙损失。

NASA格林研究中心的1.4兆瓦绕线同步电动机追求更高的功率密度和效率,采用了自冷却超导转子和无槽定子。这在提高了功率密度和效率的同时无须因外部冷却而增加重量。在发电模式下,绕线电动机可以通过为磁场线圈断电来停止,而无须从驱动轴上分离。高温超导体用于转子线圈可以提供超过永磁和常规导体的磁场强度。用于冷却超导体的冷却装置集成到转子中。这种电动机直径0.4米,转速6800转/分,保持转子表面速度与其他两种电动机相比相对较低。詹森称,这使得这种电动机在某些飞机构型中可以采用直接驱动的方式。

高功率密度电力变换装置研究

NASA分别授予GE公司和伊利诺斯州立大学研究协议,开发电力变换装置,计划目标功率密度为19千瓦/千克,目标效率为99%。波音获得第三份研究协议,开发低温变换器,目标功率密度为26千瓦/千克,目标效率为99.3%。这些目标与能源部为汽车电力电子设定的2020目标14.1千瓦/千克在同一量级。

对于电力应当采用直流还是交流来配送目前还存在争议。詹森说:“我们仍然需要对这两者进行比较。如果电源是电池,则很明显应该用直流。但是如果电源来自涡轮风扇发动机,则直流和交流都适用。这就需要弄明白哪种方式是最好的,需要仔细考虑电动机用直流还是交流。”

同时需要确定的还有配电的电压。增加电压可以减小电流,使电线更细更轻,但是增加了短路的风险。在高空低压下,与海平面相比,产生电弧的电压更低。目前飞机上采用的最高电压为540伏(±270伏),但是在单通道飞机配送兆瓦级的电力需要更高的电压。

NASA近期在研究1000~3000伏范围,尽管对于部分涡轮电和混合电推进构型而言这已经足够,但NASA仍计划研究5000~10000伏范围电压用于N3-X大型商用飞机概念的完全涡轮电构型。詹森表示:“这与舰船电力系统相当,但是舰船的是在海平面运行。”根据NASA测算,采用2000伏直流配送1兆瓦电力到约50米的距离,相比于540伏,电线重量可以从900千克减轻至200千克。

NASA目前聚焦于直流变交流的逆变器,并假定输入电压为1000伏和2400伏直流。詹森表示:“在变换器领域两种新材料的应用已经取得了实实在在的进步,这两种材料是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。现在你可以购买商用集成电力开关用在变换器里,改善其性能和重量。SiC和GaN开关可以在更高的频率下工作,损失小,效率高。”

GE公司制造了1兆瓦的逆变器,使用SiC开关技术将2400伏直流变换为三相交流。该装置用GE公司的1.7kW金属氧化物半导体场效应管电力组件。伊利诺斯大学制造了200千瓦“飞行电容器”装置,用基于GaN的场效应管开关,并可以放大到1兆瓦的系统。汇流条电压为1000伏直流。这些逆变器都采用液体冷却。同时,波音正在研制低温冷却的1兆瓦逆变器,目标是实现更高功率密度和效率。该装置用了商用货架硅半导体。该项目目前处在第二阶段,正在进行液氮冷却的200千瓦逆变器制造,用于风险降低。第三阶段将制造和测试1兆瓦逆变器。

兆瓦级电推进系统集成测试

上述委托NASA外部力量的研究将于2019年完成,NASA内部研究项目则持续到2020年。计划中的下一步工作是制造电动机和功率变换器,集成到兆瓦级的驱动系统中,该系统可以在位于俄亥俄州梅溪(Plum |Brook)的NASA电动飞机试验台(NEAT)进行测试,这里此前曾是一个超声速风洞和核热火箭测试设施。

NEAT试验台是NASA正在建造的电动飞机试验台,以实现未来单通道飞机全尺寸、实际飞行重量的动力装置在地面完成直到技术成熟度6级的试验,为实际飞行做好准备。NEAT是测试功率水平高达24兆瓦、汇流条电压高达4500伏的完整驱动系统。NASA于2016年9月在该设施中进行了第一次低功耗测试,使用一对现成的电动机来模拟通用电气CF34涡扇发动机。NEAT目前已经配备了波音737大小电驱动动力装置,计划2017年9月开始测试STARC-ABL——带后边界层推进的单通道涡轮电推进飞机。该机是NASA面向未来混合电动航班的概念机。初始测试功率为0.5兆瓦,到2018年将增至2.6兆瓦—3500马力。对于STARC-ABL测试,包括将尾部限制在6.10米长度范围内,将压力高度升至15240米高度,以测试全功率的电机和逆变器。因为在这个高度下,高电压电弧对电机性能有较大影响。据NASA介绍,该装置可在2024年之后进行扩展,以测试更宽的飞机。

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

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