磁浮多电航空发动机的研究现状及关键技术

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磁浮多电航空发动机的研究现状及关键技术徐龙祥，周波（南京航空航天大学机电学院，南京210016）传感器、附件电传动技术、备用轴承和多电发动机的结构设计。介绍了美国的ihptet计划中有关磁浮多电发动机的研制情况，ihptet计划和美国的德雷伯，synchromy公司的研究人员在每个径向磁悬浮轴承上用了6个传感器和6个线圈，其中的3个不相邻的传感器和线圈组成一个径向磁悬浮轴承，实际上每个径向磁悬浮轴承相当于有两个径向磁悬浮轴承同时在工作，当某一个轴承出现故障时，另一个轴承可以正常工作。这种结构显著提高磁悬浮轴承系统的可靠性。

轴向轴承也是这样设计的。

位移检测方法用电容传感器检测转子位移，在中采用了无传感器检测技术。

材料与德雷伯），认为该公司研制的磁悬浮轴承系统满足了航空发动机上天要求。

表3美国ge公司和nasalewis研究中心的研究工作转子系统双转子结构。磁悬浮轴承的结构与synchrorny公司的结构相同，在每个径向磁悬浮轴承上用了6个传感器和6个线圈，目的是提高磁悬浮轴承系统的可靠性。轴向轴承也是这样设计的（如所示）。

材料磁悬浮轴承：钴铁软磁合金位移检测方法无传感器检测技术备用轴承用传统的发动机的滚动轴承作为径向备用轴承，直径间隙为0.254mm；轴承被用来作为轴向备用轴承主要贡献经过详细计算，认为采用磁悬浮轴承后，大型航空发动机可以减轻约90kg的重量表4美国avcon公司的研究工作「l21工作温度位移检测方法高温涡流位移传感器备用轴承滚动轴承磁悬浮轴承材料钴铁合金，牌号：afk502r应用领域航空发动机主要贡献研制成功了高温涡流位移传感器工作温度位移检测方法高温涡流位移传感器备用轴承滚动轴承磁悬浮轴承材料国产钴铁合金，牌号：1j22，励磁线圈和传感器的线圈用高温陶瓷绝缘导线绕制，传感器的骨架用玻璃陶瓷制造应用领域航空2高温磁悬浮轴承系统的核心关键技术然可以采用冷却的方式，但需要复杂的冷却系统，不能充分发挥磁悬浮轴承的优点。因此，研制、开发能够在550°c左右工作的位移传感器是实现高温磁悬浮轴承的最关键的核心技术之一。目前国外已经用电感传感器和涡流传感器实现了高温磁悬浮。研制高温位移传感器的主要困难在于：（1）传感器在0c550c大温度范围内的温度补偿技术：在高温下，由于线圈的电阻等参数变化较大，传感器的灵敏度会发生较大的变化，而且会产生很大的温漂；（2）传感器的生产工艺：由于传感器非常小，线圈的直径也很小，往往只有0.1 mm，如何将这么细的线焊接出来并能够在550c高温下稳定工作，是一个非常棘手的技术问题。

2.2高温磁悬浮轴承机械系统的制造技术普通的磁悬浮轴承的机械系统只能在180c以下工作，其主要原因是励磁线圈的绝缘层是普通的绝缘漆。如果要进一步提高工作温度，就需要采用耐高温的绝缘材料作为励磁线圈的绝缘层。

目前国外普遍采用高温陶瓷绝缘导线绕制磁悬浮轴承的励磁线圈，这种导线的外表覆盖了一层厚度只有6pm左右的陶瓷绝缘材料，能够在1000c以下工作。但是，这种陶瓷绝缘导线有2个不足：（1）是陶瓷绝缘层比较脆，在绕制励磁线圈的过程中容易破裂、脱落，造成短路事故；（2）是这种陶瓷绝缘层的使用寿命在550c只有2500小时左右，约束了它在工业上的广泛应用。鉴于上述原因，目前迫切需要一种新的励磁线圈的材料与制造工艺，能够保证在绕制线圈的过程中不会出现短路现象，而且在550c的高温环境下有更长的工作寿命。

3.2.3高可靠性的磁悬浮轴承系统研究虽然磁悬浮轴承没有机械接触，其可靠性从理论上讲比机械轴承要高的多。但是，由于电子线路与信号联接等方面存在故障，严重地威胁了磁悬浮轴承系统的安全性。因此，特别需要研究具有容错能力的高可靠性的磁悬浮轴承系统。即使部分电子线路、传感器等方面出了故障，这种磁悬浮轴承系统也能够正常工作。

3.2.4磁悬浮轴承电子控制系统电磁兼容性的研究目前普遍采用开关功率放大器来驱动磁悬浮轴承的励磁线圈的电流，这种功放最大的不足在于对外界电子设备的干扰。在发动机和飞机上有机的转子对温度不喊。在高温环境下有良好的pul核心是研究能否将发动机的转子直径增加，仅用1是一个迫切需要解决的问题。

2.5大不平衡与大冲击载荷情况下磁悬浮轴承控制系统的研究飞机在起飞、着陆、机动飞行等情况下，会产生很大的冲击载荷。特别是当发生发动机叶片断裂事故时，发动机至少还要工作30min，由此产生很大的、作用时间很长的不平衡载荷。因此，需要研究发动机的转子一磁悬浮轴承系统由于受到上述冲击载荷与不平衡载荷时转子动力学的本征行为，并开发相应的控制软件。

4附件电传动技术1国际上起动发电机的研究概况全电或多电发动机要求采用电力起动机，并与发电机结合，形成无刷起动发电机。可以取消发电机的附件机匣，可进一步简化发动机的结构并减轻重量。

国外早期的许多战斗机就采用了起动发电机技术，不过是有刷的。如米格-19、米格-21、~86和f-5等战斗机均采用了有刷直流起动发电机以减小发动机的重量，提高飞机的作战能力。为了适应航空高科技的发展，新型的无刷起动发电机将是主流发展方向。70年代美国开始研究无刷起动发电双功能系统。70年代末期，美国通用电气公司完成了用钐钴永磁交交型变速衡频起动发电系统的可行性研究，80年代初在a-10攻击机上试飞并取得了成功。

起动发电机采用稀土永磁电机的优点是：电机结构简单、体积小、重量轻、过载能力大、效率高。美中不足的是：永磁电机不能调节励磁，调压困难；当电枢内部短路时，不能用灭磁的方法保护电机，而必须在电机与发动机之间加脱扣装置才能将电机与发动机脱开。由于这些原因，永磁起动发电机并没有得到推广应用。虽然目前航空电源普遍采用三级式的电励磁同步电机，由此构成的起动发电系统已进入装机与实用阶段，但是这种起动发电机包含了主发电机、交流励磁机、副励磁机和旋转整流器等，结构过于复杂，限制了这种起动发电机的应用。

因此，寻求一种新型的起动发电机已成为研制全电或多电发动机的核心技术之一。近年来，人们对采用开关磁阻电机作为航空起动发电机的可行性进行了大量的理论与试验研究。开关磁阻电性能，尤其适合在高速下工作，有利于提高电机的功率密度。但是，由于开关磁阻电机绕组上的电流是脉冲电流，运行时容易产生噪声与振动；此外，开关磁阻电机不论是以电动机方式工作还是发电机方式工作都是只在半周内出力，不利于进一步提高电机的功率密度。90年代初，美国威斯康星大学的lipo教授发明了双凸极电机，不仅具有开关磁阻电机的优点，而且绕组上的电流是非脉冲电流，在全周期内出力，具有很高的功率密度。初步研究表明，在额定功率相同、外形尺寸基本一致的情况下，双凸极电机的转矩/电流比是永磁无刷直流电机的1.7倍、开关磁阻电机的1.6倍、同步电机的1. 2倍、感应电机的3.2倍；转矩/惯量比是永磁无刷直流电机的5. 8倍、开关磁阻电机的1.4倍、同步电机的3.6倍、感应电机的10倍。

此后，发表了很多有关双凸极无刷电机的研究论文。对双凸极无刷电机的研究表明，这种电机的性能优良，是起动发电机的有竞争力的方案，需要进行深入、全面的研究。

2双凸极起动发电机的关键技术双凸极电机相同的建模与仿真。

高频双向功率变换器。

降低双凸极电机损耗的方法。

双凸极电机的实验研究。

高功重比双凸极起动发电机的研制，具体指标为：电机工作温度为250°c，电机最大功率为120kw，转速为1600055000r/min，与该转速对应的功率/重量比为620kw/kg. 5磁浮多电航空发动机的结构设计在航空发动机上应用磁悬浮轴承，决不是在原有滚动轴承的位置上用磁悬浮轴承取代滚动轴承。如何充分结合磁悬浮轴承和发动机两者的特点，革新原有的发动机结构设计思想，创造性地设计出全新的航空发动机结构，对整个项目的进展有举足轻重的影响。主要关键技术有：单转子磁浮发动机的结构设计。

双转子磁浮发动机的结构设计。

三转子磁浮发动机的结构设计传统的三转子发动机需要一个内装在转子上的轴承来支承一根细长的内转子。很明显，磁悬浮轴承不可能作为内装在转子上的轴承。由于磁悬浮轴承的dn值可以很大，因此三转子磁浮发动机结构设计的两个轴承来支承三转子发动机的内转子。

6备用轴承的研制在民用设备的磁悬浮轴承系统中，需要装一对滚动轴承作为备用轴承，以防在磁悬浮轴承系统发生故障时短时（一般几分钟）支承高速旋转的转子。在航空发动机上，备用轴承尤其重要。当磁悬浮轴承系统发生故障时，备用轴承不仅要能够支承高速旋转的转子，而且要求能够工作30 min以上，以保证飞机有足够的时间安全着陆。此外，在过载情况下（如着陆、叶片断裂或机动飞行时），由于磁悬浮轴承系统的过载能力有限，此时备用轴承还能够短期承担一部分载荷并保护磁悬浮轴承系统不受损坏。国际上有些学者和公司对备用轴承进行了初步的研究12023，但尚不充分。

通常采用普通的滚动轴承作为备用轴承，由于转子与备用轴承之间有0. 25mm左右的间隙，接触的瞬间转子在备用轴承上的冲击很大，而且转子运动不稳定，不仅会损坏备用轴承，严重时还会破坏转子。这种备用轴承在地面设备上还勉强可以使用，但在航空、航天等重要领域就不能满足要求，所以近年来发表了很多论文研究新型的备用轴承如箔片气体轴承和零间隙的滚动轴承。

7发动机控制与磁悬浮轴承控制系统一体化设计磁悬浮轴承控制器与发动机控制器是磁浮发动机的两个子控制系统，因此需要将这两个子控制系统集成在一起。主要研究磁浮轴承与发动机一体化控制系统的建模与仿真，着重解决两个控制系统之间的耦合问题。

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