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航空航天新型电机发展及应用分析

2016-11-03雯,王卿,周杨,曹

导航与控制 2016年5期
关键词:磁阻磁悬浮转矩

金 雯,王 卿,周 杨,曹 宽

(1.中国航天科技集团第十六研究所,西安710100;2.西北工业大学自动化学院,西安710129)

航空航天新型电机发展及应用分析

金雯1,王卿1,周杨2,曹宽1

(1.中国航天科技集团第十六研究所,西安710100;2.西北工业大学自动化学院,西安710129)

近几年随着航空航天领域的不断发展,对航空航天用电机的要求也在不断提高,随之便产生了一批新型电机。其中,比较具有代表性的有超声波电机、磁悬浮电机、开关磁阻电机,分别对这三种电机进行了概念以及原理的表述。接下来分析了这三种电机的优缺点以及其分类方式,并评价了其研究现状以及应用领域。最后着重总结了这三种新型电机在航空航天领域的应用,并对其发展进行展望。

航空航天;超声波电机;磁悬浮电机;开关磁阻电机

0 引言

随着先进的控制理论不断深入和优化,智能功率驱动技术、集成电路技术、传感器技术和集成电机技术等相关技术的突破与发展,高性能的伺服控制系统成为了现实。电机作为伺服系统的执行机构,相关技术的发展更是日新月异。传统的电磁电机在一些场合已无法适应“更快、更机动、更高、更准”的要求,而超声波电机、磁悬浮电机等新型电机恰好弥补了传统电磁电机的缺陷。新型电机与传统的电磁电机相比具有结构简单而且紧凑、大扭矩、响应快、可实现高精度的控制、不受电磁场影响、断电自锁力矩大等特点。可以预见,新型电机在未来某些领域内必将替代传统电磁式电机,成为发展主流。

1 超声波电机

1.1概念及原理

施加在异极晶体上的应力会在晶体中诱发出电场,这一现象称为正压电效应;反之,若在异极晶体上施加电场,该晶体会出现应变或应力,这一现象称为逆压电效应。压电效应是这二者的总称。

超声波电动机(Ultrasonic Motor,USM)是一种新型的运动执行机构,从运动原理上讲,它利用了压电陶瓷的逆压电效应,激发定子弹性体在超声频域内产生振动而工作。从运动本质上讲,超声波电机的定子高频振动才是其动力来源,而非传统电磁式电机定转子磁场相互作用,产生电磁转矩带动电机转子转动[1]。由于其定子高频振动的频率通常在18KHz以上的超声频段,超声波电机得名于此。

超声波电机的定转子直接接触凭借相互之间的摩擦力驱动。一般来说,将交变的电压施加在定子上的压电陶瓷元件上,激发定子弹性体的机械振动,该振动通过定子和转子的接触摩擦耦合,带动转子定向运动。

1.2主要优缺点

超声波电机凭借自身功率密度大、低速大转矩、无电磁干扰、无输入自锁等优良特性在航空航天领域、精密控制领域、非连续运动领域等高精尖领域内均有运用,而且在某些极端环境中,超声波电机所表现出的优良特性是传统电磁式电机无法匹敌的。从发展趋势上来看,超声波电机在各种高精尖领域内的应用前景光明,在未来很有发展潜力。超声波电机突出的优点是:

(1)低转速,大转矩

超声波电机定子弹性体与转子之间通过摩擦耦合传递完成能量传递,这一点决定了超声波电机是一种低转速的电机[3],电机实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的8倍以上,如表1所示[4]。所以超声波电机可以直接带负载而无需配套的减速装置,从整个伺服系统层面上来看,减少体积质量,提高可靠性,提高系统的动态特性和稳态特性[2]。

(2)无电磁噪声,电磁兼容性好

从超声波电机工作原理可以得知,电机定转子之间通过接触摩擦力耦合传递能量,电机工作时不会向外界产生电磁干扰,同时也不会受到外界电磁波的干扰[1],特别适用于电磁兼容性要求严苛的环境中,如航空航天用精密仪器中、光学系统中等。

(3)无源自锁性,响应时间短

传统电磁式电机如无刷直流电机(BLDCM)断电后,定子绕组中没有电流,从而无法产生定位转矩,用在伺服系统中时,需要额外添加转子定位设备,使系统体积增大,可靠性降低。

而超声波电机断电后,由于定转子之间直接接触,有静摩擦力存在,电机便具有了较大的保持力矩,可以不添加任何额外装置实现自锁功能,大大简化了定位控制[1]。

除此之外,与传统电磁式电机相比,超声波电机空载转速低,转子惯量小,动态响应时间仅为1ms甚至更少。例如Cranfield的模型超声波电机静止到全速仅需0.5ms,并且能在0.1ms内停止[2]。优越的动态响应特性使得在一些闭环位置伺服控制中,超声波电机可以实现几个纳米的分辨率。

(4)耐低温和耐真空,适合太空环境

超声波电机本身所带的压电陶瓷以及其驱动控制装置的耐低温、真空的特性,可以将其应用在宇航机械系统和控制系统的驱动装置[1]。在航空航天领域极端恶劣的条件下,超声波电机的性能优势更加凸显。

表1 超声波电机与直流电磁式电机性能对比Table 1 Performance comparison between ultrasonic motor and DC motor

续表

但同时超声波电机也具有一定的局限性,相较于传统的电磁电机,超声波电机的主要缺点是:

(1)输出功率小、转换效率低

由于超声波电机运转时,存在两种形式的能量转换,一是压电陶瓷将外界施加的交变电压利用逆压电效应转化成为机械振动;另一种是定转子通过摩擦耦合将振动转化成转子的轴向输出[1]。两次能量转换的过程中损耗都比较大,造成电机整体效率低。同时由于工艺等各项技术的原因,超声波电机目前的功率级别在1kW左右,在很多大功率场合不适用。

(2)定转子界面磨损严重,振动导致疲劳损坏

由于正常工作时,定子的超声振动频率很高,一是会给粘接在定子表面的压电陶瓷带来振动冲击,有可能导致其脱落甚至断裂;二是长时间工作会给电机整体带来疲劳损耗。综合上述因素,超声波电机的寿命通常较短。

(3)需要专用高频电源

由于超声波电机工作在超声频域范围内,必须用专用的高频激励电源供给压电材料,使其能够激发出晶体的超声振动并且提高转换效率。通常这种高频电源造价很贵很难取得,而不像传统电磁式电机采用直流电或者工频交流电,极易获得。

1.3超声波电机的分类

从20世纪80年代中期开始,陆续出现了多种原理、形式的超声波电机,但是其分类标准不明。通过阅读文献,总结出前人大体上根据压电激励模式、结构形式、功能及应用场合等将超声波电机分为不同种类[3-5]。

如果根据电机的驱动形式来分类,超声波电机可以分为行波型、驻波型和电致伸缩公转子型[1]。行波型电机根据其振动模式不同可以分为同型简并模式和单一振动模式;驻波型电机根据其振动模式不同可以分为异型简并模式、单一振动模式和多模态振动方式。

如果根据机械振动获取方式不同来分类,超声波电机可以分为非谐振驱动和谐振驱动两种类型[1]。其中,非谐振驱动超声波电机可以分为蠕动电机和惯量电机;谐振驱动超声波电机可以分为模态转换电机和混合换能电机。

目前,最具代表性的一种超声波电机是旋转型行波超声波电机[6]。其显著特点是低转速、大力矩、可用于直接驱动、结构简单、电磁兼容性好并具有断电自锁等功能[7],特别适用于小(微)型化及精密装置的驱动和控制,尤其是在航天、医疗、微机电系统(MEMS)等一些对磁场敏感或有高定位精度要求的领域中具有广阔的应用前景[8]。

1.4超声波电机的应用领域

超声波电机在光学领域、航空航天领域、精密位置伺服领域、医学领域、汽车领域内的特定场合下均有不俗的表现,尤其是在光学领域的相机调焦方向和航空航天领域太空机器人方向[1]已经有较为成熟的应用案例。也正是由于超声波电机在这些领域的应用,使得人们看到了它的发展潜力。下面列举超声波电机在光学领域和医学领域内的应用:

(1)相机调焦

20世纪80年代初,日本佳能公司就开始致力于研究超声波电机在照相机镜头调焦中的应用。1987年,佳能公司成功将超声波电机应用到EOS系列照相机配用的镜头上[9]。20世纪90年代中期,尼康公司也成功将超声波电机应用在照相机镜头调焦上。西格玛公司将USM应用在大口径望远镜上[1]。

(2)核磁共振装置

由于核磁共振装置在实际应用中,线圈周围存在2T或者更高的强磁场,大多数普通电磁式电机无法在如此强的磁场中正常运转,而且电磁式电机在运转过程中会发出电磁波干扰核磁共振装备的正常工作[1]。这种强磁场的环境恰好适合不产生磁场也不受磁场干扰的超声波电机工作。西门子医疗器械公司把3个USM利用在核磁共振装置上,收效很好[1]。

1.5超声波电机在航空航天领域内的应用

NASA属下的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)开发了直径分别为1.1英寸、2.5英寸和2.8英寸的环形行波型超声波电机,用于太空行走微型机器人的微型仪器机械臂(Mirco Instrument Arm,MIA)和微型桅杆式机械臂(Mirco Mast Arm,MMA)(用于全景观察和自我矫正)等[10-11]。

美国和法国利用超声波电机响应速度快等特点,成功地将超声波电机应用于导弹的测控系统中,而美国的导弹上(导引头和舵机驱动)也采用了超声波电机[12]。

NASA属下的喷气推进实验室和麻省理工学院联合研制了特种超声波电机,并成功将其应用于火星探测器的微着陆器,如图1所示。该特种超声波电机正常工作时的峰值输出转矩达到2.78N·m,可以在最低温度达-100℃甚至更低的环境中使用,并且比用传统电磁式电机减轻总体质量达30%以上[13]。

图1 USM应用于火星探测微着落器Fig.1 The application of ultrasonic motor in micro Mars lander

超声波电机的相关研究工作在国内虽然起步较晚,但是近年来以南京航空航天大学为代表的各大科研机构积极开展相关研究。

其中,南航电气工程学院研制的超声波电机已经成功应用于嫦娥三号探测器的红外光谱仪上,如图2所示。这台电机只有46g,代号为TRUM-30A。在实验室中这台电机在-120℃~180℃的真空工况下工作正常,电机性能良好[14]。目前,南航也正在积极为嫦娥五号探测器研究配套的超声波电机,以求在未来实现利用超声波电机完成精密位置伺服控制,提高探月探测器红外光谱仪的可靠性。

图2 应用于嫦娥三号上的超声电机Fig.2 Ultrasonic motor applied to the Chang'e three

2 磁悬浮电机

传统电磁式电机多采用机械式传动轴承,在电机工作在大功率和高转速的工况下,电机的转子轴与轴承之间存在剧烈机械摩擦,这就带来一系列问题,诸如摩擦损耗大、电机噪声高、振动情况严重等,就会导致电机寿命短、系统效率低和系统可靠性差等问题[15,17]。

针对机械轴承以上缺点,磁悬浮轴承以其完全无需机械接触的突出特点,改变了电机传统的支撑方式,从原理上解决了机械轴承由于摩擦带来的种种问题。

2.1概念及原理

磁轴承电机出现在磁悬浮电机之前,从原理上实现了电机的磁悬浮旋转。一般来讲,如果电机使用磁轴承实现磁悬浮支撑需要3个磁轴承,2个磁轴承位于电机转子轴径向上,实现电机转子径向支撑;还有1个磁轴承位于电机转子轴向上,此位置的磁轴承用于约束转子轴向位移[16]。

磁悬浮电机是指在传统电磁式电机转矩绕组的基础上增加一套悬浮绕组,通过两绕组的磁场相互作用,从而实现电机的悬浮和旋转。磁悬浮电机与磁轴承电机相比,减少了转子径向的磁轴承,并且它的悬浮绕组可以放置在电机定子上,使整体结构变得紧凑,空间利用率提高,电磁效率提升,制造成本降低。不过,磁悬浮电机系统的复杂性仍比较高,这一点有待改进[16]。

目前,国内外研究人员已经研制出结构更为简单、紧凑、电磁效率更高、生产成本更低的新型磁悬浮电机,例如磁悬浮单绕组电机、单相磁悬浮永磁同步电机[16],这些新型磁悬浮电机的出现为磁悬浮电机从理论走向实际奠定了坚实的基础。

2.2主要优缺点

磁悬浮电机与传统电磁式电机对比,磁悬浮电机主要有以下的优点。

1)如图3所示,传统电磁式电机为了支撑电机转子轴,在转子轴向两端放置了机械轴承,通过接触和机械摩擦支撑电机转子轴,在电机旋转的过程中不可避免地产生了摩擦损耗,这会使电机发热严重,整体效率降低。而磁悬浮电机转子通过悬浮绕组与转矩绕组的磁场相互作用而悬浮[16],完全舍弃了传统的机械轴承,避免了摩擦发热,从根本上提高了电机的整体效率。

图3 磁轴承电机结构Fig.3 Structure of magnetic bearing motor

2)传统电磁式电机由于转子轴与轴承接触,在高转速大功率的工况下,摩擦带来的冲击振动会磨损电机转轴和机械轴承,降低了电机的使用寿命,限制了传统电机在高转速大功率方向的发展。磁悬浮电机消除了振动冲击对电机使用寿命的不利影响,最大程度上减小了使用噪声,开辟了电机在极静领域等对噪声要求严格的领域内的应用。

同时,磁悬浮电机也有一定的局限性,主要体现在以下方面。

1)转子径向的磁场会限制临界转速,使得电机最高工作转速降低;磁轴承占据了大部分的轴向空间,使得整个电机系统体积庞大,制造成本高,使用价值不高[16]。

2)转矩磁场和悬浮磁场的耦合严重,系统控制规律复杂,当下仍没有使得二者完全解耦的控制算法,所以如何实现这两个磁场的解耦控制才是推广磁悬浮电机应用的关键。

2.3磁悬浮电机的分类

广义上将应用了磁悬浮技术的电机都称为磁悬浮电机。所以磁悬浮电机可以分为磁悬浮轴承电机和磁悬浮旋转电机。

磁悬浮轴承电机主要解决的问题是通过磁悬浮的方式完成电机轴的支撑[18]。可以细分为:径向磁悬浮轴承、径向推力磁悬浮轴承和电磁悬浮轴承三类。

径向磁悬浮轴承是由2个径向同轴磁化方向相反的空心圆柱组成。当2个磁化圆柱轴向重合、径向同心时,这2个磁化空心圆柱所受径向磁场推力为零。但当磁化圆柱发生轴线方向的偏移时,2个圆柱之间磁场产生的排斥力使这2个圆柱轴线趋于一致,从而可以实现轴承径向的自稳定[18]。但是这种磁轴承轴向稳定性欠佳,故应用范围不广[19]。

径向推力磁悬浮轴承与径向悬浮轴承相比仅仅是2个空心圆柱筒在轴向上偏移一定角度,这样做可以保持径向的稳定性,而且可以最大程度上稳固轴向稳定性和角稳定性。

电磁悬浮轴承是一种多自由度的利用电磁力控制的磁悬浮轴承。转轴两端均由水平和垂直两个方向的电磁系统来控制,而该轴承轴向位置由驱动部分进行控制[20]。此种轴承特点是控制较为复杂,成本较高,适用于低转速大转矩的场合。

2.4应用领域与发展趋势

作为一种新型电机,磁悬浮电机以其舍弃机械轴承、无摩擦、发热少、效率高等特点在航空航天、船舶、车辆系统、化工、飞轮储能等领域内均有良好的应用[16]。在某些需要超高速旋转,一般转速达到80000r/min~100000r/min的领域内的应用优势尤为明显,在如此高的转速下,传统电磁式电机的噪音和振动对周围工作的设备带来很大影响;除此之外,其振动对电机轴和轴承的磨损也相当严重。

近些年来,磁悬浮电机已经成为目前新型电机领域内的研究热点。

在国外,日本学者A.Chiba、M.Okada在各种传统电机磁悬浮技术应用的背景下,创新地提出了交替极永磁型磁悬浮电机。如图4所示,这种新型磁悬浮电机改变了传统电机的磁路,在电机的结构上实现了转矩磁场和悬浮磁场的解耦,并成为了今后磁悬浮电机领域的一个重要发展方向[16]。

图4 交替极永磁型磁悬浮电机结构简图Fig.4 Structure diagram of alternate pole permanentmagnet type bearingless motor

2000年,瑞士学者S.Sliber在经历多次失败之后成功研制了单相磁悬浮永磁同步电机,这种新型电机进一步简化了复杂的悬浮系统的结构,为将来磁悬浮电机从实验室走向工业化生产道路打下了坚实的基础。

在国内,浙江大学率先对感应型磁悬浮电机的矢量控制及悬浮力模型建立作了相关研究[21];沈阳工业大学成功研发了小容量磁悬浮永磁同步电机,这个电机应用在人工心脏血管中;江苏大学与苏黎世联邦学院合作研制成功了一台功率为4kW的永磁薄片磁悬浮电机工业化样机[16]。

归纳起来,磁悬浮电机未来的发展趋势可以概括为:1)电机本体数学模型的建立;2)电机控制策略的研究(即两套绕组磁场的解耦控制);3)新型传感器的发展以及磁悬浮电机专用硬件控制电路的完善。

2.5磁悬浮电机在航空航天领域内的应用

磁悬浮支撑技术的应用情况如下:

日本文部省宇宙科学研究所于2004年发射了Solar-B太阳观测卫星,这颗卫星采用了一个磁悬浮动量轮,在减小执行机构质量的同时,提高了航天器指向精度的稳定性至亚角秒级别[22]。从而彻底改变了动量轮通过传统的机械式滚珠轴承的支承方式,从根本上规避了应用机械轴承会带来摩擦损耗、噪声大、机械冲击严重等严重缺点。

NASA于20世纪70年代、80年代分别投资给Goddard空间飞行中心(GSFC)和Marshall空间飞行中心(MSFC)。1987年,这两大研究机构成功研制了适用于航空飞行器的动量飞轮储能的电磁悬浮轴承,并研究了该电磁悬浮轴承的能量组合和姿态控制技术,在原理样机上实验成功,从而为飞轮储能应用在包括航空航天领域在内的各大工业领域打下了坚实基础[22]。

1988年,美国制定了IHPTET计划,把大力发展多电/全电航空发动机作为未来一项工作重心。在接下来的10年时间中,包括美国在内的英国、法国、德国和瑞士等多国成立了联合研制课题组,专门研究磁悬浮轴承支撑的航空发动机[22]。目前,美国、日本等国已经分别成功研制出了可以在400℃和510℃下连续稳定工作1500h的磁悬浮航空发动机原理样机,该磁悬浮航空发动机比传统的发动机质量小、效率高,在未来有不可估量的应用前景[23]。

3 开关磁阻电机

3.1概念及原理

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)一词最早出现在美国学者S.A.Nasar于1969年发表的论文中。文中指出,开关磁阻电机是一种具有开关性和磁阻性的电机。所谓开关性是指电机必须工作在一种连续的开关模式;所谓磁阻性是指从结构上来讲,开关磁阻电机是一种双凸极电机,定转子具有可变的磁回路[24]。

开关磁阻电机在结构上与反应式步进电机相似,是一种双凸极变磁阻电动机,因此开关磁阻电机是一种大步矩角的步进电机,如图5所示。

图5 开关磁阻电机结构Fig.5 Structure of switched reluctance motor

开关磁阻电机在运转时遵循“磁阻最小原理”,即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合,而具有一定形状的铁芯在移动到最小磁阻位置时,必使其主轴线与磁场轴线重合[25]。这类似于磁铁吸引铁质物质的现象[24]。

3.2开关磁阻电机的优点及缺点

开关磁阻电机作为一种新型电机,它具有许多突出优点:

1)开关磁阻电机结构简单、适用于高转速。开关磁阻电机转子上通常没有绕组,与传统的异步电机、同步电机相比,转子结构大大简化。而其定子上通常仅有几个集中绕组,电机整体制造成本低下,可靠性高[24]。由于电机整体结构简单,所以非常适合高转速旋转,目前开关磁阻电机最高转速可达20000r/min以上。

2)开关磁阻电机各项绕组独立工作,电机系统容错性高。从结构上看,各相绕组和其磁路彼此独立,没有耦合,每一相绕组可以在一定范围内产生各自独立的电磁转矩。从调速系统控制方面看,每相绕组对应的功率管总是由独立的驱动控制器控制,其中某相绕组故障并不影响其他相的正常工作[24]。

但是,传统的开关磁阻电机调速系统却存在着几个固有的缺点:

1)磁阻式电机的能量转换效率比电磁式电机能量转换效率低下,这也直接导致了开关磁阻电机的功率密度和转矩密度低[24]。

2)开关磁阻电机最突出的问题是它的转矩脉动大。电机正常工作时的转矩脉动一般为16%左右。从而带来了严重的噪声问题和谐振问题,影响开关磁阻电机在某些场合的应用。

3)如果想让开关磁阻电机运行在转速闭环的系统中,必定要用传感器检测电机转子位置,而这样做会使整个系统复杂,调试困难,而使用分辨率不高的位置传感器会使整个调速系统的性能变差[24]。

3.3开关磁阻电机的应用领域

由于开关磁阻电机结构简单可靠、工作转速高、容错性好、制造成本低等优点,目前已广泛地应用于工业生产的各个领域:航空航天领域、家电领域、电动机车驱动领域、煤炭工业领域和高速运转的工业领域。

例如在电动机车驱动领域,开关磁阻电机以其启动和制动转矩大、电流小的出色性能,以及可以缺相工作的容错性能成为电动机车领域内首选驱动电机。英国SRD Ltd.成功将开关磁阻电机作为有轨电车的驱动电机,电车运转平稳,性能优良。继英国之后,日本也研制出了用于新能源汽车驱动的50kW的开关磁阻电机[25]。

开关磁阻电机同时也存在诸如转矩脉动大、能量转换率低等缺点,因此在今后的研究工作中应该将以下几点作为开关磁阻电机的发展方向和研究重点[25]:1)转子位置间接检测技术;2)转矩脉动抑制技术;3)噪声振动控制技术;4)先进的现代控制理论。

3.4开关磁阻电机在航空航天领域的应用

NASA开发了一种航空燃气涡轮发动机用30kW开关磁阻起动/发电机系统有效电机质量仅为7.71kg,最高转速达52000r/min,美国已经将高速开关磁阻起动/发电机系统作为未来多电飞机和全电飞机电源系统首选方案[26]。

除此之外,NASA还与美国空军(USAF)合作开发了高速航空燃油泵电机和航空滑油泵电机系统,这些系统中的执行机构均为开关磁阻电机[25]。

在国内,开关磁阻电机的相关研究开展的比较晚,其中以南京航空航天大学、西北工业大学为代表的高校科研团队,在开关磁阻电机的设计理论、方案优化、转矩脉动和谐振抑制、先进控制策略,以及开关磁阻电机用于航空起动发电领域等方面均开展了一定研究。

其中,南京航空航天大学开发了一台6kW的270V高压直流航空开关磁阻电机起动/发电原理样机[27]。

西北工业大学也开发了一台4kW的开关磁阻电机起动/发电原理样机[28],并对该样机的容错缺相运行能力进行了研究和实验论证。

4 结论

通过对文献的总结与分类整理,从超声波电机、磁悬浮电机、开关磁阻电机的概念及原理、主要优缺点、电机分类、电机不同应用领域,尤其是在航空航天领域内的应用情况作了较为详细的介绍,除此之外还介绍了这几种电机在国内外发展趋势。虽然国内外关于这三种电机的研究在理论与应用上都已经取得了不少进展,但是还有许多问题需要解决,如磁轴承系统实现进一步降低成本、降噪和降耗的研究。制约发展的是缺少适于SR电机技术需求的专用模块、专用芯片,成熟、实用的无直接位置检测器也需要尽快进一步开发。相信经过理论的深化和技术的提高及多方面的重视和努力,这三种电机将会有广阔的发展前景,尤其在航空航天领域会有很大的发展空间。

[1]胡敏强,金龙,顾菊平.超声电机原理与设计[M].北京:科学出版社,2005. HU Min-qiang,JIN Long,GU Ju-ping.The principle and designofultrasonicmotor[M].Beijing:Science Press,2005.

[2]赵淳生,李朝东.日本超声电机的产业化、应用和发展[J].振动、测试与诊断,1999,19(1):1-7. ZHAO Chun-sheng,LI Zhao-dong.The industrialization,application and development of ultrasonic motor[J]. Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis,1999,19(1):1-7.

[3]Ueha S,Tomikawa Y.Ultrasonic motor:theory and applications[M].London:Oxford Science Press,1993.

[4]Britten F J.Britten's watch&clock maker's handbook,dictionary and guide[M].Olympic Marketing Corp,1987.

[5]Kurosawa M,Ueda S.Hybrid transducer type ultrasonic motor[J].IEEE Transactions on UFFC,1991,38(2): 89-91.

[6]赵向东.旋转型行波超声电机动力学模型及性能仿真的研究[D].南京航空航天大学,2000. ZHAO Xiang-dong.Research on the dynamic model and performance simulation of rotary traveling wave ultrasonic motor[D].Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2000.

[7]郭海训.大力矩高精度超声波电机的基础研究[D].浙江大学,2002. GUO Hai-xun.Basic research of high precision ultrasonic motor[D].Zhejiang University,2002.

[8]章顺勤.超声波电机定子的有限元分析及其结构优化设计[D].浙江工业大学,2008. ZHANG Shun-qin.Finite element analysis and structure optimum design of ultrasonic motor stator[D].Zhejiang U-niversity of Technology,2008.

[9]周铁英,陈宇,鹿存跃,等.超声波电动机在透镜调焦中的研发、应用和展望[J].微特电机,2007,35(11): 52-55. ZHOU Tie-ying,CHEN Yu,LU Cun-yue,et al.The development,application and prospect of ultrasonic motor in lens focusing[J].Small&Special Electrical Machines,2007,35(11):52-55.

[10]Bar-Cohen Y,Hagood N W,Argelio M,et al.Development of an ultrasonic solid state motors for space applications[J].A Proposal to JPL Directors Discretionary Fund FY,94:1-11.

[11]Schoenwald J S,Beckham P M,Rattner R A,et al.Exploiting solid state ultrasonic motors for robtics[C].IEEE International Ultrasonics Symposium,1988:513-517.

[12]郭吉丰,沈润杰,贾叔仕.超声波电机在深空探测系统中的应用[C].中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议,2005. GUO Ji-feng,SHEN Run-jie,JIA Shu-shi.Applications of ultrasonic motors in space exploration[C].Proceedings of the 1stAnnual Symposium on Space Exploration,2005.

[13]赵淳生.面向21世纪的超声电机技术[J].中国工程科学,2002,4(2):86-91. ZHAO Chun-sheng.The technology of ultrasonic motorfor twenty-first century[J].China Engineering Science,2002,4(2):86-91.

[14]沈大雷,寇晓洁,黄鸣阳.超声电机应用“玉兔”车新技术实现平稳软着陆[N].中国教育报,2013-12-18(8). SHEN Da-lei,KOU Xiao-jie,HUANG Ming-yang.The application of ultrasonic motor"rabbit"car new technology to achieve a smooth soft landing[N].China Education News,2013-12-18(8).

[15]郑朝科,唐顺华.电机学[M].上海:同济大学出版社,1990. ZHENG Zhao-ke,TANG Shun-hua.Electromechanics[M].Shanghai:Tongji University Press,1990.

[16]胡道天.磁悬浮感应电机功率驱动控制系统研究[D].扬州大学,2004. HU Dao-tian.Power drive control system of magnetic levitation induction motor[D].Yangzhou University,2004.

[17]Salazar AO,Chiba A,Fukao T.A review of developments in bearingless motors[C].Proceedings of the 7thInternational Symposium on Magnetic Bearings,2000.

[18]谢宝昌,任永德,王庆文.磁悬浮电机及其应用的发展趋势[J].微电机,1999,32(6):28-30. XIEBao-chang,RENYong-de,WANGQingwen.Development trend of magnetic suspension motor and its application[J].Micro Motor,1999,32(6): 28-30.

[19]Delamare J,Rulliere E,Yonnet J P,et al.Classification and synthesis of permanent magnet bearing configurations[J].IEEE Transactions on Magnetics,1995,31(6): 4190-4192.

[20]Zhou F B,Grerber R,Whitley S,et al.The levitation of the SIXEP pump shaft using active magnetic bearings[J].IEEE Transactions on Magnetics,1995,31(6): 4196-4198.

[21]年珩,贺益康.感应型无轴承电机磁悬浮力解析模型及其反馈控制[J].中国电机工程学报,2003,23(11): 143-148. NIAN Heng,HE Yi-kang.Induction type non-bearing motor magnetic levitation force analytical model and feedback control[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(11):143-148.

[22]陈铭秋,王自强.磁悬浮轴承在航空航天领域中的应用及发展前景[C].中国航空学会航空电器工程学术年会,2003. CHEN Ming-qiu,WANG Zi-qiang.Application and development prospect of magnetic suspension bearing in the field of aviation and aerospace[C].China Aviation Society Aeronautical Electrical Engineering Academic Annual Meeting,2003.

[23]Ohsawa M,Furuya E,Marui E,et a1.High temperature blower for molten carbonate fuel cell Supposed by magneticbearings[C].Proceedingsofthe6thInternational Symposium on Magnetic Bearings,Cambridge,Massachusetts,1998:32-41.

[24]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社,2010. WUHong-xing.Theoryandcontroltechnologyof switched reluctance motor system[M].Beijing:China E-lectric Power Press,2010.

[25]王宏华.开关磁阻电动机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,2014. WANG Hong-hua.Speed control of switched reluctance motor[M].Beijing:China Machine Press,2014.

[26]周强.高速开关磁阻电机的关键技术研究与实践[D].南京航空航天大学,2008. ZHOU Qiang.Key technology research and practice of high speed switched reluctance motor[D].Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2008.

[27]刘闯,朱学忠,曹志亮,等.6kW开关磁阻起动/发电机系统设计及实现[J].南京航空航天大学学报,2000,32(3):245-250. LIU Chuang,ZHU Xue-zhong,CAO Zhi-liang,et al. 6kW switched reluctance starter/generator system design and implementation[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2000,32(3): 245-250.

[28]李声晋,卢刚,马瑞卿,等.开关磁阻组合起动/发电机设计及试验[J].电机工程学报,2000,20(2): 10-14. LI Sheng-jin,LU Gang,MA Rui-qing,et al.The switch reluctance starter/generator design and test[J].Journal of the CSEE,2000,20(2):10-14.

The Development and Application of the New Aerospace Motors

JIN Wen1,WANG Qing1,ZHOU Yang2,CAO Kuan1
(1.The 16thInstitute,China Aerospace Science and Technology Corporation,Xi'an 710100;2.Northwestern Polytechnical University,School of Automation,Xi'an 710129)

With the development of the aerospace industry in recent years,it asks more for aerospace motors,which brings out a number of new types of them,USM,Maglev Motor,SRD are representative.In this paper,firstly,we present corresponding concepts and principles of the new types of motors mentioned above.Next,we show you all the pros and cons and classifications of them,while we make comments on the current situation and applications of them.We end this paper with a summary of the applications of them in aerospace industry,and a outlook of their developments.

aerospace;ultrasonic motor(USM);maglev motor;switched reluctance motor(SRM)

TM3

A

1674-5558(2016)07-01210

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.004

金雯,女,硕士,研究方向为永磁电机设计。

2015-11-22

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