在航空航天工程的每一个领域,都在竞相开辟新天地,并在可持续航空领域取得引人注目的里程碑。虽然在一些人看来,与汽车世界相比,商用客机在减少有害排放方面的步伐缓慢,但这并不是因为对脱碳缺乏兴趣。监管机构在允许新技术每年运送数亿乘客之前,需要严格审查其安全性。这种对安全的需求意味着,与新的电动汽车实现的快速创新相比,对在客机动力系统中使用生物燃料和电子燃料的批准速度非常缓慢。
magniX的起源可以追溯到2005年,当时它在澳大利亚黄金海岸以Guina Energy的名义成立,以追求创始人Tony Guina对推进电机、发电机和其他应用的电磁学(和基础研究)热情。这导致在开发超导技术方面取得了一些成功,并积累了磁场优化和屏蔽方面的知识。
MagniX目前不生产自己的储能系统(2024年已经推出电池动力产品),但最终用户的电池组(无论是独立的还是由IC发动机或燃料电池补充的)都连接到MagniX逆变器,通常每个逆变器都有一条高压直流母线。四个逆变器将交流电馈送到每个magni650,每个magni350有两个逆变器。这里是DC-AC逆变器和电机控制器的组合,设计考虑到了航空,特别是为减轻高度对电压的影响,并且安全评估已经确定了系统架构和软件开发。
每个逆变器都是一个名为magniDrive 100的型号,其尺寸约为361毫米宽、352毫米长、80毫米高,可产生高达400安的电流。除了外壳具有标准的三个U-V-W三相电缆连接器,用于向电机输出功率外,还具有用于本地控制器、处理器和传感器系统的低压直流电源连接器,以及用于液体冷却剂入口和出口的端口。
该冷却剂由一个集成的油系统提供,该系统还冷却电机并润滑其轴承。同时,电机的半径为250毫米,最宽直径为675毫米,magni350的长度为550毫米,magin650的长度为715毫米。每个电机都位于其逆变器的前方,但从技术上讲,逆变器可以安装在飞机上的任何位置,以便于集成和维护。
两台电机(从输入端到输出端)均由一个圆柱形鼓状外壳组成,外壳内装有永磁交流电机,前部有一个锥形外壳,用于附件变速箱(至少驱动冷却和润滑系统的油泵),其前方是螺旋桨调速器,其上安装有行业标准的液压驱动恒速螺旋桨。
对于magni350和650,附件变速箱位于电机前方,为油泵提供动力,配有一个用于真空泵等飞机附件的垫片,另一个用于调节螺旋桨速度的螺旋桨调速器。电机外壳中包括安装架,其设计用于将负载从螺旋桨安全地传递和分散到机身。当飞机飞行、操纵或遭遇湍流时,动力总成的前部往往承受着最大的冲击力,因此坚固耐用且经过认证的螺旋桨锥体安装架是magniX在每个新项目中选择的一部分。
团队为magni650配备了四个逆变器,为magni350配备了两个逆变器,这不仅仅是因为每个magniDrive 100的额定功率是有限的。每个逆变器有效地为定子的不同象限或一半供电,这对容错性很好,因为如果一个magniDrive出现问题,不会像只使用一个700千瓦的大型逆变器那样完全断电。故障区域可以隔离,其余的逆变器可以继续驱动电机。
通过单独包装,逆变器成为航空航天领域所谓的LRU:线路可更换单元。如果需要维修或检查,可以在地面上将其取出,用新的替换,然后继续运行。magniX能够小规模制造和销售用于测试和研究目的的EPU,尽管在获得认证之前,不允许将其用于商业飞行。
magniX通过使用轴承、泵或传感器等已经在认证飞机动力系统中广泛使用的东西,避免了在任何地方重新发明轮子。公平地说,许多新进入电动航空领域的人,特别是在eVTOL领域,都非常热衷于在所有方面进行创新,坦率地说,在获得向商用客机销售的认证之前,就面临着资金耗尽的风险。
一个很好的例子是,magniX能够定制并提供不同客户所需的任何形式的附件变速箱;今天飞行的每架经过认证的飞机都可以有不同的组合,如液压泵、发电机、空调或需要由发动机驱动的引气泵,因此magniX需要能够将解决方案与每种组合相匹配。
magni650(集成在Eviation的Alice飞机上)最宽直径为675毫米,长715毫米
如前所述,一个通用的油冷却回路可以处理magni350和magni650 EPU轴承的主动热管理和润滑;另一个油系统用于恒速螺旋桨的液压致动。尽管所有集成动力系统的飞机无疑都将在极冷的空域飞行,但空气冷却——无论是来自周围大气还是螺旋桨在电机或机舱外壳上的反冲——都远远不能满足要求。
电机应用空间并不总是很冷,在航空航天领域,需要为-20至+70ºC做好准备。在商用航空中,飞机会花很多时间停留在跑道上,那里可能会很热。然后,当飞机起飞时,会从静止不动到将发动机推到最大功率。这意味着会有一些环境冷却,但在此之前,绕组和磁铁会积聚更大的热量。
除此之外,还需要在空中做大量的工作。无论是用螺旋桨还是风扇切割空气,所传递的能量都意味着空气并不像想象的那么冷。空气不是可能认为的散热器,特别是在高扭矩密度下,需要非常强大的冷却,才能持续达到所需的电流密度,而不会造成巨大的效率损失。
此外,空气冷却意味着空气和动力总成热点之间的摩擦。这实际上意味着,对于固定翼飞机来说,空气冷却需要故意增加阻力——电机越大,这意味着阻力就越大——这与帮助电动飞机在有限的能量存储下进一步改进空气动力学背道而驰。
这就是为什么在这个行业,通常不会看到30-40千瓦以上的风冷电机或发电机。这里有一个临界点,只要你的电机很小,或者如果它是在相当多的飞机上看到的起动机/发电机,就是可以接受的。
在动力总成的某一点上,所有液冷系统都必须散热,通常是通过散热器或类似的传统热交换器,使用飞机上已经使用的系统作为接口点。这样,原始设备制造商就可以从空气动力学、热学和重心的角度在有意义的地方安装热交换器,软管往返于EPU,这些软管和泵的尺寸将满足满功率所需的流量和压力。
除了仅使用油进行热管理和冷却所获得的机械简单性外,液压系统还使用针对油进行优化的泵和阀门,简化了零件数量,在航空航天领域使用许多汽车中熟悉的传统水乙二醇冷却剂是不可行的。
首先,处理水-乙二醇的温差将具有挑战性;其次,它也会冻结,并在接近冰点时膨胀,因此冷藏是在极端低温下继续安全运行的关键。最后,使用水-乙二醇可以强制集成电去离子系统,以保持冷却剂的纯度,从而保持其化学和热性能。然而,这样的系统可能会占用大量的空间、功率和重量。
总的来说,重要的是要记住,虽然电动汽车驾驶员不会一直把踏板踩在地板上,但从某种意义上说,飞机飞行员会这样做。飞机的电机在起飞期间将以100%的功率运行相当长的一段时间,然后在其余时间内仍将保持较高的功率水平。
因此,虽然热点仍然会出现在与汽车电子动力总成基本相同的位置,但整个工作周期的更高性能决定了需要如何对热循环、热应力和不同动力总成元件在热条件下的退化进行建模、设计和工程。这可能不是革命性的想法。几十年来,当人们试图使用汽车活塞发动机并在其上运行飞机或直升机时,人们遇到了类似的差异,特别是在工作周期方面;尽管世界上已经看到电动飞机动力系在无人机领域存在多年,但客机的功率输出要高得多,这就是技术发生很大变化的地方。
如前所述,magni350和magni650电机是永磁体交流同步电机,每个电机的定子都构造在转子外部。除了上述功率输出外,较小的电机可产生高达1608 Nm的扭矩,而magni650的扭矩可达3216 Nm。两台电机的最高轴转速均为2300 rpm,因此在产生动力时,扭矩优先于速度。
人们非常关注电机的功率密度,这是一个症结,因为功率不会影响电机的大小,扭矩会影响电机的尺寸,而扭矩是牵引电机真正需要的,无论是驱动车轮还是螺旋桨。对于直接驱动应用来说尤其如此,因此许多集成商可能会被电机制造商的巨大功率密度数字误导,这些数字忽略了事实,即需要一个大的、重的、低效的变速箱来从中获得有意义的驱动扭矩。此外,采用异步电机配置可能会在重量和功率效率方面受到惩罚,进而导致扭矩密度下降,特别是在设计这种直接驱动螺旋桨的系统时。
为了制造一种能够低速和高扭矩的电机,非常适合驱动大型飞机上的螺旋桨,在磁性、磁通量、绕组和其他内部零件和参数方面进行了大量的研发。这包括大量的热建模和迭代,因为电机的高扭矩也需要高电流——如前所述,每个magniDrive逆变器可以向其各自的定子象限提供高达400A的电流——如果没有油冷却回路等高负荷冷却系统,这会带来明显的热量积聚和损失风险。
此外,考虑到在高空,空气的自然绝缘效果会随着空气密度的下降而减弱,因此绝缘定子绕组,甚至整个动力总成,被认为是工程的一个关键重点。这一点,以及电离空气产生的电晕效应等现象,意味着在整个电机和电子设备中必须考虑导体的仔细间距、最小爬电和间隙等因素,特别是考虑到在800V下,magniX动力系统实际上具有有史以来最高的电压。
现在,很多人关注发夹定子和IPM转子,并且对不同的冷却方案进行了一些研究。除此之外,电动汽车行业已经达到了一种平衡,这在很大程度上是出于成本效益和大规模制造的动机,也是为了减少对稀土等越来越难采购材料的依赖。但这些都不能转化为航空航天产品所需的占空比。18-30秒的峰值是一回事,但航空需要的峰值至少可以持续5-10分钟。
重量也是一个巨大的溢价——更糟糕的是,随着将质量最小化,减小了物理水槽的尺寸,以隐藏热瞬变。这意味着拥有与汽车截然不同的工具集,包括可行的材料选择、逆变器和电机拓扑。magniX在比汽车更高的标称[功率]频率下运行,这促使寻找能够做到这一点的材料。虽然无法讨论采取的确切路径,但magniX没有使用硅铁或任何类似的直接材料,还必须考虑重量和可靠性。
至关重要的是,努力减少的一个领域是回收。在飞行和下降过程中的任何时候,飞机都不能在空气驱动螺旋桨产生气流的同时,凭自身动量继续飞行。这将产生大量的阻力,飞机将开始迅速下降。也许滑翔机或无人机可以做到这一点,但客机不行。航空航天领域有禁止回收的规定,所以必须积极阻止回收的可能性,这是必须阻止的错误。
因此,如果整机失去动力或因任何原因不得不关闭电机,螺旋桨需要能够自由转动。由于回收到直流母线的能量,其不能对螺旋桨的自由转动产生任何电磁阻力。
在过去关于轮毂电机的功能中(如2019年夏季Protean的PD-18,EME 3,或2020年秋季Elaphe的L1500,EME 7),看到轴承形成了一个临界点,在这个临界点上,疲劳和径向冲击必须被吸收、阻尼或安全地传递到电机和车轮的其余部分,这样就不会导致转子和定子之间的裂纹(或气隙中的运动),也不会导致车轮刺破。
为magni350和magni650选择轴承与为道路车辆选择轴承具有相似的重要性。magniX认为有效的应用程序设计艺术归结为选择你的轴承和连接器,然后设计其他一切以适应这两者。
要集成到飞机上,首先需要考虑前部发生了什么。有一个巨大的旋转多叶片螺旋桨产生推力,每次倾斜或转弯时,都会受到陀螺仪和其他空气动力的额外作用,这些力作用在前部,然后通过轴承加载。
事实上,任何时候飞机受到惯性载荷时,其中一些基本上都会通过轴承,因此它们的尺寸必须适合转子和定子。如果在电机轴上集成了多个轴承,那么它必须是适合所承受载荷类型的正确轴承组合——试图在单个轴承内组合载荷或元件是愚蠢的——当然,从装配和寿命的角度来看,轴承会约束推入系统。
这些因素也在一定程度上影响了传统航空航天涡轮发动机的轴承选择;然而,电动汽车飞机领域的独特之处在于评估如何安全地将其集成到逆变器供电的电机中。绝缘轴承支架、接地电气连接和谨慎使用屏蔽是确保轴承不会损坏的关键。
另一个长期存在的问题是维护,特别是检查EPU中轴承状况的能力,从而衡量更换变得至关重要。幸运的是,magniX使用的是供油轴承,这使其能够在油离开轴承时检查其状况,以评估轴承的健康状况。因此,magniX有传感器来测量油温是否有过热或摩擦的迹象,以及油中是否存在表明轴承磨损的颗粒。
magniX可以使用磁性芯片探测器和类似设备监测颗粒含量,这些设备是航空航天飞机和直升机的标准配置。将这些作为经过尝试和测试的解决方案,而不是重新发明。
同样,magniX预计全球现有的飞机MRO供应商基础设施将适合维修其电机和更换轴承等。飞机涡轮发动机零件已经安装在一起,间隙足够小,类似于电机零件,如转子和定子之间典型的1毫米以下气隙。不过,它们会有一些额外的复杂性,比如定子绕组绝缘和永磁体在重新组装过程中有损坏的风险,但这不会改变一个事实,即更换轴承等工作并不十分复杂,无论发动机是IC还是电动的。
与轴承类似,连接器形成了重要的接口点,在整个飞行过程中,冲击和振动载荷往往集中在这些接口点。尽管世界各地的供应商都提供各种航空航天级连接器,但800V电动飞机动力总成的独特情况促使magniX与其供应商合作开展连接器开发计划,这有助于确定整个800V系统的必要绝缘、机械和安全要求。这些连接器针对高空高压运行和高空环境要求进行了优化。
magniDrive 100的额定最大连续功率为170 kW,因为它将直流电流整流为电机段的交流电源;每个单元的重量约为12公斤。如前所述,magni350由两个magniDrive供电和控制,而magni650使用四个。逆变器没有与电机集成在同一个外壳中;相反,它们被安装在飞机工程师或操作员认为合理的机身上。三相高压电缆和冷却液软管的连接和运行方式对集成商来说是有意义的。
每个magniDrive都负责其定子部分,不仅在提供交流电源方面,而且在控制、监测和故障处理方面。每个magniDrive还将一系列性能和使用信息传回机身。机身上的安装相当简单,magniX提供了一份安装手册,但除此之外,还看到了许多不同的配置和方向,在这些配置和方向上,系统集成商选择相对于电机安装逆变器——每架飞机都有一个非常不同的用例。
重要的是将逆变器放置在离电机更远的地方不仅仅是体积或重量的考虑,从工程角度来看,将其放置在离上游能源更近的地方可能是有用的。电池和燃料电池除了具有非常不同的斜升率和其他功率特性外,还可以表现出不同的动态电磁行为,因此与它们紧密集成,之间的电缆长度最小是可取的。
在magniDrives的工程设计中,有两个目标至关重要。第一个是功率密度,特别是在每架飞机的运行曲线中,尽可能地将逆变器的输出与电机所需的输入相匹配。功率密度的主要驱动因素是功率晶体管的选择,尽管这反过来又带来了性能和可用性之间的平衡,迄今为止,magniX已经测试了一系列解决方案,每种解决方案都需要数百小时,以寻找最佳晶体管。这些测试调查了其他重要参数,如绝缘质量、随时间和峰值电压的性能,以及高达额定电压2.5倍的极端测试,以衡量其寿命期间的可靠性。
第二个目标是为航空航天安全合规所需的一切设计系统,主要围绕控制和防止故障展开。这意味着,例如,要重点包装尽可能多的健康监测传感器、通信通道以及EMI和ESD保护系统。在软件方面,这意味着必须在嵌入式软件中的投票逻辑等方面进行真正的改进和迭代,以应对来自冗余传感器组的多个数据或冲突信息。
magniX早期花了很多时间研究控制,但控制工程技术已经成熟,航空航天是10%的控制,90%的保护。因此,从那时起,magniX更加关注保护,特别是软件预测故障、快速反应防止故障以及防止故障传播的能力。
可能满足适航要求的最重要规定是DO-160G,它还包括一长串关于机械设计、环境保护的指导方针,以防止湿度、盐、真菌、振动等威胁,以及当改变高度时温度和气压的变化。DO-160G让你深入思考如何设计高压系统,以在物理上承受飞机的环境。
逆变器的热管理要求是magniX没有尝试其动力系统风冷版本的主要原因。由于magniDrive在起飞过程中必须接收和输送高达170千瓦的功率,并且在整个巡航过程中功率不远低于此,即使是非常高效的逆变器也会损失并排放至少2-3千瓦的热量。再加上逆变器与电机分开封装的事实,人们很快就会意识到空气甚至无法到达逆变器或其散热器,更不用说充分散发产生的热量。
航空标准还规定了控制系统架构,magniDrive内的所有编程都符合FAA关于软件开发生命周期的指导。这需要说明你的开发环境是什么样的,你如何开发软件,谁在做,在哪里需要独立评估,以及你要使用的控制硬件必须如何设计。
最后一个问题尤其引发了人们对所选计算机处理器使用时间的质疑,以及处理器是否经过了足够的尝试和测试。与停留在航空领域已经得到验证但在速度和处理能力方面可能受到更多限制的技术领域相比,在缺乏航空航天血统的硬件上走上发展道路可能具有挑战性。
尽管到目前为止,magniX在电推进系统方面取得了相当大的成功,但它还计划多样化和扩大其产品,以包括发电中的“上游”子系统,特别是混合动力内燃机电力系统和氢燃料电池。
此举在一定程度上是出于必要。magniX已经证明了理解和开发航空航天系统的能力,包括与监管机构来回沟通,以确定围绕电动飞机系统的新规则和标准,从电机开始,然后添加magniDrives,再充实飞机集成方面。鉴于这段旅程和这一基础,转向发电和储能是下一个合乎逻辑的步骤。
magniX现在已经参与了许多项目,尽管不是从集成商开始,但一直在密切参与确保系统整体运行,特别是在预充电或保护等组件间功能方面,并且对集成的理解已经积累到了一定水平,即进入混合动力和氢能系统只是已掌握方法的延伸。设计端到端的飞机动力系统,甚至可能是自给自足的交钥匙解决方案,将有助于形成未来的绿色航空标准。
特别是氢燃料电池,由于电池的能量密度,magniX认为氢燃料电池对于长途零碳飞行来说可能至关重要,而不会产生过重的重量。magniX认为在电池的设计能够达到至少1千瓦时/千克,并且在其他重要参数(如C率或寿命)方面没有重大缺点之前,氢气在比能方面具有太大的优势,不容忽视。
magniX也有混合动力系统的设计,但电池可能会继续发展到目标的地步,即当端到端的混合动力解决方案推向市场时,碳氢化合物燃料不再比电池具有足够大的特定能源优势,这与magniX目前在汽车市场上看到的情况类似。
其中很大一部分来自混合动力系统,包括包装、集成、维护和认证在机械上比所有电池解决方案都要复杂得多。这是因为首先要满足发动机法规,然后又增加了一系列新旧电气法规,可能还有一些关于在同一空间同时使用高压和煤油的进一步法规。认证需要很长时间,所以magniX还没有开始制造混合动力系统。因为当magniX获准向商用客机销售混合动力时,电池很可能是一种更方便的产品。
MagniX正在继续与一系列合作伙伴合作,整合和使用其电推进系统。值得注意的是,宣布的项目包括NASA的电动动力总成飞行演示计划。该项目的试飞定于2025年进行,预计将包括现有机载燃气轮机和EPU的组合。涡轮机可用于推进,或仅用于电力输出,燃烧燃料发电,为电池充电,为magniX的电机供电。
将探索不同的配置,混合动力将基于认证的支线飞机型号中的现有架构。这将是混合航空技术一个非常有趣的证明案例,在这种技术中,不仅会有两个独立的、隔离的电力系统,还会有一种独特的方式将它们整合在一起并协同工作。
有很多整机正在研究根据FAR第25部认证的大型飞机,其中许多公司认为多动力总成系统可能是使这些机身电气化的最佳方法。NASA的试验将为节省燃料、排放、飞行员如何与系统互动以及其他一系列领域等参数提供确切的数字。
规格
magni350EPU
永磁同步交流电动机
油冷却
工作电压:500-800V DC
起飞转速范围:1900-2300rpm
尺寸(包括齿轮锥):长550毫米,半径250毫米,最宽直径675毫米
EPU总重量(干重,包括所有magniDrives和高压直流电缆):128公斤
最大功率输出:350 kW(2300 rpm时)
峰值扭矩:1608牛米
巡航扭矩下EPU总系统效率(包括电机、逆变器、交流电缆、泵和调速器):93.5%
magni650 EPU
永磁同步交流电动机
油冷却
工作电压:500-800V DC
起飞转速范围:1900-2300rpm
尺寸(包括齿轮锥):长715毫米,半径约250毫米,最宽直径675毫米
EPU总重量(干重,包括所有磁驱动器和高压直流电缆):206公斤
最大功率输出:700 kW(2300 rpm时)
峰值扭矩:3216牛米
巡航扭矩下EPU总系统效率(包括电机、逆变器、交流电缆、泵和调速器):93.5%
magniDrive 100逆变器
逆变器
尺寸:361 x 352毫米
重量:12公斤
功率:170千瓦
电流:400A
峰值功率密度:14.17 kW/kg