眼下,全球航空业正在经历一场能源技术变革——更清洁、更安全的电能将逐步取代液压能和气能,成为主要二级能源。小到飞机上的电影、音乐、照明,大到各类仪器仪表、刹车系统、防冻装置等,都将由电力作为唯一驱动能源。
作为飞机电力系统的“心脏”,发电机被赋予更重要的责任。如何在不改变重量、大小的前提下,让发电机转得更快,输出功率更高,成了一项世界性难题。宁波正依托“科技创新2025”重大专项,力争在全球航空高端设备精密制造领域占据一席之地。
“我们正在全力研发一套新型航空起动发电机系统,转速达到每分钟3万转,最大输出功率和功率密度较全球最新技术提升20%以上。”项目牵头单位、诺丁汉(余姚)智能电气化研究院有限公司负责人张何告诉记者。
张何曾长期担任英国诺丁汉大学BestMotion电机驱动技术研发中心主任,所在团队在发电机功率密度、转矩密度等技术领域保持多项世界第一。他研发的电机驱动产品已成功应用在荷兰的船舶电气化改造项目中,实现了阿姆斯特丹运河交通的全电动零排放。
张何介绍,目前全球都在新型航空发电机领域开展科研攻关。作为客机队伍中的“新兵”,波音787和空客380等多电飞机的电力化程度大幅提高。不过,这些飞机采用的多数是欧美国家研发制造的三级式变频交流发电机,存在功率密度低、结构复杂、效率低等缺点。
如何通过技术创新,让发电机释放出更大的能量?张何团队给出的答案是,以结构简单、损耗小的永磁代替电励磁,进一步提升电机的功率密度。然而,想法刚一提出就受到了质疑。永磁不需要外界能量即可维持磁场,这也致使其从外部调节、控制磁场极为困难。一旦飞机发电机发生短路等故障,后果不堪设想。
这一被认为“不可能破解”的难题,被张何团队巧妙破解。经过长达5年的研究,团队通过改变电机参数设计和特殊绕组结构等方式,既保留了传统发电机良好的安全特性,进一步缩小了体积,又大大提升了输出功率。这种发电机体型仅有普通水桶大小,重量不超过成年男性体重,将藏身于两台引擎下方,扛起飞机上所有的电力供应。
“目前,这项技术已经在中国商飞未来宽体大飞机项目中成功应用。”张何说,在现有技术的基础上,团队还将与浙江大学、宁波永久磁业等单位合作,协力突破超高速电机控制、高性能磁钢和碳纤维护套转子加工等技术难点。
“多电飞机是现代航空技术发展的趋势,该项目为宁波技术升级和高端材料、机电和电气人才聚集提供了重要支撑,将有力促进我国航空产业由‘制造’向‘创造’转变。”市科技局相关负责人表示。
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“国产大飞机航空起动发电机系统”,隶属于“科技创新2025”重大专项的“高性能电机与高档数控机床专项”。到2025年,全市将实现电机及数控机床产业核心关键技术与产业规模全国领跑,率先形成完备的电机至数控机床的产业链、产业集群和产品体系,技术创新能力达到全国先进水平。