无刷直流电机助力航天器创新

无刷直流电机助力航天器创新

引用

CSDN

等

9

来源

1.

https://wenku.csdn.net/column/63ekpvs400

2.

http://www.zgbjdj.com/news2.asp?id=31681

3.

https://oidelec.com/foc-motordriver/application-fields/

4.

https://www.aeroexpo.cn/zhizaoshang-aero/wu-shua-dian-dong-ji-3233.html

5.

http://www.zxyjdkj.com/news/225.html

6.

https://www.chipsourcetek.com/Technology/3923.html

7.

https://kinmore.com.cn/articles/%E6%97%A0%E5%88%B7%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E6%9C%BA%E7%9A%84%E8%A1%8C%E4%B8%9A%E5%BA%94%E7%94%A8%E4%B8%8E%E4%BC%98%E5%8A%BF/

8.

https://news.nwpu.edu.cn/info/1002/77619.htm

9.

https://www.ehang.com/cn/ehangaav/design/

无刷直流电机（Brushless DC Motor，简称BLDC电机）以其独特的优势，在航空航天领域得到了广泛应用。从航天器的姿态控制系统、卫星动力系统到无人机的驱动系统，无刷电机的应用正变得越来越重要。在高可靠性、轻量化、长寿命等严格要求下，无刷电机的独特特性使其成为航空航天领域理想的选择。

1. 航天器姿态控制系统

航天器的姿态控制系统（Attitude Control System, ACS）是确保航天器在轨道上准确控制其姿态、方向和稳定性的重要系统。无刷电机在这一系统中的应用，主要是用于控制航天器的反作用轮（Reaction Wheel）和磁力矩器（Magnetorquer）的驱动。

反作用轮是一种通过转动来提供转矩的装置，常用于卫星的姿态调整。无刷电机因其高效率、精确控制和低振动的特点，非常适合用作反作用轮的驱动源。相比传统的有刷电机，无刷电机没有碳刷和换向器，减少了机械摩擦，避免了电机运行中的磨损和维护，极大提高了系统的可靠性和使用寿命。此外，无刷电机的精确转速控制也可以实现对航天器姿态的精细调节，满足航天任务对高精度的需求。

磁力矩器用于通过与地磁场的相互作用，调整航天器的姿态。无刷电机在磁力矩器中的应用，能够提供精准、稳定的转矩输出，确保磁力矩器在复杂的航天环境下正常工作。

2. 卫星动力系统

卫星在太空中的正常运行，往往依赖于稳定、可靠的动力系统。无刷电机在卫星中的应用，主要体现在以下几个方面：

1. 姿态控制系统中的驱动
   卫星姿态控制系统中常常使用无刷电机驱动各类陀螺仪、反作用轮和磁力矩器等装置，以调节卫星在轨道上的位置和角度。这些系统需要高精度、高响应性的电机来进行精确的姿态控制。无刷电机具有低转矩波动、低噪声、高效率等特点，能够满足这些严格的控制需求。

2. 小型化和轻量化的需求
   航空航天领域对设备的尺寸和重量有着极为严格的要求。无刷电机不仅具备高功率密度和高效率，而且可以实现小型化设计，符合卫星系统对体积和重量的要求。通过优化转子设计和电机布局，能够有效减轻电机本身的重量，从而降低整体卫星的重量。

3. 高可靠性和长寿命
   卫星任务通常运行周期长，部分卫星的设计寿命可以达到十年以上。在这种环境下，电机的长期稳定性至关重要。无刷电机没有碳刷和换向器，避免了传统电机中因摩擦和磨损而导致的故障，显著提高了电机的可靠性。无刷电机的高效率和低损耗特性，也使得卫星在能源有限的条件下，能够保持长时间的稳定运行。

3. 无人机驱动系统

无人机（UAV）在航空航天领域的应用日益广泛，尤其是在军事、侦察、监测、快递和科研等领域。无刷电机在无人机中的应用最为典型，尤其是在电动机作为推进系统的驱动中，起到了至关重要的作用。

1. 高效率与长续航
   无人机的飞行效率和续航能力与电动机的性能密切相关。无刷电机相比有刷电机，具有更高的效率和更长的使用寿命，能够有效延长无人机的飞行时间。此外，无刷电机能够提供更大的推力，并且在高转速下保持稳定的动力输出，满足无人机高速飞行和长时间巡航的需求。

2. 精密控制与响应速度
   无人机的飞行需要精密的控制系统，尤其是在复杂的飞行环境下，快速响应和精确控制是无人机成功执行任务的关键。无刷电机可以通过高精度的电控系统进行细微的调节，确保电机在不同工况下提供平稳且准确的动力输出。无刷电机的高转速和低惯性特性，使得无人机能够迅速响应飞行控制指令，实现精准的飞行轨迹调整。

3. 低噪声与高可靠性
   无人机的低噪声性在许多应用场合中尤为重要，例如侦察、监测等任务。无刷电机运行时几乎没有机械摩擦，因此噪声较低，能够减少任务执行中的隐蔽性。同时，无刷电机的长寿命和高可靠性，确保无人机能够在长时间、高负荷的环境下稳定工作。

4. 电动飞行器的应用

随着航空航天技术的不断发展，电动飞行器（Electric Aircraft）作为新型的飞行器形式，正在成为研究的热点。电动飞行器的推进系统往往依赖于无刷电机。无刷电机以其高效、轻便、耐用的特性，在电动飞行器的推进系统中得到了广泛应用。无刷电机能够在高转速和大负载的情况下保持高效运行，并且能够通过电控系统实现精准的速度和推力控制，这对于电动飞行器的飞行性能至关重要。

无刷电机在航空航天领域的广泛应用，主要得益于其独特的优势：

1. 高效率：无刷电机采用无刷设计，消除了传统有刷电机中的摩擦和火花损失，从而提高了效率。

2. 高功率密度：无刷电机具有紧凑的结构和高转速，使其能够在有限的空间内提供高功率输出。

3. 低维护：无刷电机无需定期维护，如更换电刷或润滑，降低了运营成本和停机时间。

4. 可靠性高：无刷电机采用电子换向，消除了机械换向器中的磨损和故障，提高了可靠性。

然而，航空航天应用对电机提出了更高的要求：

• 极端环境适应性：需要在真空、极端温度、辐射等恶劣环境下保持稳定运行。
• 轻量化设计：对重量有严格限制，需要在保证性能的同时尽可能减轻重量。
• 长寿命：部分航天器设计寿命长达数年甚至数十年，要求电机具有极高的可靠性。

为了满足这些要求，航空航天领域采用了先进的控制技术，如磁场定向控制（FOC）。FOC控制技术能够实现更高的转速精度和响应速度，提供更高的效率和能量利用率。同时，它还能提供更高的转矩密度，使得电机在相同体积下产生更大的输出扭矩。此外，FOC控制技术能够减少共振和谐波，从而减少电机在运行过程中产生的噪音和振动，提供更稳定的电机运行和更长的寿命。

随着技术的不断进步，无刷直流电机在航空航天领域的应用前景将更加广阔。未来的创新方向可能包括：

1. 深空探索：随着人类探索火星、木星等深空目标，无刷电机需要在更极端的环境下保持可靠运行。

2. 商业航天：随着商业航天的兴起，低成本、高性能的无刷电机需求将快速增长。

3. 电动飞机：电动垂直起降（eVTOL）飞行器的发展将为无刷电机带来新的应用机遇。

4. 智能控制：结合人工智能的控制算法将进一步优化电机性能，提高系统智能化水平。

无刷电机在航空航天领域的应用已经取得了显著成就，但随着技术的不断进步和需求的日益增长，其发展潜力仍然巨大。未来，随着新材料、新工艺和智能控制技术的不断发展，无刷电机将在航空航天领域发挥更加重要的作用，为人类探索太空提供更强大的动力支持。