ROGERS为电动航空提供安全可靠的叠层母线排解决方案

时间： 2021-08-11 来源：ROGERS

技术问答

在过去几年中，电动汽车已经从概念原型发展成为一个蓬勃发展的趋势，不但克服了在此过程中的重大挑战，而且在汽车市场上的份额日益增大。电动飞机目前还在概念阶段，但是已做好了腾飞准备。一些公司，从小型创业公司到大型传统飞机制造商，正在研发下一代飞行器。

由于工作条件限制，飞机部件必须符合严格的可靠性和安全性要求。8000米高空处的大气条件与海平面上的大气条件有很大不同，而且不是所有部件都在飞机的高压空间内。高空的空气密度低，对电气系统有两个主要不良影响。首先，降低空气的冷却性能，其次，根据帕邢曲线，降低空气的介电强度。这两种情况都会严重影响绝缘电导体（如叠层母线排）的性能和寿命。

叠层母线排是大部分固体功率变流器的最佳解决方案。在电动飞机中，叠层母线排用于为电动机提供动力的主逆变器。罗杰斯还提供了ROLINX®CapLink解决方案，该解决方案将电容器与专门设计用于大功率逆变器的低电感、大能量密度的ROLINX叠层母线排结为一体。

高空母线排的设计限制

空气的热传导能力会随着空气密度的下降而下降。因此对于2000米以上的工作高度，许多电气元件必须调整和/或降额使用。ROLINX母线排可以针对每个项目进行定制设计，并根据工作条件，环境温度和密度进行优化。

罗杰斯工程师的最有力工具就是他们的设计经验和有限元模拟。进行高空母线排设计时，有限元可以模拟母线排在不同环境条件下对环境的功率损耗和热传递。一旦3D模型建成后，可以模拟分析母线排对外界温度和压力的热响应。因此可以进行迭代设计，得出最佳导体厚度，同时避免在各种使用情况下发生过热现象。

以上有限元模拟可以显示母线排模型（左图）的当前热力分布。对于特定的环境条件（温度、密度等），能够获得母线排的工作温度，从而根据需要优化设计。

飞行器机载电气设备的另一个挑战是在低压时，气体的介电强度会下降。Friedrich Paschen（帕邢定律发明人）通过实验发现了这个关系。

在海平面气压条件下，空气的击穿电压是3.1kV/mm，而在0.5巴气压条件（对应5500m的海拔高度）下或在更高海拔的更低气压下，空气的击穿电压是2.0 kV/mm。该现象有两个主要影响：

》若设备上的瞬态电压高于工作高度处的空气击穿电压，如果不遵守爬电距离和电气间隙规定时，会发生闪络。罗杰斯在制造母线排时，在设计阶段就考虑了该因素，并进行了补偿优化。在首样和生产制造阶段，针对该风险，利用一个校正电压对所有元件进行了电气试验。

》薄膜、刚性绝缘材料对绝缘层间的界面间隙或绝缘层和导体之间的界面间隙非常敏感。这些间隙内充满空气，其密度由工作高度决定。这些气泡可能造成局部放电。在IEC60270（第3.1节）中，局部放电（PD）被定义为一种“局部放电现象，是导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电。局部放电是绝缘体内或绝缘体表面上局部电应力集中的结果。通常，这种放电表现为持续时间远远小于1 µs的脉冲。”尽管间歇性的局部放电不会影响绝缘性能，但是超过10pC的持续放电会降低绝缘性能，最终造成电气部件短路。为了保证ROLINX母线排的最长寿命且不发生故障，根据每个项目的所有环境条件，包括高海拔对绝缘的影响，单独研究和设计。另外，在产品交付前，测量所有母线排中的局部放电，保证即使电压高于工作电压，局部放电也低于10pC。

结论

向更清洁交通运输方式的转型推动着电动飞机的发展，目前已经进入发展阶段。在高空和其它必需规范条件下的部件的使用造成了很多挑战，推动所有电气部件的性能进一步发展。在高空和低空气密度条件下的使用对叠层母线排的设计有很多影响。罗杰斯根据具体情况对技术要求、环境条件和物理现象进行研究，以提供最安全、最优化的ROLINX母线排解决方案。

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