李勇， 吳佳鑫， 馬鵬程， 李德洪， 胡建輝， 王騫

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.中國直升機設(shè)計研究所，天津 300450)

0 引 言

隨著高新技術(shù)的進步，航空業(yè)近幾十年來取得了突飛猛進的發(fā)展。以在交通運輸領(lǐng)域中地位越來越重要的航空客運為例，據(jù)統(tǒng)計，自20世紀60年代以來，航空客運量以每年9%的速度增長[1]，為國際經(jīng)濟的發(fā)展做出了突出貢獻。但是，航空運輸?shù)陌l(fā)展也帶來了一系列的環(huán)境問題，比較突出的就是越來越嚴重的油耗、噪聲、污染問題。數(shù)據(jù)顯示，2018年商業(yè)航空運輸釋放的二氧化碳重量為9.18億噸，占全球二氧化碳排放量的2.4%，與5年前相比增加了32%[2]。因此，在能源供應(yīng)緊張、環(huán)境問題突出的當下，節(jié)油、減排、降噪成為了飛行器未來所追求的主要目標。2008年，美國宇航局(NASA)根據(jù)當時飛行器的研發(fā)情況，提出了未來亞音速商用飛機的性能指標，其中基準技術(shù)水平N代表了B737NG的水平[3]。NASA的N+3性能指標對飛行器提出了非常高的要求，尤其在噪音和油耗方面，N+3要求機場周邊位置的晝夜平均音量要小于55 dB，并且要相對B737NG這樣的客機能夠節(jié)油70%以上。有文獻認為，隨著新型復(fù)合材料和多電技術(shù)的應(yīng)用，裝有渦輪槳扇發(fā)動機的飛機有望達到N+2標準。然而，傳統(tǒng)的以渦輪噴氣式發(fā)動機為核心的推進系統(tǒng)噪聲大，熱效率存在瓶頸，單純依靠傳統(tǒng)技術(shù)很難達到N+3標準[4]。

多年來的研發(fā)結(jié)果表明，飛行器電氣化(特別是混電和全電驅(qū)動)是未來飛行器的主要發(fā)展趨勢之一，也是解決節(jié)油、減排、降噪的有效手段之一。比如，目前性能最為優(yōu)良的渦噴發(fā)動機，其總體效率也僅為40%左右，而由電能向推進功率轉(zhuǎn)化的效率完全能夠達到70%以上[5]。

目前，混合動力或純電動飛行器用電機系統(tǒng)已經(jīng)取得了諸多成效，在固定翼、旋翼等多種飛行器上都得到了應(yīng)用，但總體看來還存在著電機系統(tǒng)功率等級較小、體積與重量較大、安全性可靠性不足等問題。這其中，由于飛行器要求的特殊性，電機系統(tǒng)的功率密度和可靠性成為制約其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的兩個最主要問題，故障情況下的容錯工作能力是系統(tǒng)可靠性評判的重要標準，而功率密度則直接關(guān)系到電氣化技術(shù)能否在實際工程中得到應(yīng)用。在飛行器的電推進領(lǐng)域，電機系統(tǒng)的功率密度至少要與現(xiàn)有渦噴發(fā)動機的功率密度(3～8 kW/kg)相當，才具備替代舊有系統(tǒng)的潛力，而NASA則對未來推進電機的功率密度提出了更高的要求(至少13 kW/kg)。

在工程應(yīng)用最普及的各類原理電機中，永磁電機系統(tǒng)是實現(xiàn)大功率兼顧高功率密度的最優(yōu)選擇之一。為此，本文主要以永磁電機系統(tǒng)為研究對象，分析飛行器用永磁電機系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和特定要求，分析影響永磁電機系統(tǒng)功率密度的幾個主要因素，并對飛行器未來發(fā)展對永磁電機系統(tǒng)帶來的新需求進行展望。本文為促進大功率永磁電機系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用做了有益的探索。

1 航空永磁電機的應(yīng)用與特殊需求

傳統(tǒng)的飛行器以燃油作為一次能源，其二次能源主要有三種形式，即液壓動力、氣動動力和電力。在傳統(tǒng)的飛行器中，大多數(shù)作動功能使用液壓動力，氣動動力則用于增壓、除冰和空調(diào)等場合，而電力往往僅用于航空電子設(shè)備和其他實用功能[6]。在未來的混電或者全電飛行器上，電驅(qū)系統(tǒng)則在大多數(shù)場合都可能成為主力，如飛控系統(tǒng)的舵面作動、前輪轉(zhuǎn)向和電動滑行、燃油泵及空調(diào)泵等，甚至可用作飛行器主推進的動力來源。目前，飛行器用永磁電機系統(tǒng)主要應(yīng)用在下面三個領(lǐng)域。

1.1 起動發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的飛行器主要依靠氣動力起動主發(fā)動機，而氣動力主要是來自于輔助動力單元(auxiliary power unit,APU)或地面拖車通過通風(fēng)管道提供[7]。飛行器的APU主要由渦輪噴氣式發(fā)動機和起動發(fā)電機構(gòu)成，當飛機停在地面等待起飛而主發(fā)動機沒有起動的時候，APU為飛機提供氣動動力和電力，也可以在緊急情況下為飛行器提供壓縮空氣、液壓動力以及電力，用以起動發(fā)動機、維持艙內(nèi)壓力、向航電設(shè)備供電等。

現(xiàn)有APU使用最成熟的是航空三級式起動發(fā)電機(three-stage starter generator,TSG)，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。TSG的第一級由一個相對較小的永磁發(fā)電機組成，它通過可控整流器為第二級勵磁機供電。第三級電勵磁同步發(fā)電機是TSG的主發(fā)電機，第二級的勵磁機通過旋轉(zhuǎn)整流器為主發(fā)電機勵磁。這樣，既可以通過調(diào)節(jié)勵磁機電流較為便利地調(diào)節(jié)主發(fā)電機輸出電壓，又可以在緊急情況下切斷主發(fā)電機的勵磁電流使輸出電壓歸零，防止電樞繞組短路等故障情況下的起火燃燒。B787系列客機使用的TSG系統(tǒng)是目前航空應(yīng)用中最具代表性的起動發(fā)電系統(tǒng)之一，其單臺容量可以達到250 kVA，起動轉(zhuǎn)矩可達407 N·m[8]，能夠省去空氣渦輪起動機(air turbine starter,ATS)直接實現(xiàn)主推進發(fā)動機的起動，并滿足多電飛行器日益增長的用電需求。

圖1 航空三級式起動發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of three-stage starter generator

1.2 飛控執(zhí)行機構(gòu)

飛行器上用于飛行控制的作動器有三種：電液作動器(electro-hydraulic actuator,EH)、電靜液壓作動器(electro-hydrostatic actuator,EHA)和機電作動器(electro-mechanical actuator,EMA)。EH使用的二次能源是液壓動力，而EHA和EMA則由電力驅(qū)動，這表示EHA和EMA需要電機系統(tǒng)支持。多電飛行器中會使用更多的EHA和EMA來代替EH，從而減少飛行器二次能源的種類。由于EMA不使用任何液壓動力，直接利用電機和減速器對飛行器舵面進行驅(qū)動控制，因此EMA比EHA重量更輕、效率更高[9]。美國肯尼迪航天中心的研究也印證了這一點，將推力矢量控制系統(tǒng)中的液壓作動器用EMA替代后，有望使得航天飛機單次飛行的費用縮減近300萬美元[10]，但EMA目前還存在機械故障、卡死的可能性，其技術(shù)成熟度還不如液壓驅(qū)動方案高，這也是未來的一個技術(shù)研究方向。

近年來，越來越多的EMA被用于飛行器剎車力伺服[11]以及二級飛行舵面的控制中，例如擾流板、襟翼和縫翼作動等，其電驅(qū)動化已構(gòu)成明顯趨勢。但對于副翼、方向舵和升降舵等主飛行舵面的控制，僅使用EMA驅(qū)動仍然面臨著不少挑戰(zhàn)。為避免純EMA系統(tǒng)故障卡死從而導(dǎo)致飛行表面失控的缺點，一些現(xiàn)有的飛行器采用了混合驅(qū)動的方式。一種混合驅(qū)動方式是采用EHA驅(qū)動，最后過渡到EMA。另一種混合驅(qū)動方式是將液壓驅(qū)動和電驅(qū)動直接并聯(lián)，這時候EMA起到分擔負載和冗余的作用[12]，B787夢想客機的襟翼作動器使用的就是該方式。目前，在F/A-18上經(jīng)過飛行測試的副翼純電作動系統(tǒng)是應(yīng)用于主飛控中的典型EMA系統(tǒng)。該EMA系統(tǒng)采用了兩臺無刷直流電機共同驅(qū)動一臺滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)，總重量僅26磅，但最大可產(chǎn)生13 200磅的作動力，完全具有替代原液壓作動系統(tǒng)的潛力[13]。

此外，由于電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)異性能，近年來也被逐漸應(yīng)用到飛行器操縱桿的伺服控制等系統(tǒng)中，不過技術(shù)尚不成熟。俄羅斯聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)于2015 年在 MC-21-300 飛機上應(yīng)用了主動側(cè)桿控制器，成為全球首次將主動側(cè)桿技術(shù)應(yīng)用于大型商用飛機的公司[14]。

1.3 主推進系統(tǒng)

固定翼飛行器中使用電機作為主推進發(fā)動機的研究和應(yīng)用相對較早。2010年，歐盟委員會的研究人員就改裝了一架雙座飛機Rapid-200FC，改裝后的全電動飛機在起飛時使用鋰電池和燃料電池作為主推力電機的電源[15]，巡航時則只使用燃料電池。2011年，西門子為奧地利鉆石航空生產(chǎn)的“DA36”飛行器開發(fā)了一臺65 kW的徑向磁路永磁同步電機，作為主推進電機使用[16]，如圖2所示。到2018年，兩家公司合作完成了基于“DA40”的混合動力載人飛行器的首飛。該飛行器支持混合動力飛行和只由電池組供電的純電動飛行兩種飛行模式，但在混合動力飛行模式下，起飛過程中須使用發(fā)電機和電池組同時向兩臺永磁電動機供電。在試飛中這一推進系統(tǒng)最多能夠?qū)崿F(xiàn)5小時的飛行，已具備一定的商用價值。在過去的10年里，其他許多研究或商業(yè)機構(gòu)在固定翼電推進飛機方面也取得了一定的成就，如“Antares 20E”、“e-Spyder”、“Taurus G2”等。但是，絕大多數(shù)使用電動機作為主推進動力的飛機是小型或輕型飛行器，其電動機的功率等級一般都在100 kW以下。

圖2 用于DA36 eStar的65 kW永磁電機Fig.2 65 kW PM motor applied in DA36 eStar

與固定翼飛行器相比，旋轉(zhuǎn)的電機系統(tǒng)在旋翼飛行器中應(yīng)該更有應(yīng)用前景，但事實上由于旋翼飛行器需要克服自身重力來實現(xiàn)垂直起降，付出的代價更大，因此關(guān)于載人電推進旋翼飛行器的研究和案例相對較少。2015年，德國Volocepter公司成功地進行了一次全電動旋翼機的飛行試驗。該機使用了18個分布式螺旋槳，實現(xiàn)了電動垂直起降功能，并承載兩名乘客飛行了35公里，最大飛行速度為110 km/h?？罩锌蛙嚬镜囊豢顦酥拘援a(chǎn)品全電動旋翼機“City-Airbus”(如圖3所示)于2019年5月實現(xiàn)了首飛。該機使用了4臺涵道式高升力推進裝置，每臺裝置中包含2個電驅(qū)動的定距螺旋槳(旋向相反，每個螺旋槳分別由一臺永磁電機驅(qū)動)。該旋翼機以120 km/h的速度運送了4名乘客，最長滯空時間為15 min。

圖3 City-Airbus 全電旋翼飛行器Fig.3 City-Airbus all electric rotorcraft

從功能上來看，主推進系統(tǒng)中的電驅(qū)動系統(tǒng)須實現(xiàn)大功率動力輸出，為飛行器提供持續(xù)、高效、可靠的動力。與傳統(tǒng)的其他動力傳輸領(lǐng)域相類似的，為了提高效率和控制精度，以往的電機系統(tǒng)加機械減速器方案，很可能會被電機系統(tǒng)直接驅(qū)動方式所取代，尤其是在轉(zhuǎn)速相對較低的旋翼飛行器上，這是未來的一個技術(shù)突破點。

由此可見，使用電力作為未來飛行器的主要甚至是唯一的二次能源是大勢所趨。對于固定翼飛行器，所用電機系統(tǒng)的功率等級還有待提升；對于旋翼飛行器，其電驅(qū)動化進程具有更大的挑戰(zhàn)，驅(qū)動的模式(如涵道式和分布式)也需要更深入的探索。

2 航空永磁電機的功率密度分析

不管應(yīng)用于飛行器的哪個技術(shù)領(lǐng)域，功率密度都是飛行器用電機系統(tǒng)最核心的指標。在常見的電機種類中，感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流都必須由定子繞組提供，因此在同等條件下，感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻機比永磁同步電機體積更大、功率密度更低。弗吉尼亞理工大學(xué)的R.Krishnan等研究人員設(shè)計了一系列高功率密度開關(guān)磁阻電機應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，該系列電機的輸出功率為11～25.7 kW，最大功率密度為2.58 kW/kg[17]。與同等功率和轉(zhuǎn)速下的永磁電機相比，其功率密度明顯要小一些。

另外，超導(dǎo)電機由于能夠大幅度提升電機的電負荷并且顯著降低繞組歐姆損耗而備受關(guān)注，但實際應(yīng)用中還存在其他問題。比如，超導(dǎo)溫度下電樞繞組中的交流電帶來的交流損耗[18]，超導(dǎo)溫度對軸承潤滑和機械傳動效率的影響，鐵心中顯著增加的渦流損耗等。另外，還需要較重的液氮制冷系統(tǒng)來維持超導(dǎo)狀態(tài)。例如，由P.J.Masson等人設(shè)計的162 kW電勵磁高溫超導(dǎo)電機，其重量僅為28 kg，但卻需要60 kg的制冷系統(tǒng)[19]。因此，超導(dǎo)電機在實際應(yīng)用中依然面臨著許多嚴峻的挑戰(zhàn)，其應(yīng)用效果目前還不十分理想。

所以綜合起來看，采用永磁體作為勵磁源的永磁電機應(yīng)該是現(xiàn)階段飛行器用高功率密度電機的最佳選擇。

2.1 功率密度與磁路結(jié)構(gòu)

針對不同的功率等級、冷卻方式和成本需求，電機將采用不同等級的材料和工藝，提升電機材料性能、改進加工工藝是提升電機功率密度的重要手段之一，比如采用超導(dǎo)材料極大地減小銅損，采用特殊粉末合金鐵心改善鐵損，等等。因此，電機的材料和工藝將不可避免地對電機功率密度產(chǎn)生重大影響。為此，本部分僅在材料和工藝相類似的前提下，探討磁路結(jié)構(gòu)對電機功率密度的影響。

本文檢索了總計46臺高功率密度電機的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[16-26,28]，如圖4所示，希望從總體趨勢上對不同結(jié)構(gòu)的電機進行對比。可以看出，5種最實用的永磁電機磁路結(jié)構(gòu)還是占據(jù)大部分，而其中表貼式結(jié)構(gòu)是這其中使用最多的，同時軸向磁通結(jié)構(gòu)和Halbach永磁體陣列也受到了重點關(guān)注。

圖4 高功率密度電機結(jié)構(gòu)統(tǒng)計Fig.4 Statistical result of motor structures

表1、表2中列出了多組功率等級相對接近的永磁同步電動機，對比了其結(jié)構(gòu)、額定轉(zhuǎn)速等因素與功率密度的關(guān)系。為使其更具說服力，表1、表2中所列出的電機均已在其應(yīng)用領(lǐng)域得到使用或存在樣例電機，其他文獻中提供的仿真數(shù)據(jù)未予列出。可以看出，內(nèi)置式永磁(interior permanent magnet,IPM)電機主要用于新能源汽車，這主要是基于其弱磁調(diào)速能力的考慮。外轉(zhuǎn)子表貼式永磁(surface-mounted permanent magnet,SPM)電機和軸向磁通永磁電機主要應(yīng)用于航空、船舶螺旋槳電推進等領(lǐng)域，其功率密度明顯較高。兩類電機的最大功率密度分別達到了10.63 kW/kg和8.16 kW/kg，特別是軸向磁通永磁電機還可以采用無鐵心結(jié)構(gòu)，有利于散熱、降低渦流損耗并減輕電機的重量[20]。

表1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)與功率密度

表2 電機的轉(zhuǎn)速范圍與功率密度

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對高功率密度永磁電機提出了很多新結(jié)構(gòu)。例如，L’Aquila大學(xué)的M.Villani等人為EC120直升機尾槳設(shè)計了一臺120 kW永磁電機，采用輪輻式磁鋼結(jié)構(gòu)[21]，功率密度可達4.8 kW/kg。除此之外，還有其他外轉(zhuǎn)子、軸向磁通和Halbach陣列組合使用的多種結(jié)構(gòu)。

以上研究表明，采用Halbach陣列的SPM電機可以獲得更高的最大氣隙磁密，并顯著減少轉(zhuǎn)子軛的厚度[22]。表1的數(shù)據(jù)還表明，由于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電樞直徑更大，更有利于提高電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力和改善散熱。因此，對于航空電推進這樣一種應(yīng)用場合，徑向磁路外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)電機和軸向磁通結(jié)構(gòu)是相對更具應(yīng)用潛力的兩種電機結(jié)構(gòu)類型。

2.2 功率密度與轉(zhuǎn)速范圍

電機的輸出功率與轉(zhuǎn)速當然是密切相關(guān)的，但轉(zhuǎn)速的確定需要結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境和性能需求。典型的商用永磁電機的轉(zhuǎn)速和功率密度關(guān)系如表2所示?？梢钥闯觯岣唠姍C轉(zhuǎn)速可以明顯提升電機的功率密度，并且徑向磁通電機比軸向磁通電機更容易獲得更高的轉(zhuǎn)速。

雖然高速有利于功率密度的提高，但高速電機的應(yīng)用也存在一定缺點。一是為了能夠在有限的直流母線電壓下達到更高的轉(zhuǎn)速，高速電機的電感相對較小，輕載情況下會出現(xiàn)明顯的電流斷續(xù)問題；二是高速電機對電機轉(zhuǎn)子、軸承以及傳動機構(gòu)等提出了更高的結(jié)構(gòu)強度要求；三是和應(yīng)用對象的匹配問題。比如旋翼飛行器，螺旋槳的額定轉(zhuǎn)速主要受其直徑的限制，直徑越大螺旋槳額定轉(zhuǎn)速越低，因為其槳尖線速度通常不允許跨越音速[27]。輕型載人直升機主旋翼額定轉(zhuǎn)速約為400 r/min，尾槳轉(zhuǎn)速約為3 000～6 000 r/min，所以高速徑向磁通電機如果應(yīng)用于這樣的對象就需要多級減速器傳動，而減速和傳動機構(gòu)的總重量往往與電機本體相當，可能整體重量上得不償失。

因此，在航空電推進應(yīng)用中，綜合提升電機與配套傳動及減速機構(gòu)的總功率密度更具有實際意義，單獨追求電機本身的功率密度，對于飛行器全局來說不一定是最優(yōu)的。

2.3 功率密度與功率等級

大功率電機的功率密度不但取決于功率、重量，還和冷卻方式密切相關(guān)。電機的鐵損可以近似看作與電機的體積成正比，而散熱能力則與電機的表面積成正相關(guān)，因此功率等級越高、體積越大的電機等效熱阻越大，散熱越困難。這時候冷卻方式就起到了決定性的作用，顯然風(fēng)冷方式電機的功率密度要明顯低于液冷方式電機。

另外，結(jié)構(gòu)相似而功率不同的系列化電機可能存在一個使該系列電機功率密度最大的額定功率。以斯洛文尼亞的EMRAX電機為例，該系列軸向磁通永磁電機采用了單定子、雙轉(zhuǎn)子的盤式結(jié)構(gòu)，根據(jù)功率等級不同，其外徑在188～348 mm，電機重量在7～42 kg，每個型號包含3個電壓等級以及風(fēng)冷、液冷以及風(fēng)/液混合冷卻三種冷卻方式。中壓系列的EMRAX電機的功率密度隨其額定功率的變化關(guān)系如圖5所示，其基本規(guī)律是電機的功率密度先隨功率等級的提升而增大，在大約100 kW時達到轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點后電機的功率密度反而快速減小[28]。

圖5 EMRAX電機功率密度與功率等級的關(guān)系Fig.5 Relationship between power and power density of EMRAX motors

由此可見，單臺電機的功率密度與功率等級并非是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。換言之，在大型飛行器上簡單沿用傳統(tǒng)飛行器架構(gòu)，利用電機系統(tǒng)直接替代原有發(fā)動機的簡單電推進方案可能是難以體現(xiàn)高功率密度的。也許，使用多臺電機代替單臺電機共同實現(xiàn)大功率電推進的等效方案是可行的，或者說，分布式電推進方案是有利于實現(xiàn)電機系統(tǒng)整體功率密度提升的。

3 飛行器的未來發(fā)展趨勢及其對電機系統(tǒng)的新要求

從飛行器上電機系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域來看，起動發(fā)電系統(tǒng)和飛控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)電氣化起到的是錦上添花的作用，而主推進系統(tǒng)的更新?lián)Q代帶來的則是飛行器機電結(jié)構(gòu)、工作模式等革命化的變革，對飛行器電氣化的發(fā)展趨勢具有里程碑式的影響。

3.1 起動發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從功能上來看，起動發(fā)電機系統(tǒng)既要實現(xiàn)對主發(fā)動機系統(tǒng)的起動任務(wù)(電動機模式)，同時又要承擔緊急情況下的發(fā)電任務(wù)(發(fā)電機模式)，可謂身兼二職。顯而易見的是，從未來發(fā)展上看，現(xiàn)有起動發(fā)電系統(tǒng)并不是最理想的。一是其三級結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率密度不可能做的太高；二是其起動過程的控制比較復(fù)雜，需要將勵磁機的交流勵磁切換至直流勵磁方式[29]；三是起動和發(fā)電是兩套控制器，重量控制上還有很大的改進空間。

由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，集成化的高壓直流起動發(fā)電系統(tǒng)不受交流電頻率等因素的制約，有望達到更高的轉(zhuǎn)速以及高功率密度。因此，這一類起動發(fā)電系統(tǒng)具有更為廣泛的應(yīng)用前景和研究空間。例如，英國諾丁漢大學(xué)就對一種45 kW永磁高壓直流發(fā)電系統(tǒng)展開了研究[30]。當然，該類起動發(fā)電系統(tǒng)的成熟應(yīng)用還需要在以下三方面有所突破。首先，需要對起動發(fā)電機本體的集成化設(shè)計和減重優(yōu)化展開研究，進一步提升起動發(fā)電機的功率密度；其次，在控制策略上要進一步解決無位置傳感器的起動以及起動和發(fā)電狀態(tài)的切換問題；最后，在可靠性方面還要進一步實現(xiàn)起動發(fā)電機的故障滅磁和故障隔離，保障起動發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。

3.2 電作動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展趨勢

從功能上來看，飛控執(zhí)行機構(gòu)中的電驅(qū)動系統(tǒng)主要是實現(xiàn)精準、可靠的伺服驅(qū)動任務(wù)。與EHA和EMA相比，純電驅(qū)系統(tǒng)或者電直接驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)大大簡化，可以實現(xiàn)直接精準控制，動態(tài)響應(yīng)大幅提升，缺點是力能指標對比上有不足，可靠性還有待提高。

由于多相永磁容錯電機的功率密度高，且具有一定的故障運行能力，該類電機在飛行器電作動領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景，但將該類EMA系統(tǒng)更廣泛地應(yīng)用于各類飛行器中仍需解決以下瓶頸問題。首先，由于滾珠絲杠等傳動系統(tǒng)的剛度和行程間隙等參數(shù)往往是非線性的，舵面受力又與飛行狀態(tài)息息相關(guān)，因此空氣舵的總體負載模型建立具有一定困難；其次，在控制策略方面，為降低EMA的重量和制造成本，需要進一步解決無位置傳感器下的高精度位置伺服問題；此外，還需要進一步提高系統(tǒng)的魯棒性，以抵抗系統(tǒng)中的各類擾動。例如，飛行器的震動等因素引起的外部擾動以及作動器在行程極限附近可能出現(xiàn)的電流跳變等擾動[31]。最后，需要對執(zhí)行器進行健康管理，即系統(tǒng)可以對執(zhí)行器的工作狀態(tài)進行辨識，從而在故障發(fā)生前對可能出現(xiàn)故障的執(zhí)行機構(gòu)進行及時地保養(yǎng)或更換。

3.3 主推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

總體上看，飛行器N+3近乎苛刻的降噪和節(jié)油標準是未來飛行器必須要達到的門檻。專家們估計，未來的亞音速飛行器必須要在氣動外形和推進系統(tǒng)這兩個方面都取得重大進展才能達到這個標準，這也為主推進系統(tǒng)電氣化提出了新的研究課題。

3.3.1 氣動外形未來之翼身融合

傳統(tǒng)固定翼飛行器的升力是由機翼產(chǎn)生的，機身對升力幾乎沒有貢獻。傳統(tǒng)的雪茄式氣動布局升阻比較低，并且翼根處存在應(yīng)力集中。翼身的融合旨在平滑機翼和機身之間的連接，以改善飛行器的空氣動力學(xué)布局，使機身也可以提供附加升力。升阻比的提高使得飛行器在巡航過程中需要的推力更小，由翼身融合帶來的空氣動力學(xué)效率提升，可以有效地減少商用飛行器14%以上的油耗[32]。

“N3-X”是NASA于2011年提出的一種新概念飛機。兩臺由傳統(tǒng)渦輪軸發(fā)動機驅(qū)動的超導(dǎo)發(fā)電機被安裝在機翼兩端的位置，為電驅(qū)動涵道風(fēng)扇提供電能。主推力則是由位于飛機后部的14臺高升力涵道風(fēng)扇共同提供的，每臺風(fēng)扇功率約2.5 MW，分別由一臺超導(dǎo)電動機單獨驅(qū)動[33]。各涵道風(fēng)扇之間相互隔離，緊急情況下可實現(xiàn)對故障單元的隔離，并維持一定時間的飛行?？罩锌蛙嚬疽蔡岢隽艘粋€相類似的未來空中客運概念飛機“E-Airbus”，如圖6所示?！癊-Airbus”的主要推力依賴于飛機后部搭載的6個電動涵道風(fēng)扇，其電力供應(yīng)由飛機尾部的渦輪發(fā)電機提供。

圖6 E-Airbus概念飛機Fig.6 Concept of E-Airbus

翼身融合的缺點是這種氣動布局會使得機艙高度較低，影響乘客乘坐的舒適性，可能更適合軍用飛行器。但無論如何，采用翼身融合的思路來提高氣動效率必然是未來飛行器發(fā)展的一種趨勢。

3.3.2 主推進系統(tǒng)未來之分布式推進

分布式推進有利于降低飛行阻力，提升整機性能。美國宇航局的全電動實驗飛機“X-57”如圖7所示，其推進系統(tǒng)由12個低功率永磁同步電機和2個高功率巡航電機組成。安裝在機翼前緣的12臺高升力螺旋槳只在起飛和著陸過程中起作用。飛行器在巡航過程中，只由機翼兩端的螺旋槳驅(qū)動，其他螺旋槳將保持折疊狀態(tài)以減少飛行阻力。麥克斯韋“X-57”原型機的推進系統(tǒng)由2臺較大螺旋槳和2臺燃油發(fā)動機構(gòu)成。相比于原型機，改進后空氣動力學(xué)性能的提升結(jié)合更高效的電推進系統(tǒng)，“X-57”在巡航狀態(tài)下的能耗相比于其原型機有望節(jié)約80%以上[34]。“X-57”飛行器設(shè)計在過去的十年間已經(jīng)從I型發(fā)展到了IV型，雖然項目還沒有完成，但在研究過程中獲得的經(jīng)驗和結(jié)論對于其他飛行器項目也具有啟發(fā)和借鑒的意義。

圖7 “X-57”麥克斯韋試驗機Fig.7 “X-57” Maxwell experimental aircraft

一個很簡單的現(xiàn)實就是，翼身融合往往是與分布式電推進設(shè)計聯(lián)系在一起的，二者不是分開發(fā)展的。而且，把一個集中的大功率推進系統(tǒng)分解成分布的若干個小功率推進系統(tǒng)電氣推進技術(shù)遠比其他的推進方式更有優(yōu)勢。為實現(xiàn)翼身融合的特殊氣動布局，需要適當減小單臺推進器的尺寸而增加推進器的數(shù)量，采用分布式布局；分布式電推進方案則有助于緩解電機功率密度提升和功率等級提升之間的矛盾關(guān)系，同時解決多相電機難以應(yīng)對的故障問題，提升驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。綜合使用翼身融合的氣動布局以及高效的分布式電推進系統(tǒng)，在受到電池組的能量存儲密度和燃料電池輸出功率密度限制的情況下，可能是未來飛行器的最佳選擇。

當然，這兩種新的技術(shù)潮流也對電機系統(tǒng)提出了更高的要求，主要核心是兩點：一是翼身融合等新理念需要更好的電機拓撲來支撐，需要根據(jù)整機的外形設(shè)計提供更合適的電機構(gòu)型。以涵道式驅(qū)動為例，傳統(tǒng)的外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向磁路結(jié)構(gòu)未見得是最佳選擇，這需要結(jié)合涵道性能要求來深入研究。二是采用分布式電驅(qū)動后，總體控制策略的優(yōu)化，而且電機控制要結(jié)合氣動學(xué)理論、多維尋求最優(yōu)等。比如，一個大的單臺推進器分解成若干小的分布式驅(qū)動器，在功能等效、容錯控制、負載自適應(yīng)等方面，都是全新的技術(shù)問題。

4 結(jié) 論

本文介紹了飛行器用電機系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，研究了永磁電機系統(tǒng)中磁路結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速范圍、功率等級對電機功率密度的影響，分析了飛行器未來發(fā)展趨勢及其對電機系統(tǒng)的新需求，結(jié)論如下：

1)飛行器電氣化是未來的主要發(fā)展趨勢之一，這其中主推進系統(tǒng)的電氣化是最重要的，對飛行器的未來發(fā)展將起到革命性的影響，也是未來研究的重點；

2)永磁電機，尤其是外轉(zhuǎn)子永磁電機和軸向磁通永磁電機是較為適合飛行器電氣化的電機類型?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)用對象需求，對飛行器供電系統(tǒng)、電作動系統(tǒng)、電推進系統(tǒng)等進行綜合考慮與優(yōu)化，以有效提升飛行器用永磁電機的功率密度潛力；

3)分布式電推進技術(shù)是未來主要的發(fā)展趨勢之一，尤其是結(jié)合翼身融合等新的氣動布局。它能有效降低單個推進單元的功率等級，更有利于減輕電推進系統(tǒng)的重量，并提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。這需要電推進系統(tǒng)在與翼身融合的電機構(gòu)型、分布式控制策略等方面進行更深入的研究，為飛行器電氣化發(fā)展提供技術(shù)支撐。