■ 張生光 張峻峰 張學(xué)寧 / 中國航發(fā)研究院

航空動力的電氣化是未來發(fā)展的必然趨勢，多電航空發(fā)動機是當前研究的重要方向，雖然存在熱能、電能和機械能轉(zhuǎn)換過程的損失，但可以大幅提高與飛行安全性相關(guān)的潛在收益。

多電航空發(fā)動機在20世紀末提出，其主要目的為降低發(fā)動機的耗油率、噪聲和維護費用等。工作原理與傳統(tǒng)發(fā)動機相似，同樣包含壓氣機、燃燒室以及渦輪，不同之處在于附件系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等盡可能采用電氣化結(jié)構(gòu)：采用電磁軸承替換滾動軸承，省卻附件傳動系統(tǒng)；通過高功率密度起動/發(fā)電一體化電機實現(xiàn)發(fā)動機起動以及后續(xù)發(fā)電，為發(fā)動機提供電能；采用電動燃油泵、作動器等實現(xiàn)電氣化改造。

電磁軸承

電磁軸承是利用非接觸電磁力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮并且可通過控制算法對電磁力進行調(diào)節(jié)的一種支承結(jié)構(gòu)，具有無機械摩擦磨損、壽命長、可靠性高、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點。包括位移傳感器、控制器、功率放大器、磁極和線圈等結(jié)構(gòu)。工作原理是通過位移傳感器實時觀測轉(zhuǎn)子位置，并將位置信號傳送至控制器，由控制器根據(jù)設(shè)定的控制算法，輸出控制信號至功率放大器，功率放大器輸出控制電流傳遞給線圈，線圈與磁極產(chǎn)生磁場，從而實時改變電磁力大小，使轉(zhuǎn)子位于給定的平衡位置。電磁軸承技術(shù)是決定多電航空發(fā)動機能否取得實用的關(guān)鍵，由于其非接觸特點，能夠省去發(fā)動機的軸承潤滑系統(tǒng)，并簡化軸承密封系統(tǒng)，綜合來看，能夠有效減輕發(fā)動機質(zhì)量，降低發(fā)動機油耗。

電磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組成[1]

電磁軸承控制

由于航空發(fā)動機具有高轉(zhuǎn)速、細長軸的特點，工作條件多處于1階甚至2階彎曲臨界轉(zhuǎn)速之上，因此，要求電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具備過2階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的能力，而航空發(fā)動機對振動水平和過彎曲臨界轉(zhuǎn)速行為有著嚴格的標準，需要通過電磁軸承控制器的設(shè)計調(diào)整其支承特性，從而滿足有關(guān)振幅、工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速間的安全裕度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求。而現(xiàn)有成熟的電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多基于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和模型，建模方法與控制策略等與柔性轉(zhuǎn)子存在較大差異。比例、積分和微分（PID）或基于PID方法的控制技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)簡單，不依賴建模的精確性，具有一定的魯棒性，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的控制方法，由于實際電磁軸承系統(tǒng)的復(fù)雜性，存在噪聲干擾、臨界轉(zhuǎn)速處阻尼不足等原因，簡單的PID控制顯然無法滿足電磁軸承控制系統(tǒng)要求，因此，需要在控制器中添加濾波器以過濾傳感器中的高頻干擾信號，此外，由于電磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高頻位置等效阻尼不足，易激發(fā)轉(zhuǎn)子2階或3階彎曲模態(tài)，通常需要添加固定中心頻率的陷波器加以抑制，此外，由于過1階彎曲臨界轉(zhuǎn)速時振動較大，也可考慮添加相位補償器增加過臨界阻尼以抑制振動。

基于PID控制的電磁軸承系統(tǒng)原理圖

目前，針對電磁軸承支承的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于在不同階次柔性模態(tài)下，轉(zhuǎn)子節(jié)點位置不同，由此產(chǎn)生的不確定性，導(dǎo)致基于PID方法的控制器魯棒性較差，難以滿足較高的控制要求，因此基于H∞控制、μ綜合控制、LQG控制、滑?？刂频榷喾N形式的控制方法也在電磁軸承控制器中得到廣泛研究，但是，各類新型控制方法多處于研究階段，在工業(yè)中尚未普遍應(yīng)用，有待進一步驗證。

高溫電磁軸承

傳統(tǒng)滾動軸承工作極限溫度為180～260℃，而高溫電磁軸承的工作溫度高達600℃，采用高溫電磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)滾動軸承，能夠顯著提高軸承工作環(huán)境溫度，節(jié)省大量冷氣，有效降低空氣系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度。高溫電磁軸承核心在于用高溫材料替換常溫材料，并考慮相應(yīng)隔熱措施，包含高溫位移傳感器、高溫磁極與線圈、高溫工作穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)。

首先，針對高溫位移傳感器技術(shù)，電磁軸承要求傳感器具有非接觸測量能力，通常以電渦流、電感傳感器為主，并且需要具有優(yōu)良的靜態(tài)特性與動態(tài)特性，例如，具有高的靈敏度、信噪比、線性度、抗干擾能力，精確的重復(fù)性以及較寬的頻帶等。在常溫條件下，以上要求能夠得到有效保證，但是針對600℃高溫環(huán)境，尚無成熟產(chǎn)品面市，需要開展定制化設(shè)計，傳感器高溫線圈材料、與檢測電路之間的定量關(guān)系等均需要開展研究。

其次，針對高溫磁極與線圈，在高溫環(huán)境下，選擇一種既有高導(dǎo)磁性能又具有良好力學(xué)和加工性能的軟磁材料是高溫磁極需要解決的首要問題，目前經(jīng)過研究與驗證，鈷基合金（如Hiperco50或Hiperco50-HS）具有良好的高溫導(dǎo)磁性能和力學(xué)性能，適合作為高溫磁極材料。針對高溫勵磁線圈，由于磁極內(nèi)部空間限制，高溫導(dǎo)線絕緣層普遍比較薄并且脆，考慮線圈在繞制過程中絕緣層容易脫落損傷導(dǎo)致短路，因此選擇具有耐高溫耐折絕緣層的導(dǎo)線并將其封裝也是高溫電磁軸承遇到的難題。

此外，針對軸承高溫工作穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下，傳感器、導(dǎo)線、作動器等的可靠性也需要進行應(yīng)用驗證。并且，相對于傳統(tǒng)軸承，同等空間下電磁軸承的承載能力和抗過載能力較小，而在飛機起飛、著陸、機動飛行等狀態(tài)下，電磁軸承會受到較大的瞬時沖擊，在高溫環(huán)境下，該沖擊能否得到有效抑制，需要從主動控制上予以解決。

高溫位移傳感器結(jié)構(gòu)[2]

高溫電磁軸承

高溫電磁軸承試驗臺結(jié)構(gòu)[3]

目前，高溫電磁軸承已經(jīng)達到在550℃高溫環(huán)境下以轉(zhuǎn)速30000r/min運行，用于定子和轉(zhuǎn)子的磁極材料是鈷基合金，勵磁導(dǎo)線為銀制導(dǎo)線，雖然實現(xiàn)了在高溫高轉(zhuǎn)速環(huán)境下運行，但由于長時間暴露于高溫環(huán)境，尚有部分研究仍需要進一步探索，如材料在高溫下結(jié)構(gòu)變化、合金微觀遷移與蠕變等可能會導(dǎo)致材料在高溫下無法保持足夠長的壽命[1]。

電磁軸承輕量化

電磁軸承依靠電磁力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而受目前鐵磁材料磁通量限制，電磁力不可能隨著電流的增加無限增加，因此為保證電磁軸承最大承載力，需對其結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計，通常其體積、質(zhì)量以及所占空間要明顯高于滾動軸承，但是由于無需潤滑、耐高溫等特性，可以省去潤滑系統(tǒng)、簡化密封系統(tǒng)，從而使得航空發(fā)動機整體質(zhì)量得到減輕。由于整機結(jié)構(gòu)尺寸限制以及對高推重比的強烈需求，電磁軸承自身輕量化技術(shù)十分關(guān)鍵，而目前電磁軸承主要應(yīng)用于地面環(huán)境，如鼓風(fēng)機、管道壓縮機、渦輪分子泵等設(shè)備之中，對體積、質(zhì)量要求并不嚴苛，因此關(guān)于電磁軸承輕量化方面研究較少，電磁軸承輕量化技術(shù)可針對以下方面開展。

第一，電磁軸承的定子、轉(zhuǎn)子磁極均需要具備較強的導(dǎo)磁性能，對磁通密度、磁通曲線等具有較高要求，不同鐵磁材料對電磁軸承的性能影響較大，當前最常用的材料為硅鋼片，可使用的最大磁通密度為1.6T左右，如果采用鈷基合金，可使用的磁通密度能夠增大至1.9T左右，但成本更高，磁通密度的提高可以有效減小電磁軸承體積，從而達到減輕質(zhì)量的目的。

第二，除了磁極外，電磁軸承還包含功率放大器、傳感器、控制器等部分。其中，控制器可考慮與發(fā)動機控制器集成，從而減少空間的占用；功率放大器及電源可通過緊湊型設(shè)計實現(xiàn)減輕質(zhì)量、優(yōu)化空間的目的。

起動/發(fā)電一體化電機

多電航空發(fā)動機另一顯著特點是用起動/發(fā)電一體化電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)附件傳動系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速、體積、質(zhì)量等有嚴格要求，隨著控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷進步，制造工藝不斷優(yōu)化，電機的工作效率和可靠性有了很大的提高，根據(jù)實際需求可以實現(xiàn)4象限高效穩(wěn)定的運行，電機在實際運行中可以很方便地切換工作狀態(tài)，即電機的電動和發(fā)電是可以根據(jù)控制指令迅速改變的。

高速電機轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以上，現(xiàn)有電機中，開關(guān)磁阻電機、永磁電機、感應(yīng)電機以及少數(shù)其他類型的電機能夠?qū)崿F(xiàn)高速功能。對于多電航空發(fā)動機而言，電機需具備起動/發(fā)電一體化功能，在航空領(lǐng)域，研究及應(yīng)用較多的為永磁電機，以稀土永磁材料為代表的高性能永磁材料技術(shù)發(fā)展使得材料的永磁性能得到明顯提升，永磁電機能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率密度與較高轉(zhuǎn)速，已經(jīng)得到一些初步應(yīng)用，具備較大的使用潛能[4]。

永磁電機可通過增加磁極對數(shù)、提高轉(zhuǎn)速與頻率、采用Halbach陣列等方式來提高功率密度。目前，針對高功率密度電機已經(jīng)開展了大量研究并取得豐富成果，如西門子公司研制的260kW電機，質(zhì)量為50kg，并應(yīng)用于航空推進系統(tǒng)之中；美國“雷擊”無人機采用了分布式混合電推進系統(tǒng)，機翼風(fēng)扇電動機功率為100kW，鴨翼風(fēng)扇電動機功率為70kW。

永磁電機結(jié)構(gòu)[5]

電動燃油泵

電動燃油泵是多電航空發(fā)動機的重要部件。目前，發(fā)動機主燃油泵以固定排量的齒輪泵為主，通過發(fā)動機附件機匣的固定傳動比的齒輪傳遞功率與轉(zhuǎn)速，由于附件機匣、燃油泵傳動比固定，因此燃油排量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，無法自行調(diào)節(jié)，由此產(chǎn)生在某些飛行條件下，燃油泵提供的燃油遠大于燃油需求，因此需要大量燃油重新流回油箱。而針對多電航空發(fā)動機，首先，取消了附件機匣設(shè)計，無需從發(fā)動機轉(zhuǎn)子提取功率到附件系統(tǒng)，因此使用電動燃油泵恰好解決了這個問題，由此帶來的好處還有各燃油泵流量可調(diào)，不再受制于傳動齒輪的傳動比限制，可根據(jù)發(fā)動機的需要主動調(diào)控燃油量。

結(jié)束語

電動燃油泵結(jié)構(gòu)[6]

與常規(guī)發(fā)動機相比，采用多電技術(shù)具有許多優(yōu)點：采用電氣化支承結(jié)構(gòu)、附件系統(tǒng)、作動機構(gòu)后，極大減少了發(fā)動機軸承、齒輪等的摩擦磨損，有效地提升了使用壽命與可靠性；相關(guān)電氣化設(shè)備的使用簡化了發(fā)動機潤滑與密封系統(tǒng)，減輕了發(fā)動機質(zhì)量。此外，電磁軸承的應(yīng)用也大幅降低航空發(fā)動機內(nèi)流系統(tǒng)的設(shè)計難度。目前，針對多電航空發(fā)動機，在電磁軸承、起動/發(fā)電一體化電機、電動燃油泵等方面已經(jīng)取得了階段性成果，但是仍有較多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，尤其是工程驗證方面缺少相關(guān)研究，相信在不久的將來，有望看到多電航空發(fā)動機得到應(yīng)用。