電傳動(dòng)技術(shù)探討

■ 宋益明 李方成 / 中國航發(fā)動(dòng)研所

（宋益明，高級工程師，中國航發(fā)動(dòng)研所，主要從事直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與驗(yàn)證工作）

電傳動(dòng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或直接通過蓄電池提供電力，再利用電力帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主旋翼、尾槳的傳動(dòng)方式，順應(yīng)了環(huán)境友好、高效節(jié)能的發(fā)展大趨勢，在未來新概念飛機(jī)中具有廣闊的發(fā)展前景。

近年來，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的新技術(shù)、新概念、新理論層出不窮，尤其是近年出現(xiàn)的輕小型新概念電動(dòng)直升機(jī)。受到這些電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）的啟發(fā)，一些直升機(jī)制造商開始探索用新型的電傳動(dòng)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。電傳動(dòng)系統(tǒng)取消了減速器和傳動(dòng)軸，主要包括發(fā)電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件（如圖1所示）。受電池功率密度及容量限制，正常工作時(shí)發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所產(chǎn)生的電力通過控制單元調(diào)制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主旋翼和尾槳工作，待電池技術(shù)成熟后可直接采用電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

電傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

中小型電動(dòng)飛機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展主要得益于近30年來高性能永磁電機(jī)、大功率逆變器、高能量密度鋰電池的技術(shù)進(jìn)步。電動(dòng)飛機(jī)領(lǐng)域的初創(chuàng)公司通過借鑒和轉(zhuǎn)移電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)技術(shù)成果，帶動(dòng)了飛機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步[1]。電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出于成本的考慮，雖然對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積有一定要求，但沒有電動(dòng)飛機(jī)要求嚴(yán)格，因此目前直升機(jī)和垂直起降飛機(jī)大功率電傳動(dòng)技術(shù)研究尚處于初級階段。從開發(fā)成本和周期的角度來看，電傳動(dòng)飛機(jī)開發(fā)成本和周期比傳統(tǒng)形式低很多，大量eVTOL初創(chuàng)公司選擇自行研發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)，以更好地應(yīng)對電動(dòng)飛機(jī)行業(yè)內(nèi)競爭。

圖1 直升機(jī)電傳動(dòng)概念示意

圖2 GL-10電動(dòng)飛機(jī)

2013年12月，德國E-Volo公司研發(fā)了全球首架電動(dòng)直升機(jī)VC200，并成功首飛。該直升機(jī)與傳統(tǒng)直升機(jī)不同，機(jī)頂有18個(gè)可獨(dú)立運(yùn)作的電動(dòng)旋翼，不會(huì)產(chǎn)生廢氣。萊奧納多公司也在電動(dòng)尾槳方面開展了大量的研究，已達(dá)到了技術(shù)成熟度4級（TRL 4）的水平，通過與英國布里斯托爾大學(xué)合作，在一架AWl39中型雙發(fā)直升機(jī)的尾梁上改裝了一個(gè)電動(dòng)尾槳，并且在旋轉(zhuǎn)塔上進(jìn)行了長達(dá)l0h的地面試驗(yàn)。同期，美國國家航空航天局（NASA）的GL-10電動(dòng)飛機(jī)（如圖2所示）也在2014年完成了第一次飛行，這是一款無人駕駛的飛機(jī)，有約3m的翼展和10個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。貝爾公司在直升機(jī)電傳動(dòng)應(yīng)用上也開展了大量研究與試驗(yàn)。

在2018年國際直升機(jī)協(xié)會(huì)主辦的國際直升機(jī)博覽會(huì)（Heli-Expo 2018），德國ZF航空技術(shù)公司也展示了正在研發(fā)的電動(dòng)尾槳模型。按照規(guī)劃，公司將先探索使用1000kW電機(jī)的電動(dòng)尾槳，預(yù)計(jì)能用于4t級輕型直升機(jī)，以后將擴(kuò)展到其他級別的直升機(jī)上。同年，由空客公司投資的Vahana電動(dòng)垂直起降飛機(jī)成功首飛（如圖3所示）；2019年5月，空客公司推出的城市空中交通（UAM）的涵道電傳動(dòng)飛行器City Airbus在德國完成首飛，這是一種四座垂直起降飛行器，采用全電驅(qū)動(dòng)方式，滿足低噪聲、零排放的環(huán)保要求。

電傳動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)相比較，電傳動(dòng)具有以下幾種特點(diǎn)。

一是傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)簡單。相對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，電傳動(dòng)采用電能進(jìn)行傳輸，通過電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終實(shí)現(xiàn)主旋翼和尾槳驅(qū)動(dòng)。沒有極端復(fù)雜的多級齒輪傳動(dòng)系，同時(shí)也省略了相互間繁雜精密的配合、支撐、安裝等。

二是無突出的動(dòng)力學(xué)問題。由于取消了細(xì)長的傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)、無高速輸入級等，避免了突出的動(dòng)力學(xué)問題，減小了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。

三是機(jī)械應(yīng)力分散，可靠性高。通過電機(jī)定子線圈與轉(zhuǎn)子間的磁場相互作用來傳遞力矩，機(jī)械應(yīng)力分散，沒有齒輪嚙合處極高的應(yīng)力集中載荷，更沒有發(fā)生齒輪散裂、崩落的致命危險(xiǎn)，有效地避免了機(jī)械減速器極端惡劣的工況。

四是低振動(dòng)、低噪聲傳動(dòng)。相對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，沒有齒輪嚙合沖擊，電傳動(dòng)噪聲和振動(dòng)水平極低，乘坐舒適性好。

五是免安裝調(diào)整。在安裝時(shí)沒有同軸度校準(zhǔn)等繁瑣的環(huán)節(jié)，大大簡化了直升機(jī)的安裝、拆卸、調(diào)整、維護(hù)、檢查等過程。

六是維修保養(yǎng)簡單。電傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部件少，需要維護(hù)的部件、環(huán)節(jié)簡單，維修保養(yǎng)工作量小。

七是主旋翼/尾槳傳動(dòng)鏈可變速比。為避免高速前飛時(shí)前行槳葉激波，需降低旋翼轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的直升機(jī)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作的轉(zhuǎn)速范圍較小，通過降發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來降旋翼轉(zhuǎn)速的幅度很有限。而電傳動(dòng)的功率、轉(zhuǎn)速能夠?qū)崟r(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)主旋翼/尾槳可變速比傳動(dòng)。

八是操縱構(gòu)造簡單，可靠性高。主旋翼、尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有調(diào)速性能，可在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，實(shí)現(xiàn)無級變速傳動(dòng)，飛機(jī)采用定距螺旋槳時(shí)，可取消操縱系統(tǒng)。

九是可冗余性設(shè)計(jì)好，安全性高。傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)往往是單一傳動(dòng)鏈傳動(dòng)，一旦傳動(dòng)鏈上一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，直接導(dǎo)致直升機(jī)的飛行安全出現(xiàn)問題，安全性隱患大。電傳動(dòng)可適應(yīng)飛機(jī)總體冗余設(shè)計(jì)需求，采用多電驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)一個(gè)回路出現(xiàn)問題時(shí)，另外的回路仍可正常工作，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冗余備份。

電傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)

綜合目前的相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，要實(shí)現(xiàn)電傳動(dòng)技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用，應(yīng)著力解決以下的關(guān)鍵性技術(shù)問題。

電傳動(dòng)總體技術(shù)

電傳動(dòng)比傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置在結(jié)構(gòu)和控制等方面都顯得更為靈活。電動(dòng)力系統(tǒng)各部件之間主要采用電氣/電子連接，不同的總體結(jié)構(gòu)排布、空間布局和控制策略所帶來的整機(jī)性能各不相同。對于不同使用環(huán)境和功用的電動(dòng)飛機(jī)，其結(jié)構(gòu)也不相同。因此，進(jìn)行電動(dòng)飛機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的供電體制、總體構(gòu)型、載荷特性、性能參數(shù)匹配、總體熱管理方案及技術(shù)路線、動(dòng)力分配與能源管理、質(zhì)量的評估與優(yōu)化、主旋翼與尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)控制及故障診斷監(jiān)控，是總體技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)

與直流電機(jī)、異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等類型的電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，配合高性能的矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行性能。因此，非常適用于對功率密度、效率等要求苛刻的場合，如電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)汽車和軌道交通等。目前，在研的純電動(dòng)飛機(jī)或混合電動(dòng)飛機(jī)，基本上都采用了永磁同步電機(jī)，電動(dòng)汽車特別是乘用車幾乎都是采用永磁同步電機(jī)，而永磁牽引電機(jī)技術(shù)也是軌道交通牽引電機(jī)中的尖端技術(shù)。

電機(jī)作為電傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，高功重比是其關(guān)鍵指標(biāo)，主要體現(xiàn)在大扭矩、大功率和小體積上。由于受功率匹配性、可靠性、安裝空間、質(zhì)量、潤滑、散熱及復(fù)雜載荷情況等嚴(yán)酷條件限制，而電機(jī)本身電磁參數(shù)多，各參數(shù)的選取又是相互矛盾的，如何確定一組優(yōu)化的電磁設(shè)計(jì)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高效高密度的難點(diǎn)。因此，電機(jī)電磁/冷卻/機(jī)械綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、多電磁參數(shù)多目標(biāo)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)、高頻非正弦情況下電機(jī)損耗的精確計(jì)算、高效冷卻技術(shù)、超導(dǎo)材料應(yīng)用等是高密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容。

高效高密度電子控制技術(shù)

傳統(tǒng)機(jī)械減速器傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比是恒定的，電動(dòng)飛機(jī)各驅(qū)動(dòng)部件之間沒有機(jī)械構(gòu)件連接，直接靠電功率傳輸能量，然后將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)螺旋槳驅(qū)動(dòng)。高性能控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩密度目標(biāo)的關(guān)鍵，特別是對于主旋翼、尾槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其運(yùn)行工作制較為復(fù)雜，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)作非周期變化，這種工作制包括經(jīng)常性過載，其值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定值，需要在最大限度地提高轉(zhuǎn)矩密度的同時(shí)，獲得較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，滿足直升機(jī)飛行控制的要求。

新概念電動(dòng)飛機(jī)的供電體制一般采用高壓制式，如西門子公司采用的580V高壓直流供電制式[2]。在高壓直流電源體系中，大功率絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）器件的飽和導(dǎo)通壓降和開關(guān)特性制約了功率逆變換器效率的提升，通常功率變換效率不超過96%。研究如何提高驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的效率和功率密度是難點(diǎn)之一。

因此，設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)電動(dòng)飛機(jī)不同狀態(tài)、不同姿態(tài)下傳動(dòng)特性的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以滿足體積小、實(shí)時(shí)性好、精度高、可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、效率高等要求，是高效高密度電子控制技術(shù)的目標(biāo)。

電磁兼容技術(shù)

電傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓、高電流和快速轉(zhuǎn)換率，是潛在的重要的電磁干擾源之一。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）變換技術(shù)中，逆變器中的IGBT器件不斷地開關(guān)，其開關(guān)頻率高達(dá)上千赫[茲]，同時(shí)其所承受的電流很大。器件在電壓不為零的情況下開通或電流不為零的情況下關(guān)斷，也會(huì)帶來很大的開關(guān)耗損和噪聲。

另外，IGBT器件工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，有一部分能量以熱的方式釋放，若不采取冷卻措施會(huì)使得IGBT模塊溫升過快，并超過IGBT允許的工作范圍，這也限制了開關(guān)的PWM頻率，使系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生脈動(dòng)，尤其是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而對主旋翼、尾槳驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來出現(xiàn)了直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型軟開關(guān)逆變器，由于它采用零電壓或零電流開關(guān)技術(shù)，具有開關(guān)損耗小、電磁干擾小、噪聲低、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。

結(jié)束語

電池、電機(jī)、電力和電子等技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了電傳動(dòng)技術(shù)在飛行器上的應(yīng)用發(fā)展，并收獲了可喜的成果，但在新概念電動(dòng)直升機(jī)上的應(yīng)用還面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，如電傳動(dòng)總體技術(shù)、高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)、高效高密度電子控制技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等。展望未來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信電傳動(dòng)在未來的新概念飛行器領(lǐng)域必有一番作為。