邁吉易威|關(guān)于航空電推進(jìn)飛行電機(jī)的一些探討

撰稿-施剛、張宇浩

多電飛機(jī)是在20世紀(jì)末被提出的，多電就是將飛機(jī)上的原本由液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置轉(zhuǎn)為電驅(qū)動(dòng)，用電能逐漸代替液壓能和氣壓能如圖1.1。因此飛機(jī)上伺服電機(jī)、調(diào)速電機(jī)的使用范圍越來越大，同時(shí)飛機(jī)上的電子設(shè)備的功率需求也在不斷提高，客機(jī)以波音的B787飛機(jī)為代表，發(fā)電總功率達(dá)到了1.4MW，戰(zhàn)斗機(jī)以F-35“閃電”為代表，發(fā)電總功率為峰值240kw。

   （a）傳統(tǒng)飛機(jī)能量流                         (b)多電飛機(jī)能量流

圖1.1傳統(tǒng)飛機(jī)與多電飛機(jī)對比

傳統(tǒng)上飛機(jī)使用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，但是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)均存在能量轉(zhuǎn)換效率極限，目前最先進(jìn)的燃?xì)鉁u 輪發(fā)動(dòng)機(jī)對燃料能量的利用率僅約40%。而對于電推進(jìn)飛機(jī)，從電能到推進(jìn)功率的轉(zhuǎn)化率能夠超過70%，可見電推進(jìn)技術(shù)具備相當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)意義。

電推進(jìn)飛機(jī)的發(fā)展有兩條路線。小型飛機(jī)能夠直接使用電池作為電能來源，使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來源，從而消除污染排放，大幅降低噪聲水平，同時(shí)降低飛行過程中的能量消耗水平如圖1.2。大型飛機(jī)仍然需要使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以確保其航程和載重，但可以通過在推進(jìn)系統(tǒng)中引入電動(dòng)機(jī)如圖1.3，形成混合動(dòng)力系統(tǒng)有效改善整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的排放性能和燃油消耗水平。

  圖1.2全電飛機(jī)原理                         圖1.3串聯(lián)混合動(dòng)力

電推進(jìn)技術(shù)是繼飛機(jī)二次能源統(tǒng)一為電能之后，飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電氣化的高級(jí)階段與重要發(fā)展方向，航空電動(dòng)機(jī)完全取代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，有望突破傳統(tǒng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率極限，改善飛機(jī)飛行性能的同時(shí)降低燃油消耗水平和污染排放，是動(dòng)力系統(tǒng)的深刻變革。

什么樣的航空推進(jìn)電機(jī)是未來航空需要的電機(jī)，一直是從事這個(gè)行業(yè)的我們在思考的問題，接下來一段時(shí)間我們會(huì)從不同角度討論這個(gè)問題，希望可以拋磚引玉，與從業(yè)者們一起討論，共同進(jìn)步。

第一個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是集中式電推進(jìn)還是分布式電推進(jìn)

首先什么是集中式電推進(jìn)和分布式電推進(jìn)，集中式電推進(jìn)就是用航空電推進(jìn)電機(jī)等功率替換原有的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)揮電動(dòng)機(jī)同功率下體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢，而且由于對飛機(jī)本身改變較小，可以在原有飛機(jī)的適航基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力更換適航。分布式電推進(jìn)就是把原來的一個(gè)大功率電機(jī)轉(zhuǎn)化成多個(gè)小功率電機(jī)。

邁吉易威團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，分布式電驅(qū)動(dòng)會(huì)比集中式電驅(qū)動(dòng)更有未來。主要是從以下幾個(gè)方面考慮：

1.從電機(jī)的效率角度看

電機(jī)損耗中存在恒定損耗，這類損耗與電機(jī)的材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速等相關(guān)而與負(fù)載無關(guān)，比如鐵芯損耗、風(fēng)摩損耗和軸承損耗，往往功率大的電機(jī)會(huì)比功率小的電機(jī)效率會(huì)提高1%-2%。總的來說電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)不同，電機(jī)的效率與尺度和負(fù)載相對無關(guān)，小電機(jī)比大電機(jī)相比，效率不會(huì)有大的區(qū)別。

2.從電機(jī)的散熱角度看

在轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，電機(jī)的扭矩正比于電磁材料的質(zhì)量，又由于電磁材料的密度變化不大，于是對于直驅(qū)的航空電推進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的功率就會(huì)正比于電機(jī)的體積。而電機(jī)的散熱是依靠電磁材料的外表面去進(jìn)行散熱的，電機(jī)在散熱條件不變的情況下，電機(jī)的散熱能力正比與電機(jī)的表面積。假設(shè)電機(jī)恰好是一個(gè)邊長是a的正方體，這個(gè)正方體的體積等于a3,表面積等于6a2,隨著a變大電機(jī)的效率保持不變，電機(jī)的發(fā)熱能力正比于a3，散熱能力正比于a2。電機(jī)發(fā)熱量的增速是大于電機(jī)散熱能力增速的。因此集中式驅(qū)動(dòng)和分布式的航空推進(jìn)電機(jī)，在功率差不多的情況下往往雙方的電磁材料質(zhì)量差不多，但是集中驅(qū)動(dòng)的航空電機(jī)需要更多的成本和重量來強(qiáng)化散熱。

3.從飛機(jī)的氣動(dòng)角度看

機(jī)翼同一般物體相似，也有摩擦阻力和壓差阻力。對于機(jī)翼而言，這二者合稱“翼型阻力”。機(jī)翼上除翼型阻力外，還有“誘導(dǎo)阻力”。這是機(jī)翼所獨(dú)有的一種阻力。因?yàn)檫@種阻力是伴隨著機(jī)翼上升力的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。升力的產(chǎn)生來源于機(jī)翼上、下表面的壓強(qiáng)差，即下表面的壓強(qiáng)大于上表面。翼尖附近的氣流在壓差的作用下會(huì)由下向上繞，這樣既減小了升力，又產(chǎn)生了阻力，這就是誘導(dǎo)阻力。因?yàn)榭諝怵ば裕?/span>翼尖渦流的強(qiáng)度，靠近翼尖附近強(qiáng)度最大，越往機(jī)翼中心，下洗越弱，相應(yīng)的誘導(dǎo)阻力越弱。大展弦比機(jī)翼，整塊機(jī)翼受到翼尖渦流的影響，比起小展弦比受到的影響相對要輕，所以大展弦比的機(jī)翼誘導(dǎo)阻力要小。

現(xiàn)實(shí)中的飛機(jī)受限于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無法使用展弦比過高的機(jī)翼，而采用分布式驅(qū)動(dòng)的電推進(jìn)飛機(jī)，由于每個(gè)電機(jī)的重量都不大，可以均布在大展弦比的機(jī)翼上，X57飛機(jī)就是更換了分布式電驅(qū)動(dòng)改用了高展弦比機(jī)翼。同時(shí)分布式的布局可以進(jìn)一步減少飛機(jī)的誘導(dǎo)阻力，在X57飛機(jī)的地面實(shí)驗(yàn)中，分布式螺旋槳可顯著加大機(jī)翼表面的來流速度與動(dòng)壓，當(dāng)升力電動(dòng)機(jī)輸出功率為225kW時(shí)機(jī)翼能夠產(chǎn)生傳統(tǒng)推進(jìn)裝置相同功率下2倍的升力，進(jìn)而使得X57擁有更多的升力冗余和更短的起飛距離。

4.從電機(jī)的生產(chǎn)角度看

電機(jī)由于零件數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，規(guī)�；�的生產(chǎn)大幅降低了電機(jī)的制造成本。尺寸小的電機(jī)重量輕，模具和工裝夾具尺寸小成本低，相比大尺寸的電機(jī)的產(chǎn)線成本更低。因此分布式驅(qū)動(dòng)的航空推進(jìn)電機(jī)相比集中式的航空推進(jìn)電機(jī)更借助規(guī)模優(yōu)勢降低成本，為了達(dá)到相同總功率，分布式的小功率電機(jī)往往比集中式的大功率電機(jī)綜合成本更低。

5.從飛行的安全冗余角度看

電機(jī)的過載能力很強(qiáng)，單臺(tái)電機(jī)發(fā)生失效，可以通過其他電機(jī)的過載工作來彌補(bǔ)損壞電機(jī)的推力損失。同時(shí)依靠分布式電推進(jìn)的推力差動(dòng)或者矢量控制，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)部分飛機(jī)舵面的功能和冗余。分布式驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)在安全冗余性上比集中驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)具有壓倒性優(yōu)勢。

第二個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是螺旋槳推進(jìn)還是電涵道推進(jìn)

無論是螺旋槳還是電涵道，都可以視作對空氣做功，使其加速，對空氣的反作用力就是推進(jìn)器的推力。螺旋槳推進(jìn)槳盤面積大，相應(yīng)的推進(jìn)力效就高，力效高就意味著每千瓦的功率產(chǎn)生的推力就更大。螺旋槳的力效在3.5-7kg/kw，電涵道的力效在1.5-3kg/kw,對于追求以更小功率實(shí)現(xiàn)垂直起降的eVTOL飛機(jī)來說，螺旋槳在起飛階段更加合適。采用了螺旋槳的垂直起降飛機(jī)所需的功耗往往不到采用電涵道飛機(jī)的一半，因此邁吉易威團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，只要大家還在追求垂直起降，并且電池技術(shù)無法快速突破，那么電動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)形式就是當(dāng)前的最優(yōu)選擇。

但是我們并不認(rèn)為電涵道沒有未來，電涵道的橫截面積更小，平飛阻力更低，并且體積小可以布置更多的動(dòng)力單元，實(shí)現(xiàn)更充分的分布式驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的需求從電動(dòng)螺旋槳電機(jī)的低速高扭轉(zhuǎn)向了高速低扭，電機(jī)可以做到更加小巧。電涵道的外面有包裹機(jī)殼，可以布置降噪的聲襯和補(bǔ)強(qiáng)的碳纖維，在噪聲和安全上比螺旋槳推進(jìn)更具優(yōu)勢。我們認(rèn)為在更遠(yuǎn)的未來，電涵道會(huì)是更適合航空電推進(jìn)的推進(jìn)方式。

第三個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是軸向磁通電機(jī)還是徑向磁通電機(jī)

軸向磁通電機(jī)因磁場是沿著軸向分布而得名，同理徑向磁場電機(jī)的磁場就是沿著徑向分布如圖。在同體積下，軸向磁通電機(jī)的磁場作用面積更大，因此軸向磁場電機(jī)的扭矩密度和功率密度更高，從電磁性能上看，軸向磁場電機(jī)更加適合航空電推進(jìn)。

但是對于evtol而言，無論是全傾轉(zhuǎn)還是復(fù)合推進(jìn)，螺旋槳都會(huì)產(chǎn)生巨大的軸向力和彎矩。軸向磁通電機(jī)的氣隙是一個(gè)平面，在承受軸向力和彎矩時(shí)都會(huì)導(dǎo)致氣隙扭曲，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，為了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，就需要一套相當(dāng)強(qiáng)壯的軸承系統(tǒng)，為此則需要付出更多的結(jié)構(gòu)重量。除此以外，軸向磁通電機(jī)的散熱以及工藝問題都是制約其發(fā)展的固有難題，這類電機(jī)在未來很難通過嚴(yán)苛的適航論證。

第四個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是采用哪種軟磁材料

如今電機(jī)所用的軟磁材料采用主要有晶體材料、非晶材料、納米晶體材料，考慮到應(yīng)用成熟度，依然是晶體材料成熟度高。對于一種軟磁材料主要看它的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和矯頑力Hc,Bs主要決定了電機(jī)的磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度越強(qiáng)就意味著電磁能力越強(qiáng)，就越能在小體積下實(shí)現(xiàn)高性能。Hc決定了鐵芯的磁滯損耗，Hc越低，電機(jī)的交流鐵損就會(huì)越低，電機(jī)的效率就會(huì)做的越高。因此，在航空推進(jìn)電機(jī)追求高功率密度和高扭矩密度的情況下，只要能解決鐵損較大帶來的散熱問題，高飽和磁密的晶體軟磁材料是最合適的，其中以鈷鐵合金最為性能出眾。

第五個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是直驅(qū)還是齒輪減速

這個(gè)話題其實(shí)我們團(tuán)隊(duì)內(nèi)部也有些爭議，雖然大多主機(jī)企業(yè)采用了直驅(qū)螺旋槳的技術(shù)方案，但也有一些頭部主機(jī)企業(yè)選擇高速電機(jī)+減速傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。邁吉易威的地面業(yè)務(wù)主要做分布式電動(dòng)輪（低速大扭矩驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用），具有相對較強(qiáng)的齒輪設(shè)計(jì)能力和電機(jī)/行星排集成設(shè)計(jì)能力，但是基于國內(nèi)材料、熱處理以及相應(yīng)的檢測條件，確實(shí)很難草率地評(píng)估減速器失效風(fēng)險(xiǎn)。而減速器斷齒或會(huì)造成瞬間堵轉(zhuǎn)，減速器殼體乃至槳轂和槳葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恐難以承受突發(fā)堵轉(zhuǎn)沖擊，畢竟高能非包容性破片產(chǎn)生的飛行安全損害難以估量。

第六個(gè)話題：未來的航空電推進(jìn)是風(fēng)冷電機(jī)還是油冷電機(jī)

相同功率的電機(jī)的發(fā)熱大小主要看電機(jī)的效率高低，電磁重量給的夠，電機(jī)效率就高發(fā)熱就少，如果追求高功率密度就需要削減電磁重量犧牲效率，所以制約電機(jī)功率密度提升的因素從電磁設(shè)計(jì)變成了散熱設(shè)計(jì)。無論是風(fēng)冷電機(jī)還是油冷電機(jī)，最終電機(jī)的熱都需要排放到大氣當(dāng)中，最終決定整套散熱系統(tǒng)散熱能力的是電磁材料到大氣的熱阻、與大氣換熱的表面積、與大氣換熱的換熱系數(shù)。

Joby就是按照這個(gè)思路做出了超高扭矩密度的油冷外轉(zhuǎn)子電機(jī)，該電機(jī)集成了電機(jī)本體、控制器、風(fēng)扇和油泵電機(jī)以及散熱器如圖。首先電機(jī)的定子用聚醚醚酮（Peek）材料包裹并通油進(jìn)行冷卻降低了系統(tǒng)熱阻，然后均溫油液來到電機(jī)后部的管帶散熱器進(jìn)行散熱，最后，在電機(jī)的內(nèi)部另外布置小型高速電機(jī)，利用它同時(shí)驅(qū)動(dòng)高速風(fēng)扇和油泵提高換熱系數(shù)和系統(tǒng)熱阻。理論上只要這臺(tái)高速電機(jī)轉(zhuǎn)的足夠快，電機(jī)的熱都可以被散掉。這套方案如果說有什么缺點(diǎn)，那就是為了高度集成，電機(jī)內(nèi)大量采用3d打印件，很難對該電機(jī)進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)。并且油路存在失效泄漏并且導(dǎo)致燃燒的風(fēng)險(xiǎn)，在未來的適航認(rèn)證過程中會(huì)是極大的不利因素。

不管怎么說這套方案集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊，展現(xiàn)了新興科技公司的創(chuàng)新能力，與之相對的是老牌航空動(dòng)力公司賽峰的航空推進(jìn)電機(jī)。這臺(tái)電機(jī)采用全風(fēng)冷系統(tǒng)，利用軸帶的風(fēng)扇對電機(jī)自身表面的翅片進(jìn)行散熱，散熱能力相比Joby的電機(jī)遜色許多，所以該電機(jī)只能增加電磁重量提高效率來降低散熱需求。雖然在功率密度上賽峰的這臺(tái)電機(jī)只有joby航空推進(jìn)電機(jī)的一半不到，但是賽峰考慮的可能更加長遠(yuǎn)。這種結(jié)構(gòu)簡單的風(fēng)冷電機(jī)具有部件少、工藝成熟、可靠性高的特點(diǎn)，在未來的適航認(rèn)證和商業(yè)化量產(chǎn)都會(huì)更具優(yōu)勢。

對于Joby來說，由于缺乏自身造血能力，選擇劍走偏鋒，用更高的性能指標(biāo)來贏得投資人的青睞。而賽峰是行業(yè)巨頭，這個(gè)行業(yè)的理解更加深刻，如果無法通過適航無法大規(guī)模生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品對于賽峰是沒有意義的。

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

江蘇邁吉易威電動(dòng)科技有限公司成立于2018年9月，位于南京市江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是以科技創(chuàng)新為核心的高新技術(shù)企業(yè)。 公司致力于高效輕質(zhì)全電推進(jìn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)，主要產(chǎn)品為集成化電動(dòng)輪（輪轂電機(jī)系統(tǒng)）、分布式航空電推進(jìn)系統(tǒng)、水下電推進(jìn)系統(tǒng)、整合式動(dòng)力單元（IPU系統(tǒng)）。業(yè)務(wù)涵蓋空中飛行器、地面車輛以及水面/水下航行器。公司擁有GJB9001C、國家高新技術(shù)企業(yè)、江蘇省民營科技企業(yè)、江蘇省科技型中小企業(yè)、南京市瞪羚企業(yè)、江蘇省瞪羚企業(yè)、江蘇省專精特新中小企業(yè)、南京市特種裝備分布式動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心等多項(xiàng)資質(zhì)榮譽(yù)。

Don‘t aim for success if you want it, just do what you love and believe in, and it will come naturally.You can not improve your past, but you can improve your future.