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(lái)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(duì)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(duì)燃料能量的利用率僅約40%。而對(duì)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(guò)70%，可見(jiàn)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(lái)源，使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)航空需要的電機(jī)，一直是從事這個(gè)行業(yè)的我們?cè)谒伎嫉膯?wèn)題，接下來(lái)一段時(shí)間我們會(huì)從不同角度討論這個(gè)問(wèn)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(lái)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(shì)，而且由于對(duì)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(lái)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(lái)。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(wú)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(lái)說(shuō)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(duì)無(wú)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(duì)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(zhǎng)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(lái)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(duì)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(lái)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(duì)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(wú)法使用展弦比過(guò)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(lái)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(jiǎn)單，規(guī)模化的生產(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(shì)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(guò)載能力很強(qiáng)，單臺(tái)電機(jī)發(fā)生失效，可以通過(guò)其他電機(jī)的過(guò)載工作來(lái)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(shì)。

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

無(wú)論是螺旋槳還是電涵道，都可以視作對(duì)空氣做功，使其加速，對(duì)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(duì)于追求以更小功率實(shí)現(xiàn)垂直起降的eVTOL飛機(jī)來(lái)說(shuō)，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(wú)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(méi)有未來(lái)，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(shì)。我們認(rèn)為在更遠(yuǎn)的未來(lái)，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(lái)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(chǎng)是沿著軸向分布而得名，同理徑向磁場(chǎng)電機(jī)的磁場(chǎng)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(chǎng)作用面積更大，因此軸向磁場(chǎng)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(chǎng)電機(jī)更加適合航空電推進(jìn)。

但是對(duì)于evtol而言，無(wú)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(wèn)題都是制約其發(fā)展的固有難題，這類電機(jī)在未來(lái)很難通過(guò)嚴(yán)苛的適航論證。

第四個(gè)話題：未來(lái)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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)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(lái)的散熱問(wèn)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(lái)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(zhēng)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(duì)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(guó)內(nèi)材料、熱處理以及相應(yīng)的檢測(cè)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(lái)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(wú)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(lái)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(shuō)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(duì)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(lái)的適航認(rèn)證過(guò)程中會(huì)是極大的不利因素。

不管怎么說(shuō)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(duì)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(duì)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(lái)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(zhǎng)遠(yuǎn)。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)的適航認(rèn)證和商業(yè)化量產(chǎn)都會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于Joby來(lái)說(shuō)，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(lái)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(wú)法通過(guò)適航無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品對(duì)于賽峰是沒(méi)有意義的。

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