航空發電機現狀及發展

周鵬飛

【摘 要】航空的發電機是飛機電源系統最重要的部件，經歷了直流發電機、有刷同步發電機、三級式無刷同步發電機的發展過程。本文在分析了各種發電機性能和特點的基礎上，分析了新型民用和軍用航空發電機發展方向。最后結合國內外航空發電機的發展現狀，提出一些自己的看法。

【關鍵詞】飛機電源系統；航空發電機；多電飛機

0 前言

航空發電機的發展和飛機電源系統的發展息息相關，飛機的電源系統經歷了低壓直流、交流、高壓直流的發展過程，其相應的航空發電機也經歷了直流發電機、有刷同步發電機，三級式無刷同步發電機。[1]

1 各航空發電機簡介

1.1 直流發電機

28V直流低壓電源是飛機上最早應用的電源，現代飛機仍然在使用。直流電源的主電源是由飛機發動機直接傳動的直流電機及其調節保護設備組成的。國產的航空直流發電機有1.5kW、3kW、6kW、9kW、12kW、18kW等數種功率，額定電壓28V，額定電流為50A、100A、300A、400A、600A。其中6kW和12kW還有起動/發電機型式，在發動機未工作時可作電動機運行起動發動機，發動機正常工作后轉換為發電機向飛機電網供電。

1.2 有刷同步發電機

1946年，液壓恒速傳動裝置（簡稱CSD）問世，它將航空發動機的轉速穩定在一個很小的范圍內，輸出恒定的轉速，從而使得發電機的工作頻率恒定，飛機的主電源是恒頻的交流電。此時，液壓恒速傳動裝置、有刷同步發電機和機電式控制保護器構成第一代恒速恒頻交流（CSCF）電源。

1.3 三級式無刷同步發電機

20世紀50年代后，有刷同步電機逐漸發展為具有旋轉整流器的三級式無刷同步電機。由于采用了無刷交流電機，電源的性能、可靠性和維修性均得到了大幅度的提高。在此基礎上，飛機的電源系統開始飛速的發展。20世紀70年代初組合傳動發電機誕生了（簡稱IDG）。IDG將恒速傳動裝置與三級式無刷交流電機組合在一起，僅以簡化了結構，提高了電源的功率密度。20世紀60年代，固態功率電子管的產生使得飛機的電源向變速變頻方向發展。首先產生了變速恒頻（VSCF）電源，三級式無刷同步電機是主發電機，直接與發動機的齒輪箱相連，產生頻率變化的交流電，再通過交-交變換器或者交-直-交變換器產生恒定400Hz的交流電。到了近現代，飛機的主電源已經沒有加大功率的變換器，只剩下與發動機齒輪箱直接相連的三級式無刷同步電機，產生的變速變頻（VSVF）交流電直接連到飛機電網，頻率范圍為380-800Hz。[2]

2 各航空發電機的性能和特點

2.1 直流發電機的性能和特點

航空直流發電機的轉速隨著發動機的變化而變化，飛機直流發電機和電壓調節器配合工作，通過檢測調壓點處的電壓，改變發電機的勵磁電流，使得發電機的的輸出電壓不會因為轉速的變化而變化，使得發電機的輸出電壓為恒定的28V。直流電機的電壓調節方式十分簡單，快捷，能夠很好的滿足供電的需求。飛機的直流發電機通常和蓄電池并聯供電，發電機電壓高，蓄電池處于充電狀態，僅當突加負載和負載很大的情況下，蓄電池才向外供電，這種工作方式可以保證飛機的不間斷供電。而直流發電機的啟動技術成熟，在起動過程中，直流電機能夠提供很大的起動轉矩，帶動發動機起動，起動完成后直流電機進入發電模式，十分方便。直流電機是有刷結構，受換向條件限制，電機的額定功率有限，最大功率為18KW，最大使用高度不能超過18000m，并且電刷和換向器工作時易磨損，故障率高，維護不方便。直流電源由于電壓很低，增加了電網的重量。因此，飛機電源向交流方向發展。

2.2 有刷同步電機的性能和特點

隨著液壓恒速傳動裝置的發展，交流電機成為飛機電源系統的主電源進入交流階段，液壓恒速傳動裝置、有刷同步發電機和機電式控制保護器構成第一代恒速恒頻交流電源，電源電壓為115/200V，頻率為400Hz。交流電源的使用，提高了電源系統的功率，減輕了電網的重量。但是有刷同步電機仍然存在電刷，限制了電機的功率和轉速，容易發生故障，很快被淘汰。

2.3 三級式無刷同步發電機的性能和特點

20世紀50年代，無刷同步電機在飛機上得到了廣泛的應用。從恒速恒頻電源，變速恒頻電源到現在B787多電飛機上使用的變速變頻電源都采用了這種電機結構。這種電機結構由一開始的兩級式無刷同步電機發展而來，這種結構為了實現電機的自勵，在勵磁機的磁極間裝有永磁體，讓勵磁機有足夠的剩磁電動勢，有利于自激。但是，這種結構復雜，體積質量大，逐漸由三級式無刷同步電機取代。如圖1所示，三級式無刷同步電機機構從左到右分別是永磁副勵磁機，交流勵磁機和主發電機，其中在交流勵磁機和主發電機之間有旋轉整流器相連。圖1中橫虛線的上半部分是電機的旋轉部分，下半部分是固定部分。工作時，永磁副勵磁機轉子永磁體產生勵磁，使得定子側產生供交流勵磁機勵磁的電流Ief，交流勵磁機發出的交流電經過旋轉整流器整流作為主發電機的勵磁IF，主發電機在發動機的帶動下，產生三相交流電。

這種結構，不需要電刷和換向器，電機的性能大幅提高，提高了電機無故障間隔時間和功率密度，并且，由于主發電機的勵磁是電勵磁，控制十分方便，可以實現突然短路情況下的故障滅磁。

3 航空發電機的發展方向

3.1 多電飛機的主發電機

隨著航空業的發展，多電飛機憑借其巨大的優勢成為發展的主流。多電飛機的電源容量大，對飛機電源的可靠性要求高，不中斷供電需求大，需要冗余供電。因此多電飛機對飛機的電源系統，尤其主發電機有著特別高的要求。多電飛機的電源系統主要采用高壓直流的方式，電源電壓為270V直流，這樣可以大大減輕電網重量，也使得用電更加安全。除了三級式無刷同步電機，開關磁阻電機、永磁電機、電勵磁雙凸極電機成為了多電飛機主電源的研究和發展的方向。[3]

3.2 開關磁阻電機

如圖2，開關磁阻電機轉子僅由鋼片疊壓而成，轉子上沒有繞組，也沒有電刷和滑環，十分適合于在高轉速的惡劣條件下工作，并且由于這種簡單的凸極結構，開關磁阻電機自帶冗余功能。不僅如此，開關磁阻電機與晶體管組合，即可以電動也可以發電，作為多電飛機的起動/發電系統十分合適。如今，美國F-35戰斗機是一個多電飛機采用270V高壓直流電源系統，主發電機為開關磁阻起動/發電機，電機內有兩套獨立的三相繞組，分別于兩個三相功率變換器相連，構成冗余電源。但是開關磁阻電機轉矩脈動較大，功率密度相對較低，而且在發電和電動過程中都依賴位置傳感器來監測轉子位置，降低了可靠性。

3.3 永磁電機

大多數永磁電機的永磁體在電機的轉子上，實際上為無刷電機，結構簡單。由于的其高磁能積，永磁電機有功率密度高、效率高、性能穩定，過載能力強和轉動慣量小等優點。目前在飛機上主要用于三級式無雙同步電機的副勵磁機，飛控專用發電機和發動機控制專用發電機。但是，永磁電機要作為飛機的主電源還需解決以下問題：高速高溫下惡劣環境下的不可逆退磁風險；發生故障時的滅磁手段；電壓調節的方法。

3.4 電勵磁雙凸極電機

電勵磁雙凸極電機在開關磁阻電機的結構上在定子側加入了勵磁繞組，只要在其輸出端加上整流和濾波電路就可以方便的發出直流電。相比較三級式電機，這種結構相對簡單，適合發動機內裝發電，符合多電飛機的發展要求；相比較開關磁阻電機，轉矩脈動減小，發電不需要位置傳感器，不需要可控的功率變換器，提高了可靠性。雙凸極電機存在較大的定位力矩，限制了電機的最低工作轉速，也加大了電樞的電流脈動，這是本結構最主要的缺點。

4 結論

航空發電機發展與飛機電源的發展密不可分，目前，無論在交流電源系統和高壓直流電源系統中，三級式無刷同步電機仍然是主流。但是，隨著航空業多電飛機的發展，開關磁阻電機，永磁電機和電勵磁雙凸極電機表現出競爭力，并且有趨勢取代三級式無刷交流電機。

【參考文獻】

[1]程國華.大型民用飛機電源系統的現狀與發展[J].民用飛機設計與研究，2008 （4）.

[2]秦海紅，嚴仰光.多電飛機的電氣系統[M].北京航空航天大學出版社，2015.12：1-585.

[3]齊榮，林輝，周素瑩.多電飛機電氣系統關鍵技術研究[J].航空計算技術， 2004，34（1）：97-101.

[責任編輯：朱麗娜]