電傳動技術探討

■ 宋益明 李方成 / 中國航發動研所

（宋益明，高級工程師，中國航發動研所，主要從事直升機傳動系統設計研究與驗證工作）

電傳動是利用發動機帶動發電機發電或直接通過蓄電池提供電力，再利用電力帶動電機驅動主旋翼、尾槳的傳動方式，順應了環境友好、高效節能的發展大趨勢，在未來新概念飛機中具有廣闊的發展前景。

近年來，直升機傳動系統的新技術、新概念、新理論層出不窮，尤其是近年出現的輕小型新概念電動直升機。受到這些電動垂直起降飛行器（eVTOL）的啟發，一些直升機制造商開始探索用新型的電傳動系統替代傳統的機械傳動系統。電傳動系統取消了減速器和傳動軸，主要包括發電機、控制器、驅動電機等部件（如圖1所示）。受電池功率密度及容量限制，正常工作時發電機由發動機驅動，所產生的電力通過控制單元調制，驅動電機帶動主旋翼和尾槳工作，待電池技術成熟后可直接采用電池驅動電機工作，進一步簡化系統結構。

電傳動技術發展現狀

中小型電動飛機電傳動技術的發展主要得益于近30年來高性能永磁電機、大功率逆變器、高能量密度鋰電池的技術進步。電動飛機領域的初創公司通過借鑒和轉移電動汽車的電驅動技術成果，帶動了飛機電傳動技術的進步[1]。電動汽車電驅動系統出于成本的考慮，雖然對電驅動系統的質量和體積有一定要求，但沒有電動飛機要求嚴格，因此目前直升機和垂直起降飛機大功率電傳動技術研究尚處于初級階段。從開發成本和周期的角度來看，電傳動飛機開發成本和周期比傳統形式低很多，大量eVTOL初創公司選擇自行研發電傳動系統，以更好地應對電動飛機行業內競爭。

圖1 直升機電傳動概念示意

圖2 GL-10電動飛機

2013年12月，德國E-Volo公司研發了全球首架電動直升機VC200，并成功首飛。該直升機與傳統直升機不同，機頂有18個可獨立運作的電動旋翼，不會產生廢氣。萊奧納多公司也在電動尾槳方面開展了大量的研究，已達到了技術成熟度4級（TRL 4）的水平，通過與英國布里斯托爾大學合作，在一架AWl39中型雙發直升機的尾梁上改裝了一個電動尾槳，并且在旋轉塔上進行了長達l0h的地面試驗。同期，美國國家航空航天局（NASA）的GL-10電動飛機（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，有約3m的翼展和10個驅動電機。貝爾公司在直升機電傳動應用上也開展了大量研究與試驗。

在2018年國際直升機協會主辦的國際直升機博覽會（Heli-Expo 2018），德國ZF航空技術公司也展示了正在研發的電動尾槳模型。按照規劃，公司將先探索使用1000kW電機的電動尾槳，預計能用于4t級輕型直升機，以后將擴展到其他級別的直升機上。同年，由空客公司投資的Vahana電動垂直起降飛機成功首飛（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，采用全電驅動方式，滿足低噪聲、零排放的環保要求。

電傳動技術特點

與傳統的機械傳動相比較，電傳動具有以下幾種特點。

一是傳動鏈結構簡單。相對機械傳動系統，電傳動采用電能進行傳輸，通過電能轉化為機械能，最終實現主旋翼和尾槳驅動。沒有極端復雜的多級齒輪傳動系，同時也省略了相互間繁雜精密的配合、支撐、安裝等。

二是無突出的動力學問題。由于取消了細長的傳動軸結構、無高速輸入級等，避免了突出的動力學問題，減小了系統動力學風險。

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

四是低振動、低噪聲傳動。相對機械傳動系統，沒有齒輪嚙合沖擊，電傳動噪聲和振動水平極低，乘坐舒適性好。

五是免安裝調整。在安裝時沒有同軸度校準等繁瑣的環節，大大簡化了直升機的安裝、拆卸、調整、維護、檢查等過程。

六是維修保養簡單。電傳動系統的機械部件少，需要維護的部件、環節簡單，維修保養工作量小。

七是主旋翼/尾槳傳動鏈可變速比。為避免高速前飛時前行槳葉激波，需降低旋翼轉速。傳統的直升機由于發動機的正常工作的轉速范圍較小，通過降發動機轉速來降旋翼轉速的幅度很有限。而電傳動的功率、轉速能夠實時控制，可實現主旋翼/尾槳可變速比傳動。

八是操縱構造簡單，可靠性高。主旋翼、尾槳驅動電機具有調速性能，可在較大轉速范圍內正常工作，實現無級變速傳動，飛機采用定距螺旋槳時，可取消操縱系統。

九是可冗余性設計好，安全性高。傳統機械傳動系統往往是單一傳動鏈傳動，一旦傳動鏈上一個環節出現問題，直接導致直升機的飛行安全出現問題，安全性隱患大。電傳動可適應飛機總體冗余設計需求，采用多電驅動方式，當一個回路出現問題時，另外的回路仍可正常工作，實現驅動系統的冗余備份。

電傳動關鍵技術

綜合目前的相關領域的研究進展，要實現電傳動技術在直升機上的應用，應著力解決以下的關鍵性技術問題。

電傳動總體技術

電傳動比傳統的機械傳動裝置在結構和控制等方面都顯得更為靈活。電動力系統各部件之間主要采用電氣/電子連接，不同的總體結構排布、空間布局和控制策略所帶來的整機性能各不相同。對于不同使用環境和功用的電動飛機，其結構也不相同。因此，進行電動飛機電傳動系統的供電體制、總體構型、載荷特性、性能參數匹配、總體熱管理方案及技術路線、動力分配與能源管理、質量的評估與優化、主旋翼與尾槳驅動電機協調控制及故障診斷監控，是總體技術研究的重要內容。

高功率密度電機設計

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

電機作為電傳動系統的關鍵驅動部件，高功重比是其關鍵指標，主要體現在大扭矩、大功率和小體積上。由于受功率匹配性、可靠性、安裝空間、質量、潤滑、散熱及復雜載荷情況等嚴酷條件限制，而電機本身電磁參數多，各參數的選取又是相互矛盾的，如何確定一組優化的電磁設計參數是實現高效高密度的難點。因此，電機電磁/冷卻/機械綜合優化設計、多電磁參數多目標全局優化設計、高頻非正弦情況下電機損耗的精確計算、高效冷卻技術、超導材料應用等是高密度驅動電機設計研究的重要內容。

高效高密度電子控制技術

傳統機械減速器傳動鏈的傳動比是恒定的，電動飛機各驅動部件之間沒有機械構件連接，直接靠電功率傳輸能量，然后將電能轉化為機械能實現螺旋槳驅動。高性能控制技術是實現高轉矩密度目標的關鍵，特別是對于主旋翼、尾槳驅動電機，其運行工作制較為復雜，負載轉矩和轉速在較大范圍內作非周期變化，這種工作制包括經常性過載，其值可遠遠超過額定值，需要在最大限度地提高轉矩密度的同時，獲得較好的動態和穩態運行特性，滿足直升機飛行控制的要求。

新概念電動飛機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）器件的飽和導通壓降和開關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%。研究如何提高驅動控制系統的效率和功率密度是難點之一。

因此，設計一個適應電動飛機不同狀態、不同姿態下傳動特性的自適應控制系統，以滿足體積小、實時性好、精度高、可靠性高、動態響應快、效率高等要求，是高效高密度電子控制技術的目標。

電磁兼容技術

電傳動系統的高壓、高電流和快速轉換率，是潛在的重要的電磁干擾源之一。在傳統控制系統的脈沖寬度調制（PWM）變換技術中，逆變器中的IGBT器件不斷地開關，其開關頻率高達上千赫[茲]，同時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斷，也會帶來很大的開關耗損和噪聲。

另外，IGBT器件工作在開關狀態時，有一部分能量以熱的方式釋放，若不采取冷卻措施會使得IGBT模塊溫升過快，并超過IGBT允許的工作范圍，這也限制了開關的PWM頻率，使系統的輸出產生脈動，尤其是轉矩脈動，從而對主旋翼、尾槳驅動產生不利影響。

隨著技術進步，近年來出現了直流環節諧振型逆變器和極諧振型軟開關逆變器，由于它采用零電壓或零電流開關技術，具有開關損耗小、電磁干擾小、噪聲低、高功率密度和高可靠性等優點而受到廣泛關注。

結束語

電池、電機、電力和電子等技術的進步推動了電傳動技術在飛行器上的應用發展，并收獲了可喜的成果，但在新概念電動直升機上的應用還面臨著諸多技術挑戰，如電傳動總體技術、高功率密度電機設計、高效高密度電子控制技術、電磁兼容技術等。展望未來，隨著科學技術的進步，相信電傳動在未來的新概念飛行器領域必有一番作為。