電動(dòng)飛機(jī)推進(jìn)電機(jī)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述

摘 要：電推進(jìn)電機(jī)是電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究，但是研究成果較為分散，缺乏對(duì)推進(jìn)電機(jī)發(fā)展的總結(jié)。本文綜述了電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的研究成果，分別從結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒂来朋w排布、繞組拓?fù)洹O槽配合和散熱等幾個(gè)方面總結(jié)了電推進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)未來(lái)數(shù)十年內(nèi)電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，為未來(lái)電推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)飛機(jī)； 電推進(jìn)電機(jī)； 功率密度； 散熱

中圖分類號(hào)：TM301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.001

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金 （20180836003，2019ZC053013）；陜西省自然科學(xué)基金 （2021JQ-113）

隨著航空工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，全球?qū)τ陲w機(jī)電動(dòng)化的需求與日俱增。電推進(jìn)電機(jī)作為電動(dòng)飛機(jī)的核心動(dòng)力部件，其綜合能力的好壞直接影響飛機(jī)的性能[1-4]。與傳統(tǒng)燃油航發(fā)相比，電推進(jìn)電機(jī)具有能源轉(zhuǎn)化效率高、無(wú)污染、噪聲小的顯著優(yōu)點(diǎn)，早在20世紀(jì)各國(guó)就開(kāi)始了研究。

隨著電推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的不斷更新和換代，圍繞高性能電推進(jìn)電機(jī)的相關(guān)研究逐漸聚焦在如何提高電機(jī)功率密度上[5-7]。功率密度與電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工藝、材料等多種因素有關(guān)，相關(guān)研究提出提升功率密度的思路也呈現(xiàn)出多樣性，但是未見(jiàn)對(duì)電推進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)綜述的報(bào)道。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外電推進(jìn)電機(jī)的研究成果，從電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒂来朋w排布、極槽配合、定子繞組拓補(bǔ)、高效散熱和高溫超導(dǎo)技術(shù)6個(gè)方面，綜述電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)電推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 高性能推進(jìn)電機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近20年來(lái)，隨著大功率永磁同步電機(jī)（PMSM）的發(fā)展，電推進(jìn)電機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。雖然其搭載平臺(tái)仍以無(wú)人機(jī)為主，但已有一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)載人飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了研究并取得了諸多進(jìn)展。2003年，首架全電載人飛機(jī)Lange Antares 20E完成飛行，其搭載了42kW的電推進(jìn)電機(jī)[8]。隨后幾年，一大批電動(dòng)飛機(jī)試驗(yàn)機(jī)陸續(xù)完成試飛，如Diamond DA36 e-Star[9]、波音HK-36[10]燃料電池示范機(jī)、空客的e-Genius電動(dòng)滑翔機(jī)[11]和E-Fan系列電動(dòng)飛機(jī)[12]等。針對(duì)民航客機(jī)領(lǐng)域，空客還推出了混合動(dòng)力民航客機(jī)E-Fan X，該型號(hào)使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，驅(qū)動(dòng)4臺(tái)羅羅2MW電機(jī)，最多可搭載70人[13]。這些試驗(yàn)機(jī)展示了航空電推進(jìn)電機(jī)的可行性，并為后續(xù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)做出了貢獻(xiàn)。

2010年以來(lái)，隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，西門子、Emrax、YASA、Rotex Electric和MGM COMPRO等公司也推出了自己的電推進(jìn)電機(jī)。與前述的測(cè)試型號(hào)相比，這些電機(jī)在功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和效率等技術(shù)指標(biāo)上堪稱優(yōu)秀，已經(jīng)擁有了實(shí)用價(jià)值，可以用于驅(qū)動(dòng)小型載人飛機(jī)。2015年，西門子為Walter Extra公司的330LX特技飛機(jī)提供了SP260D電機(jī)，該電機(jī)采用液冷散熱，重量（質(zhì)量）50kg，功率可達(dá)260kW，由參數(shù)可得其最大功率密度為5.2kW/kg[14]。電機(jī)采用兩套獨(dú)立繞組的冗余式設(shè)計(jì)，保證了可靠性。斯洛文尼亞Emrax公司推出了Emrax268航空電推進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為軸向磁通結(jié)構(gòu)，體積控制極佳，外徑僅268mm，軸向長(zhǎng)度僅91mm，重量?jī)H19.9kg，而最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)500N·m，峰值功率達(dá)230kW，功率密度理論上高達(dá)11.5kW/kg，而最大效率超過(guò)了98%[15]。英國(guó)YASA公司為General Aviation Cessna 337 Super Skymaster電動(dòng)飛機(jī)研制了型號(hào)為YASA-750 R的電推進(jìn)電機(jī)，采用軸向磁通結(jié)構(gòu)，油冷散熱，其外徑368mm，軸向長(zhǎng)度98mm，重量37kg，而峰值轉(zhuǎn)矩為790N·m，最大功率200kW，功率密度可達(dá)5.4kW/kg[6]。捷克高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)制造商Rotex Electric專門為電動(dòng)小型飛機(jī)（EPOS）項(xiàng)目設(shè)計(jì)了REB 90電推進(jìn)電機(jī)，其具備緊湊的設(shè)計(jì)，重量23kg，持續(xù)功率30kW，最大功率為80kW，功率密度可達(dá)3.47kW/kg。捷克MGM COMPRO公司為空客、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）等機(jī)構(gòu)配置了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用直驅(qū)方式，電機(jī)型號(hào)為REB 50 series，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外徑266.8mm，軸向長(zhǎng)度76mm，電機(jī)功率為50kW，而重量?jī)H12.5kg，功率密度可達(dá)4kW/kg[16]。以上幾個(gè)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)的功率密度都接近或超過(guò)了4kW/kg，已經(jīng)屬于高功率密度電機(jī)。這些型號(hào)標(biāo)志著電驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)已初步滿足載人飛行的要求，證明了輕型有人電動(dòng)飛機(jī)的可行性。

通過(guò)對(duì)研究現(xiàn)狀的總結(jié)和分析可知，電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)已取得了顯著的進(jìn)展，并展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。與此同時(shí)，大多數(shù)研究將重點(diǎn)放在以下方面：首先，相關(guān)研究最關(guān)注的指標(biāo)是電機(jī)的功率密度；其次是電機(jī)溫升的抑制；最后，電機(jī)的可靠性和適配性設(shè)計(jì)也受到了重視。下面將對(duì)這六大關(guān)鍵技術(shù)分別展開(kāi)論述。

2 電推進(jìn)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

功率密度是飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)最重要的指標(biāo)。功率密度又稱比功率或功重比，物理意義是電機(jī)的功率P和質(zhì)量M的比值。在電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)中，大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展都是以提升功率密度為目的。

電機(jī)的功率密度可由式（1）表示[17]

式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn)，功率密度與電機(jī)氣隙磁密、電流線負(fù)荷兩個(gè)變量分別成正比，因此，為了提升電機(jī)功率密度，應(yīng)該設(shè)法提升其電負(fù)荷與磁負(fù)荷。為了達(dá)到這一目的，常見(jiàn)的措施包括優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒃O(shè)計(jì)合理的永磁體陣列、選擇最佳極槽組合、改進(jìn)繞組拓?fù)浜凸に嚕约疤嵘嵝实取?/p>

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

航空電推進(jìn)永磁電機(jī)按照結(jié)構(gòu)和氣隙磁通方向可分為徑向磁通（RFPM）和軸向磁通（AFPM）兩種，目前，兩種電機(jī)都廣泛應(yīng)用于航空推進(jìn)系統(tǒng)中，并且各有優(yōu)劣。

徑向磁通電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為圓柱形，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子三種構(gòu)型，如圖1所示[19]。

作為一種永磁同步電機(jī)，徑向磁通電機(jī)擁有良好的動(dòng)態(tài)性能，且效率和功率密度高于其他勵(lì)磁方式的電機(jī)[20-21]。卡爾斯魯厄工學(xué)院的內(nèi)置式永磁體（IPM）徑向磁通電機(jī)，功率密度達(dá)到了5kW/kg，是目前公認(rèn)的功率密度最高的徑向磁通電機(jī)之一。

在所有徑向磁通電機(jī)中，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)是最常用的類型，結(jié)構(gòu)也最簡(jiǎn)單；與之相比，外轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率因數(shù)和功率密度稍高一些；而雙轉(zhuǎn)子電機(jī)相對(duì)前兩種具有更明顯的性能優(yōu)勢(shì)：在同等的電機(jī)外徑、長(zhǎng)度和效率下，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)構(gòu)型擁有最低的整機(jī)質(zhì)量和最高的功率密度，其功率因數(shù)接近1。然而，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)并不如其他兩種電機(jī)常用[19]。

軸向磁通電機(jī)的定轉(zhuǎn)子為盤形，分為單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子兩種構(gòu)型，如圖2所示[22]。

軸向磁通電機(jī)不但擁有永磁同步電機(jī)高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，還有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，與徑向電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)的盤式結(jié)構(gòu)對(duì)鐵芯導(dǎo)磁材料的利用更充分，在相同尺寸下，軸向磁通電機(jī)的輸出功率更高；其次，軸向磁通電機(jī)有利于增加電機(jī)極對(duì)數(shù)。這些優(yōu)點(diǎn)使得軸向磁通電機(jī)在功率密度上相對(duì)徑向磁通電機(jī)具有優(yōu)勢(shì)[23]。此外，在尺寸相當(dāng)?shù)那疤嵯拢S向磁通電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于徑向磁通電機(jī)，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，客觀上有助于設(shè)計(jì)更高帶寬的控制器，這樣的控制器能有效地驅(qū)動(dòng)整個(gè)工作范圍內(nèi)的風(fēng)扇推進(jìn)器，防止其在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)失速現(xiàn)象[24]。由于軸向磁通電機(jī)在中轉(zhuǎn)速高功率條件下的良好性能，隨著交流永磁同步電機(jī)在交通工具領(lǐng)域逐漸取代了直流電機(jī)，軸向磁通電機(jī)也越來(lái)越多地用于汽車輪轂電機(jī)和輕型電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)，其中一些型號(hào)的功率密度高于徑向磁通電機(jī)[25-28]。

雖然軸向磁通電機(jī)在相同尺寸條件下性能優(yōu)于徑向磁通電機(jī)，但其也存在一些明顯的缺點(diǎn)。一方面，軸向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑較大，所需電機(jī)軸承更加復(fù)雜，因此難以提高轉(zhuǎn)速；另一方面，軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)不利于散熱冷卻。由于上述缺陷，軸向磁通電機(jī)的功率目前還無(wú)法達(dá)到民航燃油航發(fā)的兆瓦級(jí)別，只能用于輕型載人飛機(jī)，再加上定子繞組的電流承載能力有限，軸向磁通電機(jī)在開(kāi)發(fā)的目標(biāo)上主要還是針對(duì)低功率范圍（數(shù)百千瓦級(jí)別）[28]。

2.2 永磁體排布

在永磁同步電機(jī)中，永磁體的排列方式對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布和性能影響很大。航空電推進(jìn)電機(jī)常用的永磁體排列方式可分為表貼式（SPMSM）和內(nèi)置式（IPMSM），而內(nèi)置式又可分為V形、D形和平形，如圖3所示[29]。

上述所有排列方法中，表貼式結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單也最常見(jiàn)，其永磁體貼在轉(zhuǎn)子氣隙一側(cè)表面。表貼式永磁電機(jī)用于航空電推進(jìn)電機(jī)時(shí)，為了幫助永磁體對(duì)抗高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力，需用保持環(huán)額外加固[30-31]。

與表貼式相比，內(nèi)置式電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩更大，氣隙磁密較低，大電流下的磁化風(fēng)險(xiǎn)較小。其中V形和D形在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩方面明顯優(yōu)于表貼式電機(jī)，而F形轉(zhuǎn)矩性能在4種排列中最差[29]。

此外，內(nèi)置式排列的鐵芯過(guò)厚，轉(zhuǎn)子體積比其他結(jié)構(gòu)更大，且相鄰永磁體間的磁橋漏磁現(xiàn)象顯著。這導(dǎo)致了內(nèi)置式電機(jī)的功率密度低于表貼式和其他排列方式[19]。

與幾種經(jīng)典排列方式不同，Halbach陣列由多個(gè)不同充磁方向的永磁體組成，目的是產(chǎn)生具有諧振特性的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)在一個(gè)方向上強(qiáng)，而在另一個(gè)方向上相對(duì)較弱或消失[32]。其磁路比內(nèi)置式電機(jī)更為通暢，且等效磁路更長(zhǎng)，但是消耗永磁材料更多。如圖4（a）所示，完全Halbach陣列由一系列充磁方向漸變的永磁體緊密相接而成，該結(jié)構(gòu)大幅節(jié)約了轉(zhuǎn)子軛的體積，但是成本是同尺寸表貼式電機(jī)的三倍以上。圖4（b）展示了一種簡(jiǎn)化版Halbach陣列，其中只有徑向充磁和切向充磁兩種永磁體離散分布。該結(jié)構(gòu)成本僅比表貼式電機(jī)高10%，而轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)于V形和雙層V形內(nèi)嵌式電機(jī)[33]。

Halbach陣列的應(yīng)用范圍很廣，在交通領(lǐng)域廣泛用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)中[34-35]。

2.3 磁極對(duì)數(shù)和極槽配合

電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和極槽配合都會(huì)影響電機(jī)功率密度。其中，極對(duì)數(shù)與功率密度的關(guān)系最為明顯。以一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速4800r/min、每極每相槽數(shù)q=0.5、電流密度15A/mm2的電機(jī)為例，其損耗和功率隨極對(duì)數(shù)變化的規(guī)律見(jiàn)表1[36]。

由表1可見(jiàn)，在尺寸和每極每相槽數(shù)不變的前提下，隨著永磁體極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將會(huì)提升，與此同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體中的渦流損耗呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵耗也出現(xiàn)了顯著降低。因此，在驅(qū)動(dòng)器頻率范圍和電機(jī)所需調(diào)速范圍允許的情況下，可以通過(guò)增加永磁體極對(duì)數(shù)來(lái)提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度（即轉(zhuǎn)矩和體積的比值），從而提高功率密度。但是，極對(duì)數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子鐵耗快速上升，對(duì)散熱冷卻系統(tǒng)造成很大壓力；此外，轉(zhuǎn)速不變時(shí)增加極對(duì)數(shù)就會(huì)同時(shí)增加所需驅(qū)動(dòng)電路的頻率，導(dǎo)致電機(jī)難以控制。因此極對(duì)數(shù)并非越大越好。

在槽數(shù)方面，永磁同步電機(jī)可分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽。為了設(shè)計(jì)方便和避免諧波，設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)一般優(yōu)先采用整數(shù)槽[37-38]。然而，Golovanov等[39]提出，電機(jī)最大功率密度對(duì)應(yīng)的極槽配合不一定是整數(shù)槽。因此，航空電推進(jìn)電機(jī)若想追求盡可能高的功率密度，則應(yīng)選用分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)多組試驗(yàn)，分別測(cè)得不同極槽配合的輸出功率和損耗，從而找出最合適的極槽組合。

2.4 定子繞組拓?fù)?/p>

定子繞組形態(tài)對(duì)航空電推進(jìn)電機(jī)的性能影響較大，其優(yōu)化措施也呈多樣化。

首先，在繞組的分布方面，永磁電機(jī)定子繞組可分為分布式和集中式兩種，它們各有優(yōu)劣。每種構(gòu)型的單層和雙層接線如圖5所示。若采用集中式繞組，則繞組端部更短，銅線體積減少，電機(jī)的質(zhì)量減輕，銅損降低；若選擇分布式繞組，則轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少，電機(jī)效率提高，平均轉(zhuǎn)矩提高[40-42]。

其次，在繞組的工藝方面，常采用Hairpin工藝進(jìn)行繞線[43]。該結(jié)構(gòu)由預(yù)先形成發(fā)卡形的矩形截面導(dǎo)體組成，插入定子槽中，并最終焊接固定，如圖6所示[44-45]。相較于普通繞組，使用Hairpin繞組可以提高槽滿率，進(jìn)而改善提升電機(jī)的功率密度[46]；Hairpin繞組內(nèi)各導(dǎo)線相對(duì)位置固定，線圈之間電壓差較小；此外，Hairpin繞組可以節(jié)約絕緣層涂料，提高導(dǎo)體向鐵芯的傳熱效率；最后，Hairpin繞組便于采用機(jī)器繞線，提高生產(chǎn)效率[45]。

Hairpin繞組的主要缺點(diǎn)是交流損耗較高[47-51]。該問(wèn)題可以通過(guò)采用Litz線代替圓線來(lái)解決。Litz線是一種由多股獨(dú)立絕緣線纏繞而成的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，相鄰絕緣線之間會(huì)經(jīng)過(guò)交錯(cuò)換位。該結(jié)構(gòu)可以有效減小交流電的集膚效應(yīng)，從而減少交流損耗。Litz線常用于電機(jī)、變壓器等高頻率器件，也適用于制造Hairpin繞組[51]。

2.5 高效散熱技術(shù)

電機(jī)散熱冷卻性能對(duì)功率密度有著重要影響。散熱冷卻性能決定了電機(jī)在高功率運(yùn)行時(shí)的熱量排散能力，進(jìn)而影響其功率密度的提高[52]。高功率密度電機(jī)由于體積小、單位體積的功率大，而表面積小，因此需要高效散熱技術(shù)以防止溫升過(guò)快。電機(jī)散熱技術(shù)包括風(fēng)冷、油冷、水冷、導(dǎo)管冷卻技術(shù)。

法國(guó)賽峰集團(tuán)為混合動(dòng)力小型支線客機(jī)推出了ENGINeUS 45電機(jī)，其額定功率為45kW，功率密度達(dá)到2.5kW/kg，轉(zhuǎn)速為2500r/min。該電機(jī)采用風(fēng)扇冷卻，圖7為其風(fēng)扇葉片。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提出了一種主動(dòng)對(duì)流油冷技術(shù)，其主要是利用主動(dòng)對(duì)流液體（ATF）對(duì)電機(jī)進(jìn)行噴霧或直接冷卻，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的變速器系統(tǒng)中。ATF具有低黏度、抗氧化和防腐蝕等特性，使得它適合用于傳導(dǎo)和冷卻電機(jī)部件。由于ATF大多絕緣，在電機(jī)冷卻中，ATF可以通過(guò)射流的方式直接接觸電機(jī)的線圈。通過(guò)將ATF射流噴射到電機(jī)的導(dǎo)線繞組表面上，可以迅速地將導(dǎo)線表面的熱量帶走。這是因?yàn)樯淞髦械腁TF能夠帶走導(dǎo)線繞組產(chǎn)生的熱量，并將其傳遞到周圍環(huán)境中。在這個(gè)過(guò)程中，ATF的溫度和射流的速度是重要的因素。溫度的變化可以影響到ATF的傳熱性能，而射流的速度則可以影響到ATF的冷卻效果。圖8展示了一個(gè)典型的車載電機(jī)冷卻裝置設(shè)計(jì)，其同時(shí)包括了ATF冷卻和一個(gè)使用冷卻套傳統(tǒng)冷卻裝置[53]。

美國(guó)通用電氣全球研發(fā)中心提出了一種關(guān)于高功率密度電機(jī)的轉(zhuǎn)子水冷卻方案。該方案能夠在平衡旋轉(zhuǎn)摩擦損失、流體泄漏和系統(tǒng)壓降的同時(shí)，為電機(jī)提供良好的散熱效果。其結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)子每個(gè)繞組槽和磁極體中分別開(kāi)辟了徑向偏置的軸冷卻劑通道，如圖9所示。電機(jī)工作時(shí)，冷卻液由特制旋轉(zhuǎn)液體傳送裝置流入中空的芯軸，由徑向通道流入轉(zhuǎn)子各軸通道，穿過(guò)繞組槽（磁場(chǎng)繞組熱在此處產(chǎn)生）和磁極體（高頻渦流發(fā)熱和風(fēng)阻損耗可以在此處從磁極面上帶走）。這種布置方案將冷卻劑通道放置在最靠近各種分立發(fā)熱源的部位，從而比起常規(guī)的冷卻劑只流過(guò)線圈槽的單一冷卻通道結(jié)構(gòu)，大大降低了熱傳導(dǎo)溫度梯度[54]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種關(guān)于高功率密度電機(jī)在定子齒根與軸的接口處安裝熱管的導(dǎo)管冷卻方案。由于熱管的管壁很薄，可以有效降低熱通道的熱阻，以迅速帶走電機(jī)內(nèi)熱量，達(dá)到良好的散熱效果[55]。

黃元峰[56]針對(duì)大功率密度低體積電機(jī)，提出了一種采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)。電機(jī)定子采用半封閉槽，徑向槽與軸向槽用于導(dǎo)入導(dǎo)出冷卻劑。電機(jī)內(nèi)部的排氣管與排氣壓力可調(diào)的閥板連接，一旦電機(jī)內(nèi)部的冷卻劑達(dá)到沸點(diǎn)（60℃），壓力推動(dòng)閥門打開(kāi)，（絕緣）冷卻劑噴到減速器上帶走熱量。

2.6 高溫超導(dǎo)技術(shù)

高溫超導(dǎo)也是目前航空電推進(jìn)電機(jī)的技術(shù)路線之一。超導(dǎo)電機(jī)大量使用高溫超導(dǎo)（HTS）材料，直流損耗可以忽略[57-58]。此外，超導(dǎo)電機(jī)最突出的特點(diǎn)在于磁負(fù)荷。普通電機(jī)的氣隙磁密一般在0.4～1T之間[59-61]，而超導(dǎo)電機(jī)的氣隙磁密可達(dá)17.6T[62-64]，其功率密度的提升潛力巨大。近年來(lái)，超導(dǎo)電機(jī)逐漸成為熱門研究趨勢(shì)。

2005年，NASA格倫研究中心提出了一種超導(dǎo)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖10所示[65]。其轉(zhuǎn)子和定子導(dǎo)線都用超導(dǎo)材料制成。根據(jù)超導(dǎo)線圈和集成式制冷機(jī)在不同溫度和磁場(chǎng)方向下的臨界電流測(cè)量結(jié)果，NASA提出了一種確定超導(dǎo)線圈和集成式制冷機(jī)熱需求的方法；同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種具有正應(yīng)力裕度的安全殼結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)磁最優(yōu)。為了達(dá)到超導(dǎo)現(xiàn)象所需的溫度，該研究項(xiàng)目初期計(jì)劃使用液氮冷卻的BSSCO材料，缺點(diǎn)是作為超導(dǎo)體的承載電流有限。故后期計(jì)劃待新超導(dǎo)材料單域釔鋇銅氧（YBCO）成熟后可用其替代。此外，針對(duì)以液氫為燃料的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還提出了硼化鎂材料線圈、使用液氫冷卻的超導(dǎo)電機(jī)方案。

同年，NASA的Masson等[66]為其全電飛機(jī)項(xiàng)目研制了一款高性能超導(dǎo)電機(jī)。該型號(hào)采用了YBCO材料和全新構(gòu)型。電機(jī)的定子磁極由薄餅狀的環(huán)形線圈和大塊超導(dǎo)板按順序疊加構(gòu)成，且可以自由地選擇線圈數(shù)量。以三個(gè)線圈的情況為例，組合排列順序?yàn)楸★灎瞽h(huán)形線圈-超導(dǎo)板-薄餅狀環(huán)形線圈-超導(dǎo)板-薄餅狀環(huán)形線圈，如圖11所示。

當(dāng)電機(jī)有多個(gè)線圈時(shí)，則所有線圈同軸放置，相鄰線圈通入電流方向相反，從而在大塊超導(dǎo)板上產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)均勻分布在繞軸的線圈之間，大塊超導(dǎo)板的數(shù)量決定了磁極對(duì)數(shù)。

超導(dǎo)板通過(guò)磁通捕獲來(lái)改變電感線圈磁場(chǎng)角，其材料YBCO冷卻后能捕獲非常高的磁通量密度（在30K下，用樹(shù)脂浸漬的直徑為24mm的YBCO顆粒中截留磁密超過(guò)15T）。超導(dǎo)材料運(yùn)用兩步冷卻法進(jìn)行冷卻：首先在工作溫度下冷卻線圈，使得電流上升；再將YBCO板在線圈徑向場(chǎng)的作用下冷卻到工作溫度。

系統(tǒng)的狀態(tài)如圖12所示：粗箭頭表示捕獲場(chǎng)，細(xì)箭頭表示場(chǎng)線圈提供的場(chǎng)。當(dāng)超導(dǎo)板未達(dá)到飽和時(shí)，其磁通量只會(huì)隨著電流深入而略有變化，磁密分布接近圖12里箭頭的分布。產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈現(xiàn)出8個(gè)極，4個(gè)由捕獲場(chǎng)的磁通量產(chǎn)生，4個(gè)由磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生。

有限元分析的結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，電機(jī)功率密度達(dá)到了5.86kW/kg。電機(jī)外觀如圖13所示。

3 結(jié)論與展望

提高功率密度是電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的主流研究方向。通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒂来朋w排布、極槽配合、繞組拓?fù)洹⑸崂鋮s等關(guān)鍵技術(shù)，以及高溫超導(dǎo)技術(shù)的使用，可以有效提高電動(dòng)飛機(jī)電推進(jìn)電機(jī)的功率密度。在結(jié)構(gòu)拓?fù)浞矫妫S向磁通電機(jī)展現(xiàn)出了更高功率密度的優(yōu)勢(shì)；在永磁體排布方面， Halbach陣列的排布方式得到了廣泛應(yīng)用；在極槽配合方面，分?jǐn)?shù)槽集中式繞組更有利于提高功率密度；在散熱冷卻技術(shù)方面，風(fēng)冷、油冷、水冷和導(dǎo)管冷卻幾種方法均有應(yīng)用，其中風(fēng)冷因不需要附加冷卻系統(tǒng)，而被廣泛關(guān)注。除此之外，高溫超導(dǎo)材料也因零電阻低損耗的特性，被逐漸應(yīng)用到大功率電推進(jìn)電機(jī)的研究中。

隨著電推進(jìn)技術(shù)的成熟，未來(lái)大型電動(dòng)飛機(jī)對(duì)電推進(jìn)電機(jī)的需求越來(lái)越迫切。兆瓦級(jí)電推進(jìn)電機(jī)是下一階段的主流發(fā)展方向，關(guān)鍵技術(shù)將聚焦于以下幾個(gè)方面：（1）優(yōu)化電機(jī)（尤其是軸向磁通電機(jī)）的散熱和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，使其適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速；（2）改進(jìn)定轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)，在不破壞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下利用輔助槽減重；（3）改進(jìn)永磁體陣列，使用遠(yuǎn)少于Halbach陣列的永磁體用量實(shí)現(xiàn)相近的性能；（4）采用軟磁材料IJ22和取向電工鋼（GOES）等新型鐵芯材料[67]；（5）改進(jìn)繞線工藝，以提高槽滿率、減小端部繞組長(zhǎng)度，如一體成形的繞組線圈；（6）針對(duì)HTS電機(jī)研發(fā)全新的工藝和結(jié)構(gòu)拓?fù)洌@著提升功率密度，同時(shí)降低成本。

參考文獻(xiàn)

[1]Bolam R C， Vagapov Y， Anuchin A. Review of electrically pow‐ered propulsion for aircraft [C]. 2018 53rd International Univer‐sities Power Engineering Conference （UPEC）， 2018： 1-6 .

[2]Sch？fer A W， Barrett S R， Doyme K， et al. Technological， economic and environmental prospects of all-electric aircraft[J]. Nature Energy， 2019， 4（2）： 160-166.

[3]Wheeler P. Technology for the more and all electric aircraft of the future[C]. 2016 IEEE International Conference on Automatica， 2016： 1-5.

[4]李開(kāi)省. 碳中和目標(biāo)下航空能源轉(zhuǎn)型研究 [J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2021， 32（9）： 1-11. Li Kaisheng. Research on the transformation of aviation energy under the goal of carbon neutrality [J]. Aeronautical Science Technology， 2021， 32（9）： 1-11. （in Chinese）

[5]王森. 無(wú)人機(jī)主推進(jìn)高力能密度永磁電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)： 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)， 2014. Wang Sen. The key technology research on main propulsion high energy density permanent magnet motor of unmanned aerial vehicle [D]. Shenyang： Shenyang University of Technology， 2014. （in Chinese）

[6]Bolam R C， Vagapov Y， Anuchin A. A review of electrical motor topologies for aircraft propulsion[C]. 2020 55th International Universities Power Engineering Conference ， 2020： 1-6.

[7]Kovalev K， Nekrasova J， Ivanov N， et al. Design of allsuperconducting electrical motor for full electric aircraft[C]. 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems， 2019： 1-5.

[8]Steffen D. Aerorevue Antares 20E ： Ein Elektro-Segelflugzeug im Steigflug [EB/OL]. （2011-07-19）. https：//www. langeaviation.com/aerorevue-antares-20e/.

[9]Diamond Aircraft Industries. Diamond aircraft proudly presents the world’s first serial hybrid electric aircraft “DA36 E-Star”[EB/OL].（2011-06-23）.https：//www.diamondaircraft.com/en/aboutdiamond/newsroom/news/article/diamond-aircraft-proudly-pres‐ents-the-worlds-first-serial-hybrid-electric-aircraft-da36-e-star/.

[10]Lape？a-Rey N， Mosquera J， Bataller E， et al. First fuel-cell manned aircraft [J]. Journal of aircraft， 2010， 47（6）： 1825-1835.

[11]University of Stuttgart. E-Genius [EB/OL]. （2022-09-11）. https：// www.ifb.uni-stuttgart.de/en/research/manned aircraft/e-genius/.

[12]Airbus. Hybrid and electric flight - Low-carbon aviation [EB/ OL]. （2021-07-01）. https：//www.airbus.com/en/innovation/lowcarbon-aviation/hybrid-and-electric-flight.

[13]Airbus. E-Fan X： Electric flight [EB/OL]. （2021-07-01）. https：// www. airbus. com/en/innovation/low-carbon-aviation/hybrid-andelectric-flight/e-fan-x.

[14]Tacke W， Boric M. World directory of light aviation 2015-2016[EB/OL]. （2023-12-12）. http：//viewer. zmags. com/services/ ht‐mlviewer/content/13488368？pubVersion=37locale=en_usview‐erID=66219aac#/13488368/254.

[15]Fornaro E， Cardone M， Dannier A. A comparative assessment of hybrid parallel， series， and full-electric propulsion systems for aircraft application [J]. IEEE Access， 2022， 10： 28808-28820.

[16]Siadkowska K， Czajka B， ？cis？owski K， et al. Analysis of propulsion units dedicated to test stands for aviation systems[J]. Combustion Engines， 2021， 185（2）： 39-43.

[17]Huang Surong， Luo Jiang， Leonardi F， et al. A general approach to sizing and power density equations for comparison of electrical machines [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998， 34（1）： 92-97.

[18]Alvarez P， Satrústegui M， Elósegui I， et al. Review of high power and high voltage electric motors for single-aisle regional aircraft [J]. IEEE Access， 2022， 10： 112989-113004.

[19]Mitsuda H， Miyama Y， Ito K， et al. Design of electric machine for electric aircraft： A case study of rotor-stator configurations and magnet arrangements[C]. 2020 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium （EATS）， 2020： 1-12.

[20]El-Refaie A， Osama M. High specific power electrical machines： A system perspective [J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems， 2019， 3（1）： 88-93.

[21]Adib A， Afridi K K， Amirabadi M， et al. E-mobility—Advancements and challenges [J]. IEEE Access， 2019， 7： 165226-165240.

[22]Bojoi R， Cavagnino A， Miotto A， et al. Radial flux and axial flux PM machines analysis for more electric engine aircraft applications[C]. 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition， 2010： 1672-1679.

[23]Benzaquen J， He J， Mirafzal B. Toward more electric powertrains in aircraft： Technical challenges and advancements[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems， 2021， 5（3）： 177-193.

[24]Connolly J W， Chapman J W， Stalcup E J， et al. Modeling and control design for a turboelectric single aisle aircraft propulsion system[C]. 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium （EATS）， 2018： 1-19.

[25]Sitapati K， Krishnan R. Performance comparisons of radial and axial field， permanent-magnet， brushless machines [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2001， 37（5）： 1219-1226.

[26]Capponi F G， de Donato G， Caricchi F. Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2012， 48（6）： 2190-2205.

[27]Cavagnino A， Lazzari M， Profumo F， et al. A comparison between the axial flux and the radial flux structures for PM synchronous motors [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2002， 38（6）： 1517-1524.

[28]Gieras J F， Wang R J， Kamper M J. Axial flux permanent magnet brushless machines [M]. Dordrecht， Netherlands： Springer Science Business Media， 2008.

[29]Zhou Chenxi， Huang Xiaoyan， Fang Youtong， et al. Comparison of PMSMs with different rotor structures for EV application[C]. 2018 International Conference on Electrical Machines （ICEM）， 2018： 609-614.

[30]Mekhiche M， Kirtley J L， Tolikas M， et al. High speed motor drive development for industrial applications[C]. IEEE International Electric Machines and Drives Conference， 1999： 244-248.

[31]Munteanu G， Binder A， Schneider T， et al. No-load tests of a 40kW high-speed bearingless permanent magnet synchronous motor[C]. SPEEDAM 2010， 2010： 1460-1465.

[32]Ofori-Tenkorrang J， Lang J. A comparative analysis of torque production in Halbach and conventional surface-mounted permanent-magnet synchronous motors[C]. the 1995 IEEE Industry Applications Conference Thirtieth IAS Annual Meeting， 1995： 657-663.

[33]Lindh P， Petrov I， Pyrh？nen J， et al. Comparison of Halbach rotors with other PM structures [C]. 2019 IEEE International Electric Machines Drives Conference （IEMDC）， 2019： 721-726.

[34]Mecrow B C， Jack A G， Atkinson D J， et al. Design and testing of a four-phase fault-tolerant permanent-magnet machine for an engine fuel pump [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2004， 19（4）： 671-678.

[35]Atkinson G J， Mecrow B C， Jack A G， et al. The analysis of losses in high-power fault-tolerant machines for aerospace applications [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2006， 42（5）： 1162-1170.

[36]Wolnik T， Opach S， Cyganik ？， et al. Design methods for limiting rotor losses in a fractional slot PMSM motor with high power density [J]. Archives of Electrical Engineering， 2022， 71（4）： 963-979.

[37]Liwschitz M. Electric machinery[Z]. D. Van Nostrand Company，1950.

[38]Bianchi N， Pre M D， Grezzani G， et al. Design considerations on fractional-slot fault-tolerant synchronous motors[C]. IEEE International Conference on Electric Machines and Drives， 2005： 902-909.

[39]Golovanov D， Gerada D， Xu Zeyuan， et al. Designing an advanced electrical motor for propulsion of electric aircraft[C]. 2019 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium（EATS）， 2019： 1-12.

[40]Lee J J， Kim W H， Yu J S， et al. Comparison between concentrated and distributed winding in IPMSM for traction application[C]. 2010 International Conference on Electrical Machines and Systems， 2010： 1172-1174.

[41]Zhang Peng， Ionel D M， Demerdash N A. Saliency ratio and power factor of IPM motors with distributed windings optimally designed for high efficiency and low-cost applications [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2016， 52（6）： 4730-4739.

[42]Ahsa1ah K， Dutta R， Rahman M. Analysis of low-speed IPMMs with distributed and fractional slot concentrated windings for wind energy applications [J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2017， 53（11）： 1-10.

[43]Popescu M， Goss J， Staton D A， et al. Electrical vehicles—Practical solutions for power traction motor systems [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2018， 54（3）： 2751-2762.

[44]Berardi G， Nategh S， Bianchi N， et al. A comparison between random and hairpin winding in e-mobility applications[C]. IECON 2020 the 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， 2020： 815-820.

[45]Ishigami T， Tanaka Y， Homma H. Motor stator with thick rectangular wire lap winding for HEVs [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2015， 51（4）： 2917-2923.

[46]Berardi G， Bianchi N. Design guideline of an AC hairpin wind‐ing[C].2018 International Conference on Electrical Machines（ICEM）， 2018： 2444-2450.

[47]H？m？l？inen H， Pyrh？nen J， Nerg J. AC resistance factor in onelayer form-wound winding used in rotating electrical machines[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2013， 49（6）： 2967-2973.

[48]Bianchi N， Berardi G. Analytical approach to design hairpin windings in high performance electric vehicle motors[C].2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， 2018： 4398-4405.

[49]Morisco D P， Rapp H， Iepure I L， et al. Extended modelling approach of hairpin winding eddy current losses in high power density traction machines[C].2020 International Conference on Electrical Machines （ICEM）， 2020： 874-880.

[50]Noerenberg C， Redlich J， Ponick B. Novel method for considering AC copper losses in traction motors[C]. 2020 International Conference on Electrical Machines （ICEM）， 2020： 947-953.

[51]Otomo Y， Igarashi H， Sano H， et al. Analysis of litz wire losses using homogenization-based FEM [J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2021， 57（8）： 1-9.

[52]Kellermann H， Lüdemann M， Pohl M， et al. Design and optimization of ram air-based thermal management systems for hybrid-electric aircraft [J]. Aerospace， 2020， 8（1）： 3.

[53]Bennion K， Moreno G. Convective heat transfer coefficients of automatic transmission fluid jets with implications for electric machine thermal management[C]. International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition， 2015.

[54]Jarczynski E D. Liquid cooling the rotor of an electrical machine [Z]. PatentsGoogle. 1993

[55]王洋， 索雙富， 李錦林， 等. 基于冷熱中和方式的高功率密度電機(jī)短時(shí)過(guò)載散熱方案設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與技術(shù)， 2021， 10（5）： 547-554. Wang Yang， Suo Shuangfu， Li Jinlin， et al. Design of heat dissipation for temporary overload of high power density motor based on neutralization of high and low temperature [J]. Mechanical Engineering and Technology， 2021， 10： 547-554.（in Chinese）

[56]Huang Yuanfeng， Wang Haifeng， Gu Guobiao. Design of highpower density and low-volume motor based on evaporationcooling technology[C]. 2012 15th International Conference on Electrical Machines and Systems （ICEMS）， 2012： 1-4.

[57]Masson P J， Breschi M， Tixador P， et al. Design of HTS axial flux motor for aircraft propulsion [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2007， 17（2）： 1533-1536.

[58]Pienkos J E， Masson P J， Pamidi S V， et al. Conduction cooling of a compact HTS motor for aeropropulsion [J]. IEEE Transac‐tions on Applied Superconductivity， 2005， 15（2）： 2150-2153.

[59]Stumberger G， Aydemir M T， Zarko D， et al. Design of a linear bulk superconductor magnet synchronous motor for electro‐magnetic aircraft launch systems [J]. IEEE Transactions on Ap‐plied Superconductivity， 2004， 14（1）： 54-62.

[60]Dezhin D， Ivanov N， Kovalev K， et al. System approach of usabil‐ity of HTS electrical machines in future electric aircraft [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2017， 28（4）： 1-5.

[61]Corduan M， Boll M， Bause R， et al. Topology comparison of superconducting AC machines for hybrid electric aircraft [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2020， 30（2）： 1-10.

[62]Gruss S， Fuchs G， Krabbes G， et al. Superconducting bulk magnets： Very high trapped fields and cracking [J]. Applied Physics Letters， 2001， 79（19）： 3131-3133.

[63]Durrell J H， Dennis A R， Jaroszynski J， et al. A trapped field of 17.6 T in melt-processed， bulk Gd-Ba-Cu-O reinforced with shrink-fit steel [J]. Superconductor Science and Technology， 2014， 27（8）： 082001.

[64]Oka T， Hirayama E， Kanai T， et al. Strong magnetic field gener‐ator containing HTS bulk magnets and compact refrigerators[J]. IEEE transactions on Applied Superconductivity， 2013， 24（3）： 1-4.

[65]Brown G V， Kascak A F， Ebihara B， et al. NASA Glenn Research Center Program in high power density motors for aeropropulsion [R]. NASA/TM-2005-213800， 2005.

[66]Masson P J， Luongo C A. High power density superconducting motor for all-electric aircraft propulsion [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2005， 15（2）： 2226-2229.

[67]Fang Shuhua， Liu Huan， Wang Haitao， et al. High power densi‐ty PMSM with lightweight structure and high-performance soft magnetic alloy core [J]. IEEE Transactions on Applied Super‐conductivity， 2019， 29（2）： 1-5.

Overview of the Development and Key Technologies of Electric Aircraft Propulsion Motors

Zhang Dian， Liang Peixin

Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： The electric propulsion motor is the key to the development of electric aircraft. A lot of research has been carried out at home and abroad， but the research results are relatively scattered， and there is a lack of summary of the development of the propulsion motor. This paper reviews the research results of the electric propulsion motor of the electric aircraft， and summarizes the key technologies of the electric propulsion motor from the aspects of structural topology， permanent magnet arrangement， winding topology， pole slot matching， and heat dissipation， and looks forward to the development trend of the electric propulsion motor of the electric aircraft in the next few decades. This research provides technical reference for the future development of electric propulsion motors.

Key Words： electric aircraft； electric propulsion motor； power density； heat dissipation