我国航空发动机产业的发展现状及趋势
周鹏飞
【摘 要】航空的发电机是飞机电源系统最重要的部件，经历了直流发电机、有刷同步发电机、三级式无刷同步发电机的发展过程。本文在分析了各种发电机性能和特点的基础上，分析了新型民用和军用航空发电机发展方向。最后结合国内外航空发电机的发展现状，提出一些自己的看法。
【关键词】飞机电源系统；航空发电机；多电飞机
0 前言
航空发电机的发展和飞机电源系统的发展息息相关，飞机的电源系统经历了低压直流、交流、高压直流的发展过程，其相应的航空发电机也经历了直流发电机、有刷同步发电机，三级式无刷同步发电机。[1]
1 各航空发电机简介
1.1 直流发电机
28V直流低压电源是飞机上最早应用的电源，现代飞机仍然在使用。直流电源的主电源是由飞机发动机直接传动的直流电机及其调节保护设备组成的。国产的航空直流发电机有1.5kW、3kW、6kW、9kW、12kW、18kW等数种功率，额定电压28V，额定电流为50A、100A、300A、400A、600A。其中6kW和12kW还有起动/发电机型式，在发动机未工作时可作电动机运行起动发动机，发动机正常工作后转换为发电机向飞机电网供电。
1.2 有刷同步发电机
1946年，液压恒速传动装置（简称CSD）问世，它将航空发动机的转速稳定在一个很小的范围内，输出恒定的转速，从而使得发电机的工作频率恒定，飞机的主电源是恒频的交流电。此时，液压恒速传动装置、有刷同步发电机和机电式控制保护器构成第一代恒速恒频交流（CSCF）电源。
1.3 三级式无刷同步发电机
20世纪50年代后，有刷同步电机逐渐发展为具有旋转整流器的三级式无刷同步电机。由于采用了无刷交流电机，电源的性能、可靠性和维修性均得到了大幅度的提高。在此基础上，飞机的电源系统开始飞速的发展。20世纪70年代初组合传动发电机诞生了（简称IDG）。IDG将恒速传动装置与三级式无刷交流电机组合在一起，仅以简化了结构，提高了电源的功率密度。20世纪60年代，固态功率电子管的产生使得飞机的电源向变速变频方向发展。首先产生了变速恒频（VSCF）电源，三级式无刷同步电机是主发电机，直接与发动机的齿轮箱相连，产生频率变化的交流电，再通过交-交变换器或者交-直-交变换器产生恒定400Hz的交流电。到了近现代，飞机的主电源已经没有加大功率的变换器，只剩下与发动机齿轮箱直接相连的三级式无刷同步电机，产生的变速变频（VSVF）交流电直接连到飞机电网，频率范围为380-800Hz。[2]
2 各航空发电机的性能和特点
2.1 直流发电机的性能和特点
航空直流发电机的转速随着发动机的变化而变化，飞机直流发电机和电压调节器配合工作，通过检测调压点处的电压，改变发电机的励磁电流，使得发电机的的输出电压不会因为转速的变化而变化，使得发电机的输出电压为恒定的28V。直流电机的电压调节方式十分简单，快捷，能够很好的满足供电的需求。飞机的直流发电机通常和蓄电池并联供电，发电机电压高，蓄电池处于充电状态，仅当突加负载和负载很大的情况下，蓄电池才向外供电，这种工作方式可以保证飞机的不间断供电。而直流发电机的启动技术成熟，在起动过程中，直流电机能够提供很大的起动转矩，带动发动机起动，起动完成后直流电机进入发电模式，十分方便。直流电机是有刷结构，受换向条件限制，电机的额定功率有限，最大功率为18KW，最大使用高度不能超过18000m，并且电刷和换向器工作时易磨损，故障率高，维护不方便。直流电源由于电压很低，增加了电网的重量。因此，飞机电源向交流方向发展。
2.2 有刷同步电机的性能和特点
随着液压恒速传动装置的发展，交流电机成为飞机电源系统的主电源进入交流阶段，液压恒速传动装置、有刷同步发电机和机电式控制保护器构成第一代恒速恒频交流电源，电源电压为115/200V，频率为400Hz。交流电源的使用，提高了电源系统的功率，减轻了电网的重量。但是有刷同步电机仍然存在电刷，限制了电机的功率和转速，容易发生故障，很快被淘汰。
2.3 三级式无刷同步发电机的性能和特点
20世纪50年代，无刷同步电机在飞机上得到了广泛的应用。从恒速恒频电源，变速恒频电源到现在B787多电飞机上使用的变速变频电源都采用了这种电机结构。这种电机结构由一开始的两级式无刷同步电机发展而来，这种结构为了实现电机的自励，在励磁机的磁极间装有永磁体，让励磁机有足夠的剩磁电动势，有利于自激。但是，这种结构复杂，体积质量大，逐渐由三级式无刷同步电机取代。如图1所示，三级式无刷同步电机机构从左到右分别是永磁副励磁机，交流励磁机和主发电机，其中在交流励磁机和主发电机之间有旋转整流器相连。图1中横虚线的上半部分是电机的旋转部分，下半部分是固定部分。工作时，永磁副励磁机转子永磁体产生励磁，使得定子侧产生供交流励磁机励磁的电流Ief，交流励磁机发出的交流电经过旋转整流器整流作为主发电机的励磁IF，主发电机在发动机的带动下，产生三相交流电。
这种结构，不需要电刷和换向器，电机的性能大幅提高，提高了电机无故障间隔时间和功率密度，并且，由于主发电机的励磁是电励磁，控制十分方便，可以实现突然短路情况下的故障灭磁。
3 航空发电机的发展方向
3.1 多电飞机的主发电机
随着航空业的发展，多电飞机凭借其巨大的优势成为发展的主流。多电飞机的电源容量大，对飞机电源的可靠性要求高，不中断供电需求大，需要冗余供电。因此多电飞机对飞机的电源系统，尤其主发电机有着特别高的要求。多电飞机的电源系统主要采用高压直流的方式，电源电压为270V直流，这样可以大大减轻电网重量，也使得用电更加安全。除了三级式无刷同步电机，开关磁阻电机、永磁电机、电励磁双凸极电机成为了多电飞机主电源的研究和发展的方向。[3]
3.2 开关磁阻电机
如图2，开关磁阻电机转子仅由钢片叠压而成，转子上没有绕组，也没有电刷和滑环，十分适合于在高转速的恶劣条件下工作，并且由于这种简单的凸极结构，开关磁阻电机自带冗余功能。不仅如此，开关磁阻电机与晶体管组合，即可以电动也可以发电，作为多电飞机的起动/发电系统十分合适。如今，美国F-35战斗机是一个多电飞机采用270V高压直流电源系统，主发电机为开关磁阻起动/发电机，电机内有两套独立的三相绕组，分别于两个三相功率变换器相连，构成冗余电源。但是开关磁阻电机转矩脉动较大，功率密度相对较低，而且在发电和电动过程中都依赖位置传感器来监测转子位置，降低了可靠性。
3.3 永磁电机
大多数永磁电机的永磁体在电机的转子上，实际上为无刷电机，结构简单。由于的其高磁能积，永磁电机有功率密度高、效率高、性能稳定，过载能力强和转动惯量小等优点。目前在飞机上主要用于三级式无双同步电机的副励磁机，飞控专用发电机和发动机控制专用发电机。但是，永磁电机要作为飞机的主电源还需解决以下问题：高速高温下恶劣环境下的不可逆退磁风险；发生故障时的灭磁手段；电压调节的方法。
3.4 电励磁双凸极电机
电励磁双凸极电机在开关磁阻电机的结构上在定子侧加入了励磁绕组，只要在其输出端加上整流和滤波电路就可以方便的发出直流电。相比较三级式电机，这种结构相对简单，适合发动机内装发電，符合多电飞机的发展要求；相比较开关磁阻电机，转矩脉动减小，发电不需要位置传感器，不需要可控的功率变换器，提高了可靠性。双凸极电机存在较大的定位力矩，限制了电机的最低工作转速，也加大了电枢的电流脉动，这是本结构最主要的缺点。
4 结论
航空发电机发展与飞机电源的发展密不可分，目前，无论在交流电源系统和高压直流电源系统中，三级式无刷同步电机仍然是主流。但是，随着航空业多电飞机的发展，开关磁阻电机，永磁电机和电励磁双凸极电机表现出竞争力，并且有趋势取代三级式无刷交流电机。
【参考文献】
[1]程国华.大型民用飞机电源系统的现状与发展[J].民用飞机设计与研究，2008 （4）.
[2]秦海红，严仰光.多电飞机的电气系统[M].北京航空航天大学出版社，2015.12：1-585.
[3]齐荣，林辉，周素莹.多电飞机电气系统关键技术研究[J].航空计算技术， 2004，34（1）：97-101.
[责任编辑：朱丽娜]
