周鵬飛

【摘 要】航空的發(fā)電機(jī)是飛機(jī)電源系統(tǒng)最重要的部件，經(jīng)歷了直流發(fā)電機(jī)、有刷同步發(fā)電機(jī)、三級式無刷同步發(fā)電機(jī)的發(fā)展過程。本文在分析了各種發(fā)電機(jī)性能和特點的基礎(chǔ)上，分析了新型民用和軍用航空發(fā)電機(jī)發(fā)展方向。最后結(jié)合國內(nèi)外航空發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一些自己的看法。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)電源系統(tǒng)；航空發(fā)電機(jī)；多電飛機(jī)

0 前言

航空發(fā)電機(jī)的發(fā)展和飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展息息相關(guān)，飛機(jī)的電源系統(tǒng)經(jīng)歷了低壓直流、交流、高壓直流的發(fā)展過程，其相應(yīng)的航空發(fā)電機(jī)也經(jīng)歷了直流發(fā)電機(jī)、有刷同步發(fā)電機(jī)，三級式無刷同步發(fā)電機(jī)。[1]

1 各航空發(fā)電機(jī)簡介

1.1 直流發(fā)電機(jī)

28V直流低壓電源是飛機(jī)上最早應(yīng)用的電源，現(xiàn)代飛機(jī)仍然在使用。直流電源的主電源是由飛機(jī)發(fā)動機(jī)直接傳動的直流電機(jī)及其調(diào)節(jié)保護(hù)設(shè)備組成的。國產(chǎn)的航空直流發(fā)電機(jī)有1.5kW、3kW、6kW、9kW、12kW、18kW等數(shù)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(fā)電機(jī)型式，在發(fā)動機(jī)未工作時可作電動機(jī)運(yùn)行起動發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)正常工作后轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)向飛機(jī)電網(wǎng)供電。

1.2 有刷同步發(fā)電機(jī)

1946年，液壓恒速傳動裝置（簡稱CSD）問世，它將航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個很小的范圍內(nèi)，輸出恒定的轉(zhuǎn)速，從而使得發(fā)電機(jī)的工作頻率恒定，飛機(jī)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(fā)電機(jī)和機(jī)電式控制保護(hù)器構(gòu)成第一代恒速恒頻交流（CSCF）電源。

1.3 三級式無刷同步發(fā)電機(jī)

20世紀(jì)50年代后，有刷同步電機(jī)逐漸發(fā)展為具有旋轉(zhuǎn)整流器的三級式無刷同步電機(jī)。由于采用了無刷交流電機(jī)，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(chǔ)上，飛機(jī)的電源系統(tǒng)開始飛速的發(fā)展。20世紀(jì)70年代初組合傳動發(fā)電機(jī)誕生了（簡稱IDG）。IDG將恒速傳動裝置與三級式無刷交流電機(jī)組合在一起，僅以簡化了結(jié)構(gòu)，提高了電源的功率密度。20世紀(jì)60年代，固態(tài)功率電子管的產(chǎn)生使得飛機(jī)的電源向變速變頻方向發(fā)展。首先產(chǎn)生了變速恒頻（VSCF）電源，三級式無刷同步電機(jī)是主發(fā)電機(jī)，直接與發(fā)動機(jī)的齒輪箱相連，產(chǎn)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(chǎn)生恒定400Hz的交流電。到了近現(xiàn)代，飛機(jī)的主電源已經(jīng)沒有加大功率的變換器，只剩下與發(fā)動機(jī)齒輪箱直接相連的三級式無刷同步電機(jī)，產(chǎn)生的變速變頻（VSVF）交流電直接連到飛機(jī)電網(wǎng)，頻率范圍為380-800Hz。[2]

2 各航空發(fā)電機(jī)的性能和特點

2.1 直流發(fā)電機(jī)的性能和特點

航空直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動機(jī)的變化而變化，飛機(jī)直流發(fā)電機(jī)和電壓調(diào)節(jié)器配合工作，通過檢測調(diào)壓點處的電壓，改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使得發(fā)電機(jī)的的輸出電壓不會因為轉(zhuǎn)速的變化而變化，使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓為恒定的28V。直流電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)方式十分簡單，快捷，能夠很好的滿足供電的需求。飛機(jī)的直流發(fā)電機(jī)通常和蓄電池并聯(lián)供電，發(fā)電機(jī)電壓高，蓄電池處于充電狀態(tài)，僅當(dāng)突加負(fù)載和負(fù)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(jī)的不間斷供電。而直流發(fā)電機(jī)的啟動技術(shù)成熟，在起動過程中，直流電機(jī)能夠提供很大的起動轉(zhuǎn)矩，帶動發(fā)動機(jī)起動，起動完成后直流電機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式，十分方便。直流電機(jī)是有刷結(jié)構(gòu)，受換向條件限制，電機(jī)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(hù)不方便。直流電源由于電壓很低，增加了電網(wǎng)的重量。因此，飛機(jī)電源向交流方向發(fā)展。

2.2 有刷同步電機(jī)的性能和特點

隨著液壓恒速傳動裝置的發(fā)展，交流電機(jī)成為飛機(jī)電源系統(tǒng)的主電源進(jìn)入交流階段，液壓恒速傳動裝置、有刷同步發(fā)電機(jī)和機(jī)電式控制保護(hù)器構(gòu)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(tǒng)的功率，減輕了電網(wǎng)的重量。但是有刷同步電機(jī)仍然存在電刷，限制了電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，容易發(fā)生故障，很快被淘汰。

2.3 三級式無刷同步發(fā)電機(jī)的性能和特點

20世紀(jì)50年代，無刷同步電機(jī)在飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。從恒速恒頻電源，變速恒頻電源到現(xiàn)在B787多電飛機(jī)上使用的變速變頻電源都采用了這種電機(jī)結(jié)構(gòu)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)由一開始的兩級式無刷同步電機(jī)發(fā)展而來，這種結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)電機(jī)的自勵，在勵磁機(jī)的磁極間裝有永磁體，讓勵磁機(jī)有足夠的剩磁電動勢，有利于自激。但是，這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積質(zhì)量大，逐漸由三級式無刷同步電機(jī)取代。如圖1所示，三級式無刷同步電機(jī)機(jī)構(gòu)從左到右分別是永磁副勵磁機(jī)，交流勵磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)，其中在交流勵磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)之間有旋轉(zhuǎn)整流器相連。圖1中橫虛線的上半部分是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，下半部分是固定部分。工作時，永磁副勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生勵磁，使得定子側(cè)產(chǎn)生供交流勵磁機(jī)勵磁的電流Ief，交流勵磁機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流作為主發(fā)電機(jī)的勵磁IF，主發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)的帶動下，產(chǎn)生三相交流電。

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

3 航空發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向

3.1 多電飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)

隨著航空業(yè)的發(fā)展，多電飛機(jī)憑借其巨大的優(yōu)勢成為發(fā)展的主流。多電飛機(jī)的電源容量大，對飛機(jī)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(jī)對飛機(jī)的電源系統(tǒng)，尤其主發(fā)電機(jī)有著特別高的要求。多電飛機(jī)的電源系統(tǒng)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(wǎng)重量，也使得用電更加安全。除了三級式無刷同步電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁電機(jī)、電勵磁雙凸極電機(jī)成為了多電飛機(jī)主電源的研究和發(fā)展的方向。[3]

3.2 開關(guān)磁阻電機(jī)

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

3.3 永磁電機(jī)

大多數(shù)永磁電機(jī)的永磁體在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，實際上為無刷電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單。由于的其高磁能積，永磁電機(jī)有功率密度高、效率高、性能穩(wěn)定，過載能力強(qiáng)和轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點。目前在飛機(jī)上主要用于三級式無雙同步電機(jī)的副勵磁機(jī)，飛控專用發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)控制專用發(fā)電機(jī)。但是，永磁電機(jī)要作為飛機(jī)的主電源還需解決以下問題：高速高溫下惡劣環(huán)境下的不可逆退磁風(fēng)險；發(fā)生故障時的滅磁手段；電壓調(diào)節(jié)的方法。

3.4 電勵磁雙凸極電機(jī)

電勵磁雙凸極電機(jī)在開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)上在定子側(cè)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(fā)出直流電。相比較三級式電機(jī)，這種結(jié)構(gòu)相對簡單，適合發(fā)動機(jī)內(nèi)裝發(fā)電，符合多電飛機(jī)的發(fā)展要求；相比較開關(guān)磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動減小，發(fā)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(jī)存在較大的定位力矩，限制了電機(jī)的最低工作轉(zhuǎn)速，也加大了電樞的電流脈動，這是本結(jié)構(gòu)最主要的缺點。

4 結(jié)論

航空發(fā)電機(jī)發(fā)展與飛機(jī)電源的發(fā)展密不可分，目前，無論在交流電源系統(tǒng)和高壓直流電源系統(tǒng)中，三級式無刷同步電機(jī)仍然是主流。但是，隨著航空業(yè)多電飛機(jī)的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)，永磁電機(jī)和電勵磁雙凸極電機(jī)表現(xiàn)出競爭力，并且有趨勢取代三級式無刷交流電機(jī)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程國華.大型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2008 （4）.

[2]秦海紅，嚴(yán)仰光.多電飛機(jī)的電氣系統(tǒng)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2015.12：1-585.

[3]齊榮，林輝，周素瑩.多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].航空計算技術(shù)， 2004，34（1）：97-101.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]