航空之家：一款满足航空标准的电驱产品

如果你从事航空电推进的产品开发，产品策略的制定必须是满足存量+增量市场，国内的问题在于只有增量市场的噱头，没有存量市场的基础。一旦产品策略制定好后，就不能轻易改变，不能为了短期的市场需求而放弃长期的市场技术积累。当然产品策略的制定需要一定的积累，这个积累过程就很有讲究。Alice是一种九座电动飞机的全新设计，使用两个700千瓦的电机，航程为250海里。

迈向电推进集成商

电动飞机动力的发展正与储能和认证问题交织在一起。为各种电动飞机平台开发电机有许多不同的设计，从垂直起飞的空中出租车到100座的区域航班，飞行时间约为一小时。这导致一系列设计架构达到并超过飞行所需的13 kW/kg功率密度。

然而，远程大容量飞机仍面临挑战。挑战不在于电机，而在于储能和认证。例如，对于氢气，与其说是技术问题，不如说是认证问题，而是如何以适合认证的方式构建技术。认证该系统需要做很多工作，这意味着需要付出很多成本。

电机制造商正在努力提高系统的效率，增加磁铁的功率，减轻转子和定子的重量，并使用碳纤维等新材料减轻重量。所有这些都能以更小的重量提供更大的动力，但这些新设计需要更详细的认证。

如果能提高效率，就可以减少所需的千瓦数和储能量。因此，Magnix等电机OEM正在转向集成动力系统。使用氢气的小型燃气轮机的效率最高为30%，燃料电池提供了潜在的效率提升，低温PEM燃料电池的效率为50%。但是，当添加很多额外的附件时，这种效率尚未得到证实，因为需要电力来运行压缩机，这会降低系统的效率。

电机技术

电机和电子设备的核心是Magnix在5年前开发的，从那时起就一直在证明开发成果，与监管机构合作并证明符合性。目前的工作不是追求一公斤更高的效率，而是关于系统投入使用的问题。认证的障碍是巨大的，OEM不能每3个月就改变一次设计。航空航天是一个与其他任何行业都截然不同的环境，这确实使它更加保守。

其他供应商也持这种观点。例如，Arnold正在研发和设计各种电机技术，从转子和定子到套筒。它的航空航天经验意味着它知道什么可能会被批准，确保可以制造这些设计，并且存在所需的磁铁强度。

Arnold至少有一个项目正在进入下一阶段，并有订单，朝着批准的方向发展。然而，对于转子制造，它还无法将碳纤维套管通过FAA认证程序，而这些套管是转子组件不可或缺的一部分。然后，客户开发自己的定子，并将整个电机系统提交审批。

虽然因康镍合金或不锈钢已被用于转子和定子多年，但碳纤维更轻，电感损耗更低，因此电动飞机完全有动力采用这项技术。一旦这项技术被批准用于小型电动飞机，那么大公司就更有可能考虑它。

一些公司还使用Arnold的非晶粒取向硅薄钢材料来层压定子，以减轻重量，并通过更薄的层来减少涡流损耗，从而达到与较厚钢相同的效果。

MagniX正在研究针对350和650 kW功率的电机设计——这是650 kW版本

电机

航空航天电机的一大障碍是功率密度和连续功率输出，而不是占空比。因此，开发涉及材料和有效的电机冷却，然后是结构、轴承和安装，使电机适合在飞机上长时间使用。

Magnix已经和Eviation合作开发了Alice，这是一种使用两个700千瓦电机的9座电动飞机的地面设计，航程为250海里。第一步是正确地实现技术平衡，下一步是通过飞行试验和认证来实现这一点。

Magnix的电机在很多个飞机平台上使用，这直接检验了电机在与所有系统交互并通过逆变器和控制器返回时在空中的表现。将电机与R33（FAA支持先进飞行控制认证的一种合规方法）相结合，以获得认证。然后是考察续航能力、与一系列螺旋桨的交互以及可能发生的新故障。

MagniX正在研究针对350和650 kW功率的电机设计——这是650 kW版本

新的故障

一个问题是采用多段或四段式系统，以便隔离故障。因为在大多数应用中，飞机需要滑翔或自转，但仍然需要产生动力的能力。与此同时，从其他行业的故障模式中学习，这样可以在开路和短路以及电气系统中可能发生的所有事情情况下继续使用尽可能多的功率。这又回到了在应用背景下理解系统，包括：电机、逆变器和冷却；电机和控制器的集成非常重要。

认证还包括电机控制器和动力总成其余部分的软件开发，如果电机作为单个组件单独开发，这可能会很困难。取而代之的是，将电机开发为整个动力总成的一部分，这样电机的元件就可以通过逆变器和能源进行优化。开发控制这些元素的软件也是确保软件安全认证的关键挑战。

开发控制器软件的方法必须符合一套非常具体的性能和安全计划。这意味着需要对系统的每个元素进行监督和洞察，而不是单独优化电机。Magnix正在考虑2025年或2026年的型号认证，但这需要与客户和集成商合作，因为电机有许多不同的排列方式。Magnix有许多公开的项目，最初的认证申请是固定翼改装，如带海狸的650千瓦电机。

另一家供应商Calnetix一直在为不同的航空航天应用开发电机和相应的驱动技术。这些包括电推进、混合动力飞机的发电以及辅助动力装置（APU）的起动机/发电机。Calnetix的高速技术最大限度地减少了所需的扭矩，从而减小了电机的尺寸和重量，实现了等效的输出功率。

通过使用最新的电气和磁性材料，并为每种应用定制高效的热管理配置，实现了设计的进一步重量优化。Calnetix拥有一套独特的电机、轴承和驱动技术，可优化高速系统的功率密度和效率。其开发了一种额定功率为100千瓦、重量为7.7公斤、体积为2.3升的电机，相当于13千瓦/公斤和43千瓦/升的功率密度。这是通过优化电磁设计实现的，包括磁化拓扑结构和优化磁路，以及电机的长径比。

设计过程还仔细研究了材料的选择，包括磁体的等级、定子叠片及其厚度、磁体保持套筒和其他材料，以实现13 kW/kg的目标功率密度。当效率和重量是主要考虑因素时，带有永磁体[PM]转子的电机在大多数应用中都更优越。使用永磁电机的其他一些优点包括零励磁功率、95%或更高的效率、平稳的转子、大的气隙、转子的高电阻率和极低的磁导率，以及减小逆变器的尺寸和损耗。

Calnetix从最初的几台100千瓦、50000转/分的电机开始，开发了多兆瓦的电机以及国际空间站的关键任务应用。磁体强度和温度性能最近取得了进展，开关器件（如IGBT和SiC器件）的性能也有所提高。

Calnetix开发了一种重量为2.3公斤的100千瓦电机

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磁铁和设计

当然，一个关键问题是电机设计中使用的磁铁。它们所用的材料，无论是钐钴合金还是钕，都决定了在磁化产生永磁体时可以感应出多少磁场。这就决定了磁铁在给定重量下可以产生的磁场，从而决定了电机的尺寸和性能。

Arnold拥有世界上很强的钐钴磁体Recoma 35e，其磁通密度超过250 kJ/m3。磁体材料的选择基于许多因素，尽管通常在温度变化最大的地方使用钐钴，这通常是一个或两个动力的机身设计。如果飞机上有很多较小的动力，比如空中出租车，那么钕磁铁就更常用了。

作为与NASA签订的合同的一部分，美国麻省理工学院的研究人员开发了一种1兆瓦的风冷外转子Halbach阵列永磁电机，用于飞机推进，比功率为17千瓦/千克。实验验证了该设计的最高风险因素，包括定子铁芯损耗、结构稳定性、绕组绝缘和永磁场强度。

使用铁、钴和钒的组合为定子铁芯开发了两种制造工艺，并通过铁芯损耗和B-H曲线测量进行了比较。传统的层压粘合工艺会使铁芯损耗增加20%，因此研究人员开发并测试了一种新的Halbach阵列转子建模方法。由此产生的模块化单相绕组模式提高了电机驱动的单相逆变器驱动器的鲁棒性。

该设计正在两台样机上进行测试，这两台样机通过一根轴以12500转/分的速度连接，一台用作电机，另一台用作发电机。所有主要部件，如定子铁芯、转子和热交换器，都已成功制造。剩余的项目，如加工上部结构和缠绕定子铁芯，正在进行中。

在1兆瓦演示机的制造过程中，通过定子铁芯损耗实验、绕组和绝缘测试、全运行速度和温度下的转子旋转坑测试以及转子磁场测量，验证了设计的最高风险方面。实验表明，该演示电机将满足设计规范并实现全功率。

电机绕组由10个独立的三相磁极对组成。模块化绕组方案在航空电机中越来越受欢迎，因为它们比非模块化绕组具有更好的可靠性。极对包含由三个单相逆变器驱动的三个单相集中绕组，因为单相逆变器已被证明可以提高功率密度和鲁棒性。矩形8型（US AWG 24）利兹线束用于最大限度地减少交流绕组的损耗，并最大限度地提高铜填充系数。

Kapton胶带和Nomex槽衬垫放置在槽中的相绕组和端匝之间，以改善相间绝缘。槽采用环氧树脂真空压力浸渍（VPI），以提高导热性和电绝缘性。该树脂具有良好的动态粘度，提高了VPI过程中清漆的渗透性。

制造了定子单极对部分的模型，以验证绕组过程。定子部分承受了全部工作电压和电流，没有绝缘故障，并成功演示了绕组模式、绝缘和热传感器安装。定子铁芯损耗估算已通过环形样品和全尺寸定子叠片的实验测量得到验证，表明该设计将定子损耗降低了20%。

该项目的一个附带成果是定子建模新技术。这是一种易于使用的计算算法，适用于不同的电机拓扑结构，而不是使用有限元分析（FEA）。该技术用于设计每个磁极有四个切向段转子。这使用了一种称为Halbach阵列的方法，这是一种特定类型的磁体整形，可以通过在阵列的一侧产生比另一侧更强的磁场来提高永磁同步电机的性能。转子的磁场扫描与计算算法和有限元分析产生的分析模型非常匹配，表明演示电机的额定扭矩将符合设计规范。

Wright Electric已研发出另一台1兆瓦的电机。将在NASA电动飞机试验台（NEAT）的高空进行测试。该系统可以用作电机或发电机，使其能够配置为涡轮发电机或高空动力的辅助动力装置。

实现1兆瓦，特别是轴功率，是实现800英里以下零排放单通道飞行的重要一步。商用级飞机在起飞时需要兆瓦级的推进系统来满载乘客。在NEAT设施，电机可以在40000英尺的高空进行测试。该计划是使用Wright Spirit的电机。这是基于BAe 146四引擎飞机，在长达一小时的飞行中最多可搭载100名乘客。Wright Spirit一直在验证系统组件，包括高效、高功率密度逆变器和2兆瓦电机。

推进系统的联合技术评估阶段（JTAP）包括霍尼韦尔的涡轮发电机和燃料电池，以及测试设施、飞机、Eaglepitcher Technologies的基础设施和电池的使用。

该电机目前正在进行1.5兆瓦的测试，功率为2.25兆瓦，用于紧急起飞，以满足认证要求。计划用一台全电动电机进行飞行测试，到2026年，这架100名乘客的零排放飞机将进行全四电机的零排放飞行。

NASA正在与通用电气航空和MagniX合作，支持其电动动力总成飞行演示

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电机声学

Greenjets正在为eVTOL和更大的飞机开发大功率电机。它将增材制造和传统技术相结合，用于可以扩大规模的电机设计。Greenjets是英国InCEPTion项目的一部分，该项目旨在通过专注于涡轮机叶轮叶片的设计来开发超静音电机。

有许多指标可以量化噪声，不仅是振幅，还有音高和音调，这将对社区的接受度产生影响。以“A加权分贝”（dBA）为单位测量的声音水平会调整分贝值，以考虑人耳最敏感的频率。

由于运行上的相似性，传统直升机是与eVTOL噪声进行比较的基准，因此，预测的噪声水平通常被描述为直升机噪声的分数。更多的分布式电机减小了螺旋桨直径，降低了叶尖速度，改善了噪声特性。

虽然一些飞机开发商报告了噪声值，但很少有人描述记录这种噪声的条件，例如到麦克风的距离和飞行模式。eVTOL飞机的一小部分样本显示，起飞和降落时的噪音水平为75dBA，飞行时为60dBA。相比之下，一架四座罗宾逊R44直升机产生的飞越噪音约为80 dBA。

eVTOL噪声性能的最有力证据来自Joby和NASA之间的合作，该合作使用了50多个麦克风的现场阵列来记录不同飞行速度和高度的噪声。在500米高空巡航时，研究证实噪音水平为45 dBA，从100米高空起飞和着陆时的噪音计算为65 dBA。

另一家电机设计公司Helix有一个名为SPX177的装置，它提供650千瓦的连续功率，但主要针对汽车设计。这需要一种架构，可以最大限度地减少损失和产生的热量，特别是在高速下，这意味着电机的绕线方式发生了很大的变化，因为将电阻损失降至最低会导致电机电感非常低。

逆变器中的开关会产生大量的噪声和谐波，这对低电感电机来说更具挑战性。SPX177仅重41公斤，包括13公斤的逆变器。这是一个双三相电机，因此其电流在两个逆变器之间共享——这是在这种极高功率水平下满足正常直流电压下相电流需求的必要方法。六根高压电缆将逆变器连接到电机，而一个低压连接器则承载各种控制信号。电机在试验台上的峰值功率超过700千瓦。

NASA正在与通用电气航空公司和ManiX合作，支持其电动动力总成飞行演示（EPFD），通过地面和飞行演示加快开发合适的电动飞机推进（EAP）技术。EPFD是NASA综合航空系统计划的一部分，旨在不迟于2035年将EAP技术引入美国航空机队，支持短程和区域商业航空旅行，以及单通道大型飞机。

在5年内，选定的公司将对其商用飞机运输的EAP技术进行地面和飞行测试演示。与NASA的其他项目在EAP开发、飞行测试仪器和数据分析方面进行合作。通用电气航空和MagniX将进行集成兆瓦级动力总成系统的地面和飞行演示，以验证概念，并研究未来EAP飞机配置的好处。这些演示将识别并克服技术障碍和集成风险。还将有助于为未来EAP系统的标准和法规制定提供信息。

Surcar氢电动水上飞机已经改装了ZeroAvia的ZA600动力总成

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氢动力飞行

与此同时，英国的ZeroAvia已经在飞行中展示了其ZA600氢动力总成。其可以从几个供应商那里选择动力，用于在双引擎多尼尔228 19座飞机上进行试飞。多尼尔由一台原型发动机提供动力，该发动机结合了燃料电池、逆变器和电机，可产生500-750KW的功率，为认证铺平了道路。

在2023年的10次试飞中，ZeroAvia使用一台燃料电池发动机和一台传统发动机测试了不同的性能领域。在测试活动中，飞机在5000英尺的高空飞行，进行了23分钟的耐久性测试，在略高于冰点至近30摄氏度的温度下运行，并达到了民航局颁发的飞行许可证下的最大允许速度。

至关重要的是，在测试的所有阶段，燃料电池发电和电推进系统是发动机的核心部件，其性能达到或高于预期。目标是到2025年，9-19座电动飞机的航程为300英里，到2027年，40-80座飞机的航程可达700英里。

ZeroAvia的三架原型机已获得英国民航局和美国联邦航空局的实验证书，并表示将于2025年投入商业运营。一家名为Surcar的新航空公司计划使用改装了ZA600动力总成的双水獭水上飞机进行观光旅游。

全球多个电动飞机项目现在正在飞行，并获得了实验证书，以证明发动机技术的适航性和有效性。他们展示了电机功率的范围，有多个350千瓦的小型电机和高达2兆瓦的双引擎甚至四引擎平台系统。挑战在于认证动力总成和相关的能源供应，以提供城市交通应用和长达500公里的区域航班。

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