电推进飞机电机系统拓扑演进、冷却技术创新与强鲁棒控制研究综述

航空运输业在推动全球经济发展的同时，也面临着日益严峻的碳排放压力。2019年，全球航空业碳排放量达9.2亿吨；2020年，中国航空业二氧化碳排放量达1.3亿吨。若不采取有效措施，至2050年，航空业碳排放可能达到全球碳排放总量的25%。面对这一严峻形势，美国国家航空航天局在环保航空项目中要求，以2005年技术水平为基准，到2025年亚音速客机燃油消耗需降低60%；欧洲航空研究咨询委员会在Flightpath2050中计划2050年航空碳排放量相较于2000年降低75%。绿色发展已成为航空业的迫切需求，减少航空器油耗、降低碳排放是绿色航空的核心任务。

一、电推进飞机发展战略分析

飞机电气化经历了两个重要发展阶段。第一阶段为飞机的“多电/全电”化，主要指机载二次能源系统的电气化，通过电作动、电驱动、电加热装置等取代传统液压系统和引气系统，避免了传统系统中液压、气压管路的泄漏问题，提高了系统效率、可靠性和维护性。然而，二次能源在飞机能源总量中的占比低，围绕二次能源的优化对飞机整体效率的提升较为有限。针对占能源消耗总量绝大部分的一次能源——动力系统的电气化变革，是当前发展的新趋势，此为飞机电气化的第二阶段。该阶段的主要特点是采用电能作为推进系统的部分或全部能源，通过电机系统传动推进装置提供飞机所需的部分或全部动力，构成电推进飞机。飞机动力系统的电气化从能源系统的源头出发，重塑了飞机能源体系架构，能够全面优化能量利用效率，有效降低飞行污染物排放和噪音，显著增强动力系统的高原适应性。

欧美各国已全面实施电推进飞机发展战略。美国NASA于2015年提出了电动飞机发展路线图，对多条技术路线同步开展研究。英国航空技术研究所以2050年实现航空净零排放为目标，将电推进飞机作为实现零碳排放飞机技术的3条技术路径之一。空客公司也发布了包含通航飞机、城市通勤飞机和干线飞机在内的电动飞机发展路线图。空客、波音、达索、GE航空、罗罗、赛峰和联合技术公司7家单位的首席技术官于2019年和2021年先后两次发布联合声明，将电推进技术列为航空科技“第三时代”的重要标志之一。

2022年，我国印发的《工业领域碳达峰实施方案》中指出要“推动下一代国产民机绿色化发展，积极发展电动飞机等新能源航空器”。《“十四五”通用航空发展专项规划》指出要推动行业绿色发展，鼓励研发新能源航空器。电推进飞机是我国航空业实现绿色发展的必然选择，是实现与世界航空强国并驾齐驱的重要领域。

电推进技术是电推进飞机发展的关键性支撑，也是推动航空动力与电气系统交叉融合、创新发展的前沿技术。电机系统作为电推进系统中的核心动力单元，主要包括电机和电机驱动器，直接决定了电推进系统的能源利用率和推进效能。而电推进飞机对电机系统的安全性、轻量化和效率等提出了更为严苛的要求，航空推进电机系统在负载特征、功率容量、功率密度和冷却方式等方面都与传统航空电机系统有很大区别，对航空大功率高压电机与电机驱动器设计和控制方法等方面提出了新的要求。

本文从电推进飞机动力系统架构出发，分别阐述电推进飞机推进电机系统和发电机系统的特征与要求，系统总结永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机四类电机在电推进飞机上的研究和应用现状，深入分析电推进系统中不同类型电机和电机驱动器的关键技术，最后展望新材料、新器件、新工艺、人工智能和综合热管理等技术对飞机电推进系统发展的推动作用。

二、电推进飞机电机系统特征与要求

2.1 动力系统架构

根据电推进系统是否为电推进飞机提供全部飞行动力，电推进飞机动力系统架构可分为部分电推进架构和全电推进架构。

部分电推进系统架构主要指并联式混合动力系统架构，根据电推进系统是否与发动机直接耦合可分为两种类型。当电机与发动机直接耦合时，两者在动力系统层面构成混合动力装置，共同提供动力，通过优化发动机功率和工作点实现更低的能量消耗。当电推进系统与发动机相互独立时，两者在飞机整体层面构成混合动力系统，主要通过独立的电推进系统优化飞机阻力特性，实现更高的气动效率。

全电推进系统架构中的飞行动力完全由电推进系统提供，根据是否包含发动机可分为纯电动力系统架构和串联式混合动力系统架构。纯电动力系统架构的电源主要为蓄电池、燃料电池和太阳能电池等；串联式混合动力系统架构由发动机驱动的发电机系统供电。根据动力形式，全电推进系统又可分为集中式动力系统架构和分布式动力系统架构。集中式动力系统架构依靠集中式大功率电推进系统提供动力；分布式动力系统架构倾向于将动力系统融入气动布局以优化气动性能。

2.2 推进电机系统的特征与要求

与传统机载电机系统不同，电推进系统中的电机面临全新的挑战。传统飞机上，电机系统主要用于向整机供电和驱动泵类负载，功率等级从十千瓦级至百千瓦级不等。装机应用功率最大的航空电机为B-787配备的250kV·A起动发电机。而对于电推进飞机，推进电机系统承担提供推进动力的关键功能，其可靠性需提高至航空动力系统的水平，功率也远超传统机载电机系统。

在NASA针对特定机型提出的电推进系统性能需求中，对于SCEPTOR 9座概念飞机配备的百千瓦级电推进系统，期望电机功率密度达到6kW/kg，效率达到96%，期望逆变器功率密度达到13kW/kg，效率达98%。对于STARC-ABL概念飞机配备的兆瓦级电推进系统，期望电机功率密度达到13kW/kg，效率达96%，期望逆变器功率密度达到19kW/kg，效率达99%。对于N3-X概念飞机上的3MW推进电机系统，则要求电机功率密度达到12.7kW/kg。

电推进飞机的动力由推进电机传动的桨叶类装置提供。桨叶类装置主要有螺旋桨和涵道风扇两大类。同等功率的推进装置，直径越大则转速越小、转矩越大。螺旋桨一般适用于飞行速度较低的飞行器，具有推进效率高的优点，电动螺旋桨多为直驱系统，功率多为千瓦级至百千瓦级。大功率螺旋桨一般为低速大扭矩负载。涵道风扇的主要优势在于飞行速度较高时损失的推力更少，更适合于飞行速度较高的飞行器，功率范围在十千瓦级至兆瓦级。分布式电推进飞机采用分布式布局，包含数量较多的小功率推进装置，能够更为灵活地融入飞机气动布局。

2.3 发电机系统的特征与要求

混合电推进飞机配备有以发电机系统为核心的供电系统。在小型并联式混合电推进飞机上，同一电机系统在不同工况下分别作为电动机和发电机使用，主要考验电机系统的四象限运行能力，功率一般在数十千瓦至上百千瓦级别。在小型串联式混合电推进飞机上，通常由活塞发动机驱动的发电机构成发电系统，功率几十至上百千瓦。

大型串联式混合电推进飞机推进功率将达到兆瓦级至十兆瓦级，单发电机系统的功率等级将达到兆瓦级至十兆瓦级。传统航空发电机与发动机功率相差悬殊，对发动机的影响较小。而大型串联式混合电推进系统中的发动机绝大部分功率用于驱动发电机，两者功率等级相近，发电机与发动机的耦合程度更深，功率提取问题较为突出。涡轮发动机驱动发电机的方式主要有直接驱动、通过齿轮箱驱动和通过涡轮驱动三种方式。

三、高效能电机研究现状与关键技术

电推进系统电机主要涵盖永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机四种类型。不同电机类型在功率密度、效率、可靠性和成本等方面各有优劣，适用于不同的应用场景。

3.1 永磁同步电机

永磁同步电机通过永磁体提供励磁，结构简单，没有电励磁损耗，同时由于稀土永磁材料的高磁能积，能够同时获得较高的效率和功率密度。目前，永磁同步电机在中小功率电推进系统中得到了较为广泛的应用。

百千瓦级电推进系统永磁同步电机和兆瓦级电推进系统永磁同步电机的要求不尽相同。中小型电推进飞机对电推进系统电机的功率密度要求远高于相应功率等级的传统航空电机。伊利诺伊大学研制的1MW分布绕组外转子无槽永磁电机是兆瓦级推进电机的典型代表，电机采用120槽20极拓扑，重量仅65.4kg，转速15000r/min，通过减速器驱动电动涵道风扇，功率密度达到15.3kW/kg，计算效率达到96.4%。威斯康辛大学研究的1MW分数槽集中绕组永磁电机采用18槽12极拓扑，转速20000r/min，计算有效材料功率密度达到23.7kW/kg，计算效率可达97.2%。针对混合电推进飞机发电机系统应用，诺丁汉大学研究了4MW分布绕组高速永磁发电机，采用48槽8极拓扑，转速15000r/min，预计功率密度可达16.1kW/kg、效率可达98.3%。罗罗公司研制了2.5MW高速永磁发电机，并与AE2100燃气轮机相结合构成燃气涡轮发电机系统。

永磁同步电机功率密度的影响因素主要有电负荷、磁负荷和转子线速度三个方面。根据磁场方向，永磁同步电机有径向磁通和轴向磁场两种主要类型。轴向磁通永磁电机对径向空间的利用率高，在长径比较小的场合功率密度和转矩密度具有优势。轴向磁通永磁电机也可通过轴向多模块组合，在飞机兆瓦级电推进系统中有重要应用前景。采用高性能稀土永磁材料的表贴式永磁转子磁负荷高、重量轻，且能够通过Halbach阵列的形式进一步提高磁负荷。百千瓦级电推进系统永磁同步电机的转子线速度大多在60～100m/s，功率密度可达5kW/kg左右；兆瓦级电推进系统永磁同步电机为了实现10kW/kg以上的功率密度，通常需要将转子线速度提高至200m/s以上。

在损耗抑制方面，永磁转子的损耗主要为导电永磁体在谐波磁场下的涡流损耗，永磁体可通过分块实现涡流损耗的抑制。威斯康辛大学通过类似于铁心冲片的叠片式永磁体大幅降低了涡流损耗。电推进系统永磁同步电机频率高，绕组交流铜损较为严重，多采用Litz线或大长宽比的扁线绕组以抑制交流铜损。在铁损抑制方面，由于电机高基频的特性，需要采用更薄的铁心冲片，如0.2mm甚至0.1mm厚度的冲片。电推进电机系统多采用多通道架构提高系统可靠性，单电机多绕组、多通道供电架构需要从电机拓扑角度综合优化冗余能力、容错特性和功率密度。

3.2 异步电机

异步电机凭借高转子线速度实现功率密度提升，通过灵活调节极对数和角频率优化铁损控制，降低驱动系统设计难度，在高速高功率场景应用广泛。在大外径环形结构下，异步电机可实现较高功率密度，同时在极对数的选取方面更为灵活。

曼彻斯特大学提出的250kW边缘驱动异步电机采用72槽12极内转子拓扑，转子线速度达到260m/s，电机在65000A/m线负荷下的有效材料功率密度超过13kW/kg，同时达到97.2%的计算效率。俄亥俄州立大学正在对应用于混合动力涵道风扇的异步推进电机进行研究，电机采用外转子拓扑和背绕式环形绕组，定子背轭侧的绕组与冷却液直接接触，大幅提高了电机电负荷，研制的1MW样机功率密度达到10.2kW/kg。

由于异步电机由定子电流提供励磁，且转子导条存在铜损，异步电机在效率和功率密度的平衡方面更具挑战。同时，定子励磁的特征导致异步电机的功率因数较低，对电机驱动器的功率需求更高。异步电机的关键技术包括定转子损耗抑制、高线负荷下定子的冷却散热以及高线速度下导条与端环的结构设计。

3.3 电励磁无刷同步电机

电励磁无刷同步电机凭借可靠性高和调磁灵活的特点，主要适合于电推进飞机中的发电应用。航空电励磁无刷同步电机传统上大多作为发动机、辅助动力装置和冲压空气涡轮等驱动的发电机使用。在大型混合电推进飞机上，单台发电机通常需要为多套推进电机系统供电，对供电系统的可靠性和稳压性能提出了更大挑战。

霍尼韦尔公司针对混合电推进飞机应用研制了1MW电励磁无刷同步发电机，转速19000r/min，电机功率密度达到7.9kW/kg，实测效率可达97%。该发电机采用二极管整流，系统简单，重量轻，整合整流器、整流器散热器和发电机控制器之后系统功率密度仍可达6.4kW/kg。

电励磁无刷同步电机转子结构较为复杂，高转速大容量下高可靠结构设计是关键。由于电励磁无刷同步电机磁场由电流激励产生，在此过程中会产生铜损，导致其效率难以提高到同等条件下永磁同步电机的水平。电励磁无刷同步电机的损耗抑制与热管理是关键技术。

3.4 超导电机

超导电机通过超导线材部分或完全替代传统铜导线，由于超导线材的零电阻特性，能够承载的电流密度远大于铜绕组，使得电机的电负荷和磁负荷均能得到极大提升。相比于常导电机，超导电机在效率和理论功率密度方面的优势使其在飞机大功率电推进系统上更具应用潜力。超导电机拓扑结构主要有半超导电机和全超导电机两种类型。

转子超导型半超导电机本质上为电励磁无刷同步电机，其励磁绕组由超导线圈制成，可在转子上集成制冷机使电机转子自成独立的低温体系。NASA Glenn研究中心为STARC-ABL概念飞机研制的1.4MW发电机采用该类型拓扑，超导励磁绕组由REBCO线材绕制，工作电流57.2A，电流密度220A/mm²，设计效率达到98.9%，设计有效材料功率密度达到17.4kW/kg。定子超导型半超导电机多为超导-永磁电机，采用超导电枢绕组和永磁转子。克兰菲尔德大学针对采用液氢燃料的BW-11混合电推进飞机提出了采用YBCO超导电枢绕组和永磁转子的半超导电机，采用三转子结构提高等效磁负荷，10MW涵道风扇推进电机功率密度预计可达40kW/kg。

全超导电机本质上同样为电励磁无刷同步电机，其转子励磁绕组和定子电枢绕组均由超导线材制成。西门子公司基于N3-X概念飞机3MW涵道风扇推进电机对全超导电机进行了研究，全超导电机采用转子无铁心、定子无槽结构，励磁电流密度300A/mm²，电枢绕组由液氢冷却的MgB₂超导线材制成，电流密度177.2A/mm²，电机功率密度达到36.6kW/kg，转矩密度77.7N·m/kg，效率99.87%。九州大学针对飞机混合电推进系统提出的2MW全超导电机采用全空气心结构，磁密达到2.69T。

超导电机在航空电推进系统中的成熟应用仍面临诸多技术问题。冷却与隔热是超导绕组安全稳定运行的重要前提。交流绕组在强磁场下的失超问题仍需要关注。基于液氢燃料的开放式冷却架构是较为合理的选择，低温隔热技术在地面和航天领域均有实践，但其在航空上的应用仍需要进一步探索。超导转子结构复杂，电推进飞机应用多要求较高的转速，高可靠转子结构设计与密封也是其中的重点与难点。

3.5 电推进系统电机的冷却

航空电机的传统冷却方法一般有液冷和风冷两大类。电推进系统电机大多采用液冷方案，部分采用了具有密封定子结构的直接液冷方案，大幅提高了绕组能够承载的电流密度。基于空心导体的直接液冷方法是目前较为新兴的航空电机冷却方法，一方面高频电机趋肤效应明显，空心导体可在不显著增加铜损的同时降低铜重；另一方面冷却液与导体直接接触，冷却效果好。

热管冷却是除传统液冷和风冷方法之外具有前景的电推进系统电机冷却方式。热管两端分别置于电机内部和机壳外侧，通过管内液体的蒸发与液化实现热量的传递，具有导热性能好、传热距离远和冷热两侧传热面积可灵活改变等优势。美国马凯特大学将热管冷却方法应用于驱动涵道风扇的250kW永磁同步电机，设计电负荷达到94266A/m。

由于桨叶对气流的加速作用，流经桨叶后侧电推进系统的气流流速高，通过推进气流带走推进电机系统的热量，可以省去额外的冷却散热机构。NASA X-57飞机60kW和11kW螺旋桨推进电机均通过推进气流实现电机系统的冷却。虽然风冷推进电机具有结构简单的优点，但不同工况下桨叶气流条件不同，满足全工况散热需求是风冷设计的重点与难点。

在大型混合电推进飞机上，低温燃料的使用为电机的冷却提供了新的方案。由于铜绕组具有正温度特性，通过低温燃料使电机绕组低温工作可大幅降低铜损，提高铜绕组的载流能力。利用液氢燃料冷却的低温常导电机和高温超导电机值得重点研究与实践。

四、电推进系统电机驱动技术

飞机电推进系统基本架构由推进电机、桨叶或风扇负载以及电机驱动器组成。电机驱动器由逆变器和数字控制器等组成，逆变器将外部直流电变换为交流电后向电机提供电能，数字控制器通过传感器获取电机信息并运行控制程序控制逆变器输出。

航空电推进系统推进电机功率大、轻量化要求高，通常采用高电压设计以减小电流、降低电缆重量。推进电机多采用高线速度、多极对数设计实现高功率密度，使得绕组电感较小。多极对数设计能够有效降低铁心重量，但导致电机基频较高。高电压、高基频和小电感会导致电机电流谐波增大，故逆变器需在高压大电流下提高开关频率以实现低谐波控制。

4.1 飞机电推进系统逆变器研究现状

为实现高压大功率下电推进系统逆变器的高频化，新一代宽禁带功率器件逐步替代传统的功率器件。相比于传统的硅基功率器件，宽禁带功率器件具有高耐压、低导通电阻、开关速度快的优点。碳化硅材料热导率更高，散热性能更好，可运行于更高温度下。氮化镓材料具有更高禁带宽度及电子迁移率，体积更小、开关频率更高。GE、波音公司的电推进系统逆变器均采用SiC功率器件。伊利诺伊大学研发的逆变器采用了GaN功率器件。

在拓扑结构方面，电推进系统大功率逆变器可以采用多电平拓扑降低单个功率器件的电压应力，并采用多个多电平逆变器进行串并联以提升系统容量。波音公司基于SiC功率器件采用中性点有源钳位三电平拓扑设计了两台500kW逆变器，并使用交错并联技术构建1MW逆变器。GE公司采用中性点有源钳位SiC/Si混合三电平拓扑研制了1MW逆变器。伊利诺伊大学基于GaN功率器件及飞跨电容九电平交错并联拓扑提出了单板卡9.7kW的模块化逆变器。多电平拓扑降低了功率器件的电压应力，有助于进一步提高开关频率，同时降低输出电压谐波。交错并联技术可以提高等效开关频率，降低输出电流谐波。

逆变器可通过多通道驱动架构降低单台逆变器的容量要求，有助于提高开关频率，且可实现多通道冗余驱动提高系统容错性能。冷却系统优化设计对逆变器功率密度和可靠性至关重要。GE公司1MW逆变器SiC MOSFET模块在常规水冷下开关频率为20kHz；波音公司1MW逆变器SiC MOSFET模块采用液氮冷却，开关频率达到60kHz。

4.2 大功率逆变器关键技术

第三代宽禁带器件理论上具备耐高温、耐高压、损耗低和开关频率高的优势。然而当前工艺下，GaN器件一般不应用于高压、高可靠性的场合。SiC器件沟道迁移率受限，导通电阻较大，栅极可靠性也难以评估。部分商用SiC器件仍采用传统Si器件的封装方式，造成功率器件杂散电感较大的问题。为发挥SiC器件高速开关的优势，需采用低寄生电感封装技术和高温封装技术。

功率器件开通过程中，由于寄生电感的影响通常会造成电压尖峰和功率振荡。栅极电感对功率变换器的损耗影响最为严重，栅极电感会造成驱动回路振荡，严重时可能导致器件损坏。过高的开关速率除了带来电压尖峰和功率振荡外，还可能导致串扰现象的发生。可采用不对称驱动电阻、三极管进行米勒电流短路或有源米勒钳位的方法对串扰进行抑制。SiC功率器件通常工作在高温、高压、高频的环境下，驱动须具备定位准确、响应迅速的过流保护、短路保护等保护功能。

以三电平逆变器为代表的多电平逆变器因其功率器件电压应力较低的优势可应用于电推进系统逆变器。电平数的增加降低了输出电压谐波，进而降低输出电流谐波。交错并联拓扑可以进一步拓展逆变器容量并降低输出电流谐波。在高压大功率电推进系统电机驱动中，基于上述拓扑及宽禁带器件的逆变器在过高的开关频率下损耗同样会明显增大，若需要进一步提高开关频率则可以采用软开关技术。

电磁兼容问题在电推进系统中更加突出。电机驱动系统工作时产生的共模噪声主要由高变化率的共模电压通过功率器件、导线、散热器和机壳等路径对地寄生电容耦合产生。减少EMI噪声的方法主要分为两方面：一是在初期设计阶段通过优化的调制算法改善EMI噪声的分布及幅值；二是抑制EMI在干扰路径上的传播，可外加无源或有源EMI滤波器。宽禁带开关器件提高了电压变化率，当逆变器和电机通过长线缆相连时，电机定子绕组会有显著的浪涌电压应力。为满足电机绝缘要求，需要在交流侧接入dv/dt滤波器。

高效冷却是高压大功率高频逆变器长时间可靠工作的必要保障。为了满足高功率密度的需求，冷却系统需采取低热阻、轻量化设计。液冷散热方面的研究主要集中在流道设计、扰流柱设计以及微通道的模式上。液氮和液氢等冷却剂可进一步降低热阻，并使逆变器可工作于更高的开关频率。需建立大功率逆变器损耗及散热模型以指导冷却系统正向最优化设计。

4.3 强鲁棒性控制技术

电推进电机作为飞机动力装置，其控制方法需要具有强鲁棒性。电推进系统电机的控制技术主要分为电流控制和转速控制两方面，此外还包括系统层面的控制技术。

对于电流控制，电推进电机电感较小，极易受外部因素干扰，造成实际参数与标称参数的不匹配。高精度、高鲁棒性的参数辨识技术是电流控制实现预期性能的保证。电推进电机同时具备高压、高频、大功率、小电感的特点，要求逆变器具备足够高的开关频率以降低开关谐波。若在受限的开关频率下电流谐波仍未满足要求，需外加滤波器提高阻抗，此时需针对带有滤波器的电机驱动系统重新建模并提出有针对性的控制方法。反电势谐波、逆变器死区等非线性因素同样会造成电流谐波，谐波抑制算法是提高推进电机效率的重要因素。

对于转速控制，负载转矩是最主要的影响因素。电推进电机驱动桨叶类负载，探究实际飞行过程中不同工况下桨叶的负载特性及其与推进电机的强耦合关系是实现高精度转速控制的基础。稳定的转速控制需要算法具备相应的抗扰动性能，以快速且精确地补偿负载转矩的扰动。

对于整个控制系统而言，飞机飞行所处的环境使功率器件、位置传感器等发生故障的风险更大。研究强鲁棒性无位置传感器技术及定位精准、响应迅速的故障诊断及容错控制方法是非常必要的。在分布式电推进系统中，单个电机系统对给定指令的精确跟踪以及对所有电机功率的精确分配和协调是分布式电推进技术实现的基础。同时，还需要在整个系统中实现故障的快速诊断和精确定位，并在故障后快速调整电机系统功率的分配。

五、飞机电推进系统技术发展展望

5.1 高性能电机材料与先进制造技术

兆瓦级电推进飞机的电压等级将达到上千伏特，对绝缘系统造成挑战。新型绝缘材料需要在实现高工作温度和高介电常数的同时具有高热导率、热稳定性和较强的耐电晕放电能力。氮化硼纳米管是较具应用潜力的新型绝缘材料。

导电材料是高性能电机技术的基础。碳纳米管导体与传统铜导体相比理论电导率极高且密度很低，虽然目前技术成熟度不足，但颇具发展潜力。超导材料是导电材料的另一重要发展方向，强磁场环境下低交流损耗、高临界电流密度的超导材料是超导电机发展的重要基础。磁性材料的进步同样对电机性能的突破至关重要。软磁材料方面，铁钴合金等材料相比传统软磁材料具有更高的饱和磁通密度。硬磁材料方面，以纳米永磁材料为代表的新型高磁能积永磁材料有望进一步提高永磁电机的功率密度。

碳纤维复合材料等新型轻质高强度复合材料可应用于电机结构件和转子补强，有助于电机的高强度、轻量化设计。铝碳化硅复合材料等新型导热复合材料可应用于冷却系统，提高电机系统的散热效能。增材制造等技术可应用于电机电磁部件、热管理部件或其他结构部件，实现电机整体的精细化和轻量化设计。

5.2 高功率密度高效电机容错型拓扑结构

为提高飞机能源利用率，需要对电推进电机系统进行高功率密度与高效率的权衡设计。中小功率推进电机可采用直驱式高转矩密度拓扑结构，在满足功率密度要求的同时减小减速器和高基频带来的效率损失。大功率推进电机则通常需要采用较高的转速以实现超高功率密度。

高转矩密度设计方面，双转子、无轭分块定子等新型拓扑结构有望进一步提升永磁电机的转矩密度。高转速设计方面，转子及轴承的高强度轻量化设计、高基频下的铁损和交流铜损抑制以及电机与减速器的集成设计是高速电机的研究重点。具有高可靠性与容错性的电机系统对飞机的飞行安全至关重要，双/多通道绕组结构和冗余控制是提高系统可靠性的重要方向。超导电机作为未来大型电推进飞机极具潜力的电机方案，其拓扑结构的设计规律与传统常导电机存在很大差异，超导线材与热管理系统也会对系统可靠性带来更大挑战。

5.3 大功率逆变器与智能控制技术

逆变器在电推进飞机上的应用存在单管功率不足和开关频率较低等问题。碳化硅、氮化镓等宽禁带功率器件的技术进步将有助于更大功率电推进系统的实现和效率的提高。基于宽禁带功率器件的电流源型逆变器有望缓解母线电感体积重量过大的问题。新型导热材料和新型封装工艺等均能帮助发挥宽禁带器件的耐高温优势。新型逆变器拓扑和软开关技术是降低损耗、进一步提高开关频率的重要手段。滤波器材料和制作工艺方面的创新也将有助于提高系统效率、降低系统重量。大功率模块化结构逆变器与模块化容错推进电机的集成也是重要的研究方向。

逆变器、驱动器和推进电机的综合优化应双向迭代。除了驱动控制要考虑推进电机对象的运行特性，推进电机的设计与优化也需充分考虑驱动控制的拓扑结构和调制方式等。随着信息化、数字化技术的发展，将人工智能、大数据等技术融合到飞机电推进系统的健康监测、故障诊断以及故障时动力系统重构中是未来飞机电推进系统的发展趋势。

5.4 高性能综合热管理技术

高性能热管理技术是飞机电推进系统性能提升与可靠运行的基础。新型热管理技术一方面需要实现更高效的冷却效果，另一方面需要综合考虑冷却系统重量和体积对电推进系统的整体影响。油雾冷却、相变冷却等新型电机冷却技术有望进一步提高冷却效果。利用飞机气流的风冷方法在系统重量方面具有优势。

低温冷却系统是超导推进电机的应用基础。热管理模式的设计和优化上升到整个动力乃至飞机平台更有意义，燃料和冷却介质的共用、燃油换热、液氢冷却和废热利用等都是重要的方向。目前，大多数飞机电推进系统中的电机与逆变器冷却系统相互独立。随着电机及其逆变器的一体化设计与集成化发展，将二者进行综合热管理、共用一套冷却系统可以进一步简化冷却系统架构、提高系统功率密度。

六、结论与展望

航空推进动力的电气化有助于大幅提高飞机能量利用效率，降低飞机碳排放，是航空电气化发展的全新方向，也是航空业绿色发展的必然选择。电推进系统是电推进飞机的动力核心，电机系统又是电推进系统的关键，高效能电机和驱动控制系统功率密度、转矩密度、效率和可靠性的提升对电推进飞机的发展具有极大的推动作用。

电推进飞机由电推进装置提供部分或全部推进动力，不同动力系统架构均要求其中的电机系统具有高功率/转矩密度、高效率和高可靠性特征。永磁同步电机、异步电机、电励磁无刷同步电机和超导电机在飞机电推进系统中均有应用前景。高可靠、高安全性、高转子线速度、高线负荷、高磁负荷拓扑结构、高频高电磁负荷下的损耗抑制方法和强环境适应性的冷却方法等诸多关键技术需要重点研究与突破。

电推进系统电压高、电流大、基频高、电机电感小，对高功率密度高效电机驱动控制提出了全新的要求。基于宽禁带功率器件的多电平拓扑结构、高电压高开关频率下的EMI和电压变化率抑制方法、轻量化低热阻冷却散热技术和高鲁棒性控制策略是其中的重点与难点。

新型电机材料、先进制造工艺和新型电机拓扑结构是提高推进电机功率密度、转矩密度、效率和可靠性的关键。大功率耐高温功率模块和智能化驱动控制技术是大功率逆变器的重要发展方向。驱动器与推进电机的物理集成以及综合优化、高效综合热管理技术是飞机电推进系统实现高度集成化和智能化的重要基础。

未来电推进系统将朝向智能化、分布式、多层次的趋势转变，有助于提高冗余度、容错性和适应性。分布式控制和多智能体技术有望提升未来电推进飞机的飞行控制和能源管理，确保更高效和稳健的运行。

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