直升機尾槳電傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

■ 宋益明 胡柏安 尹可 李方成 / 中國航發(fā)動研所 王晉 / 華中科技大學

在傳統(tǒng)能源日趨枯竭、新能源獲得極大發(fā)展、電池和電機技術(shù)取得極大進步的同時，電傳動技術(shù)有推動直升機動力傳動構(gòu)型實現(xiàn)革命性轉(zhuǎn)變的潛力，成為相關(guān)領(lǐng)域重點關(guān)注的方向之一。

直升機尾槳傳動系統(tǒng)通常由中間減速器、尾減速器、尾傳動軸組件3部分組成，如圖1所示。尾水平軸組件將主減速器尾傳動輸出功率傳遞給中間減速器，經(jīng)減速和換向后由尾斜軸組件傳遞給尾減速器驅(qū)動尾螺旋槳工作，并由尾減速器承受尾槳載荷和尾槳槳距操縱載荷，將尾槳推力和反扭矩等載荷傳遞到機體。這種尾傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)強度高、環(huán)境適應(yīng)性強、轉(zhuǎn)速恒定等特點，可在復(fù)雜的環(huán)境條件下完成其任務(wù)使命，但也存在著以下不足：機械構(gòu)件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動鏈長；減速器采用螺旋錐齒輪傳動，機械噪聲大；各減速器間采用傳動軸連接，須進行傳動軸臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計以避免系統(tǒng)振動；安裝、維修程序繁瑣，耗時較長。

針對上述情況，近年來直升機總體構(gòu)型及動力傳動系統(tǒng)形式呈多元化發(fā)展，尤其是輕小型電動直升機和無人機的出現(xiàn)，徹底改變了直升機動力傳動形式和總體構(gòu)型布局。目前，電傳動技術(shù)已在地面裝備上取得了成功應(yīng)用，如機動試驗平臺、履帶車輛、地面坦克、裝甲車、電動客車等，但在直升機螺旋槳驅(qū)動系統(tǒng)中的工程應(yīng)用仍處在概念探索、小范圍試飛、試驗測試階段，這主要是由于直升機螺旋槳系統(tǒng)對電傳動系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度、可靠性、安全性等有著十分苛刻的要求，在工程應(yīng)用上具體體現(xiàn)為尾槳電傳動方案的選擇和高密度驅(qū)動電機設(shè)計等難點問題有待解決。

圖1 傳統(tǒng)機械尾傳動系統(tǒng)

尾槳電傳動方案選擇

直升機上的發(fā)電機提供電能，電流經(jīng)電纜傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行整流，逆變成頻率可調(diào)的三相交流電供給直升機尾槳驅(qū)動電機系統(tǒng)，控制器根據(jù)指令控制功率電子裝置的輸出，實現(xiàn)直升機尾槳驅(qū)動電機起動、停止及調(diào)整轉(zhuǎn)速等功能，并可根據(jù)各系統(tǒng)工作狀態(tài)，實現(xiàn)顯示、報警及各種保護功能，如圖2所示。目前，根據(jù)驅(qū)動電機系統(tǒng)的不同，直升機尾槳電傳動方案大致可以分為電動直驅(qū)式構(gòu)型、電機帶動靜軸構(gòu)型和電機帶減速器構(gòu)型等3種。

在電動直驅(qū)式構(gòu)型中，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸與尾槳軸采用一體化設(shè)計，驅(qū)動電機承受尾槳氣動載荷，并將尾槳載荷傳遞至機體，完全省去了傳動軸、減速器等機械傳動部件，如圖3所示。這種構(gòu)型的突出特點是結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)效率高、安裝和維修簡單、總體布局靈活，給直升機總體布局帶來了極大便利。但由于直升機裝備對動力驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量、安全性、可靠性等要求十分苛刻，一般工業(yè)電機無法滿足直升機尾槳系統(tǒng)的使用要求，需要從直升機總體設(shè)計、電壓、電機電磁、電機散熱冷卻、控制策略、機電一體化集成設(shè)計等多方面優(yōu)化，才能實現(xiàn)超高功率密度驅(qū)動電機的設(shè)計。

在電機帶動靜軸構(gòu)型中，從改善電機直驅(qū)方案中的電機受載工況、降低電機殼體與軸承載荷、降低電機散熱與冷卻等的設(shè)計難度出發(fā)，電機輸出端采用動靜軸機構(gòu)與尾槳系統(tǒng)連接，如圖4所示。尾槳載荷由動靜軸機構(gòu)承擔并傳遞至機體，電機僅輸出扭矩，不承受尾槳載荷。該方案在電機輸出端增加了動靜軸機構(gòu)，帶來了附加的機械質(zhì)量，也增加了機械磨損環(huán)節(jié)。相比電機直驅(qū)方案，該方案中由電機所減輕的質(zhì)量，并不能彌補動靜軸機構(gòu)帶來的質(zhì)量增加。

在電機帶減速器構(gòu)型中，能在滿足尾槳低轉(zhuǎn)速的需求下提高電機的轉(zhuǎn)速，降低驅(qū)動電機的研制難度，如圖5所示。該方案雖提高了驅(qū)動電機功率密度，但在電機輸出端增加了行星減速器裝置，帶來了附加的機械質(zhì)量，也增加了更多的機械磨損環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)效率降低，同時還帶來了高速行星減速器干運轉(zhuǎn)、潤滑、維修、系統(tǒng)動力學等多方面的技術(shù)難點，系統(tǒng)成本較高。

圖4 電機帶動靜軸構(gòu)型

圖5 電機帶減速器構(gòu)型

對上述3種直升機尾槳電傳動方案進行對比分析，可以得到如下幾個結(jié)論：采用低速大扭矩電機直接驅(qū)動尾槳的直驅(qū)式傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于傳動鏈短、安裝維修方便、系統(tǒng)效率高；采用電機帶動靜軸電傳動方案，雖然降低了電機設(shè)計難度，但增加了動靜軸機械構(gòu)件質(zhì)量，也增加了機械磨損環(huán)節(jié)；采用高速電機帶減速器的混合電力-機械傳動方案，雖然極大地提高了電機功率密度，電機研制難度小，但增加了高速減速器裝置，相比傳統(tǒng)的尾傳動系統(tǒng)僅相當于用驅(qū)動電機代替了尾傳動軸組件，且系統(tǒng)質(zhì)量遠比傳統(tǒng)的機械尾傳動系統(tǒng)大，同時，所增加的高速減速器裝置存在潤滑、散熱、振動等多方面關(guān)鍵技術(shù)，增加了直升機尾槳驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)風險?；谏鲜龇治?，采用電機直接驅(qū)動尾槳的直驅(qū)式傳動結(jié)構(gòu)應(yīng)是新型電動直升機尾槳電傳動形式的首選。

高密度驅(qū)動電機關(guān)鍵技術(shù)分析

采用電機直接驅(qū)動尾槳的直驅(qū)式傳動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電機必須具備體積小、密度高、效率高、可靠性高等特點。同時，由于尾槳轉(zhuǎn)速較低，電機轉(zhuǎn)速受到限制，上述因素對電機設(shè)計提出了非常高的要求。

與直流電機、異步電機、開關(guān)磁阻電機等其他類型的電機相比，永磁同步電機具有功率密度高、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，配合高性能的矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，永磁同步電機能實現(xiàn)大范圍調(diào)速、快速動態(tài)響應(yīng)和高精度定位控制，轉(zhuǎn)矩脈動低，具有理想的伺服驅(qū)動性能。因此，從提高電傳動系統(tǒng)整體的高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單性、效率、可靠性和控制性能等方面綜合考慮，永磁同步電機應(yīng)是直升機尾槳電動直驅(qū)系統(tǒng)的首選。

驅(qū)動電機工作過程中，負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、尾槳載荷等在較大范圍內(nèi)變化，這種工作包括經(jīng)常性的過載，其值遠遠超過電機額定負荷，對電機的瞬間爆發(fā)力要求很高。因此，尾槳驅(qū)動電機是一個復(fù)雜的機電耦合系統(tǒng)，其內(nèi)部包含了4種相互聯(lián)系、相互耦合的物理場：應(yīng)力場、電磁場、溫度場以及流體場，如圖6所示。在這種情況下，要最大限度地發(fā)揮永磁同步電機的優(yōu)勢，則需要處理好以下幾個關(guān)鍵問題。

圖6 尾槳驅(qū)動電機多物理場耦合關(guān)系

電機電磁方案

由于直驅(qū)尾槳電機轉(zhuǎn)速低，而且受空間的限制，轉(zhuǎn)子的極數(shù)有限，使得電機的輸出頻率較低，這對變流器的設(shè)計有較大影響，因此，需要在兼顧電磁性能、質(zhì)量、體積和成本等技術(shù)指標的同時，盡量采用較高的極數(shù)。采用分數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)的電機與一般整數(shù)槽繞組電機相比，可以獲得較高的功率密度。

在電機安裝空間受限、定子鐵芯外徑一定的情況下，極數(shù)越高則每極磁通越小，因此，定轉(zhuǎn)子鐵芯軛部較薄，可減少材料用量，從而達到減輕質(zhì)量的目的。但是，極數(shù)越高，電機的基波頻率越高，為了維持較好的正弦波電流波形，需要增加控制器的開關(guān)頻率，控制器損耗增大，技術(shù)難度增加。對于分數(shù)槽集中繞組電機來說，繞組磁動勢的低次諧波含量豐富，在表貼式轉(zhuǎn)子的磁鋼中會產(chǎn)生較大的渦流損耗，相比之下，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁鋼受諧波的影響較小。

綜上所述，在裝機空間一定的條件下，電磁方案應(yīng)考慮在有限空間內(nèi)盡量選取極對數(shù)較高的槽極組合、采用低磁勢諧波的分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，達到提高電機功率密度的目的。

電機散熱問題

尾槳驅(qū)動電機電磁負荷較高，電機定子組件須采用液冷的方式，根據(jù)電磁計算結(jié)果，專門設(shè)計冷卻流道，結(jié)合泵的參數(shù)范圍和冷卻效果合理選擇流速和流量。根據(jù)流道的結(jié)構(gòu)，一般分為軸向往復(fù)流道、周向環(huán)形流道和周向螺旋流道等，各種流道結(jié)構(gòu)在流阻、流動狀態(tài)、換熱系數(shù)以及散熱效果存在一定的差異，并且加工工藝的要求也不同，流道的設(shè)計需要同時考慮系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)直升機功率譜和載荷譜，尾槳驅(qū)動電機工作時的工況狀態(tài)復(fù)雜多變，在大多數(shù)功率狀態(tài)下，屬于電機額定狀態(tài)以內(nèi)的工況條件，電機在正常冷卻條件下可穩(wěn)定工作，而對于特殊情況下出現(xiàn)的極限大功率工況，電機溫度將急劇上升，因此尾槳驅(qū)動電機繞組須選用耐受溫度高的絕緣等級，永磁體材料須選用熱穩(wěn)定性好的材料，保證直升機包線內(nèi)的各工況條件。同時，可充分利用尾槳轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的軸向氣流對電機進行輔助散熱，提高電機散熱效率。

電機退磁分析

作為直升機尾槳直驅(qū)用的電動機，可靠性要求非常高，一旦電機故障，將導(dǎo)致尾槳的失控，從而造成災(zāi)難性事故。永磁同步電機采用永磁體進行勵磁，必須考慮最惡劣的工況，進行永磁體退磁分析評估。

永磁體的退磁狀態(tài)取決于磁密在充磁方向的分量大小和方向，計算永磁體退磁狀態(tài)的關(guān)鍵在于確定永磁體的最小工作點。將永磁體各點磁密沿磁化方向的投影值作為對應(yīng)點的工作點，以表示永磁體對應(yīng)點的運行狀態(tài)，利用該方法可得到永磁體各點的工作點，其中的最小點即是永磁體的最小工作點。如果某點的工作點低于退磁曲線的拐點磁密值，該點的永磁體將會發(fā)生局部不可逆退磁，此方法可以更好地反映永磁體的退磁情況，能更好地判斷永磁體是否發(fā)生局部不可逆退磁。

驅(qū)動電機控制策略

目前，永磁同步電機的高性能控制技術(shù)主要有磁場定向矢量控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。兩種技術(shù)分別建立在轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的控制基礎(chǔ)上，針對電動機的轉(zhuǎn)矩進行高性能閉環(huán)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的最大特點是其轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)的快速性，但其電動機轉(zhuǎn)矩的紋波系數(shù)、轉(zhuǎn)矩脈動等相較于磁場定向矢量控制技術(shù)存在劣勢，這種差異在各個轉(zhuǎn)矩區(qū)間都存在?？紤]尾槳在絕大多數(shù)條件下的工作工況是穩(wěn)定的，穩(wěn)態(tài)工作時追求的目標是獲得穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩，避免轉(zhuǎn)矩脈動造成的尾槳振動加大，這種狀況下選擇磁場定向矢量控制的控制方式更具備優(yōu)勢。

結(jié)束語

從提高直升機尾槳電傳動系統(tǒng)整體的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單性、效率、可靠性和控制性能等方面綜合考慮，采用永磁同步電機直接驅(qū)動尾槳的直驅(qū)式傳動結(jié)構(gòu)應(yīng)是新概念電動直升機尾槳電傳動形式的首選。要使這種傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，則需要在永磁同步電機的電磁方案、散熱問題、退磁分析和矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)上加大研究力度。