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摘  要  飞机电气化被认为是飞机机电系统与动力系统融合的重大革新，已经成为航空技术发展的重要方向。其中航空电机发展将直接影响到未来飞机各个系统的运行，多电／全电飞机的应用及研发，电能逐渐替代传统能量成为未来的发展趋势，因此航空电机的发展过程是我们重点研究的对象。

关键词  飞机电气化；航空电机；多电飞机；全电飞机

0 引言

进入2１世纪以来，多电／全电飞机应用及研发，电能逐渐替代液压能和气压能，因此原来由液 压和气压驱动的机械装置转为电驱动，调速电动机、伺服电动机的应用不断扩大，电能的用途得到了极大的拓展，航空电机系统在多电／全电飞机上逐步代替原有的液压作动机构等，在电推进飞机上提供大功率的推进能量。航空发电机系统满足飞机用电设备大容量、高可靠的电能需求。因此由航空电动机系统和发电机系统构成的现代航空电机系统是支撑飞机电气化发展的重要基础。

1 航空电机的发展历程

航空电机是飞机电源系统的重要部件，是现代飞机上主要供电设备。航空发电机经历了直流发电机、有刷同步发电机、三级式无刷同步发电机的发展过程。飞机采用的发电机分为直流和交流两大类，分为：直流发电机、交流无刷发电机、直流无刷电机、永磁发电机。工作原理与工业用电机相同。飞机发电机的主要特点是：工作在高空、高速、冲击等恶劣的环境条件下；由转速变化范围很大（2：1）的航空发动机来传动；为减小重量功率比而采用更有效的冷却系统和优质材料。

在早期活塞式发动机驱动的中小型飞机上采用直流发电机做为飞机的主要电源，现代的中小型涡桨飞机和涡轴直升机依然广泛使用航空直流发电机作为飞机的主电源。航空直流电机大多是低压有刷电机，有刷电机须使用特殊的航空电刷，额定电压常为28.5伏，转速变化范围为4000～9000转/分。与工业用电机相比，转速高，材料性能好，体积小，重量轻。。

大中型民航客机或货机，由于用电量的增加，开始使用交流发电机作为飞机的主电源，并从早期的有刷式交流发电机发展到现在广泛应用的无刷交流发电机。

现代飞机广泛应用的是旋转整流器式无刷交流发电机，由永磁副励磁机向激磁机提供励磁，再由激磁机经过旋转整流器向主发电机提供励磁实现无刷结构下的交流输出。为了减少体积重量，60年代后出现了循环油冷却和喷油冷却发电机。喷油冷却克服了循环油冷却时冷却油不能直接与发电机发热部分相接触的缺点，将滑油变为油雾直接喷到电机绕组端部和旋转整流器等发热部位，冷却效果更好。并通过滑油对轴承润滑的改善而能采用较高转速（如12000转/分），有效提高发电机的功率重量比。

2 航空电机系统结构及工作原理

2.1航空直流电机系统

2.1.1直流电机主要结构

航空直流电机可以分为直流发动机与直流电动机，其两者功能不同但结构基本一致。如图1所示，航空直流电机在整体上可以分为两大主体：定子（静止部分）与转子（运动部分）。直流电机的定子部分主要放置电刷装置与磁极，并且作为电机整体的机械支撑部分，包括主磁极，换向极，电刷装置，机壳、机座等。转子部分一般称为电枢，主要由电枢铁芯，电枢绕组，换向器，转轴组成。

2.1.2直流发电机工作原理

直流发电机是把机械能转化为直流电能的设备。它主要作为中小型涡桨飞机和涡轴直升机的主电源，为飞机上的直流设备如直流电动机、航空蓄电池等提供所需电能，并能通过逆变器将输出的直流转换为交流为飞机上的交流设备提供交流电。直流发电机的电势波形较好，电磁干扰较小、但由于存在换向器，其制造、维护复杂，价格较高。

直流发电机的工作原理如图2所示，直流发电机的电枢线圈abcd通过飞机发动机附件齿轮箱的驱动旋转，与发电机内部的励磁磁场产生相对切割产生如右侧波形图所示的近似正弦交流信号，通过电刷和换向器的换接作用将正弦交 流信号转化为如左侧波形图所示的直流脉动信号，实际直流发电机中通过增加电枢绕组的数量实现直流发电机输出直流信号的平滑稳定。

2.1.3直流电动机工作原理

直流电动机的结构基本上与直流发电机相同。直流发电机将机械能转换为直流电能，而直流电动机则将直流电能转换成机械能。如果把一个合适的直流电压跨接在发电机的电压输出端，就可以把一个直流发电机改装成一个直流电动机。

2.2航空交流电机系统

2.2.1航空交流发电机的组成及原理

现代大型飞机大都采用无刷同步交流发电机作为主电源，无刷同步发电机又分为三级式和两级式。如图3所示：三级式航空无刷同步发电机由永磁式副励磁机、交流励磁机、旋转整流器、主发电机等组成。在无刷同步发电机的转子上，安装着永磁式副励磁机的永磁转子、主励磁机的三相电枢绕三相旋转整流器、主发电机的励磁绕组；在定子上安装副励磁机的的三相定子绕组、主励磁机的励磁绕组组。主发电机的三相电枢绕组。当航空发动机带动转子旋转时，永磁式副励磁机的永磁转子产生的磁通，永磁式副励磁机的三相定子绕组中、产生三相感应电动势。永磁式副励磁机定子绕组产生的三相交流电经调压器变压整流后，供给交流励磁机励磁绕组所需的直流电。交流励磁机三相电枢绕组产生的三相交流电经同轴安装的三相旋转整流器整流后，供给交流发电机励磁绕组所需的直流电。交流发电机三相电枢绕组就可以产生用电设备所需的三相交流电。调压器根据主发电机的电压变化调整交流励磁机的励磁电流，来保证主发电机输出负载所需要的恒定电压。永磁式副励磁机的转子采用永磁式，可以保证主发电机不会失磁；

电网短路时，永磁式副励磁机仍能提供保护装置所需的电源，同时，因永磁式副励磁机以及交流励磁机都仍能正常工作，可以使交流发电机产生足够大的短路电流，以使保护装置能可靠地把交流发电机从电网断开，所以该航空同步发电机具有强行励磁能力。

两级式无刷同步发电机由交流励磁机、旋转整流器、主发电机等组成。两级式无刷同步发电机通过将主发电机输出的三相交流电經经调压器整流后供给交流励磁机的定子励磁绕组，这样就省去了永磁式副励磁机，减小了电机的体积和重量。

2.2.2航空交流电动机的组成及原理

在飞机上，三相交流异步电动机广泛的运用于燃油，滑油，冷却，操作等等各个系统以及各种机构的驱动中。异步电动机由定子、转子和气隙等组成。转子按其结构可分为笼型和绕线型两种，飞机上普遍采用的笼型转子，如图4所示。异步电动机的定子铁心中嵌放有三相对称的定子绕组，给定子绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场。转子绕组的导体处于旋转磁场中，转子导体切割磁力线，产生感应电动势，转子导体通过端环形成闭合回路，因此转子绕组中通过感应电流。转子绕组中的感应电流与定子绕组中的旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，驱动转子旋转。

3 航空电机在民航飞机上的应用

航空电机在民航飞机上的应用和发展与飞机电源系统的发展密不可分，在20世纪飞机发展初期，最早应用到飞机上的是直流发电机，其额定电压由6 伏、12 伏，逐步发展为28 伏的低压直流电源系统，低压直流电源系统由直流并励发电机、电压调节器、反流切断器和过电压保护器等构成。额定电压为28.5 伏，额定功率有3、6、9、12 和18 千瓦等数种。并由变流机把低压直流电变换为交流电提供给交流设备使用。低压直流电源系统作为中小型涡浆飞机和直升机的主电源一直沿用至今。

随着飞机发动机由活塞式、涡桨式发展到涡扇喷气式发动机，飞机的用电量也越来越大，直流发电机由于体积重量的限制已经无法满足飞机的用电需求，交流发电机逐渐成为飞机的主要电源。一些中小型通航飞机利用飞机发动机通过减速器直接驱动交流发电机，这种电源系统称为变速变频交流电源系统，早期使用的都是有刷式同步交流发电机。现代大中型民航客机普遍采用的利用发动机通过恒速传动装置（CSD）驱动交流发电机，这种电源系统称为恒速恒频交流电源系统。并且在20世纪50年代得益于旋转整流器的发明，飞机上的交流发电机实现了无刷励磁，民航飞机上普遍采用无刷同步交流发电机作为飞机上的主要电源。如B747、B757、B767、A320、A330等飞机均采用三级式无刷交流发电机，B737等飞机采用两级式无刷交流发电机。

4 航空电机的发展和展望

随着现代电子器件、大规模集成电路和稀土永磁材料的发展，变频交流电源系统以及270V高压直流电源系统以其结构简单，体积小重量轻，电能转换效率高等优点，成为未来飞机电源系统的发展趋势，并提出了多电飞机甚至全电飞机的概念。空客A380被公认为是第一款真正意义上的多电飞机，到了波音B787多电的理念更是被广泛用于飞机各个系统的设计、生产。在787上电力驱动代替了传统的气动和部分液压系统，主电源输出230V/400V的交流电压，通过转换可以得到270V的高压直流和115V/28V的常规航空交流和直流电压。电源系统的控制、调节和保护主要采用微处理器，极大提高了系统的稳定性和可靠性。

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。 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变频交流和高压直流的方式，这样可大大减轻电网重量，也使得用电更加安全。 目前，无论在交流电源系统和高压直流电系统中， 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，成为了多电飞机主电源的研究和发展的方向。

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作者简介：吴振远，（1972—），男，黑龙江省鹤岗人，硕士研究生，研究方向：飞机机电设备维修，控制理论的研究；