磁场调制型航空发动机高功率密度电机系统

主要完成人：曲荣海、李大伟、孔武斌、方海洋、范兴纲、梁子漪

航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，是国家战略重器和国防科技战略核心，也是我国当前最受重视的、亟待突破的核心技术之一。电机系统在传统发动机应用中主要负责少量作动和飞机供电，以往并未受到重视。但自上世纪90年代以来，国外服役的发动机电功率倍增，超大功率供电赋能大型民航客机机载能源利用的高效清洁化，同时有利于多电化战机机动性和任务航时的提升。而对于传统发动机，其机械液压系统复杂，存在上千根管路，“跑冒滴漏”故障风险极大，次生故障重者导致机毁人亡，给维护和安全带来巨大挑战。为解决上述问题，航空发动机电气化成为发动机的重大变革和发展方向；多电航空发动机技术也成为中国航发的战略攻关方向和我国“两机专项”重点布局方向。然而，航空发动机对电机的体积重量限制极为严苛，功率密度通常达到电动汽车驱动电机的5倍以上。同时，航空发动机电机的运行环境温度高，冷却条件恶劣，难以满足超高转矩密度电机的冷却需求，进而无法实现对机械液压伺服系统的原位替代。因此，航空发动机电机系统技术能否成功突破其功率密度上限对提升航空发动机的功重比、可靠性和续航里程具有重大意义。

2017年以来，我校电气学院曲荣海教授团队针对电机功率密度上限问题进行理论探索，从电磁理论创新出发，建立“多工作谐波磁场调制电机系统”这一自主的全新路线（图1），打破传统电机单谐波工作的固有模式，实现了航空发动机伺服电机系统关键技术的突破（图2）。团队提出了多工作谐波共励下高功率密度拓扑定向构造技术，突破冷却受限、材料近限下，功率密度难以大幅提升的技术瓶颈；开发了抗干扰耐高温系统一体化技术，实现控制器深度结构融合与复用设计，形成高效隔热“微环境”，系统耐温提高40℃左右；研发了高性能驱动控制技术，提出控制参数在线整定和传动参数辨识算法，系统行程位置精度提高10倍以上。

图1：多工作谐波磁场调制电机系统技术路线

图2：新一代航发电机系统关键技术突破

基于上述关键技术突破，团队自2022年1月以来研发了系列高功率密度航空发动机电机系统产品，应用于国际首台磁性回中式电液伺服阀，将寿命从“次数”提升至“年数”，关键指标超过国外的同类产品，国际上首次实现无接触回中，大幅降低加工制造难度与维护成本，阀门使用寿命实现数量级提升，具有很好的工程应用价值，对于国产航空发动机核心零部件自主知识产权具有重要意义。团队研发出我国首套电动燃油泵电机并装备于高超音速装备，功率密度是当前已公开资料中功率密度最高的电动燃油泵电机系统，超过西门子最新航空电机SP260D系列。2022年以来，团队研发了多型电机/控制器并装配于发动机中，顺利实现验证目标，标志着我国多电分布式发动机控制系统从无到有跨越式发展取得阶段性突破。

航空发动机此前是我校电气学科的空白领域，在没有相关研究基础和环境情况下，团队于2017年开始研发第一个航空发动机电机系统。经过五年时间，团队与航发集团合作项目超过20项，使得团队在短短几年时间内突破多项关键核心技术，研制出十多款航发高参数电机系统，并在多款航空发动机中应用或完成高空台试验。尤其是团队研制出的百kW燃油系统，其电机功率密度为已公开资料中同功率等级中功率密度最高的电机，极大促进了电机学科的发展。

团队取得了系列创新成果。2022年我校与航发动控所的联合技术中心成为中国航发集团首批（十家）集团级联合中心之一，使得我校在下一代多电航空发动机研究方面拥有领先科研平台；2023年8月，我校受邀参加航空发动机产学研融通创新大会；成功中标中国航发混动型商用发动机兆瓦级电机系统，助力国产兆瓦级混合动力系统的研发等。上述成果成为了我校与科研单位联合申报国家重点实验室的基础，使得我校得以作为国家战略科技力量在航空发动机研究方面不断作出贡献。