多电飞机是在20世纪末被提出的，多电就是将飞机上的原本由液压和气压驱动的机械装置转为电驱动，用电能逐渐代替液压能和气压能如图1。因此飞机上伺服电机、调速电机的使用范围越来越大，同时飞机上的电子设备的功率需求也在不断提高，客机以波音的B787飞机为代表，发电总功率达到了1.4MW，战斗机以F-35“闪电”为代表，发电总功率为峰值240kw。
图1 传统飞机与多电飞机的对比
传统上飞机使用活塞发动机或燃气涡轮发动机作为动力系统，但是活塞发动机和燃气涡轮发动机均存在能量转换效率极限，目前最先进的燃气涡 轮发动机对燃料能量的利用率仅约40%。而对于电推进飞机，从电能到推进功率的转化率能够超过70%，可见电推进技术具备相当的现实意义。
电推进飞机的发展有两条路线。小型飞机能够直接使用电池作为电能来源，使用电动机作为动力来源，从而消除污染排放，大幅降低 噪声水平，同时降低飞行过程中的能量消耗水平如图2。大型飞机仍然需要使用燃气涡轮发动机，以确保其航程和载重，但可以通过在推进系统中引入电动机如图3，形成混合动力系统有效改善整个动力系统的排放性能和燃油消耗水平。
电推进技术是继飞机二次能源统一为电能之后，飞机动力系统电气化的高级阶段与重要发展方向，航空电动机完全取代航空发动机，有望突破传统飞机发动机能量转换效率极限，改善飞机飞行性能的同时降低燃油消耗水平和污染排放，是动力系统的深刻变革。
什么样的航空推进电机是未来航空需要的电机，一直是从事这个行业的我们在思考的问题，接下来一段时间我们会从不同角度讨论这个问题，希望可以抛砖引玉，与从业者们一起讨论，共同进步。
未来的航空电推进是集中式电推进还是分布式电推进
首先什么是集中式电推进和分布式电推进，集中式电推进就是用航空电推进电机等功率替换原有的内燃机发动机，发挥电动机同功率下体积小、重量轻、能量转换效率高的优势，而且由于对飞机本身改变较小，可以在原有飞机的适航基础上进行动力更换适航。分布式电推进就是把原来的一个大功率电机转化成多个小功率电机。
迈吉易威团队认为，分布式电驱动会比集中式电驱动更有未来。主要是从以下几个方面考虑：
1.从电机的效率角度看
电机损耗中存在恒定损耗，这类损耗与电机的材料、工艺、结构设计、转速等相关而与负载无关，比如铁芯损耗、风摩损耗和轴承损耗，往往功率大的电机会比功率小的电机效率会提高1%-2%。总的来说电机与内燃机不同，电机的效率与尺度和负载相对无关，小电机比大电机相比，效率不会有大的区别。
2.从电机的效率角度看
在转速变化不大的情况下，电机的扭矩正比于电磁材料的质量，又由于电磁材料的密度变化不大，于是对于直驱的航空电推进电机，电机的功率就会正比于电机的体积。而电机的散热是依靠电磁材料的外表面去进行散热的，电机在散热条件不变的情况下，电机的散热能力正比与电机的表面积。假设电机恰好是一个边长是a的正方体，这个正方体的体积等于a3,表面积等于6a2,随着a变大电机的效率保持不变，电机的发热能力正比于a3，散热能力正比于a2。电机发热量的增速是大于电机散热能力增速的。因此集中式驱动和分布式的航空推进电机，在功率差不多的情况下往往双方的电磁材料质量差不多，但是集中驱动的航空电机需要更多的成本和重量来强化散热。
3. 从飞机的气动角度看
机翼同一般物体相似，也有摩擦阻力和压差阻力。对于机翼而言，这二者合称“翼型阻力”。机翼上除翼型阻力外，还有“诱导阻力”。这是机翼所独有的一种阻力。因为这种阻力是伴随着机翼上升力的产生而产生的。升力的产生来源于机翼上、下表面的压强差，即下表面的压强大于上表面。翼尖附近的气流在压差的作用下会由下向上绕，这样既减小了升力，又产生了阻力，这就是诱导阻力。因为空气黏性，翼尖涡流的强度，靠近翼尖附近强度最大，越往机翼中心，下洗越弱，相应的诱导阻力越弱。大展弦比机翼，整块机翼受到翼尖涡流的影响，比起小展弦比受到的影响相对要轻，所以大展弦比的机翼诱导阻力要小。
现实中的飞机受限于结构强度，无法使用展弦比过高的机翼，而采用分布式驱动的电推进飞机，由于每个电机的重量都不大，可以均布在大展弦比的机翼上，X57飞机就是更换了分布式电驱动改用了高展弦比机翼。同时分布式的布局可以进一步减少飞机的诱导阻力，在X57飞机的地面实验中，分布式螺旋桨可显著加大机翼表面的来流速度与动压，当升力电动机输出功率为225kW时机翼能够产生传统推进装置相同功率下2倍的升力，进而使得X57拥有更多的升力冗余和更短的起飞距离。
4. 从电机的生产角度看
电机由于零件数少，结构简单，规模化的生产大幅降低了电机的制造成本。尺寸小的电机重量轻，模具和工装夹具尺寸小成本低，相比大尺寸的电机的产线成本更低。因此分布式驱动的航空推进电机相比集中式的航空推进电机更借助规模优势降低成本，为了达到相同总功率，分布式的小功率电机往往比集中式的大功率电机综合成本更低。
5. 从飞行的安全冗余角度看
电机的过载能力很强，单台电机发生失效，可以通过其他电机的过载工作来弥补损坏电机的推力损失。同时依靠分布式电推进的推力差动或者矢量控制，可以进一步实现部分飞机舵面的功能和冗余。分布式驱动的飞机在安全冗余性上比集中驱动的飞机具有压倒性优势。
未来的航空电推进是螺旋桨推进还是电涵道推进
无论是螺旋桨还是电涵道，都可以视作对空气做功，使其加速，对空气的反作用力就是推进器的推力。螺旋桨推进桨盘面积大，相应的推进力效就高，力效高就意味着每千瓦的功率产生的推力就更大。螺旋桨的力效在3.5-7kg/kw，电涵道的力效在1.5-3kg/kw,对于追求以更小功率实现垂直起降的eVTOL飞机来说，螺旋桨在起飞阶段更加合适。采用了螺旋桨的垂直起降飞机所需的功耗往往不到采用电涵道飞机的一半，因此迈吉易威团队认为，只要大家还在追求垂直起降，并且电池技术无法快速突破，那么电动螺旋桨的推进形式就是当前的最优选择。
但是我们并不认为电涵道没有未来，电涵道的横截面积更小，平飞阻力更低，并且体积小可以布置更多的动力单元，实现更充分的分布式驱动。电机的需求从电动螺旋桨电机的低速高扭转向了高速低扭，电机可以做到更加小巧。电涵道的外面有包裹机壳，可以布置降噪的声衬和补强的碳纤维，在噪声和安全上比螺旋桨推进更具优势。我们认为在更远的未来，电涵道会是更适合航空电推进的推进方式。
未来的航空电推进是轴向磁通电机还是径向磁通电机
轴向磁通电机因磁场是沿着轴向分布而得名，同理径向磁场电机的磁场就是沿着径向分布如图。在同体积下，轴向磁通电机的磁场作用面积更大，因此轴向磁场电机的扭矩密度和功率密度更高，从电磁性能上看，轴向磁场电机更加适合航空电推进。
但是对于evtol而言，无论是 全倾转还是复合推进，螺旋桨都会产生巨大的轴向力和弯矩。轴向磁通电机的气隙是一个平面，在承受轴向力和弯矩时都会导致气隙扭曲，甚至发生结构失效，为了强化结构，就需要一套相当强壮的轴承系统，为此则需要付出更多的结构重量。除此以外，轴向磁通电机的散热以及工艺问题都是制约其发展的固有难题，这类电机在未来很难通过严苛的适航论证。
未来的航空电推进是采用哪种软磁材料
如今电机所用的软磁材料采用主要有晶体材料、非晶材料、纳米晶体材料，考虑到应用成熟度，依然是晶体材料成熟度高。对于一种软磁材料主要看它的饱和磁感应强度Bs和矫顽力Hc,Bs主要决定了电机的磁场强度，磁场强度越强就意味着电磁能力越强，就越能在小体积下实现高性能。Hc决定了铁芯的磁滞损耗，Hc越低，电机的交流铁损就会越低，电机的效率就会做的越高。因此，在航空推进电机追求高功率密度和高扭矩密度的情况下，只要能解决铁损较大带来的散热问题，高饱和磁密的晶体软磁材料是最合适的，其中以钴铁合金最为性能出众。
未来的航空电推进是直驱还是齿轮减速
这个话题其实我们团队内部也有些争议，虽然大多主机企业采用了直驱螺旋桨的技术方案，但也有一些头部主机企业选择高速电机+减速传动驱动螺旋桨。迈吉易威的地面业务主要做分布式电动轮（低速大扭矩驱动的典型应用），具有相对较强的齿轮设计能力和电机/行星排集成设计能力，但是基于国内材料、热处理以及相应的检测条件，确实很难草率地评估减速器失效风险。而减速器断齿或会造成瞬间堵转，减速器壳体乃至桨毂和桨叶结构强度恐难以承受突发堵转冲击，毕竟高能非包容性破片产生的飞行安全损害难以估量。
未来的航空电推进是风冷电机还是油冷电机
Joby就是按照这个思路做出了超高扭矩密度的油冷外转子电机，该电机集成了电机本体、控制器、风扇和油泵电机以及散热器如图。
首先电机的定子用聚醚醚酮（Peek）材料包裹并通油进行冷却降低了系统热阻，然后均温油液来到电机后部的管带散热器进行散热，最后，在电机的内部另外布置小型高速电机，利用它同时驱动高速风扇和油泵提高换热系数和系统热阻。理论上只要这台高速电机转的足够快，电机的热都可以被散掉。这套方案如果说有什么缺点，那就是为了高度集成，电机内大量采用3d打印件，很难对该电机进行大规模商业化量产。并且油路存在失效泄漏并且导致燃烧的风险，在未来的适航认证过程中会是极大的不利因素。
不管怎么说这套方案集成度高，结构紧凑，展现了新兴科技公司的创新能力，与之相对的是老牌航空动力公司赛峰的航空推进电机。这台电机采用全风冷系统，利用轴带的风扇对电机自身表面的翅片进行散热，散热能力相比Joby的电机逊色许多，所以该电机只能增加电磁重量提高效率来降低散热需求。虽然在功率密度上赛峰的这台电机只有joby航空推进电机的一半不到，但是赛峰考虑的可能更加长远。这种结构简单的风冷电机具有部件少、工艺成熟、可靠性高的特点，在未来的适航认证和商业化量产都会更具优势。
对于Joby来说，由于缺乏自身造血能力，选择剑走偏锋，用更高的性能指标来赢得投资人的青睐。而赛峰是行业巨头，这个行业的理解更加深刻，如果无法通过适航无法大规模生产，这样的产品对于赛峰是没有意义的。
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