功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

關(guān) 棟，楊小輝，劉 更，馬尚君，佟瑞庭

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

隨著未來(lái)飛行器和武器裝備全電化的發(fā)展趨勢(shì)［1］，功率電傳［2-3］作動(dòng)系統(tǒng)將成為飛控系統(tǒng)新型舵面執(zhí)行機(jī)構(gòu)。功率電傳是指飛行器的功率從次級(jí)能源系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)線以電能量方式傳至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要形式有兩種:電動(dòng)靜液作動(dòng)器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)和機(jī)電作動(dòng)器(Electro-Mechanical Actuator，EMA)。與傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)系統(tǒng)相比，功率電傳系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)提高戰(zhàn)傷生存能力;

(2)改善飛機(jī)的飛行品質(zhì);

(3)提高飛機(jī)的可維護(hù)性;

(4)降低對(duì)地面保障設(shè)施的要求;

(5)利于實(shí)現(xiàn)隨控布局設(shè)計(jì);

(6)避免由于液壓油泄漏造成火災(zāi)的可能性。

此外，功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、可靠性高、效率高、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、減小易攻擊機(jī)身面積等優(yōu)點(diǎn)［4］。

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)在飛行控制技術(shù)中將是一個(gè)主要的技術(shù)突破口，高性能的電機(jī)設(shè)計(jì)、制造及其控制技術(shù)又是功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)［5］。隨著飛行器多電化與全電化的發(fā)展趨勢(shì)，功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)將逐步替代傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)使得飛機(jī)采用電能作為二次能源。由于高性能永磁材料和功率電子學(xué)的發(fā)展，發(fā)展功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)將成為可能［6］。

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)特別是稀土永磁電機(jī)除了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)［7］以外，還具有響應(yīng)快、便于實(shí)現(xiàn)多余度控制等特點(diǎn)，因此更適合于對(duì)性能、體積、重量、速度有特殊要求的航空領(lǐng)域。

1 稀土永磁電機(jī)在功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

稀土永磁電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)稀土永磁材料具有較高的磁能積。輸出功率相同的情況下，電機(jī)的質(zhì)量可減少30%;體積相同時(shí)，功率可增大50%。而在現(xiàn)代航空飛行器的設(shè)計(jì)中，首先要考慮的兩個(gè)問(wèn)題就是設(shè)備的重量和體積。

(2)剩磁Br大，能獲得較高的氣隙磁通密度。氣隙磁通密度的增大可以進(jìn)一步減小電機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸，從而獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。

(3)高矯頑力Hc能夠降低退磁風(fēng)險(xiǎn)。磁鋼可以加工成不同形狀，滿足轉(zhuǎn)子外形設(shè)計(jì)成不同的形狀要求，以適應(yīng)于高速運(yùn)行的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)需要。

(4)熱穩(wěn)定性好(主要指稀土釤鈷)。電機(jī)工作可靠，無(wú)最低工作溫度極限，最高工作溫度可以達(dá)到250℃。

(5)稀土永磁材料擁有比較優(yōu)越的力學(xué)特性，故其能較好地工作在振動(dòng)、沖擊負(fù)荷比較大的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中。

(6)便于計(jì)算機(jī)精確控制。電機(jī)便于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確操控，以便更好地發(fā)揮飛機(jī)的整體性能。

由于電工電子技術(shù)、控制策略與方法、電機(jī)理論的發(fā)展，材料加工技術(shù)逐步完備，功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用稀土永磁電機(jī)的性能必將在原有水平上不斷提高［8-11］。

上世紀(jì)末，美國(guó)對(duì)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用電機(jī)的進(jìn)行了一系列的研究與開(kāi)發(fā)。它們采用高性能的釹鐵硼作為磁性材料制備了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并將其作為電動(dòng)靜液作動(dòng)器的動(dòng)力源。此電機(jī)為高壓、直流供電，并應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)控制器采集飛控計(jì)算機(jī)所發(fā)出的控制指令，采用三通道舵回路系統(tǒng)伺服放大器對(duì)信號(hào)處理、傳輸，經(jīng)放大后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器并實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面的驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)飛行的自動(dòng)控制。

目前，作為功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的稀土永磁電機(jī)主要有三種:有刷直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，而且都有比較廣泛的應(yīng)用。印度一般采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，美國(guó)采用有刷電動(dòng)機(jī)及無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)較多，國(guó)內(nèi)則主要采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)［12］。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因不采用電刷進(jìn)行機(jī)械換向而將壽命由傳統(tǒng)的幾百小時(shí)提高到1 000～2 000 h，可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速、增加可靠性和降低重量而且便于實(shí)現(xiàn)余度控制。因此被公認(rèn)為飛控系統(tǒng)最有發(fā)展前景的一類電機(jī)。

西北工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計(jì)與仿真研究所正在研制2 kW、18 000 r/min的飛控系統(tǒng)用無(wú)槽無(wú)刷稀土永磁電機(jī)。該電機(jī)與傳統(tǒng)的有槽電機(jī)相比，效率高、功率密度大、過(guò)載能力強(qiáng)且運(yùn)行平穩(wěn)。

2 功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用稀土永磁電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高性能的新型材料

要發(fā)展大功率、高集成、安全可靠的一體化功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)，需要研究和解決高性能永磁材料、大功率半導(dǎo)體器件、微處理器、稀土永磁電機(jī)設(shè)計(jì)制造等技術(shù)［13］。

2.1.1 高性能稀土永磁材料

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)一直未能成為飛控系統(tǒng)舵面的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要的原因之一就是高性能的永磁材料的缺乏。新型永磁材料將進(jìn)一步減輕作動(dòng)系統(tǒng)的重量［14-16］、提高其性能，還能改善由于高溫、閃電、電磁脈沖等強(qiáng)磁場(chǎng)引起的失磁作用［17］。在高溫或低溫的情況下稀土永磁材料的特性將會(huì)發(fā)生變化。一般情況下磁鋼的工作溫度不超過(guò)105℃，最高不超過(guò)150℃［18］。而國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出150 W、3 000 r/min、工作在200～300℃高溫的三相四極稀土永磁電機(jī)，其直徑105 mm、長(zhǎng)145 mm。電機(jī)采用高溫特性好的稀土材料Sm2Co7磁鋼以及金屬和陶瓷系的無(wú)機(jī)材料為主的結(jié)構(gòu)材料［19］。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，將會(huì)有新的更大的突破［20］。

2.1.2 耐高溫、高效的大功率集成半導(dǎo)體器件

目前，大功率絕緣柵雙極晶閘管IGBT正朝著耐高壓、高容量(3.3 kV、1 200 A)、低損耗、高速開(kāi)關(guān)的方向發(fā)展。NASA Lewis研究中心研究成功工作溫度200℃的逆變器［18］。第四代 IGBT已經(jīng)問(wèn)世，它具有開(kāi)關(guān)期間發(fā)熱少、電流輸出波形優(yōu)化等特點(diǎn);并能夠?qū)崿F(xiàn)降低驅(qū)動(dòng)功率、減小體積、實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行靜音化的目標(biāo)。這些新型大功率器件的采用將能夠進(jìn)一步提高電機(jī)的可靠性、有效地實(shí)現(xiàn)功率變換和精確控制［17］。

此外，稀土電機(jī)特別是高速稀土永磁電機(jī)的機(jī)殼、端蓋等零部件都將采用高強(qiáng)度輕合金(鋁鎂合金)制成，在滿足強(qiáng)度要求的情況下盡量制成空心結(jié)構(gòu)。正是這些高性能的新型材料的使用，才使得稀土永磁電機(jī)體積更小、質(zhì)量更輕，并且能夠更好地滿足功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)的要求［21］。

2.2 高頻響、小慣量

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)一般由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)減速后由滾柱絲杠副或滾珠絲杠副執(zhí)行。在電機(jī)功率一定的條件下，其速度越高則其體積越?。?2］。由于機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)要求超調(diào)小、響應(yīng)快、抗負(fù)載干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好，一般要求其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，即系統(tǒng)頻響高［23］。因此多采用高速伺服電機(jī)，其可以從馬歇爾空間飛行中心研制的兩代火箭TVC用EMA上得到體現(xiàn)。其中第一代EMA，如圖1(a)所示，采用空載轉(zhuǎn)速為9 300 r/min，供電電壓為270 V(DC)的2臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。第二代EMA，如圖1(b)所示，采用空載轉(zhuǎn)速為20 000 r/min，供電電壓為230 V(DC)的4臺(tái)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

圖1 馬歇爾空間飛行中心研制的兩代EMA

2.3 高可靠性

目前，國(guó)內(nèi)外的電機(jī)可靠性技術(shù)的研究均進(jìn)展迅速。一般可將其分為兩個(gè)層次，第一層次的標(biāo)志為冗余技術(shù)，另一層次的標(biāo)志為容錯(cuò)技術(shù)［24］。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)高校對(duì)雙余度永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

2.3.1 雙余度電機(jī)本體結(jié)構(gòu)

余度［25］是指使用兩套或兩套以上的設(shè)備來(lái)完成給定的任務(wù)，即構(gòu)成余度。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)為雙余度電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要的兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 雙余度電機(jī)結(jié)構(gòu)形式

串聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。有兩套相互獨(dú)立的線圈繞組、一對(duì)轉(zhuǎn)子、兩個(gè)位置傳感器和共用的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸構(gòu)成。由于此結(jié)構(gòu)中兩套繞組分別繞制，相距較遠(yuǎn)，因此磁耦合現(xiàn)象很弱，控制系統(tǒng)也不復(fù)雜。但本質(zhì)上是由兩臺(tái)電機(jī)串聯(lián)組成的，因此體積較大。當(dāng)其中一個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其中一臺(tái)就會(huì)成為另一臺(tái)電機(jī)的負(fù)載，導(dǎo)致其機(jī)電時(shí)間常數(shù)上升，動(dòng)態(tài)特性下降。另外轉(zhuǎn)子共軸的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生力矩扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸承的壽命縮小，所以這種結(jié)構(gòu)較少采用。

圖2(b)為并聯(lián)式雙余度結(jié)構(gòu)。它是由兩套線圈繞組組成的，每個(gè)線圈繞組相差30°的電角度，一對(duì)位置傳感器和單個(gè)轉(zhuǎn)子組成。與圖2(a)相比，系統(tǒng)的長(zhǎng)度變小。由于空間狹小，所以線圈繞組繞制繁瑣，同時(shí)繞組間不可避免地出現(xiàn)磁耦合現(xiàn)象，造成了控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

從可靠性角度看，飛控系統(tǒng)機(jī)電部件的故障率為60×10-6/飛行小時(shí)，電子線路的故障率為150×10-6/飛行小時(shí)［26］。因此采用2套電子線路較為合理，相應(yīng)電機(jī)要采用雙電樞繞組方案［27］。所以應(yīng)采用并聯(lián)式的雙余度結(jié)構(gòu)。

2.3.2 雙余度電機(jī)控制系統(tǒng)

雙DSP雙余度控制系統(tǒng)和單DSP雙余度控制系統(tǒng)是當(dāng)前電機(jī)余度控制系統(tǒng)的兩種主要方式［25］。本質(zhì)都是通過(guò)備份的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的。

為了克服電機(jī)的雙余度控制技術(shù)所存在的系統(tǒng)利用率不高、電流不均衡等問(wèn)題，研究者提出了一種新型的非備份式容錯(cuò)技術(shù)。盡管這種電機(jī)只有單一的繞組和控制器，但是其可以達(dá)到可靠性的要求［28-32］。

1996年，英國(guó)的LUCAS公司和Shfield大學(xué)的教授合作，研究并開(kāi)發(fā)了永磁容錯(cuò)電機(jī)。將其應(yīng)用于功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)中，顯示了這種類型的電機(jī)在飛控系統(tǒng)中廣闊的應(yīng)用前景［33-37］。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)和相關(guān)的控制系統(tǒng)研究不是太多，西北工業(yè)大學(xué)對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行了一些論述［37］。但一些高校對(duì)其他類型的電機(jī)及控制器進(jìn)行了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，特別是對(duì)異步電機(jī)及其控制器的容錯(cuò)性開(kāi)展了詳細(xì)的研究。2000年前后清華大學(xué)提出了異步電機(jī)的容錯(cuò)集成系統(tǒng)［38］。兩年后南京航空航天大學(xué)提出了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng)［39-41］。

2.4 其它

功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用稀土永磁電機(jī)日益向高速化發(fā)展，但是其轉(zhuǎn)子仍然采用油潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承支撐。這種軸承存在著難冷卻、易過(guò)熱、壽命短、難維護(hù)等缺點(diǎn)。高性能的空氣動(dòng)壓軸承會(huì)在原有的摩擦表面間形成空氣墊層，因此可以免去油潤(rùn)滑和定期檢修，使電機(jī)轉(zhuǎn)速可以大幅提高。這種應(yīng)用空氣箔片的動(dòng)壓軸承在B2、F-18、SAAB-2000等機(jī)型上均采用過(guò)。

3 功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用稀土永磁電機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 電機(jī)新技術(shù)

3.1.1 高壓化、直流化、無(wú)刷化

從飛機(jī)供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)看，未來(lái)軍用飛機(jī)傾向于采用270 V高壓直流電源系統(tǒng)如F-22、F-35等［42］。多電飛機(jī)要求系統(tǒng)具有高可靠性、高容錯(cuò)性、高功率密度等，而航空高壓直流電機(jī)是多電飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一［43］。

我國(guó)現(xiàn)役飛機(jī)的飛控系統(tǒng)多采用有刷低壓直流電機(jī)。由于此電機(jī)采用電刷接觸的換向方式，造成其存在電刷和換向器間產(chǎn)生摩擦火花并磨損、電磁噪聲干擾、可維修性不好等缺點(diǎn)。所以這種電機(jī)的壽命己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，迫切需要更新?lián)Q代［44］。

國(guó)外軍用飛機(jī)的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)逐步采用高壓無(wú)刷直流電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低壓有刷電機(jī)作為動(dòng)力源，如美國(guó)的“全球鷹”等。

3.1.2 結(jié)構(gòu)工藝革新與機(jī)身一體化

未來(lái)飛行器尤其是戰(zhàn)斗機(jī)和高超音速飛行器要求翼面變小變薄，操縱面附近的空間非常緊張，如果安裝體積較大的作動(dòng)器，對(duì)飛行器外形和結(jié)構(gòu)的破壞可能會(huì)把體積減小的優(yōu)勢(shì)抵消［45］。

文獻(xiàn)［46-47］描述了一種電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)翼的飛行控制方法。這種電機(jī)可以在一定轉(zhuǎn)角內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛控舵面的準(zhǔn)定位和驅(qū)動(dòng)。其具有一定轉(zhuǎn)角內(nèi)轉(zhuǎn)矩大、頻響高、精度好、所占空間小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)本體由雙余度的定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，控制系統(tǒng)和電機(jī)的定子繞組一樣，采用雙余度控制線路進(jìn)行控制。

這種直接驅(qū)動(dòng)方式的采用可以明顯減小飛控系統(tǒng)的體積、減輕重量、提高容錯(cuò)能力和可靠性。另外省去了齒輪減速機(jī)構(gòu)和執(zhí)行裝置，系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)減少零部件數(shù)量;

(2)減小故障概率，提高可靠性;

(3)提高系統(tǒng)效率;

(4)減小整個(gè)飛控系統(tǒng)的慣性。

3.1.3 高功率重量比

為了滿足未來(lái)軍事和商業(yè)的需要，目前飛控系統(tǒng)用電機(jī)的功率密度正在向大于置2.2 kW/kg的方向努力［48］。

(1)無(wú)鐵心永磁電機(jī)的采用

無(wú)鐵心永磁電機(jī)［8］充分利用永磁材料的優(yōu)異磁性能，少用或不用硅鋼片。在磁路結(jié)構(gòu)上采用聚磁型無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，可以避免鐵耗，而且能夠超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)無(wú)槽無(wú)刷電機(jī)的采用

定子鐵心沖片取消齒槽后，擴(kuò)大了繞組的布置空間，這就可以通過(guò)加粗銅線的截面以提高電機(jī)的電流等級(jí)，或者增加繞組的匝數(shù)以提高電機(jī)的電壓等級(jí)，或者對(duì)上述兩者兼而顧之，最終實(shí)現(xiàn)比有槽電機(jī)大的功率體積比而損耗卻變化不大。

(3)電機(jī)高速化

高速電機(jī)［54］因?yàn)轶w積小、頻響快和功率密度大等特點(diǎn)，在民用和軍事兩個(gè)方面均有極大的市場(chǎng)。近二三十年來(lái)，西方國(guó)家逐步開(kāi)展了對(duì)高速電機(jī)的應(yīng)用研究工作。

3.2 數(shù)字控制

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域。它可以克服模擬伺服放大電路的很多缺點(diǎn)。所以功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)采用數(shù)字控技術(shù)也是不可避免的。

數(shù)字式控制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)數(shù)字通信方式的實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)字通信后，傳統(tǒng)的模擬信號(hào)衰減及干擾現(xiàn)象將不再存在。

(2)便于快速的對(duì)軟件系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)。

(3)系統(tǒng)便于調(diào)試。

(4)較高的系統(tǒng)集成度。

3.3 信號(hào)傳輸

現(xiàn)代飛機(jī)大量采用復(fù)合材料，使得機(jī)身屏蔽電磁波的能力大大減弱。全電飛機(jī)采用電氣控制后，其抗電磁干擾能力會(huì)進(jìn)一步降低。為了避免這種缺陷，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了光傳操縱系統(tǒng)的研究。其本質(zhì)仍是功率電傳，只是在信號(hào)傳輸介質(zhì)采用光纜替代電纜。

光傳操縱方式可以減小整個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)的重量、縮小體積;具有不損失傳輸能量、電隔離性好、傳輸頻帶寬、數(shù)據(jù)量大、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

盡管國(guó)內(nèi)諸如西北工業(yè)大學(xué)等單位對(duì)功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)用稀土永磁電機(jī)開(kāi)展了大量的研究工作。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在著發(fā)展相對(duì)滯后、工程化程度不高等問(wèn)題。為此，需要不斷地提高電機(jī)的可靠性;努力提高永磁材料的性能;采用無(wú)位置傳感器等新技術(shù)并逐步實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。此外，還需要從電機(jī)-機(jī)身一體化、高功率密度重量比、新型的控制策略與方法和信號(hào)傳輸技術(shù)等方面繼續(xù)加大發(fā)展力度。

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