功率電傳作動技術(shù)的研究進(jìn)展

谷智超

【摘 要】功率電傳作動是指飛機(jī)次級能源系統(tǒng)至作動系統(tǒng)之間的功率傳輸是通過導(dǎo)線以電能量傳輸?shù)姆绞酵瓿傻?，是發(fā)展多電飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前功率電傳作動器發(fā)展出機(jī)電作動器和電靜液作動器兩種主要形式。從多電飛機(jī)的應(yīng)用出發(fā)，對功率電傳作動器進(jìn)行了概述，重點(diǎn)介紹了機(jī)電作動器技術(shù)，以及應(yīng)用特點(diǎn)，并討論了機(jī)電作動器的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】多電飛機(jī)；功率電傳；機(jī)電作動器

0 引言

飛機(jī)的飛行品質(zhì)很大程度取決于作動系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)代民機(jī)的作動系統(tǒng)架構(gòu)以液壓為動力，通過飛控計(jì)算機(jī)，控制液壓作動器進(jìn)行輸出，對舵面進(jìn)行操縱，從而完成飛機(jī)的姿態(tài)和航向的控制[1-2]。傳統(tǒng)的集中能源式液壓作動技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但該系統(tǒng)重量大，效率偏低，且液壓系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高，存在泄漏等一系問題。功率電傳作動技術(shù)的出現(xiàn)，通過電導(dǎo)線以電能量形式取代傳統(tǒng)的液壓管路來進(jìn)行功率傳遞，可以達(dá)到取消或縮減集中式的液壓系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)功率液傳向功率電傳的轉(zhuǎn)變，提高了飛機(jī)維護(hù)性，降低了飛機(jī)的重量。隨著電機(jī)技術(shù)，材料科學(xué)，控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外都在開發(fā)重量輕，體積小，可靠性高的作動系統(tǒng)以適應(yīng)多電飛機(jī)的發(fā)展要求[3]。本文結(jié)合功率電傳作動的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢，對機(jī)電作動器（EMA，Electromechanical Actuator），電靜液作動器（EHA，Electrohydrostatic Actuator）技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，對機(jī)電作動器的關(guān)鍵技術(shù)及面臨的問題進(jìn)行了闡述。

1 功率電傳作動技術(shù)發(fā)展概述

多電飛機(jī)和全電飛機(jī)是未來飛機(jī)發(fā)展趨勢?？湛凸臼状螌⑽磥泶笮涂蜋C(jī)的飛行控制方式—功率電傳作動器引入了A380。A380在主舵面配置了EHA，作為備份使用。波音787飛機(jī)是多電發(fā)展的里程碑，其在機(jī)翼除冰、起落架系統(tǒng)大排量液壓泵、客艙加壓、剎車系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)啟動系統(tǒng)都采用電力驅(qū)動，同時(shí)在高升力系統(tǒng)，擾流板作動器，水平安定面配平系統(tǒng)中采用了EMA。

功率電傳作動器的是民機(jī)作動系統(tǒng)的發(fā)展方向，對多電飛機(jī)，全電飛機(jī)的發(fā)展具有重大意義。在飛機(jī)層面加以權(quán)衡，功率電傳作動技術(shù)可以帶來如下潛在收益[4]：

1）可以增加系統(tǒng)余度，進(jìn)而提高飛機(jī)安全性。

2）便于進(jìn)行故障隔離（模塊化設(shè)計(jì)使故障定位更加容易和準(zhǔn)確）。

3）減輕重量。

4）便于進(jìn)行能量管理，降低能源消耗。

5）易于拆裝，便于維護(hù)。

6）提升環(huán)境友好度（減少液壓油引起的火災(zāi)和污染）。

美國的功率電傳作動技術(shù)在20世紀(jì)90年代已經(jīng)接近實(shí)際應(yīng)用，NASA和美國軍方聯(lián)合進(jìn)行功率電傳作動器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證計(jì)劃（EPAD）。以F/A-18飛機(jī)為驗(yàn)證機(jī)在其副翼上進(jìn)行EHA和EMA的飛行驗(yàn)證。結(jié)果證明功率電傳作動系統(tǒng)可用于主要的飛機(jī)舵面，且相對于液壓作動器，其可靠性、維護(hù)性均具有優(yōu)勢。國內(nèi)民機(jī)作動器的研究工作一直跟蹤著國外先進(jìn)民機(jī)作動器的發(fā)展動態(tài)。在研究和參考國外先進(jìn)民機(jī)技術(shù)資料的情況下，針對國內(nèi)即將發(fā)展的大型民機(jī)飛行控制系統(tǒng)需要的關(guān)鍵作動器進(jìn)行預(yù)先研制，部分院所已經(jīng)研制出EHA、EMA原理樣機(jī)。

2 電靜液作動器

EHA是一種分布式的小型電動和電控液壓作動系統(tǒng)，通過電機(jī)驅(qū)動液壓泵，通過改變液壓泵排量，來調(diào)節(jié)作動筒兩腔壓差，控制作動器活塞桿的運(yùn)動位置，從而驅(qū)動作動器，如圖1所示。電動靜液作動系統(tǒng)主要有三種形式[2，4]：

1）調(diào)速馬達(dá)+定排量泵

根據(jù)作動器活塞桿實(shí)際位置與指令位置的差值，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2）定速馬達(dá)+變排量泵

根據(jù)負(fù)載壓差，調(diào)整液壓泵的輸出壓力。

3）調(diào)速馬達(dá)+變排量泵

通過作動器活塞位置反饋調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過負(fù)載壓差調(diào)節(jié)液壓泵排量。

EHA通過電機(jī)驅(qū)動本地的液壓系統(tǒng)，液壓管路較短，降低了能源的損失。同時(shí)保留了傳統(tǒng)液壓作動系統(tǒng)較好的動態(tài)特性。但作為一個(gè)高度集成的機(jī)電液系統(tǒng)，EHA無法像傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)通過液壓管進(jìn)行熱傳導(dǎo)，散熱能力差，尺寸上明顯大于電液伺服作動器，給安裝布置帶來一定的挑戰(zhàn)。

3 機(jī)電作動器

EMA是機(jī)電伺服系統(tǒng)，通過電機(jī)驅(qū)動，減速機(jī)構(gòu)的減速，獲得足夠的扭矩來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2所示。目前多數(shù)EMA均采用齒輪減速，驅(qū)動滾珠絲杠或者是輥?zhàn)咏z杠（更高的動態(tài)負(fù)載能力）。EMA具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維修成本低（省去液壓管路及密封圈等耗材）、能量傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在功率密度小，散熱困難，機(jī)械卡阻等一系列技術(shù)難題需要攻克。另外EMA難以實(shí)現(xiàn)旁通功能，故一般用在單個(gè)作動器驅(qū)動單個(gè)舵面（非主舵面），如擾流板作動器，水平安定面配平作動器。近年來，高性能的永磁無刷直流電機(jī)，功率控制電子技術(shù)對EMA性能產(chǎn)生了較大的提高?？梢灶A(yù)見未來在功率電傳作動系統(tǒng)應(yīng)用上EMA將具有更大的優(yōu)勢。

4 機(jī)電作動器關(guān)鍵設(shè)計(jì)

EMA來取代集中傳統(tǒng)液壓器，滿足可靠性要求，達(dá)到節(jié)能減排，降低維護(hù)成本的目標(biāo)，是機(jī)電傳作動系統(tǒng)面臨的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。EMA由于本身的傳動原理，容易發(fā)生單點(diǎn)故障，導(dǎo)致機(jī)械卡阻。故障安全機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，獨(dú)立的容錯(cuò)架構(gòu)以及高可靠性的電機(jī)及控制系統(tǒng)是EMA大規(guī)模應(yīng)用于主舵面控制的前提。EMA的關(guān)鍵技術(shù)有工作循環(huán)（Duty Cycle）、功率密度、系統(tǒng)監(jiān)控等[5-6]。

4.1 Duty Cycle

Duty cycle是EMA設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素。從機(jī)械方面來說，Duty cycle預(yù)測了負(fù)載的頻率和量級，通過預(yù)測每個(gè)飛行起落/機(jī)動的循環(huán)數(shù)量來定義作動器的疲勞特性及操縱力要求。從熱方面來說，Duty cycle能夠幫助預(yù)測在每個(gè)飛行起落/機(jī)動中的EMA熱負(fù)荷值，來設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)來減輕作動器過熱的風(fēng)險(xiǎn)。從電氣方面來說，Duty cycle作為作動器模型的輸入量來確定飛行/機(jī)動過程中的功率要求，用來設(shè)計(jì)功率管理系統(tǒng)。

4.2 功率密度

現(xiàn)有的EMA功率密度較小，而驅(qū)動電機(jī)的功率密度必須大于1Kw/lb才能夠滿足未來軍用和商用飛機(jī)平臺的應(yīng)用要求。設(shè)計(jì)上一般選用新型的永磁直流電機(jī)，它具有高頻響，小慣量，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。雙余度磁直流電機(jī)即可以滿足可靠性的要求，又具有較高的功率密度。

4.3 系統(tǒng)監(jiān)控

EMA在卡阻后無法實(shí)現(xiàn)故障隨動功能，需要進(jìn)行故障的監(jiān)控，防止由于卡阻造成作動器及結(jié)構(gòu)的損壞，影響飛行安全。在設(shè)計(jì)上額外進(jìn)行可靠性安全性設(shè)計(jì)和管理，比如通過扭矩限制器來對最大輸出力進(jìn)行限制，通過位置傳感器來對卡阻故障進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)故障檢測鎖定功能。

5 結(jié)語

本文對功率電傳作動技術(shù)進(jìn)行了綜述，對EHA、EMA的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并討論了EMA的關(guān)鍵技術(shù)。隨著材料科學(xué)，電機(jī)制造及控制技術(shù)的發(fā)展，新型功率電傳作動器將在民機(jī)中得到更廣泛的使用，也為未來的國產(chǎn)多電/全電飛機(jī)系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]