功率電傳作動技術的研究進展

谷智超

【摘 要】功率電傳作動是指飛機次級能源系統至作動系統之間的功率傳輸是通過導線以電能量傳輸的方式完成的，是發展多電飛機的關鍵技術之一。目前功率電傳作動器發展出機電作動器和電靜液作動器兩種主要形式。從多電飛機的應用出發，對功率電傳作動器進行了概述，重點介紹了機電作動器技術，以及應用特點，并討論了機電作動器的關鍵技術。

【關鍵詞】多電飛機；功率電傳；機電作動器

0 引言

飛機的飛行品質很大程度取決于作動系統的性能。現代民機的作動系統架構以液壓為動力，通過飛控計算機，控制液壓作動器進行輸出，對舵面進行操縱，從而完成飛機的姿態和航向的控制[1-2]。傳統的集中能源式液壓作動技術已經十分成熟，但該系統重量大，效率偏低，且液壓系統維護費用高，存在泄漏等一系問題。功率電傳作動技術的出現，通過電導線以電能量形式取代傳統的液壓管路來進行功率傳遞，可以達到取消或縮減集中式的液壓系統，從而實現功率液傳向功率電傳的轉變，提高了飛機維護性，降低了飛機的重量。隨著電機技術，材料科學，控制技術的發展，國內外都在開發重量輕，體積小，可靠性高的作動系統以適應多電飛機的發展要求[3]。本文結合功率電傳作動的發展狀況及趨勢，對機電作動器（EMA，Electromechanical Actuator），電靜液作動器（EHA，Electrohydrostatic Actuator）技術特點進行了對比分析，對機電作動器的關鍵技術及面臨的問題進行了闡述。

1 功率電傳作動技術發展概述

多電飛機和全電飛機是未來飛機發展趨勢。空客公司首次將未來大型客機的飛行控制方式—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飛機是多電發展的里程碑，其在機翼除冰、起落架系統大排量液壓泵、客艙加壓、剎車系統和發動機啟動系統都采用電力驅動，同時在高升力系統，擾流板作動器，水平安定面配平系統中采用了EMA。

功率電傳作動器的是民機作動系統的發展方向，對多電飛機，全電飛機的發展具有重大意義。在飛機層面加以權衡，功率電傳作動技術可以帶來如下潛在收益[4]：

1）可以增加系統余度，進而提高飛機安全性。

2）便于進行故障隔離（模塊化設計使故障定位更加容易和準確）。

3）減輕重量。

4）便于進行能量管理，降低能源消耗。

5）易于拆裝，便于維護。

6）提升環境友好度（減少液壓油引起的火災和污染）。

美國的功率電傳作動技術在20世紀90年代已經接近實際應用，NASA和美國軍方聯合進行功率電傳作動器的設計驗證計劃（EPAD）。以F/A-18飛機為驗證機在其副翼上進行EHA和EMA的飛行驗證。結果證明功率電傳作動系統可用于主要的飛機舵面，且相對于液壓作動器，其可靠性、維護性均具有優勢。國內民機作動器的研究工作一直跟蹤著國外先進民機作動器的發展動態。在研究和參考國外先進民機技術資料的情況下，針對國內即將發展的大型民機飛行控制系統需要的關鍵作動器進行預先研制，部分院所已經研制出EHA、EMA原理樣機。

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，通過電機驅動液壓泵，通過改變液壓泵排量，來調節作動筒兩腔壓差，控制作動器活塞桿的運動位置，從而驅動作動器，如圖1所示。電動靜液作動系統主要有三種形式[2，4]：

1）調速馬達+定排量泵

根據作動器活塞桿實際位置與指令位置的差值，調整電機轉速。

2）定速馬達+變排量泵

根據負載壓差，調整液壓泵的輸出壓力。

3）調速馬達+變排量泵

通過作動器活塞位置反饋調節電機轉速，通過負載壓差調節液壓泵排量。

EHA通過電機驅動本地的液壓系統，液壓管路較短，降低了能源的損失。同時保留了傳統液壓作動系統較好的動態特性。但作為一個高度集成的機電液系統，EHA無法像傳統液壓系統通過液壓管進行熱傳導，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。

3 機電作動器

EMA是機電伺服系統，通過電機驅動，減速機構的減速，獲得足夠的扭矩來驅動執行機構，如圖2所示。目前多數EMA均采用齒輪減速，驅動滾珠絲杠或者是輥子絲杠（更高的動態負載能力）。EMA具有結構簡單、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點，但也存在功率密度小，散熱困難，機械卡阻等一系列技術難題需要攻克。另外EMA難以實現旁通功能，故一般用在單個作動器驅動單個舵面（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，功率控制電子技術對EMA性能產生了較大的提高。可以預見未來在功率電傳作動系統應用上EMA將具有更大的優勢。

4 機電作動器關鍵設計

EMA來取代集中傳統液壓器，滿足可靠性要求，達到節能減排，降低維護成本的目標，是機電傳作動系統面臨的一個巨大的挑戰。EMA由于本身的傳動原理，容易發生單點故障，導致機械卡阻。故障安全機構，實時監控，獨立的容錯架構以及高可靠性的電機及控制系統是EMA大規模應用于主舵面控制的前提。EMA的關鍵技術有工作循環（Duty Cycle）、功率密度、系統監控等[5-6]。

4.1 Duty Cycle

Duty cycle是EMA設計過程中最關鍵的設計要素。從機械方面來說，Duty cycle預測了負載的頻率和量級，通過預測每個飛行起落/機動的循環數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能夠幫助預測在每個飛行起落/機動中的EMA熱負荷值，來設計熱管理系統來減輕作動器過熱的風險。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/機動過程中的功率要求，用來設計功率管理系統。

4.2 功率密度

現有的EMA功率密度較小，而驅動電機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平臺的應用要求。設計上一般選用新型的永磁直流電機，它具有高頻響，小慣量，高可靠性等優點。雙余度磁直流電機即可以滿足可靠性的要求，又具有較高的功率密度。

4.3 系統監控

EMA在卡阻后無法實現故障隨動功能，需要進行故障的監控，防止由于卡阻造成作動器及結構的損壞，影響飛行安全。在設計上額外進行可靠性安全性設計和管理，比如通過扭矩限制器來對最大輸出力進行限制，通過位置傳感器來對卡阻故障進行識別，實現故障檢測鎖定功能。

5 結語

本文對功率電傳作動技術進行了綜述，對EHA、EMA的原理及優缺點進行了分析，并討論了EMA的關鍵技術。隨著材料科學，電機制造及控制技術的發展，新型功率電傳作動器將在民機中得到更廣泛的使用，也為未來的國產多電/全電飛機系統打下堅實基礎。

【參考文獻】

[1]Lyshevski S E.Electromechanical flight actuators for advanced flight vehicles[J]. IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems，1999，35（2）：511-518.

[2]王占林，裘麗華，李軍.功率電傳作動系統的發展趨勢[J].2004.

[3]夏立群，謝增榮.民機作動器研究[C]//大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會2007年學術年會論文集，2007.

[4]王瑦.EMA、EHA和IAP三種作動器比較[J].戰術導彈控制技術，2010，27（4）：54-57.

[5]關棟，楊小輝，劉更，等.功率電傳作動系統用電機關鍵技術及其發展趨勢[J]. 微特電機，2012，40（5）：71-75.

[6]AIAA.Subsystem Design and Integration for the More Electric Aircraft[C]// International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit，2007.

[責任編輯：田吉捷]