EHA熱傳遞機理和電機頻率負載熱影響分析

段嘉興，來雨辰，鄧君毅

（1.西安電子科技大學物理與光電工程學院，西安 710126；2.山東大學機械工程學院，濟南 250002；3.蘭州萬里航空機電有限責任公司，蘭州 730070）

0 引言

如果把飛機比喻成一個人，那么飛機作動器是其“手”和“腳”，是完成其他一切動作和功能的執行器。隨著飛機作動技術的飛速發展，電動靜液作動器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）的應用越來越普遍。作為一種體積小、結構緊湊的密閉功率電傳作動器和機電液控一體化高端產品，EHA是飛機作動系統的關鍵部件，其自身存在的生熱與散熱問題受到廣泛重視[1]。

為滿足飛機減重要求，EHA必須體積小、功率大、可靠性高，迫使EHA向高壓和高速方向發展。隨之帶來的電機發熱、摩擦副摩擦生熱、柱塞泵內高速攪拌生熱、容積損失等使得EHA內部能量損失增大[2]。在EHA工作過程中，存在能量的傳遞和轉換，功率損失的發生就不可避免，而功率損失往往會以熱量的形式表現出來。在EHA整體結構中，不存在大型的液壓油箱，液壓系統結構簡單，液壓油循環回路短，散熱面積小，導致發熱后傳遞到液壓油中的熱量很難通過液壓油和液壓管路散發出去。又因為EHA的體積小，使得系統產生的熱量通過EHA外殼只能散發出去一部分，剩余部分會存留在EHA非常小的密閉空腔內，可能造成EHA整體和液壓油溫度上升。內部溫度過高，EHA可能失去原有功能，嚴重時危害飛行安全，這是制約EHA發展與應用的重要因素[3]。

針對上述問題，本文分析EHA熱能傳遞與轉換過程，分析EHA傳熱與散熱機理?；贏NSYS平臺建立EHA的熱力學模型，對EHA主要熱源電機進行了熱力學仿真與分析，得出電機的溫度場熱分布圖。使用控制變量法，分別研究工作頻率和負載對電機生熱的影響，得到EHA主要熱源電機的熱特性，為EHA的選型、設計和適航認證提供一定依據。

1 電動靜液作動器結構及原理

EHA結構分為機械、電子電路和液壓元件3部分。機械部分包括無刷直流電機、作動筒等；電子電路部分包括數字控制器、功率驅動電路等；液壓元件部分包括雙向定量柱塞泵、單向閥、過濾器、安全閥、儲能罐、液壓管路和液壓油等。EHA采用一種以雙向定量泵為核心的液壓系統作為作動桿的驅動系統，其結構原理如圖1所示[4]。

圖1 EHA結構原理

飛機用大功率高壓（5 kW以上/直流270 V）稀土永磁無刷電機是EHA的核心元件，它為EHA提供動力，然后由柱塞泵向作動機構提供液壓能，最后作動筒將柱塞泵提供的液壓能轉換為機械能，實現飛機舵面轉向等一系列精準操作控制。存在于EHA的位置反饋、速度反饋、壓力反饋等負反饋控制元件實現對飛機舵面位移、方向和速度等的精確控制。

EHA研制存在大功率驅動、高壓密封和密閉散熱等問題。EHA因為散熱不良的原因極易造成液壓系統的油液溫度升高。由于EHA本身存在發熱散熱問題，在其設計過程中，油液溫度高的問題必須加以考慮。下面分析EHA內部熱量的產生和散出方式及路徑。

2 EHA傳熱機理分析

EHA有功率驅動電路板、永磁無刷直流電機、柱塞泵和作動機構等主要熱源。從熱傳導、對流和輻射等方面分析其傳熱機理。

2.1 功率驅動電路板傳熱機理分析

功率驅動電路直接驅動無刷直流電機轉動，它將控制器發出的控制信號，經過放大與轉換，變成無刷直流電機能夠識別的信號，控制電機的轉速和方向。EHA電機控制具有實時性、保護性、穩定性等特點[5]。

為簡化EHA結構，縮小體積，常用高度集成的電子器件組成電機功率驅動電路板，造成電路板的體積小、散熱困難、能量密度高。受無刷直流電機發熱影響，電路板所處的環境溫度很高，峰值可能達到100℃以上，使得電機的功率驅動電路工作溫度很高，極易引起電路板上的電子器件穩定性變差甚至失效。因此，對電路板進行散熱機理分析及優化十分必要。

電機驅動電路發熱源主要是電子器件因電流通過而不可避免的發熱。承載這些電子器件的PCB電路板能量密度很高，電路板與周圍部件和作動器外殼的直接接觸面積很小。因此電路板的散熱主要依靠熱傳導和熱對流，通過熱輻射散發的熱量相對較小。

在PCB板上安裝鋁合金散熱器，實現過熱器件熱傳導散熱。PCB板覆銅-環氧玻璃布基材和酚醛樹脂玻璃布基材具有很好的加工性能和電氣性能，但其散熱能力差。EHA高發熱電子元器件不能依靠承載的PCB板傳導熱量，只能依靠電子器件自身與空氣形成熱對流。因此，解決PCB板散熱問題最好方法就是提高與電子元件直接接觸的PCB板的散熱能力，將熱量傳給電路板繼而通過熱對流方式散發出去。

2.2 直流無刷電機傳熱機理分析

電機損耗就是電機發熱源，電機在電能轉化為機械能時，不可避免會產生一定的損耗，損耗的能量絕大部分最終會轉換為熱量，使電機本身和與之相連接的柱塞泵、電路板等溫度升高。電機電能與機械能轉換是通過轉子（稀土永磁材料）在定子（導體線圈）中產生的旋轉磁場實現。因此，電機的發熱方式有轉子旋轉造成鐵芯熱損耗、定子通電產生熱損耗、機械摩擦熱損耗3種[6-8]。

（1）轉子旋轉造成鐵芯熱損耗

鐵芯與永磁體直接連接，不發生相對位移且緊密接觸，所以它們間的熱能傳遞方式為熱傳導。電機主軸與鐵芯直接相連，熱量的傳遞方式也為熱傳導。當鐵芯產生熱量后，由于與鐵芯相連的裝置和鐵芯之間存在溫差且具有一定的導熱能力，熱量通過熱傳導方式傳遞。由于鐵芯與主軸接觸面積較小，所以鐵芯通過主軸接觸部分以熱傳導方式傳遞的熱量比較小。在分析鐵芯的熱對流方式傳熱時，由于鐵芯和永磁體是緊密接觸的，二者之間沒有空隙，空氣或者潤滑液體無法進入，所以可將二者看作一個整體。這個整體在旋轉過程中會切割定子繞組通電產生的磁感線，繼而與周圍空氣產生相對運動，形成熱對流形式的換熱。在轉子高速旋轉過程中，與空氣間的對流換熱可以視為強制對流，表面傳熱系數的數值比較大，這也是該部分散熱的主要方式。

（2）定子通電熱損耗

定子主要是由導體線圈、鐵芯組成，在線圈通電過程中，鐵芯也會產生不可避免的熱損耗。定子產熱的主要原因在于電流通過定子繞組后產生的電熱。因為繞組和鐵芯同時產生熱量，且線圈纏繞在鐵芯上，因此可將二者看作整體進行熱傳導的分析。作為定子，這個整體直接與電機的外殼接觸，熱傳導的方向也就是從定子到電機外殼。定子自發產熱，導致其溫度與周圍環境溫度存在差異，必然會造成對流傳熱的方式。雖然線圈通過纏繞的方式繞在鐵芯上，與空氣接觸面積大，傳熱能力強，但定子靜止不動，與周圍空氣的對流方式為自然對流，表面傳熱系數小，通過對流傳熱散發的熱量較小。此外，熱量通過熱傳導的方式從定子傳遞到電動機外箱體中，使得外箱體溫度升高。通過對流換熱的方式，電機內的氣體溫度也在不斷升高，當其溫度超過電機箱體時，也會在電機內部氣體和電機外箱體間建立對流傳熱聯系，使熱量排出。這些熱量涌入電機外箱體，使得箱體的散熱措施的安排顯得尤為重要，受EHA空間和結構的限制，電機外殼的散熱主要靠本身的結構和散熱器?？梢酝ㄟ^更換電機的材料和與電機接觸的元件、底座等的材料，強化電機外殼的熱傳導方式散熱；也可通過優化電機外殼的結構，增大其與空氣的接觸面積，增加對流換熱傳遞的熱量，或者使用低溫氣體或者液體不斷沖刷電機外殼表面，同樣可通過增強對流傳熱的方式改善電機的散熱條件。

（3）機械摩擦熱損耗

電機內部的機械損耗主要是摩擦帶來的，電機內可能產生摩擦生熱的部分主要是轉子和軸承。一般情況下，轉子的摩擦生熱因不確定性而難以計算，大多根據三維建模仿真或者實驗來進行分析或近似計算。在EHA中，軸承的轉速可能達到幾千甚至幾萬轉/分鐘，在高速運行中，隨著軸承的速度越來越快，工作壓力越來越高。

目前在電機中應用的軸承大部分都是深溝球軸承，由外圈、內圈、滾動體和保持架組成，在電機高速運轉時，軸承外圈不動，內圈與軸一起轉動，滾動體的運動既有滑動也有滾動，這就決定了軸承中的摩擦生熱來源主要有5個方面：滾動體與軸承外圈摩擦、滾動體與軸承內圈摩擦、滾動體與保持架摩擦、滾動體與軸承內部潤滑液摩擦和滾動體的自轉生熱。在EHA工作過程中，滾動軸承的溫度會急劇升高。軸承熱傳遞的主要方式有兩種：一種是軸承與軸、軸承座與軸承直接接觸部件之間的熱傳導；另一種是軸承與EHA內部的潤滑油的熱對流。

2.3 柱塞泵傳熱機理分析

在EHA液壓系統中，主要發熱源是液壓泵。EHA對柱塞泵的要求是高壓、高速、高可靠性，尤其是高壓高速的特性使得柱塞泵的各種摩擦副工作條件變得非常惡劣。分析EHA柱塞泵結構，柱塞泵的生熱來源主要有摩擦副機械功率損失發熱和液壓泵內油液攪動生熱兩部分。柱塞泵中的摩擦副有很多，其中有3個特別重要的摩擦副，它們功率最高并且生熱最多，分別是配油盤和缸體間的摩擦副、柱塞和缸體間的摩擦副和斜盤與滑靴間的摩擦副。液壓泵內的油液攪動生熱是指在柱塞泵工作過程中，主軸轉動和柱塞運動的同時，它們周圍的液壓油液會在機械部件的運動下強迫發生流動，造成功率損失，產生熱量。

作為EHA液壓系統的核心元件，柱塞泵的散熱必須考慮的，柱塞泵內部和殼體與環境間的熱交換主要有：（1）柱塞泵內部流動油液與泵殼體的對流換熱；（2）柱塞泵殼體與工作環境的輻射換熱；（3）柱塞泵殼體與外部工作環境的對流換熱；（4）柱塞泵主軸轉部分和泵內流動液壓油液的對流換熱；（5）柱塞泵主軸部分和泵殼體之間的熱傳導。柱塞泵工作時的熱量產生與傳遞的路徑如圖2所示。

圖2 柱塞泵傳熱路徑示意圖

圖3 作動筒結構簡圖

2.4 功率輸出裝置傳熱機理分析

EHA功率輸出裝置主要是作動桿，它在作動筒中運動，在作動筒約束下沿著作動筒的軸向做往復直線運動，除了將大部分液壓能轉換為機械能外，還會有一小部分液壓能轉換為內能，即產生功率損失。功率損失產生的途徑有3種：作動筒中內泄漏、作動筒的外泄漏和作動機構中的機械摩擦。為保證飛機舵面的雙向靈活運動，作動筒常采用對稱結構，如圖3所示。

內泄漏是指在作動桿和作動筒相對運動的過程中，由于作動機構內部存在間隙，而且作動筒的左腔和右腔液壓油的壓力不相等，導致液壓油從高壓腔流入低壓腔，產生功率損耗，生成熱能。外泄漏是指由于存在作動筒與其他元件的連接與密封不嚴的問題，在各個結合面、管接頭等位置，可能會產生液壓油液的泄漏，產生功率損耗，繼而生成熱量。作動機構中的機械摩擦主要來源于作動桿與作動筒間的滑動摩擦。為保證作動桿在作動筒中運動的流暢性與直線度，會在作動機構中加入一定量的潤滑油，使得作動筒與作動桿之間能夠形成壓力流體膜，形成流體潤滑。在壓力流體膜形成后，與干摩擦、邊界摩擦和混合摩擦相比，作動桿與作動筒間的摩擦因數會大大降低，即使在作動桿高速頻繁的運動下，也只會產生較小的摩擦力，從而生成很少的熱量。

EHA作動機構的熱量散發方式主要有兩種：一是作動機構與支撐體和作動機構與液壓管路、液壓油間的熱傳導；二是作動機構與EHA內部潤滑油和空氣間的熱對流。

2.5 EHA外殼散熱分析

EHA內部產生的熱能不會憑空消失，熱量只能通過熱傳導、熱對流和熱輻射的方式傳遞到EHA外殼中再散發出去。EHA外殼與空氣交換熱量，通過熱傳導可將熱量傳遞到EHA基座和與EHA相連的其他機構中，通過熱對流可將熱量散發到空氣中，熱對流散發出的熱量占據主導地位。要想增加對流換熱的換熱能力，可考慮增大對流換熱系數h和增大對流換熱面積A。增大h的方法主要是變自然對流為強制對流，如增加EHA外殼處的空氣流速；增大面積A的方法主要是優化EHA外殼結構，使其在體積不變的情況下增加面積，如設置散熱筋等機構。

3 EHA電機的熱力學建模與仿真

應用CATIA建立EHA電機的三維模型（圖4），將其導入ANSYSWorkbench有限元CAE軟件，對EHA主要發熱源電機進行了熱力學建模與仿真，得出電機的溫度場熱分布圖。

圖4 電機三維模型

電機內溫度最高的區域是定子部分，其溫度場如圖5所示。

圖5 電機定子溫度場分布

由圖可見，電機定子上溫度最高部分是靠近氣隙的區域，達到159.4℃，溫度從此向電機外殼遞減。這是由于在EHA工作過程中，電機線圈的生熱率比較高，而且電機內部處于一個密閉空間內，定子區域形成了一種生熱多并且散熱困難的情況。又由于定子的外圈與電機外殼接觸，電機外殼有良好的對流散熱條件，所以出現這種徑向遞減的溫度分布。

EHA傳動機構內溫度最高的區域一直是電機定子部分，其次是與定子相連的機構和柱塞部分，這是因為電機定子在工作過程中，不僅存在線圈生熱的銅損耗，還存在定子鐵芯部分的鐵損耗，而且定子區域結構復雜散熱困難。生成EHA傳動機構的溫度隨時間變化曲線，如圖6所示。

圖6 溫度隨時間變化曲線

由圖可見，隨著時間的增加EHA整體溫度一直在上升，直到2 000 s左右逐步達到穩態。在這區間中，0～800 s左右，傳動機構整體的溫升速率最快，隨后傳動機構的溫升速度逐步降低，最終趨于平緩。這是因為在EHA開始工作的瞬間，傳動機構發熱源部分瞬間達到較高溫度，熱量來不及散發，所以溫升速度較快。隨著時間推移，傳動機構散熱量逐步上升，發熱量與散熱量只差逐步減小，所以溫升速度越來越慢，直到散熱量與發熱量平衡，溫度達到穩態不再上升。

4 工作頻率負載對EHA生熱的影響

根據第3章結果，在EHA工作過程中，達到穩態后，EHA內電機最高溫度是159.4℃，而柱塞泵內的最高溫度是131.7℃，電機內的溫度最高，因此研究EHA的生熱情況主要是研究EHA內電機的生熱情況。

使用控制變量法[9]，分別控制EHA工作頻率和外部負載為唯一變量，重新計算電機的熱源發熱功率，并將其轉化為熱生成量和熱流動量，在ANSYSWorkbench中對電機進行熱仿真和分析，生成不同工作條件下的電機溫度場，分析電機生熱和散熱與工作頻率和負載的關系。

4.1 工作頻率對電機生熱的影響

為研究工作頻率對電機生熱的影響，為簡化問題，假設EHA整體效率為0.7，EHA執行器的最大行程為50 mm，做正弦響應，負載F=5 kN，幅值A=5 mm，均值為0，分別研究工作頻率為f1=1 Hz、f2=1.5 Hz、f3=2 Hz時的穩態電機生熱散熱情況。

計算得出電機的實際輸出功率，繼而計算電機的定子鐵芯損耗功率、轉子鐵芯損耗功率和線圈生熱功率，將其數值代入ANSYSWorkbench中，生成溫度場仿真結果。3種情況下的溫度場仿真結果如圖7所示。由圖可知，當EHA的工作頻率升高時，電機的生熱量越來越多，而且溫度最高的區域有從轉子向定子轉移的趨勢。

圖7 不同工作頻率下溫度場仿真結果

4.2 外部負載對電機生熱的影響

為研究外部負載對電機生熱的影響和簡化問題，假設EHA整體的效率為0.7，EHA的執行器做正弦響應且最大行程為50 mm，幅值為A=5 mm，均值為0，工作頻率為f=1 Hz[10]，分別研究負載F1=5 kN、F2=10 kN、F3=20 kN時的穩態電機生熱散熱情況。

負載大小不同，電機中需要的直流電流大小便不同，則電機的實際輸出功率便不同。分別計算電機在某負載下的線圈生熱功率、定子鐵芯生熱功率和轉子鐵芯生熱功率。在ANSYSWorkbench中，將線圈生熱功率等效為定子內表面的熱流量，定子鐵芯和轉子鐵芯生熱功率使用定子和轉子的內部熱生成描述，代入數據，得出電機溫度場仿真結果。3種情況下的溫度場仿真結果如圖8所示。從圖中可以觀察到，隨著負載的增大，電機的最大溫度有所增大。此外當外負載為5 kN時，電機內最高溫度是47℃；當負載增加1倍達到10 kN時，電機內最高溫度是63℃；當負載再次增加1倍，電機內最高溫度是71℃。可以看出，隨著負載的逐漸增大，電機的溫度增加幅度越來越小。所以當EHA處于較大負載工作條件下，負載的大小不是影響電機發熱的主要因素。

圖8 不同負載下的溫度場仿真

5 結束語

本文以EHA電機為主要研究對象，分析了EHA主要部件傳熱機理。建立EHA三維模型，并將三維模型導入ANSYS Workbench中，進行主要熱源電機的熱力學仿真與分析，得到溫度分布云圖，并對電機溫度較高區域做出重點分析，給出EHA電機在不同工作頻率和負載條件下的熱特性，為EHA的選型、設計和適航審定提供一定依據。