功率電傳作動系統(tǒng)用電機關鍵技術及其發(fā)展趨勢

關 棟，楊小輝，劉 更，馬尚君，佟瑞庭

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

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

(1)提高戰(zhàn)傷生存能力;

(2)改善飛機的飛行品質(zhì);

(3)提高飛機的可維護性;

(4)降低對地面保障設施的要求;

(5)利于實現(xiàn)隨控布局設計;

(6)避免由于液壓油泄漏造成火災的可能性。

此外，功率電傳作動系統(tǒng)還具有體積小、重量輕、可靠性高、效率高、結(jié)構相對簡單、減小易攻擊機身面積等優(yōu)點［4］。

功率電傳作動系統(tǒng)在飛行控制技術中將是一個主要的技術突破口，高性能的電機設計、制造及其控制技術又是功率電傳作動系統(tǒng)的核心技術［5］。隨著飛行器多電化與全電化的發(fā)展趨勢，功率電傳作動系統(tǒng)將逐步替代傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)使得飛機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的發(fā)展，發(fā)展功率電傳作動系統(tǒng)將成為可能［6］。

與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機特別是稀土永磁電機除了具有結(jié)構簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點［7］以外，還具有響應快、便于實現(xiàn)多余度控制等特點，因此更適合于對性能、體積、重量、速度有特殊要求的航空領域。

1 稀土永磁電機在功率電傳作動系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

稀土永磁電機具有以下優(yōu)點:

(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，電機的質(zhì)量可減少30%;體積相同時，功率可增大50%。而在現(xiàn)代航空飛行器的設計中，首先要考慮的兩個問題就是設備的重量和體積。

(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一步減小電機的轉(zhuǎn)子尺寸，從而獲得優(yōu)良的動態(tài)特性。

(3)高矯頑力Hc能夠降低退磁風險。磁鋼可以加工成不同形狀，滿足轉(zhuǎn)子外形設計成不同的形狀要求，以適應于高速運行的功率電傳作動系統(tǒng)電機需要。

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

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

(6)便于計算機精確控制。電機便于采用計算機進行精確操控，以便更好地發(fā)揮飛機的整體性能。

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

上世紀末，美國對功率電傳作動系統(tǒng)用電機的進行了一系列的研究與開發(fā)。它們采用高性能的釹鐵硼作為磁性材料制備了無刷直流電動機，并將其作為電動靜液作動器的動力源。此電機為高壓、直流供電，并應用脈寬調(diào)制技術，通過控制器采集飛控計算機所發(fā)出的控制指令，采用三通道舵回路系統(tǒng)伺服放大器對信號處理、傳輸，經(jīng)放大后的信號驅(qū)動作動器并實現(xiàn)對舵面的驅(qū)動，最終實現(xiàn)飛控系統(tǒng)對飛機飛行的自動控制。

目前，作為功率電傳作動系統(tǒng)驅(qū)動元件的稀土永磁電機主要有三種:有刷直流電動機、步進電動機、無刷直流電動機，而且都有比較廣泛的應用。印度一般采用混合式步進電動機、無刷電動機，美國采用有刷電動機及無刷直流電動機較多，國內(nèi)則主要采用步進電動機和無刷直流電動機［12］。無刷直流電動機因不采用電刷進行機械換向而將壽命由傳統(tǒng)的幾百小時提高到1 000～2 000 h，可以進一步提高轉(zhuǎn)速、增加可靠性和降低重量而且便于實現(xiàn)余度控制。因此被公認為飛控系統(tǒng)最有發(fā)展前景的一類電機。

西北工業(yè)大學工程設計與仿真研究所正在研制2 kW、18 000 r/min的飛控系統(tǒng)用無槽無刷稀土永磁電機。該電機與傳統(tǒng)的有槽電機相比，效率高、功率密度大、過載能力強且運行平穩(wěn)。

2 功率電傳作動系統(tǒng)用稀土永磁電機關鍵技術

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系統(tǒng)，需要研究和解決高性能永磁材料、大功率半導體器件、微處理器、稀土永磁電機設計制造等技術［13］。

2.1.1 高性能稀土永磁材料

功率電傳作動系統(tǒng)一直未能成為飛控系統(tǒng)舵面的主要執(zhí)行機構，其主要的原因之一就是高性能的永磁材料的缺乏。新型永磁材料將進一步減輕作動系統(tǒng)的重量［14-16］、提高其性能，還能改善由于高溫、閃電、電磁脈沖等強磁場引起的失磁作用［17］。在高溫或低溫的情況下稀土永磁材料的特性將會發(fā)生變化。一般情況下磁鋼的工作溫度不超過105℃，最高不超過150℃［18］。而國內(nèi)已經(jīng)開發(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，其直徑105 mm、長145 mm。電機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機材料為主的結(jié)構材料［19］。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，將會有新的更大的突破［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、高速開關的方向發(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)問世，它具有開關期間發(fā)熱少、電流輸出波形優(yōu)化等特點;并能夠?qū)崿F(xiàn)降低驅(qū)動功率、減小體積、實現(xiàn)電機運行靜音化的目標。這些新型大功率器件的采用將能夠進一步提高電機的可靠性、有效地實現(xiàn)功率變換和精確控制［17］。

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

2.2 高頻響、小慣量

功率電傳作動系統(tǒng)一般由高速電機驅(qū)動，通過齒輪減速機構減速后由滾柱絲杠副或滾珠絲杠副執(zhí)行。在電機功率一定的條件下，其速度越高則其體積越小［22］。由于機電作動系統(tǒng)要求超調(diào)小、響應快、抗負載干擾能力強、實時性好，一般要求其驅(qū)動電機的機電時間常數(shù)要小，即系統(tǒng)頻響高［23］。因此多采用高速伺服電機，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臺無刷直流電動機。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臺三相無刷直流電動機。

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，國內(nèi)外的電機可靠性技術的研究均進展迅速。一般可將其分為兩個層次，第一層次的標志為冗余技術，另一層次的標志為容錯技術［24］。國內(nèi)西北工業(yè)大學和北京航空航天大學高校對雙余度永磁電機及其控制系統(tǒng)開展了相關研究工作。

2.3.1 雙余度電機本體結(jié)構

余度［25］是指使用兩套或兩套以上的設備來完成給定的任務，即構成余度。串聯(lián)式結(jié)構和并聯(lián)式結(jié)構為雙余度電機驅(qū)動系統(tǒng)主要的兩種結(jié)構形式，如圖2所示。

圖2 雙余度電機結(jié)構形式

串聯(lián)式雙余度結(jié)構如圖2(a)所示。有兩套相互獨立的線圈繞組、一對轉(zhuǎn)子、兩個位置傳感器和共用的電機轉(zhuǎn)子軸構成。由于此結(jié)構中兩套繞組分別繞制，相距較遠，因此磁耦合現(xiàn)象很弱，控制系統(tǒng)也不復雜。但本質(zhì)上是由兩臺電機串聯(lián)組成的，因此體積較大。當其中一個電機出現(xiàn)故障時，其中一臺就會成為另一臺電機的負載，導致其機電時間常數(shù)上升，動態(tài)特性下降。另外轉(zhuǎn)子共軸的結(jié)構會發(fā)生力矩扭轉(zhuǎn)導致軸承的壽命縮小，所以這種結(jié)構較少采用。

圖2(b)為并聯(lián)式雙余度結(jié)構。它是由兩套線圈繞組組成的，每個線圈繞組相差30°的電角度，一對位置傳感器和單個轉(zhuǎn)子組成。與圖2(a)相比，系統(tǒng)的長度變小。由于空間狹小，所以線圈繞組繞制繁瑣，同時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)比較復雜。

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

2.3.2 雙余度電機控制系統(tǒng)

雙DSP雙余度控制系統(tǒng)和單DSP雙余度控制系統(tǒng)是當前電機余度控制系統(tǒng)的兩種主要方式［25］。本質(zhì)都是通過備份的方式來實現(xiàn)容錯的。

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

1996年，英國的LUCAS公司和Shfield大學的教授合作，研究并開發(fā)了永磁容錯電機。將其應用于功率電傳作動系統(tǒng)中，顯示了這種類型的電機在飛控系統(tǒng)中廣闊的應用前景［33-37］。

目前國內(nèi)對永磁容錯電機和相關的控制系統(tǒng)研究不是太多，西北工業(yè)大學對這種電機進行了一些論述［37］。但一些高校對其他類型的電機及控制器進行了容錯設計，特別是對異步電機及其控制器的容錯性開展了詳細的研究。2000年前后清華大學提出了異步電機的容錯集成系統(tǒng)［38］。兩年后南京航空航天大學提出了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機容錯系統(tǒng)［39-41］。

2.4 其它

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

3 功率電傳作動系統(tǒng)用稀土永磁電機未來發(fā)展趨勢

3.1 電機新技術

3.1.1 高壓化、直流化、無刷化

從飛機供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢看，未來軍用飛機傾向于采用270 V高壓直流電源系統(tǒng)如F-22、F-35等［42］。多電飛機要求系統(tǒng)具有高可靠性、高容錯性、高功率密度等，而航空高壓直流電機是多電飛機的關鍵技術之一［43］。

我國現(xiàn)役飛機的飛控系統(tǒng)多采用有刷低壓直流電機。由于此電機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。所以這種電機的壽命己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，迫切需要更新?lián)Q代［44］。

國外軍用飛機的功率電傳作動系統(tǒng)逐步采用高壓無刷直流電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低壓有刷電機作為動力源，如美國的“全球鷹”等。

3.1.2 結(jié)構工藝革新與機身一體化

未來飛行器尤其是戰(zhàn)斗機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器，對飛行器外形和結(jié)構的破壞可能會把體積減小的優(yōu)勢抵消［45］。

文獻［46-47］描述了一種電機直接驅(qū)動機翼的飛行控制方法。這種電機可以在一定轉(zhuǎn)角內(nèi)實現(xiàn)對飛控舵面的準定位和驅(qū)動。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。電機本體由雙余度的定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子構成，控制系統(tǒng)和電機的定子繞組一樣，采用雙余度控制線路進行控制。

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

(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)減小整個飛控系統(tǒng)的慣性。

3.1.3 高功率重量比

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

(1)無鐵心永磁電機的采用

無鐵心永磁電機［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)構上采用聚磁型無鐵心結(jié)構，可以避免鐵耗，而且能夠超高速運轉(zhuǎn)。

(2)無槽無刷電機的采用

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

(3)電機高速化

高速電機［54］因為體積小、頻響快和功率密度大等特點，在民用和軍事兩個方面均有極大的市場。近二三十年來，西方國家逐步開展了對高速電機的應用研究工作。

3.2 數(shù)字控制

現(xiàn)代計算機、電子技術和通信技術的發(fā)展，使數(shù)字化技術已經(jīng)進入到各個領域。它可以克服模擬伺服放大電路的很多缺點。所以功率電傳作動系統(tǒng)采用數(shù)字控技術也是不可避免的。

數(shù)字式控制技術具有以下優(yōu)點:

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

(2)便于快速的對軟件系統(tǒng)升級改進。

(3)系統(tǒng)便于調(diào)試。

(4)較高的系統(tǒng)集成度。

3.3 信號傳輸

現(xiàn)代飛機大量采用復合材料，使得機身屏蔽電磁波的能力大大減弱。全電飛機采用電氣控制后，其抗電磁干擾能力會進一步降低。為了避免這種缺陷，國內(nèi)外開展了光傳操縱系統(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信號傳輸系統(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。

4 結(jié) 語

盡管國內(nèi)諸如西北工業(yè)大學等單位對功率電傳作動系統(tǒng)用稀土永磁電機開展了大量的研究工作。但是與發(fā)達國家相比仍存在著發(fā)展相對滯后、工程化程度不高等問題。為此，需要不斷地提高電機的可靠性;努力提高永磁材料的性能;采用無位置傳感器等新技術并逐步實現(xiàn)工程應用。此外，還需要從電機-機身一體化、高功率密度重量比、新型的控制策略與方法和信號傳輸技術等方面繼續(xù)加大發(fā)展力度。

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