林靈矯，連文磊，牛文敬

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著空客A380、波音B787及第四代戰(zhàn)機(jī)F35的升空，多電飛機(jī)的概念正在由設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。相比于普通飛機(jī)，多電飛機(jī)用電力系統(tǒng)替代原有的液壓系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、易維護(hù)性具有巨大優(yōu)勢[1]。在多電飛機(jī)中，飛行控制系統(tǒng)使用機(jī)電作動器作為主要作動機(jī)構(gòu)[2]，由永磁電機(jī)、伺服驅(qū)動器、電缸等部件構(gòu)成[3-4]，使飛機(jī)整體的能源效率及可靠性得到提升[5]。然而機(jī)電作動器存在散熱問題，已有的工程實(shí)例表明，大功率電作動系統(tǒng)的強(qiáng)電流和高頻的開關(guān)轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，并高度集中在電機(jī)及伺服驅(qū)動器上，使機(jī)電作動器的溫度升高[6]，進(jìn)而導(dǎo)致其可靠性降低、使用壽命縮短，不利于飛行安全。同時，由于復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，而飛機(jī)內(nèi)部的熱量通過蒙皮散出愈發(fā)困難，使得機(jī)電作動器的散熱面臨極大挑戰(zhàn)[7-8]。

明確機(jī)電作動器的熱量產(chǎn)生與傳遞規(guī)律是開展散熱方法與技術(shù)研究的前提條件。本文以一款機(jī)電作動器為例，先針對不同的作動速度及出力工況明確產(chǎn)熱特性，并通過實(shí)驗(yàn)研究的方式，測定其穩(wěn)態(tài)溫度以明確傳熱特性，隨后根據(jù)飛機(jī)典型任務(wù)循環(huán)工況測試并計算各主要部件發(fā)熱量，同時監(jiān)測關(guān)鍵元件的溫度及其變化規(guī)律，進(jìn)而明確不同工況下機(jī)電作動器的熱量產(chǎn)生與傳輸特性，為機(jī)電作動器散熱方法與技術(shù)的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

機(jī)電作動器的熱源主要為3部分：永磁電機(jī)、伺服驅(qū)動器及機(jī)械摩擦。其中，永磁電機(jī)主要發(fā)熱部位為定子繞組與定子鐵芯，其熱損耗分別稱為銅損與鐵耗，均不易獲得解析解[9-10]。伺服驅(qū)動器主要發(fā)熱元件為IGBT模塊及晶閘管，其熱損耗因通電引起；在電動機(jī)高頻換向的過程中將出現(xiàn)功率再生，此時驅(qū)動器的再生電阻將此部分能量以熱能的形式耗散。機(jī)械摩擦主要來源于減速器及電缸，無法準(zhǔn)確測定。因此，通過理論計算獲得的各部分產(chǎn)熱特性存在較大誤差，有必要通過實(shí)驗(yàn)的方式對機(jī)電作動器的產(chǎn)熱特性進(jìn)行研究。

為明確機(jī)電作動器各部件產(chǎn)熱特性，由能量守恒，有：

P=S·cosφ

(1)

P=Q+F·v

(2)

其中:P表示機(jī)電作動器永磁電機(jī)消耗的有功功率，W；S表示永磁電機(jī)消耗的視在功率，VA；cosφ為永磁電機(jī)功率因數(shù)；F表示機(jī)電作動器出力，kN；v表示機(jī)電作動器往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，mm/s；F·v表示機(jī)電作動器輸出的機(jī)械功。由于機(jī)械摩擦消耗的功率也包含在輸入機(jī)電作動器的有功功率內(nèi)，故Q表示機(jī)電作動器產(chǎn)熱及機(jī)械結(jié)構(gòu)摩擦產(chǎn)生的熱量，W。在測得P與F·v后，即可通過計算獲得Q。

伺服驅(qū)動器內(nèi)各元件發(fā)熱量不易直接測得，故通過拆解伺服驅(qū)動器、確定元件型號并查閱元件說明書，得出晶閘管與IGBT模塊發(fā)熱量與輸入永磁電機(jī)電流的關(guān)系，并通過測量該電流獲得兩元件的具體發(fā)熱量。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中，機(jī)電作動器由安川SGM7G-44A永磁電機(jī)及伺服驅(qū)動器SGD7S-330A00A與減速器、定制電缸構(gòu)成，其最大行程100mm，可有效加載的行程為60mm，最大作動速度50mm/s，最大出力10kN。通過裝有閥門的定制液壓缸根據(jù)拉壓力傳感器手動控制加載，通過熱風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度控制；輸入永磁電機(jī)的有功功率P通過橫河WT1803E功率分析儀進(jìn)行測試；溫度數(shù)據(jù)通過K型熱電偶測量。

伺服驅(qū)動器晶閘管型號為SEMIKRON SK60DTA，IGBT模塊型號為Fuji 7MBP100VFN060-50，查閱元件說明書，知晶閘管與IGBT模塊的發(fā)熱量分別為：

Q晶閘管=0.8922×I1.353

(3)

QIGBT=4.311×I1.064

(4)

其中I為驅(qū)動器輸出電流的有效值，單位為A。

機(jī)電作動器傳熱特性實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。

1—熱風(fēng)機(jī)；2—永磁電機(jī)；3—電缸；4—伺服驅(qū)動器；5—液壓缸。圖1 機(jī)電作動器傳熱特性實(shí)驗(yàn)臺

2 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

由于機(jī)電作動器產(chǎn)熱與作動速度及出力均相關(guān)，故采用控制變量法，室溫較穩(wěn)定時，在作動速度分別為20mm/s、30mm/s、40mm/s的條件下，分別設(shè)置出力為3kN、4kN、5kN進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由功率分析儀測得輸入電機(jī)的有功功率，同時測量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時機(jī)電作動器各測點(diǎn)的溫度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程中室溫穩(wěn)定在289K。以作動速度20mm/s、出力3kN的工況為例，截取其中一段數(shù)據(jù)，機(jī)電作動器消耗的有功功率P、視在功率S及輸出的機(jī)械功F·v如圖2所示。

圖2 功率分析示意圖

由圖2可知，P及S在機(jī)電作動器平穩(wěn)運(yùn)行時幾乎保持一致，在減速換向時S產(chǎn)生尖峰，但此時P出現(xiàn)低谷且與F·v波形匹配。減速換向時，永磁電機(jī)的定子繞組需產(chǎn)生足夠強(qiáng)的反向磁場使永磁體轉(zhuǎn)子在短時間內(nèi)停止并反轉(zhuǎn)，此時需消耗大量的無功功率，因此S產(chǎn)生尖峰。實(shí)驗(yàn)全程測得流入再生電阻的電流均在0.1A左右且無規(guī)則波動，認(rèn)定無電流流入再生電阻。此結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的工況下，再生電阻未發(fā)熱。

穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)測得的各部件發(fā)熱量由式(1)-式(4)計算及整理后如表1所示。由于再生電阻未發(fā)熱，表1將其省略。

表1 各工況下各部件的發(fā)熱量

實(shí)驗(yàn)中，室溫穩(wěn)定在289K，測得各點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度如圖3-圖5所示。

圖3 作動速度20mm/s各測點(diǎn)溫度

圖4 作動速度30mm/s各測點(diǎn)溫度

圖5 作動速度40mm/s各測點(diǎn)溫度

由圖3-圖5可知，機(jī)電作動器溫升最明顯的部件為永磁電機(jī)，其穩(wěn)態(tài)溫度隨作動速度與出力的增大而顯著升高，在已測試的工況下最高約為320K，溫升接近20K；溫升次明顯的部件為伺服驅(qū)動器IGBT模塊，最高約為298K，最大溫升為3K；再生電阻溫度基本與室溫持平，其微量溫升應(yīng)為其他發(fā)熱元件通過翅片向其導(dǎo)熱所致。電缸表面溫度略高于環(huán)境溫度，其原因除了電機(jī)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱外，電缸內(nèi)部存在摩擦也導(dǎo)致溫升；考慮減速器及電缸機(jī)械效率極高，摩擦引起的發(fā)熱量應(yīng)較小，摩擦產(chǎn)熱可忽略不計。

3 典型飛行任務(wù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，由國內(nèi)外給定的典型飛行任務(wù)循環(huán)確定機(jī)電作動器在各飛行狀態(tài)下的作動速度及出力，見表2。

表2 典型飛行任務(wù)循環(huán)工況設(shè)計

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測試并計算后獲得的發(fā)熱功率結(jié)果如圖6所示。

圖6 循環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)電作動器發(fā)熱功率

由圖6可知，機(jī)電作動器在同一階段內(nèi)產(chǎn)熱基本一致，實(shí)驗(yàn)全程的大多數(shù)時間內(nèi)處于低作動速度、小出力的工況，其產(chǎn)熱極??；而短時間內(nèi)遭遇的高作動速度、大出力工況將使機(jī)電作動器發(fā)熱功率大幅上漲，在該工況下，機(jī)電作動器的作動速度為50mm/s，出力為4kN，此時永磁電機(jī)產(chǎn)熱約150W，而伺服驅(qū)動器內(nèi)各元件通過的電流也超出其他工況，因此可認(rèn)定，高作動速度、大出力的工況是機(jī)電作動器面臨的最惡劣工況。

機(jī)電作動器的溫升測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 循環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)電作動器溫度

由圖7知，機(jī)電作動器的永磁電機(jī)在高作動速度、大出力的階段內(nèi)溫升極為迅速，盡管其熱容量較大，在5min內(nèi)溫度仍升高了約7K；由于永磁電機(jī)采用自然對流的方式散熱，其散熱效果較差，在循環(huán)實(shí)驗(yàn)其他階段內(nèi)溫度也處于持續(xù)上升的狀態(tài)，同時使永磁電機(jī)附近的環(huán)境溫度升高，故在多電飛機(jī)尤其是結(jié)構(gòu)較緊湊的飛行器中，處于較封閉環(huán)境內(nèi)的機(jī)電作動器急需高效散熱解決方案。

伺服驅(qū)動器的溫升測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 循環(huán)實(shí)驗(yàn)伺服驅(qū)動器溫度

反觀伺服驅(qū)動器，由圖8可知，溫升最快的階段與永磁電機(jī)相同，溫升約為7K，但由于伺服驅(qū)動器使用風(fēng)扇及翅片進(jìn)行強(qiáng)迫對流換熱，在其他階段內(nèi)溫升不明顯，且在幾分鐘內(nèi)即可使溫度穩(wěn)定；驅(qū)動器附近的環(huán)境溫度受內(nèi)部元件發(fā)熱影響較小，即便在封閉空間內(nèi)也可穩(wěn)定在實(shí)驗(yàn)初期的溫度附近；由于伺服驅(qū)動器內(nèi)的發(fā)熱元件熱容量較小，其溫度響應(yīng)十分靈敏，只要輸入電機(jī)的電流降低，溫度便會迅速隨之降低，這表明目前采用的風(fēng)扇+翅片散熱方式可以滿足現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)工況下伺服驅(qū)動器的散熱需求，但高作動速度、大出力的工況下，其絕對溫度仍具有繼續(xù)上升的趨勢，故還需開展其他散熱方式的研究以應(yīng)對更長時間的高作動速度、大出力工況。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)研究對機(jī)電作動器在可能遇到的各工況下進(jìn)行能量分析及溫升測試，通過功率分析儀對機(jī)電作動器輸入、輸出、產(chǎn)熱的功率進(jìn)行測量，確定“高作動速度、大出力”的工況為機(jī)電作動器面臨的最惡劣工況，并為后續(xù)機(jī)電作動器的高效散熱研究指明重點(diǎn)與方向：通過某種散熱手段可將最惡劣工況下的溫度降至適宜范圍內(nèi)，即可滿足其所有工況下的散熱需求，從而提升作動器性能。

由于多電飛機(jī)可用熱沉僅為燃油與沖壓空氣等介質(zhì)，可考慮將機(jī)電作動器的產(chǎn)熱通過輕質(zhì)、緊湊且高效的換熱器導(dǎo)入熱沉，使其在穩(wěn)定溫度下工作，從而顯著提高機(jī)電作動器的安全性、穩(wěn)定性及易維護(hù)性。