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;

(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構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、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，電機的質量可減少30%;體積相同時，功率可增大50%。而在現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，經放大后的信號驅動作動器并實現對舵面的驅動，最終實現飛控系統(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，可以進一步提高轉速、增加可靠性和降低重量而且便于實現余度控制。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］。而國內已經開發(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;并能夠實現降低驅動功率、減小體積、實現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?。?2］。由于機電作動系統(tǒng)要求超調小、響應快、抗負載干擾能力強、實時性好，一般要求其驅動電機的機電時間常數要小，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。其中第一代EMA，如圖1(a)所示，采用空載轉速為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。串聯式結構和并聯式結構為雙余度電機驅動系統(tǒng)主要的兩種結構形式，如圖2所示。

圖2 雙余度電機結構形式

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

圖2(b)為并聯式雙余度結構。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磁耦合現象，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］。所以應采用并聯式的雙余度結構。

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］。本質都是通過備份的方式來實現容錯的。

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不能滿足現代戰(zhàn)爭的需要，迫切需要更新換代［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動機翼的飛行控制方法。這種電機可以在一定轉角內實現對飛控舵面的準定位和驅動。其具有一定轉角內轉矩大、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。在磁路結構上采用聚磁型無鐵心結構，可以避免鐵耗，而且能夠超高速運轉。

(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 數字控制

現代計算機、電子技術和通信技術的發(fā)展，使數字化技術已經進入到各個領域。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)采用數字控技術也是不可避免的。

數字式控制技術具有以下優(yōu)點:

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

(2)便于快速的對軟件系統(tǒng)升級改進。

(3)系統(tǒng)便于調試。

(4)較高的系統(tǒng)集成度。

3.3 信號傳輸

現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，國內外開展了光傳操縱系統(tǒng)的研究。其本質仍是功率電傳，只是在信號傳輸介質采用光纜替代電纜。

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、數據量大、速度快等優(yōu)點。

4 結 語

盡管國內諸如西北工業(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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