段嘉興，來(lái)雨辰，鄧君毅

（1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，西安 710126；2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250002；3.蘭州萬(wàn)里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，蘭州 730070）

0 引言

如果把飛機(jī)比喻成一個(gè)人，那么飛機(jī)作動(dòng)器是其“手”和“腳”，是完成其他一切動(dòng)作和功能的執(zhí)行器。隨著飛機(jī)作動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)靜液作動(dòng)器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）的應(yīng)用越來(lái)越普遍。作為一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的密閉功率電傳作動(dòng)器和機(jī)電液控一體化高端產(chǎn)品，EHA是飛機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其自身存在的生熱與散熱問(wèn)題受到廣泛重視[1]。

為滿足飛機(jī)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(fā)展。隨之帶來(lái)的電機(jī)發(fā)熱、摩擦副摩擦生熱、柱塞泵內(nèi)高速攪拌生熱、容積損失等使得EHA內(nèi)部能量損失增大[2]。在EHA工作過(guò)程中，存在能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，功率損失的發(fā)生就不可避免，而功率損失往往會(huì)以熱量的形式表現(xiàn)出來(lái)。在EHA整體結(jié)構(gòu)中，不存在大型的液壓油箱，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓油循環(huán)回路短，散熱面積小，導(dǎo)致發(fā)熱后傳遞到液壓油中的熱量很難通過(guò)液壓油和液壓管路散發(fā)出去。又因?yàn)镋HA的體積小，使得系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量通過(guò)EHA外殼只能散發(fā)出去一部分，剩余部分會(huì)存留在EHA非常小的密閉空腔內(nèi)，可能造成EHA整體和液壓油溫度上升。內(nèi)部溫度過(guò)高，EHA可能失去原有功能，嚴(yán)重時(shí)危害飛行安全，這是制約EHA發(fā)展與應(yīng)用的重要因素[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文分析EHA熱能傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程，分析EHA傳熱與散熱機(jī)理?；贏NSYS平臺(tái)建立EHA的熱力學(xué)模型，對(duì)EHA主要熱源電機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)仿真與分析，得出電機(jī)的溫度場(chǎng)熱分布圖。使用控制變量法，分別研究工作頻率和負(fù)載對(duì)電機(jī)生熱的影響，得到EHA主要熱源電機(jī)的熱特性，為EHA的選型、設(shè)計(jì)和適航認(rèn)證提供一定依據(jù)。

1 電動(dòng)靜液作動(dòng)器結(jié)構(gòu)及原理

EHA結(jié)構(gòu)分為機(jī)械、電子電路和液壓元件3部分。機(jī)械部分包括無(wú)刷直流電機(jī)、作動(dòng)筒等；電子電路部分包括數(shù)字控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路等；液壓元件部分包括雙向定量柱塞泵、單向閥、過(guò)濾器、安全閥、儲(chǔ)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(tǒng)作為作動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[4]。

圖1 EHA結(jié)構(gòu)原理

飛機(jī)用大功率高壓（5 kW以上/直流270 V）稀土永磁無(wú)刷電機(jī)是EHA的核心元件，它為EHA提供動(dòng)力，然后由柱塞泵向作動(dòng)機(jī)構(gòu)提供液壓能，最后作動(dòng)筒將柱塞泵提供的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)舵面轉(zhuǎn)向等一系列精準(zhǔn)操作控制。存在于EHA的位置反饋、速度反饋、壓力反饋等負(fù)反饋控制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)舵面位移、方向和速度等的精確控制。

EHA研制存在大功率驅(qū)動(dòng)、高壓密封和密閉散熱等問(wèn)題。EHA因?yàn)樯岵涣嫉脑驑O易造成液壓系統(tǒng)的油液溫度升高。由于EHA本身存在發(fā)熱散熱問(wèn)題，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，油液溫度高的問(wèn)題必須加以考慮。下面分析EHA內(nèi)部熱量的產(chǎn)生和散出方式及路徑。

2 EHA傳熱機(jī)理分析

EHA有功率驅(qū)動(dòng)電路板、永磁無(wú)刷直流電機(jī)、柱塞泵和作動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要熱源。從熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等方面分析其傳熱機(jī)理。

2.1 功率驅(qū)動(dòng)電路板傳熱機(jī)理分析

功率驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，它將控制器發(fā)出的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大與轉(zhuǎn)換，變成無(wú)刷直流電機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。EHA電機(jī)控制具有實(shí)時(shí)性、保護(hù)性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)[5]。

為簡(jiǎn)化EHA結(jié)構(gòu)，縮小體積，常用高度集成的電子器件組成電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路板，造成電路板的體積小、散熱困難、能量密度高。受無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)熱影響，電路板所處的環(huán)境溫度很高，峰值可能達(dá)到100℃以上，使得電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路工作溫度很高，極易引起電路板上的電子器件穩(wěn)定性變差甚至失效。因此，對(duì)電路板進(jìn)行散熱機(jī)理分析及優(yōu)化十分必要。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱源主要是電子器件因電流通過(guò)而不可避免的發(fā)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(dòng)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(dǎo)和熱對(duì)流，通過(guò)熱輻射散發(fā)的熱量相對(duì)較小。

在PCB板上安裝鋁合金散熱器，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱器件熱傳導(dǎo)散熱。PCB板覆銅-環(huán)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(fā)熱電子元器件不能依靠承載的PCB板傳導(dǎo)熱量，只能依靠電子器件自身與空氣形成熱對(duì)流。因此，解決PCB板散熱問(wèn)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(guò)熱對(duì)流方式散發(fā)出去。

2.2 直流無(wú)刷電機(jī)傳熱機(jī)理分析

電機(jī)損耗就是電機(jī)發(fā)熱源，電機(jī)在電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，損耗的能量絕大部分最終會(huì)轉(zhuǎn)換為熱量，使電機(jī)本身和與之相連接的柱塞泵、電路板等溫度升高。電機(jī)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換是通過(guò)轉(zhuǎn)子（稀土永磁材料）在定子（導(dǎo)體線圈）中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。因此，電機(jī)的發(fā)熱方式有轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成鐵芯熱損耗、定子通電產(chǎn)生熱損耗、機(jī)械摩擦熱損耗3種[6-8]。

（1）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)造成鐵芯熱損耗

鐵芯與永磁體直接連接，不發(fā)生相對(duì)位移且緊密接觸，所以它們間的熱能傳遞方式為熱傳導(dǎo)。電機(jī)主軸與鐵芯直接相連，熱量的傳遞方式也為熱傳導(dǎo)。當(dāng)鐵芯產(chǎn)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(dǎo)熱能力，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞。由于鐵芯與主軸接觸面積較小，所以鐵芯通過(guò)主軸接觸部分以熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量比較小。在分析鐵芯的熱對(duì)流方式傳熱時(shí)，由于鐵芯和永磁體是緊密接觸的，二者之間沒(méi)有空隙，空氣或者潤(rùn)滑液體無(wú)法進(jìn)入，所以可將二者看作一個(gè)整體。這個(gè)整體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)切割定子繞組通電產(chǎn)生的磁感線，繼而與周圍空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成熱對(duì)流形式的換熱。在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，與空氣間的對(duì)流換熱可以視為強(qiáng)制對(duì)流，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)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(dǎo)體線圈、鐵芯組成，在線圈通電過(guò)程中，鐵芯也會(huì)產(chǎn)生不可避免的熱損耗。定子產(chǎn)熱的主要原因在于電流通過(guò)定子繞組后產(chǎn)生的電熱。因?yàn)槔@組和鐵芯同時(shí)產(chǎn)生熱量，且線圈纏繞在鐵芯上，因此可將二者看作整體進(jìn)行熱傳導(dǎo)的分析。作為定子，這個(gè)整體直接與電機(jī)的外殼接觸，熱傳導(dǎo)的方向也就是從定子到電機(jī)外殼。定子自發(fā)產(chǎn)熱，導(dǎo)致其溫度與周圍環(huán)境溫度存在差異，必然會(huì)造成對(duì)流傳熱的方式。雖然線圈通過(guò)纏繞的方式繞在鐵芯上，與空氣接觸面積大，傳熱能力強(qiáng)，但定子靜止不動(dòng)，與周圍空氣的對(duì)流方式為自然對(duì)流，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小，通過(guò)對(duì)流傳熱散發(fā)的熱量較小。此外，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式從定子傳遞到電動(dòng)機(jī)外箱體中，使得外箱體溫度升高。通過(guò)對(duì)流換熱的方式，電機(jī)內(nèi)的氣體溫度也在不斷升高，當(dāng)其溫度超過(guò)電機(jī)箱體時(shí)，也會(huì)在電機(jī)內(nèi)部氣體和電機(jī)外箱體間建立對(duì)流傳熱聯(lián)系，使熱量排出。這些熱量涌入電機(jī)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(jié)構(gòu)的限制，電機(jī)外殼的散熱主要靠本身的結(jié)構(gòu)和散熱器?？梢酝ㄟ^(guò)更換電機(jī)的材料和與電機(jī)接觸的元件、底座等的材料，強(qiáng)化電機(jī)外殼的熱傳導(dǎo)方式散熱；也可通過(guò)優(yōu)化電機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)，增大其與空氣的接觸面積，增加對(duì)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(jī)外殼表面，同樣可通過(guò)增強(qiáng)對(duì)流傳熱的方式改善電機(jī)的散熱條件。

（3）機(jī)械摩擦熱損耗

電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械損耗主要是摩擦帶來(lái)的，電機(jī)內(nèi)可能產(chǎn)生摩擦生熱的部分主要是轉(zhuǎn)子和軸承。一般情況下，轉(zhuǎn)子的摩擦生熱因不確定性而難以計(jì)算，大多根據(jù)三維建模仿真或者實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析或近似計(jì)算。在EHA中，軸承的轉(zhuǎn)速可能達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘，在高速運(yùn)行中，隨著軸承的速度越來(lái)越快，工作壓力越來(lái)越高。

目前在電機(jī)中應(yīng)用的軸承大部分都是深溝球軸承，由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架組成，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承外圈不動(dòng)，內(nèi)圈與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)既有滑動(dòng)也有滾動(dòng)，這就決定了軸承中的摩擦生熱來(lái)源主要有5個(gè)方面：滾動(dòng)體與軸承外圈摩擦、滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈摩擦、滾動(dòng)體與保持架摩擦、滾動(dòng)體與軸承內(nèi)部潤(rùn)滑液摩擦和滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)生熱。在EHA工作過(guò)程中，滾動(dòng)軸承的溫度會(huì)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(dǎo)；另一種是軸承與EHA內(nèi)部的潤(rùn)滑油的熱對(duì)流。

2.3 柱塞泵傳熱機(jī)理分析

在EHA液壓系統(tǒng)中，主要發(fā)熱源是液壓泵。EHA對(duì)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(jié)構(gòu)，柱塞泵的生熱來(lái)源主要有摩擦副機(jī)械功率損失發(fā)熱和液壓泵內(nèi)油液攪動(dòng)生熱兩部分。柱塞泵中的摩擦副有很多，其中有3個(gè)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(nèi)的油液攪動(dòng)生熱是指在柱塞泵工作過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和柱塞運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，它們周圍的液壓油液會(huì)在機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)下強(qiáng)迫發(fā)生流動(dòng)，造成功率損失，產(chǎn)生熱量。

作為EHA液壓系統(tǒng)的核心元件，柱塞泵的散熱必須考慮的，柱塞泵內(nèi)部和殼體與環(huán)境間的熱交換主要有：（1）柱塞泵內(nèi)部流動(dòng)油液與泵殼體的對(duì)流換熱；（2）柱塞泵殼體與工作環(huán)境的輻射換熱；（3）柱塞泵殼體與外部工作環(huán)境的對(duì)流換熱；（4）柱塞泵主軸轉(zhuǎn)部分和泵內(nèi)流動(dòng)液壓油液的對(duì)流換熱；（5）柱塞泵主軸部分和泵殼體之間的熱傳導(dǎo)。柱塞泵工作時(shí)的熱量產(chǎn)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(dòng)筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.4 功率輸出裝置傳熱機(jī)理分析

EHA功率輸出裝置主要是作動(dòng)桿，它在作動(dòng)筒中運(yùn)動(dòng)，在作動(dòng)筒約束下沿著作動(dòng)筒的軸向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，除了將大部分液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能外，還會(huì)有一小部分液壓能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，即產(chǎn)生功率損失。功率損失產(chǎn)生的途徑有3種：作動(dòng)筒中內(nèi)泄漏、作動(dòng)筒的外泄漏和作動(dòng)機(jī)構(gòu)中的機(jī)械摩擦。為保證飛機(jī)舵面的雙向靈活運(yùn)動(dòng)，作動(dòng)筒常采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

內(nèi)泄漏是指在作動(dòng)桿和作動(dòng)筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于作動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部存在間隙，而且作動(dòng)筒的左腔和右腔液壓油的壓力不相等，導(dǎo)致液壓油從高壓腔流入低壓腔，產(chǎn)生功率損耗，生成熱能。外泄漏是指由于存在作動(dòng)筒與其他元件的連接與密封不嚴(yán)的問(wèn)題，在各個(gè)結(jié)合面、管接頭等位置，可能會(huì)產(chǎn)生液壓油液的泄漏，產(chǎn)生功率損耗，繼而生成熱量。作動(dòng)機(jī)構(gòu)中的機(jī)械摩擦主要來(lái)源于作動(dòng)桿與作動(dòng)筒間的滑動(dòng)摩擦。為保證作動(dòng)桿在作動(dòng)筒中運(yùn)動(dòng)的流暢性與直線度，會(huì)在作動(dòng)機(jī)構(gòu)中加入一定量的潤(rùn)滑油，使得作動(dòng)筒與作動(dòng)桿之間能夠形成壓力流體膜，形成流體潤(rùn)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(dòng)桿與作動(dòng)筒間的摩擦因數(shù)會(huì)大大降低，即使在作動(dòng)桿高速頻繁的運(yùn)動(dòng)下，也只會(huì)產(chǎn)生較小的摩擦力，從而生成很少的熱量。

EHA作動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱量散發(fā)方式主要有兩種：一是作動(dòng)機(jī)構(gòu)與支撐體和作動(dòng)機(jī)構(gòu)與液壓管路、液壓油間的熱傳導(dǎo)；二是作動(dòng)機(jī)構(gòu)與EHA內(nèi)部潤(rùn)滑油和空氣間的熱對(duì)流。

2.5 EHA外殼散熱分析

EHA內(nèi)部產(chǎn)生的熱能不會(huì)憑空消失，熱量只能通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射的方式傳遞到EHA外殼中再散發(fā)出去。EHA外殼與空氣交換熱量，通過(guò)熱傳導(dǎo)可將熱量傳遞到EHA基座和與EHA相連的其他機(jī)構(gòu)中，通過(guò)熱對(duì)流可將熱量散發(fā)到空氣中，熱對(duì)流散發(fā)出的熱量占據(jù)主導(dǎo)地位。要想增加對(duì)流換熱的換熱能力，可考慮增大對(duì)流換熱系數(shù)h和增大對(duì)流換熱面積A。增大h的方法主要是變自然對(duì)流為強(qiáng)制對(duì)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(yōu)化EHA外殼結(jié)構(gòu)，使其在體積不變的情況下增加面積，如設(shè)置散熱筋等機(jī)構(gòu)。

3 EHA電機(jī)的熱力學(xué)建模與仿真

應(yīng)用CATIA建立EHA電機(jī)的三維模型（圖4），將其導(dǎo)入ANSYSWorkbench有限元CAE軟件，對(duì)EHA主要發(fā)熱源電機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)建模與仿真，得出電機(jī)的溫度場(chǎng)熱分布圖。

圖4 電機(jī)三維模型

電機(jī)內(nèi)溫度最高的區(qū)域是定子部分，其溫度場(chǎng)如圖5所示。

圖5 電機(jī)定子溫度場(chǎng)分布

由圖可見(jiàn)，電機(jī)定子上溫度最高部分是靠近氣隙的區(qū)域，達(dá)到159.4℃，溫度從此向電機(jī)外殼遞減。這是由于在EHA工作過(guò)程中，電機(jī)線圈的生熱率比較高，而且電機(jī)內(nèi)部處于一個(gè)密閉空間內(nèi)，定子區(qū)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(jī)外殼接觸，電機(jī)外殼有良好的對(duì)流散熱條件，所以出現(xiàn)這種徑向遞減的溫度分布。

EHA傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)溫度最高的區(qū)域一直是電機(jī)定子部分，其次是與定子相連的機(jī)構(gòu)和柱塞部分，這是因?yàn)殡姍C(jī)定子在工作過(guò)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(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜散熱困難。生成EHA傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。

圖6 溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增加EHA整體溫度一直在上升，直到2 000 s左右逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在這區(qū)間中，0～800 s左右，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的溫升速率最快，隨后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫升速度逐步降低，最終趨于平緩。這是因?yàn)樵贓HA開始工作的瞬間，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)熱源部分瞬間達(dá)到較高溫度，熱量來(lái)不及散發(fā)，所以溫升速度較快。隨著時(shí)間推移，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)散熱量逐步上升，發(fā)熱量與散熱量只差逐步減小，所以溫升速度越來(lái)越慢，直到散熱量與發(fā)熱量平衡，溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)不再上升。

4 工作頻率負(fù)載對(duì)EHA生熱的影響

根據(jù)第3章結(jié)果，在EHA工作過(guò)程中，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，EHA內(nèi)電機(jī)最高溫度是159.4℃，而柱塞泵內(nèi)的最高溫度是131.7℃，電機(jī)內(nèi)的溫度最高，因此研究EHA的生熱情況主要是研究EHA內(nèi)電機(jī)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(fù)載為唯一變量，重新計(jì)算電機(jī)的熱源發(fā)熱功率，并將其轉(zhuǎn)化為熱生成量和熱流動(dòng)量，在ANSYSWorkbench中對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真和分析，生成不同工作條件下的電機(jī)溫度場(chǎng)，分析電機(jī)生熱和散熱與工作頻率和負(fù)載的關(guān)系。

4.1 工作頻率對(duì)電機(jī)生熱的影響

為研究工作頻率對(duì)電機(jī)生熱的影響，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)EHA整體效率為0.7，EHA執(zhí)行器的最大行程為50 mm，做正弦響應(yīng)，負(fù)載F=5 kN，幅值A(chǔ)=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(shí)的穩(wěn)態(tài)電機(jī)生熱散熱情況。

計(jì)算得出電機(jī)的實(shí)際輸出功率，繼而計(jì)算電機(jī)的定子鐵芯損耗功率、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗功率和線圈生熱功率，將其數(shù)值代入ANSYSWorkbench中，生成溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。3種情況下的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知，當(dāng)EHA的工作頻率升高時(shí)，電機(jī)的生熱量越來(lái)越多，而且溫度最高的區(qū)域有從轉(zhuǎn)子向定子轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

圖7 不同工作頻率下溫度場(chǎng)仿真結(jié)果

4.2 外部負(fù)載對(duì)電機(jī)生熱的影響

為研究外部負(fù)載對(duì)電機(jī)生熱的影響和簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)EHA整體的效率為0.7，EHA的執(zhí)行器做正弦響應(yīng)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(fù)載F1=5 kN、F2=10 kN、F3=20 kN時(shí)的穩(wěn)態(tài)電機(jī)生熱散熱情況。

負(fù)載大小不同，電機(jī)中需要的直流電流大小便不同，則電機(jī)的實(shí)際輸出功率便不同。分別計(jì)算電機(jī)在某負(fù)載下的線圈生熱功率、定子鐵芯生熱功率和轉(zhuǎn)子鐵芯生熱功率。在ANSYSWorkbench中，將線圈生熱功率等效為定子內(nèi)表面的熱流量，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯生熱功率使用定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)部熱生成描述，代入數(shù)據(jù)，得出電機(jī)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。3種情況下的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可以觀察到，隨著負(fù)載的增大，電機(jī)的最大溫度有所增大。此外當(dāng)外負(fù)載為5 kN時(shí)，電機(jī)內(nèi)最高溫度是47℃；當(dāng)負(fù)載增加1倍達(dá)到10 kN時(shí)，電機(jī)內(nèi)最高溫度是63℃；當(dāng)負(fù)載再次增加1倍，電機(jī)內(nèi)最高溫度是71℃?？梢钥闯?，隨著負(fù)載的逐漸增大，電機(jī)的溫度增加幅度越來(lái)越小。所以當(dāng)EHA處于較大負(fù)載工作條件下，負(fù)載的大小不是影響電機(jī)發(fā)熱的主要因素。

圖8 不同負(fù)載下的溫度場(chǎng)仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以EHA電機(jī)為主要研究對(duì)象，分析了EHA主要部件傳熱機(jī)理。建立EHA三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，進(jìn)行主要熱源電機(jī)的熱力學(xué)仿真與分析，得到溫度分布云圖，并對(duì)電機(jī)溫度較高區(qū)域做出重點(diǎn)分析，給出EHA電機(jī)在不同工作頻率和負(fù)載條件下的熱特性，為EHA的選型、設(shè)計(jì)和適航審定提供一定依據(jù)。