功率电传作动系统用电机关键技术及其发展趋势

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触持电棚… ．０ 年 ． 卷 ５ ２２ 要４妻要７ 期 ！ ｌ 第０ 第． 一 …
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电传 作动 系统 中 。 （ ） 于计算 机精 确控 制 。电机 便 于采 用计 算 ６便
高不 超 过 １０Ｃ 。而 国 内 已 经 开 发 出 １ ０ Ｗ 、 ５ ｏ ５ ３
系 的无 机材 料为 主 的结 构 材 料 ¨ 。 目前 正 在 研 究 新 的更 高性 能 的永 磁材 料 ， 如钐铁 氮永 磁 、 米 复合 纳 稀 土永 磁等 ， 将会有 新 的更大 的突破 ］ 。
２ １ ２耐高 温 、 效 的大功率 集成 半导体 器件 ．． 高
目前 ， 大功 率 绝 缘 栅 双 极 晶 闸 管 ＩＢ Ｇ Ｔ正 朝 着 耐高 压 、 容 量 （ ． Ｖ、 ０ 、 高 ３３ｋ １２０Ａ） 低损 耗 、 速 开 高
关 栋 ， 小辉 ， 更 ， 尚君 ， 瑞 庭 杨 刘 马 佟
（ 北 工 业 大 学 ， 西 西 安 ７ ０７ ） 西 陕 １０ ２
摘
要： 综述了功率电传作 动系统用稀 土永磁 电机的优点 、 应用 现状 和关 键技术 ， 了功率 电传作动 系统用 总结
电机 的发展方 向与趋势 。对未来功率 电传作动系统用电机的的研 制具有一定 的指导意义 。
ｓ ｔ ｃ ａ ｒ Ｅ Ａ）和 机 电 作 动 器 （ ｌｃ ｏ ｔｉ Ａ ｔ ｔ ， Ｈ ａｃ ｕ ｏ Ｅｅｔ —Ｍｅ ｒ —
学的发展 ， 发展功率电传作动系统将成为可能 。 Ｊ 与传 统 的电励 磁 电机 相 比 ， 永磁 电机 特别 是 稀 土永磁电机除了具有结构简单、 运行可靠 、 体积小、 质量轻 、 损耗小 、 效率高、 电机的形状和尺寸可 以灵 活 多样 等显 著 优 点 以 外 ， 具 有 响应 快 、 于 实 还 便 现 多余度 控制 等 特点 ， 因此 更 适合 于对 性 能 、 积 、 体 重 量 、 度有 特殊要 求 的航空领 域 。 速
关 的方 向发 展 。Ｎ Ｓ ｅ ｉ 研 究 中 心研 究 成 功 工 Ａ Ａ Ｌｗ ｓ
作 温度 ２ ０ 的 逆 变 器 ¨ ０℃ 。第 四代 Ｉ Ｂ 已经 问 ＧＴ 世， 它具 有 开关期 间发 热少 、 电流输 出波形优 化 等特 点 ； 能够 实现 降低 驱 动 功率 、 小 体 积 、 现 电机 并 减 实 运 行静 音化 的 目标 。这 些新 型大 功率器 件 的采用 将
００ｒｍｉ、 作在 ２ ０～ ０ ｃ 高温 的三 相 四极 稀 土 ０ ｎ 工 ／ ０ ３０Ｉ ＝ 永 磁 电机 ， 直径 １５ｍ 长 １５ｍｍ。 电机 采用 高 其 ０ ｍ、 ４
温特性好 的稀 土 材料 Ｓ Ｃ 磁 钢 以及 金 属 和 陶瓷 ｍ： ｏ
机进行精确操控 ， 以便更好地发挥飞机的整体性能。
ｅ ｔｄ ｏ ｕ ｕ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｎ ｅ ｎ ｆ ｔｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ａ ｐ ｉ ｔ ． ｃ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｐ ｗ ｒ ｂ － ｒ ｃｕ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｅ － ｙ ｗｉ ａ ｔ ａｉ ｙ ｔ ｍ；Ｐ ｍｏｏ ；ｋ ｙ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｏ Ｍ ｔ ｒ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ；ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｒ ｎ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｅ ｄ ｔ
０ 引 言
随 着 未 来 飞 行 器 和 武 器 装 备 全 电化 的发 展 趋 势［ ， １ 功率 电传 ［ 作 动 系 统 将 成 为 飞 控 系 统 新 型 ］ ２ 舵 面执行 机构 。功 率 电传 是指 飞行器 的功 率从 次级 能 源系统 通过 导线 以 电能量 方 式 传 至各 执 行 机 构 。 主要 形式 有 两 种 ： 电动 静 液 作 动 器 （ ｌ ｔ — ｙｒ— Ｅｅ ｒ Ｈ ｄｏ ｃｏ
用有 刷 电动机 及无 刷 直 流 电动 机较 多 ， 内则 主 要 国
金 ） 成 ， 满 足 强 度要 求 的 情 况 下 尽 量 制 成 空 心 制 在
结构 。正是 这些 高性 能 的新 型 材 料 的使 用 ， 使 得 才
采 用步进 电动 机 和 无 刷 直 流 电 动机 。无刷 直 流 电动 机 因不采用 电刷进 行机 械换 向而将 寿命 由传 统 的几百 小时提 高 到 １ ０ ２００ｈ可 以进一 步提 高 ０～ ０ ， ０ 转速、 增加 可靠 性 和降 低 重量 而 且 便 于 实现 余 度 控
ｗｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ．Ｉｓｄ ｖ ｌｐ ｎ ｒ ｎ ｓｓ ｍｍａ ｉｅ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｍｍａ ｉｓ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ．ｓ ｍｅｓ ｇ ｅ ｔ ｎ ｒ ｒｓ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｄ ｗａ ｕ ｔ ｒ ｄ ｚ ｓ ｄ ｏ ｈ ｕ ｒ ｎ ｎ ｌｓ ｅ ｓ ｏ ｕ ｇ ｓ ｏ ｓｗｅｅ ｐ ｅ — ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ａ ｖ ｎａ ｅ ，ａ ｐ ｉａｉｎ ｓａｕ ｎ ｅ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓ ｏ ｅ ｍｏｏ ｓ ｄ ｐ ｗ ｒ ｂ — ｉｅ ａ ｔ ａｉｎ ｓ ｓｅ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｄ ａ ｔｇ ｓ ｐ ｌ ｔ ｔ ｔｓ ａ ｄ ｋ ｙ ｔｃ ｎ ｌｇｅ ｆｔ ｔｒ ｕ ｅ ｏ ｅ — ｙ ｗ ｒ ｃｕ ｔ ｙ ｔｍ ｃ ｏ ｈ ｏ
ＧＵ Ｎ ｎ Ｙ ＮＧ Ｘｉ ｏ ｈ ｉ Ｌ ｕ Ｇ ， Ａ Ｄｏ ｇ， Ａ ａ － ｕ ， ｉ ｅ
Ｓ ａ ｇ ｎ， ， Ｇ Ｒｕ — ｉｇ ｈ ｎ＿ 加 ｖ ｉｔ ｎ
（ ｏｔ ｅｔｒ ｏ ｔｃｎｃｌ ｎ ｅｓｙ Ｘ ’ ｎ７ ０ ７ Ｃ ｉａ Ｎ ｒ ｗ ｓ ｎＰ ｌ ｅｈ ｉ ｉ ｒ ｔ， ｉａ １０ ２， ｈ ） ｈ ｅ ｙ ａＵ ｖ ｉ ｎ
能够进 一步 提高 电机 的可 靠 性 、 效地 实 现 功 率 变 有 换和精 确控 制 ¨ 。 此外 ， 土 电机 特 别 是高 速 稀 土永 磁 电机 的机 稀 壳 、 盖等 零 部 件 都 将 采 用 高 强 度 轻 合 金 （ 镁 合 端 铝
计算机所发 出的控制指令 ， 采用三通道舵 回路系统 伺服 放大器 对信 号处 理 、 传输 ， 经放 大后 的信号 驱动
作动 器并 实现对 舵 面 的驱 动 ， 终 实 现 飞控 系统 对 最
飞机 飞行 的 自动控制 。
目前 ， 为 功 率 电传作 动系 统驱 动 元件 的稀 土 作 永磁 电机 主要 有 三 种 ： 刷 直 流 电 动 机 、 进 电 动 有 步 机 、 刷直 流 电动机 ， 无 而且都 有 比较广泛 的应 用 。印 度一 般采 用混 合式步 进 电动机 、 刷 电动机 ， 国采 无 美
行 。在 电机 功率 一定 的条 件 下 ， 速 度 越 高则 其 体 其
积越 小 ＿ ２ 由 于 机 电 作 动 系 统 要 求 超 调 小 、 应 。 响
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功 率 电传 作 动 系统 用 电机关 键 技 术 及 其发 展 趋 势
收稿 日期 ：０ １ １ — ９ ２１—０ ０ 改稿 日期 ：０２ ０ — ２ ２ １ — ２ ０
机需要 。 整 （） ４ 热稳定性好 （ 主要指稀土钐钴 ） 。电机工作 ｊ 发
可靠， 无最低工作温度极限， 最高工作温度可以达到 ｉ 筵
２ ０ Ｃ。 ５￣ 势
（ ） 土永 磁 材 料 拥 有 比较 优 越 的力 学 特 性 ， ！ ５稀 故 其能 较好地 工作 在 振 动 、 冲击 负荷 比较 大 的功率 ７ １
计中， 首先要考虑的两个问题就是设备的重量和体 蓄
积 。
寸， 从而获得优良的动态特性。
Ｉ ； 箨 口
眢
此外 ， 率 电传 作 动 系统 还 具 有 体 积 小 、 量 功 重
（） ２ 剩磁 大 ， 能获得较 高的气 隙磁 通密度。 动
轻、 可靠性高 、 效率高、 结构相对简单 、 减小易攻击机 身面积等优点 。 功率 电传 作动 系统在 飞行 控制技 术 中将是 一个 主要 的技 术突破 口 ， 高性能 的电机设计 、 制造 及其 控 制技术又是功率 电传作 动系统 的核心技 术 。随 ｊ 着飞行器多电化与全电化 的发展趋势， 功率电传作
由于 电工 电子技术 、 控制 策 略与方法 、 电机 理论
的发展 ， 材料加工技术逐步完备 ， 功率电传作动系统
用稀 土永 磁 电 机 的 性 能 必 将 在 原 有 水 平 上 不 断 提 高 ¨。 上世 纪末 ， 国对 功率 电传作 动 系 统用 电机 的 美 进行 了一 系列 的研究 与开发 。它 们采用 高性 能 的钕 铁硼 作 为磁 Ｉ 生材料 制备 了无 刷 直流 电动 机 ， 并将 其 作为 电动静 液作 动器 的动力 源 。此 电机 为 高压 、 直 流供 电 ， 用脉 宽调 制技术 ， 过控制 器采集 飞控 并应 通
ｃａｉａ Ａ ｔａ ｒＥ ｈｎｃｌ ｃ ｔ ， ＭＡ） 与传 统 的 液 压 作 动 系 统 ｕｏ 。 相 比， 率 电传 系统 具有 以下优 点 ： 功
１稀土永磁 电机在 功率 电传 作动 系统 中的应
用 现 状
稀 土永磁 电机 具有 以下优 点 ： （ ） 土永磁 材 料具 有 较 高 的磁 能 积 。输 出功 １稀 率相 同的情 况 下 ， 电机 的 质 量 可 减 少 ３ ％ ； 积 相 ０ 体 ！ ｊ ；
（ ）提高战伤生存能力 ； １
（ ）改善 飞机 的飞行 品质 ； ２
（ ）提 高飞机 的可维 护性 ； ３ （ ）降低 对地 面保 障设施 的要求 ； ４ （ ）利于 实现 随控布 局设计 ； ５
（ ）避免 由于 液压油 泄漏造 成火 灾 的可能性 。 ６
同时， 功率可增大 ５ ％。而在现代航空飞行器的设 ｉ ０ 功
关键 词 ： 功率电传作动系统 ； 永磁 电机 ； 关键技术 ； 发展趋势
中 图 分 类 号 ：Ｍ３ １ Ｔ ５ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０４ ７ １ （０２ ０ — ０ １ ０ １０ － ０ ８ ２ １ ）５ ０ ７ — ５
Ｄｅ ｅｏ ｖ ｌ ｐｍｅ ｔ Ｔｒ ｎｄ ａ ｙ Ｔｅ ｈｎｏ ｏ ｉｓ ｏ ｈｅ Ｅｌｃ ｒ ｃ ｌＭ ｏ ｏ Байду номын сангаас ｗｅ Ｂｙ—Ｗ ｉｅ Ａｃ ｕａ ｏ ｓｅ ｎ ｅ ｎｄ Ｋｅ ｃ ｌ ｇ ｅ ｆｔ ｅ ｔ ｉａ ｔ ｒ ｆ ｒ Ｐｏ ｒ－ ｒ ｔ ｔ ｒ Ｓｙ ｔ ｍ
气隙磁通密度的 增大可以 进一步减小电机的转子尺 ｉ
（） ３ 高矫顽力 能够降低退磁风险。 磁钢可 ｉ 以加工成不同形状， 满足转子外形设计成不同的形 箍
状 要求 ， 以适 应 于高 速运 行 的功 率 电传 作 动 系 统 电
动系统将逐步替代传统的液压系统使得飞机采用 电 能作 为二 次能源 。由于高 性能永 磁材 料和 功率 电子
制 。 因此 被公认 为 飞控 系统最有 发展前 景 的一类 电
机。
稀 土永磁 电机体 积更 小 、 更 轻 ， 且能 够更 好地 质量 并 满足 功率 电传作 动系统 的要 求 。 ２２高频 响 、 ． 小惯 量 功率 电传作 动 系 统一 般 由高速 电机驱 动 ， 过 通
齿轮 减速机 构减 速后 由滚柱 丝杠 副或 滚珠 丝杠 副执