谷智超

【摘 要】功率电传作动是指飞机次级能源系统至作动系统之间的功率传输是通过导线以电能量传输的方式完成的，是发展多电飞机的关键技术之一。目前功率电传作动器发展出机电作动器和电静液作动器两种主要形式。从多电飞机的应用出发，对功率电传作动器进行了概述，重点介绍了机电作动器技术，以及应用特点，并讨论了机电作动器的关键技术。

【关键词】多电飞机；功率电传；机电作动器

0 引言

飞机的飞行品质很大程度取决于作动系统的性能。现代民机的作动系统架构以液压为动力，通过飞控计算机，控制液压作动器进行输出，对舵面进行操纵，从而完成飞机的姿态和航向的控制[1-2]。传统的集中能源式液压作动技术已经十分成熟，但该系统重量大，效率偏低，且液压系统维护费用高，存在泄漏等一系问题。功率电传作动技术的出现，通过电导线以电能量形式取代传统的液压管路来进行功率传递，可以达到取消或缩减集中式的液压系统，从而实现功率液传向功率电传的转变，提高了飞机维护性，降低了飞机的重量。随着电机技术，材料科学，控制技术的发展，国内外都在开发重量轻，体积小，可靠性高的作动系统以适应多电飞机的发展要求[3]。本文结合功率电传作动的发展状况及趋势，对机电作动器（EMA，Electromechanical Actuator），电静液作动器（EHA，Electrohydrostatic Actuator）技术特点进行了对比分析，对机电作动器的关键技术及面临的问题进行了阐述。

1 功率电传作动技术发展概述

多电飞机和全电飞机是未来飞机发展趋势。空客公司首次将未来大型客机的飞行控制方式—功率电传作动器引入了A380。A380在主舵面配置了EHA，作为备份使用。波音787飞机是多电发展的里程碑，其在机翼除冰、起落架系统大排量液压泵、客舱加压、刹车系统和发动机启动系统都采用电力驱动，同时在高升力系统，扰流板作动器，水平安定面配平系统中采用了EMA。

功率电传作动器的是民机作动系统的发展方向，对多电飞机，全电飞机的发展具有重大意义。在飞机层面加以权衡，功率电传作动技术可以带来如下潜在收益[4]：

1）可以增加系统余度，进而提高飞机安全性。

2）便于进行故障隔离（模块化设计使故障定位更加容易和准确）。

3）减轻重量。

4）便于进行能量管理，降低能源消耗。

5）易于拆裝，便于维护。

6）提升环境友好度（减少液压油引起的火灾和污染）。

美国的功率电传作动技术在20世纪90年代已经接近实际应用，NASA和美国军方联合进行功率电传作动器的设计验证计划（EPAD）。以F/A-18飞机为验证机在其副翼上进行EHA和EMA的飞行验证。结果证明功率电传作动系统可用于主要的飞机舵面，且相对于液压作动器，其可靠性、维护性均具有优势。国内民机作动器的研究工作一直跟踪着国外先进民机作动器的发展动态。在研究和参考国外先进民机技术资料的情况下，针对国内即将发展的大型民机飞行控制系统需要的关键作动器进行预先研制，部分院所已经研制出EHA、EMA原理样机。

2 电静液作动器

EHA是一种分布式的小型电动和电控液压作动系统，通过电机驱动液压泵，通过改变液压泵排量，来调节作动筒两腔压差，控制作动器活塞杆的运动位置，从而驱动作动器，如图1所示。电动静液作动系统主要有三种形式[2，4]：

1）调速马达+定排量泵

根据作动器活塞杆实际位置与指令位置的差值，调整电机转速。

2）定速马达+变排量泵

根据负载压差，调整液压泵的输出压力。

3）调速马达+变排量泵

通过作动器活塞位置反馈调节电机转速，通过负载压差调节液压泵排量。

EHA通过电机驱动本地的液压系统，液压管路较短，降低了能源的损失。同时保留了传统液压作动系统较好的动态特性。但作为一个高度集成的机电液系统，EHA无法像传统液压系统通过液压管进行热传导，散热能力差，尺寸上明显大于电液伺服作动器，给安装布置带来一定的挑战。

3 机电作动器

EMA是机电伺服系统，通过电机驱动，减速机构的减速，获得足够的扭矩来驱动执行机构，如图2所示。目前多数EMA均采用齿轮减速，驱动滚珠丝杠或者是辊子丝杠（更高的动态负载能力）。EMA具有结构简单、安装方便、维修成本低（省去液压管路及密封圈等耗材）、能量传输效率高等优点，但也存在功率密度小，散热困难，机械卡阻等一系列技术难题需要攻克。另外EMA难以实现旁通功能，故一般用在单个作动器驱动单个舵面（非主舵面），如扰流板作动器，水平安定面配平作动器。近年来，高性能的永磁无刷直流电机，功率控制电子技术对EMA性能产生了较大的提高。可以预见未来在功率电传作动系统应用上EMA将具有更大的优势。

4 机电作动器关键设计

EMA来取代集中传统液压器，满足可靠性要求，达到节能减排，降低维护成本的目标，是机电传作动系统面临的一个巨大的挑战。EMA由于本身的传动原理，容易发生单点故障，导致机械卡阻。故障安全机构，实时监控，独立的容错架构以及高可靠性的电机及控制系统是EMA大规模应用于主舵面控制的前提。EMA的关键技术有工作循环（Duty Cycle）、功率密度、系统监控等[5-6]。

4.1 Duty Cycle

Duty cycle是EMA设计过程中最关键的设计要素。从机械方面来说，Duty cycle预测了负载的频率和量级，通过预测每个飞行起落/机动的循环数量来定义作动器的疲劳特性及操纵力要求。从热方面来说，Duty cycle能够帮助预测在每个飞行起落/机动中的EMA热负荷值，来设计热管理系统来减轻作动器过热的风险。从电气方面来说，Duty cycle作为作动器模型的输入量来确定飞行/机动过程中的功率要求，用来设计功率管理系统。

4.2 功率密度

现有的EMA功率密度较小，而驱动电机的功率密度必须大于1Kw/lb才能够满足未来军用和商用飞机平台的应用要求。设计上一般选用新型的永磁直流电机，它具有高频响，小惯量，高可靠性等优点。双余度磁直流电机即可以满足可靠性的要求，又具有较高的功率密度。

4.3 系统监控

EMA在卡阻后无法实现故障随动功能，需要进行故障的监控，防止由于卡阻造成作动器及结构的损坏，影响飞行安全。在设计上额外进行可靠性安全性设计和管理，比如通过扭矩限制器来对最大输出力进行限制，通过位置传感器来对卡阻故障进行识别，实现故障检测锁定功能。

5 结语

本文对功率电传作动技术进行了综述，对EHA、EMA的原理及优缺点进行了分析，并讨论了EMA的关键技术。随着材料科学，电机制造及控制技术的发展，新型功率电传作动器将在民机中得到更广泛的使用，也为未来的国产多电/全电飞机系统打下坚实基础。

【参考文献】

[1]Lyshevski S E.Electromechanical flight actuators for advanced flight vehicles[J]. IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems，1999，35（2）：511-518.

[2]王占林，裘麗华，李军.功率电传作动系统的发展趋势[J].2004.

[3]夏立群，谢增荣.民机作动器研究[C]//大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集，2007.

[4]王瑦.EMA、EHA和IAP三种作动器比较[J].战术导弹控制技术，2010，27（4）：54-57.

[5]关栋，杨小辉，刘更，等.功率电传作动系统用电机关键技术及其发展趋势[J]. 微特电机，2012，40（5）：71-75.

[6]AIAA.Subsystem Design and Integration for the More Electric Aircraft[C]// International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit，2007.

[责任编辑：田吉捷]