飞机电动静液作动器热力学建模与分析

来雨辰，段嘉兴，邓君毅

（1.山东大学机械工程学院，济南 250002；2.西安电子科技大学物理与光电工程学院，西安 710126；3.兰州万里航空机电有限责任公司，兰州 730070）

0 引言

电动静液作动器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）是当前飞机普遍使用的一种功率电传作动器，是典型电动与液压融合的机电液控一体化复杂产品，EHA以重量轻、体积小、反应迅速、运动灵活、可靠性高等优点备受科学家和学者们的青睐[1]。随着EHA应用的越来越广泛，它自身存在的发热和散热问题被专家们所关注，本文针对该问题，对EHA主要热源电机及柱塞泵进行了热力学仿真与分析。

在EHA工作过程中，存在能量的传递和转换，功率损失不可避免，而功率损失往往会以热量的形式表现出来。在EHA中，不存在大型的液压油箱，液压系统结构简单，液压油循环回路短，散热面积小，导致发热后传递到液压油中的热量很难通过液压油和液压管路散发出去。又因为EHA的体积小，散热面积小，使得EHA产生的热量通过EHA的外壳只能散发出去一部分，剩余的部分会存留在EHA非常小的密闭空腔内，可能造成EHA整体和液压油温度上升，失去原有功能，严重时会危害飞行安全[2-4]。由于EHA存在发热散热问题，在设计过程中，油液温度高的问题必须要加以考虑，因此EHA热力学分析十分重要。

本文分析EHA热能传递与转换过程，分析其传热与散热机理，使用CATIA软件对EHA电机和柱塞泵传动机构进行三维模型建立，采用有限元分析软件ANSYS Workbench进行稳态热分析和瞬态热分析，得出热分布图[5]，以反映EHA中主要热源电机的热特性，从温度控制层面为作动器设计和元器件选型提供参考，为EHA的设计与适航认证提供依据。

1 电动静液作动器工作原理

EHA以容积调速的方式来完成对作动筒的控制。EHA通过电子控制器和驱动电路控制永磁无刷直流电机旋转，电机的主轴和柱塞泵的主轴通过调速机构连在一起，柱塞泵的传动轴转动时，泵中的柱塞在弹簧的作用下伸出和缩入，完成柱塞泵的吸油和出油动作，液压油进入液压管路后在作动筒部位将液压能转换为机械能，以容积调速的方式完成对功率输出装置的位置控制。为完成作动筒的伸出和收缩运动，要求柱塞泵双向都可以旋转，此功能要靠电机的正反转来完成。电机采用PWM调速方式来调节主轴转速，柱塞泵一般采用传动轴旋转1周排量一定的定量泵，这样使得可以通过功率驱动电路来控制电机的主轴转速，继而控制液压管路中液压油的输送速度，最后完成对作动杆运动速度的控制[6]。

EHA结构分为机械、电子电路和液压元件3部分。机械部分包括无刷直流电机、作动筒等；电子电路部分包括数字控制器、功率驱动电路等；液压元件部分包括双向定量柱塞泵、单向阀、过滤器、安全阀、储能罐、液压管路和液压油等。EHA结构原理如图1所示。

EHA使用高压直流电机（+270 V）提供动力，然后由柱塞泵向作动机构提供液压能，最后作动筒将柱塞泵提供的液压能转换为机械能，实现飞机舵面转向等一系列操作的控制。EHA电机控制具有实时性、保护性、稳定性等特点，当EHA作动杆完成一定动作后，EHA中的位置、压力、速度等反馈元件会将信息传递给数字控制器，并由它来发出指令控制功率驱动电路，实现对电机的精准控制。

2 传动机构的热力学建模与仿真分析

2.1 某型EHA的建模假定与仿真参数

在对传动机构进行热分析之前，要对电机传动机构进行一定的简化处理，以减少计算量。对电机传动机构做出适当忽略和假设[7]，主要内容如下：（1）忽略电机和柱塞泵上存在的大量螺纹、螺母和垫片等密封紧固装置；（2）忽略电机主轴上对传热和生热影响不大的位置传感器和速度传感器；（3）忽略建模复杂的电机定子线圈，用定子铁芯的热生成代替线圈的通电生热；（4）忽略电机和柱塞泵内部的大量圆角和倒角，只保留外壳对散热影响较大的圆角；（5）对电机的各个零件的尺寸计算采用经验公式估算的方法。

将使用CATIA已经建立好的传动机构模型直接导入到ANSYS Workbench中进行热力学分析，电机主要部件的材料及热传导率如表1所示[8]。柱塞泵主要零件材料及热传导率如表2所示。

表1 电机主要零件材料及热传导率

在对传动机构进行热分析时，由于柱塞泵和电机都属于密封结构，其内部空气不流动，内部零件的散热方式大多为自然对流，此外内部零件与空气接触面积不大，所以忽略内部零件的对流散热，只考虑电机和柱塞泵外壳的对流散热，在某型EHA的工作条件中，空气流速为5 m/s，环境温度为20℃，电机的铝合金外壳的热辐射系数为0.2，柱塞泵的铸铁外壳的热辐射系数为0.55。

根据传动机构生热分析，分别计算EHA传动机构主要热源的生热功率。参数使用某型飞机EHA的各项数据，具体数据如表3所示。

表2 柱塞泵主要零件材料及热传导率

表3 某型EHA的参数

根据表3提供的参数，在电机转速3 000 r/min的工况下对电机和柱塞泵的主要热源的生热功率进行计算，计算结果如表4所示[9]。

表4 电机和柱塞泵主要热源生热功率

2.2 基于ANSYS软件的稳态热仿真分析

使用ANSYS Workbench中的热分析模块，将2.1节结果代入，对EHA的传动机构进行热分析，图2所示为热分析流程图。

图2 热分析流程

电机、柱塞泵和联轴器的材料设定完毕后，使用智能网格划分得到被研究传动机构的有限元分析模型，模型剖面如图3所示。

图3 传动机构有限元分析模型

在划分网格时，较大零件的网格大小设置为4 mm，较小零件和关键的网格大小设置为2 mm，最后得到1 293 981个节点和611 878个单元，生成的总体热分布图如图4所示。

图4 EHA温度分布图

将输出模型的电机外壳和柱塞泵外壳隐藏后，温度场分布图如图5所示。

图5 EHA传动机构内部温度分布

由图4和图5可见，该电机传动机构的温度最高点发生电机定子区域，最高温度为159.4℃；温度最低点发生在柱塞泵的部分外壳上，最低温度为47.6℃。

电机内温度最高的区域是定子部分，其温度场如图6所示。

图6 电机定子温度场分布

由电机定子温度场分布图可见，电机定子上温度最高的部分是靠近气隙的区域，达到159.4℃，温度从此向电机外壳递减。这是由于在EHA工作过程中，电机线圈的生热率比较高，而且电机内部处于一个密闭空间内，定子区域形成了生热多并且散热困难的情况。又由于定子的外圈与电机外壳接触，电机外壳有良好的对流散热条件，所以出现这种径向递减的温度分布。

柱塞泵内温度最高的区域是柱塞部分，其温度场分布如图7所示。

图7 柱塞温度场分布

由柱塞的温度场分布图可见，柱塞上温度最高的区域是柱塞与缸体摩擦的部分，达到131.7℃，温度最低的部分是柱塞的头部。这是由于在柱塞泵工作过程中，柱塞与缸体之间的摩擦生热和缸体内部油液搅动生热全部反映到柱塞中，导致柱塞主体部分温度较高，而柱塞的头部大部分暴露于空气中，有一定的散热能力，所以温度较低。

2.3 基于ANSYS软件的瞬态热仿真分析

在ANSYS中，瞬态热分析与稳态热分析不同，瞬态热分析的载荷是随时间变化的，可以用来分析温度场随时间变化的情况。假设EHA运行了2 500 s，初始温度设为20℃，对其进行瞬态热分析，仿真不同时间点的EHA温度场，仿真结果如图8所示。

图8 EHA温度场随时间变化图

由图可见，EHA传动机构内温度最高的区域一直是电机定子部分，其次是与定子相连的机构和柱塞部分，这是因为电机定子在工作过程中，不仅存在线圈生热的铜损耗，还存在定子铁芯部分的铁损耗，而且定子区域结构复杂散热困难。

3 结束语

以电动静液作动器柱塞泵和电机传动机构为主要研究对象，使用CATIA建立传动机构的三维模型，并且将传动机构的三维模型导入ANSYS Workbench中，进行传动机构的热力学仿真与分析，得到传动机构的温度分布云图，并对电机和柱塞泵内的温度较高区域做出重点分析。瞬态热分析与稳态热分析表明：EHA传动机构内温度最高的区域一直是电机定子部分，其次是与定子相连的机构和柱塞部分。本文结果可为EHA的选型、设计与适航认证提供依据。