商用飞机功率电传作动器(EMA)技术浅析

[摘 要]全电和多电技术是未来商用飞机发展的趋势，功率电传作动系统省去了中央液压源和管路，可以提供更高的可靠性和更少的维护支出。但同电液伺服作动系统相比，虽然其优点明显，但也有不少缺点和限制。本文介绍了功率电传作动器（EMA）在商用飞机上的应用现状、技术限制及发展方向。

[关键词]商用飞机；功率电传；EMA

中图分类号：D931.46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0317-02

[Key words]Commercial aircraft， Power-by-wire， EMA

1.概述

全电和多电技术是未来商用飞机的发展趋势，电传控制技术是商用飞机飞控系统发展的方向，目前广泛使用。多电飞机的目标是飞机的作动器由体积小的高速电机驱动，代替目前的需花费较多精力维护的液压作动器。功率电传作动系统省去了中央液压源和管路，仅通过电缆与飞机电力系统相连来控制舵面运动，为军用和商用飞机制造商提供了更高的可靠性和更少的后勤维护支出。目前有三种基本的方法来实现功率电传作动器对飞行控制舵面的控制：电-机械作动器（EMA）、电静液作动器（EHA）和集成作动器（IAP）。本文主要介绍电-机械作动器（EMA）的应用现状和技术发展方向。

2.EMA在商用飞机的应用现状

目前在商用飞机上使用EMA最多的是水平安定面配平作动器（HSTA）。它由电机驱动减速齿轮带动滚珠丝杠旋转，进而驱动丝杠螺母直线运动来驱动水平安定面。筛鑫匏⒅绷鞯缁形成余度配置，两套机械机构保证丝杠螺母或丝杠失效后水平安定面固定在HSTA失效前的位置。目前商用飞机上使用的HSTA已经过几十年的实际应用，技术不断得到改进，可靠性不断提高，同时也积累了很多经验数据。

在主舵面上，目前空客A380客机使用了电静液作动器（EHA）作为备用作动器[1]，即一个舵面由两个或三个作动器驱动，其中一个或两个为传统的电液伺服作动器，另一个为EHA。系统采用主/备方式工作，当电液伺服作动器失效后，EHA工作来控制舵面运动。另一家商用飞机制造商波音公司在787飞机高升力系统中使用EMA来驱动襟缝翼，同时部分多功能扰流板使用EMA来驱动。主舵面采用电-机械作动器驱动的主要缺点是目前的电机的功率密度较低和功率电子装置的热效应问题，尽管美国在军用飞机上用EMA取代副翼电液伺服作动器进行了二十多小时的试飞[2]，但目前还未在商用飞机主舵面上使用。

3.EMA技术限制及发展方向浅析

3.1 技术限制

通常EMA由以下几部分组成：

1）机电作动器（EMA）

EMA由电机通过减速器驱动滚珠丝杠，丝杠螺母做直线运动进而驱动舵面，作动器内部安装有止动机构防止丝杠旋转。

2）功率、控制和监控电子装置（PCME）

PCME对EMA进行控制和监控，通过丝杠位置、电机转速和电机电流等参数的监控来对EMA进行闭环控制，同时连续监控系统性能、判断系统是否发生故障。如果检测到故障发生，就会过渡到“跟踪阻尼”模式。PCME还周期性地进行PBIT和IBIT。

3）功率变换器（PCU）

PCU将飞机交流汇流条上的交流电整流转换成EMA需要的电压。

EMA的电机在转动时会存储很大的转动能量（惯性），如果丝杠突然停止运动，储存的能量可能会损坏作动器，因此必须设置能量吸收装置。EMA采用越多，越需要重视电磁干扰，随着飞控系统越来越依赖电气系统，电磁干扰所带来的负面影响会迅速增加。同时EMA在进行较长时间的较大负载工作后，会产生很多热量；飞机在空中巡航时，外部温度会低于-40℃，因此需要其在低温下能够迅速启动工作。

3.2 发展方向

随着新型磁材料的发展、无刷电机技术的进步，微控制器和功率电子器件的发展，EMA的性能将会继续提高，在应用上有更大的优势[3]。EMA的关键技术主要包括：

1）高性能永磁材料；

2）高效无刷直流电机及其驱动系统；

3）飞控系统相关余度控制、监控技术、差动和同步控制；

4）机械执行驱动机构设计。

目前多数商用飞机的HSTA使用的都是滚珠丝杠。此外，还有一种辊子丝杠（Roller screw），如图1所示，其传动原理与滚珠丝杠（Ball Screw）相同，但在结构组成形式上有较大区别。辊子丝杠比滚珠丝杠能承受更高的动态冲击载荷、具有更长的寿命、在更严酷的环境下工作。即使辊子丝杠比滚珠丝杠成本更高，波音公司的工程师和其作动器供应商仍一致认为，辊子丝杠更高的动态负载能力使其成为未来EMA有吸引力的技术。多个多头螺纹滚筒绕丝杠行星排列，传递的载荷更大，径向尺寸更小，转速更高能够产生更高的线位移速度，运行噪声显著降低，这些优点对商用飞机来说非常重要。

图2为一种使用辊子丝杠的EMA，将丝杠的螺母与电机转子集成在一起，电机的转动转换成丝杠的直线运动。目前已代替液压作动器作为汽轮机的调速装置，能够提供更低的维护和操作成本、更高的性能。其性能参数范围如下：

速度：0.5 in/s -10in/s（12.7 mm/s -254mm/s）

负载：100 lb -10000lb（445 N -44500N）

行程：1 in -12in（2.54 mm -25.4mm）

螺距：0.1 in/rev -0.5in/rev（2.54 mm/rev -12.7mm/rev）

当考虑用电-机械作动器取代传统的液压作动器时，两个基本的因素需要考虑：同样的力输出情况下，液压作动器的重量要小于电机械作动器；液压作动器能够传递的功率通常比要求的功率更大[4]。从目前技术水平来说，在小功率应用方面，若考虑到作动器的复杂性、重量、可靠性、维护性，电-机械作动器比液压作动器有更大的潜力[5]。

4.Y论

功率电传作动系统的应用在降低成本、降低维护需求和减重方面有很大潜力。相较于液压系统，由于电-机械作动器只有一次能量转换，因此节省了使用成本。由于省去了液压油，电-机械作动器是多数多电飞机的首选作动器。电机和功率电子技术的不断进步使EMA的成本降低、性能提高，系统集成度更高。尽管在技术上已EMA性能一直在不断提高，但社会的接受程度在一定方面也影响了EMA的广泛使用。目前商用飞机上使用的HSTA在性能、体积、维护成本、可靠性等方面不断提高，作动器供应商也积累了不少的数据和经验，这些数据和经验也可供其在设计主飞控系统EMA时做参考。

参考文献

[1] Dominique van den Bossche.The A380 Flight Control Electrohydrostatic Actuators，Achievements and Lessons Learnt.25th International Congress Of The Aeronautical Sciences.2006.

[2] 沙南生，李军.功率电传机载一体化电作动系统的研究.北京航空航天大学学报.2004.9：909-912.

[3] Dominique van den Bossche."MORE ELECTRIC" CONTROL SURFACE ACTUATION，A STANARD FOR THE NEXT GENERATION OF TRANSPORT AIRCRAFT.Control 2004，University of Bath，UK.2004.9.

[4] David Blanding.SUBSYSTEM DESIGN AND INTEGRATION FOR THE MORE ELECTRIC AIRCRAFT.25th International Congress Of The Aeronautical Sciences.2006.

[5] Stephen L Botten， Chris R Whitley，and Andrew D King. Flight Control Actuation Technology for Next-Generation All-Electric Aircraft.Technology Review Journal - Millennium Issue Fall/Winter 2000， 55-68.