伺服变量泵在一体化电动静液作动器中的应用分析

　　未来飞机机载作动系统,如舵面操纵系统等,将使用新型功率电传作动器(power-by-wire,PBW),主要包括电动静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator, EHA)和机电作动器(Electro-Mechanical Actuator, EMA)两种,是多电飞机(More Electric Aircraft,MEA)的关键子技术之一。

　　按照所采用电机和泵型式以及控制方式的不同,EHA可分为定排量变转速(EHA-FPVM)、变排量定转速(EHA-VPFM)和变排量变转速(EHA-VPVM)3种。EHA通过液压泵将电机的转动传递到作动器输出,这使得在作动系统的设计中可以采取更加复杂的结构,电机和泵相对于液压缸的方位容易安排以适应一体化系统的结构尺寸要求。而EMA系统中电机、变速箱和滚珠丝杠间的连接方位是不容易改变的,这就使EHA具有比EMA优越的地方。EHA也能通过改变泵的排量使改变系统的传动比成为可能。这就增加了作动器的刚度,减小了体积,并减少了系统的发热量[1]。本文将分析变排量对作动器性能的影响和EHA中采用变量泵的优点。

　　1 系统发热分析

　　在功率电传作动系统中,电机的发热是一个重要的问题。与中央泵源系统相比,EHA由于采用集成化设计,散热的实现比较困难,因此必须在系统的设计中考虑此问题,减小系统的发热。阀控系统由于伺服阀处的压降在工作过程中将产生大量热量,而在EHA或EMA中,由于采用直接驱动的方式,效率远高于阀控系统,热量主要来源于空气动力负载与元件的无用功,这其中最重要的就是电机的I²R损失。

　　EHA中电机的输出力矩与电流成比例,而电机所需输出力矩取决于泵的排量和负载压力。在固定负载下,可以通过匹配泵的排量和电机转速来维持系统流量,使作动器有合适的回转速度。因此,采用变排量泵可以在大负载(pb高)和低速率(Q小)的情况下减小泵的排量,增大电机转速n,保持输出功率不变,以减小电机输出转矩,即使电机工作在较低的电流下,这样就限制了电机的I²R损失。

　　2 电机的功率匹配

　　在EHA系统中使用变量泵的另一个好处是可以使电机和作动器的功率需求更加匹配。在给定的散热情况下,电机有一条功率曲线(角速度-力矩曲线)。根据作动器的应用负载要求,也有一条相对应的功率曲线(速度-力曲线)。EHA的流量方程为:

　　其中Q为系统流量,8为电机转速,v为作动器速度,A为作动器活塞面积。取液压速率Kh=q/A,则上式可表示为8=v/Kh,而电机转矩为Tm=F#Kh。通过以上转换,可以将电机和负载的功率曲线表示在同一个图里面。如图1所示,为了使电机满足负载要求,当使用定量泵时,Kh为定值,可取其值为Kh=TmaxFmax(F为作动器负载力),以满足堵转负载的要求,电机功率可取负载的最大功率。但此时不能保证电机满足负载在每一点的功率要求,因此电机必须有一定余量,以使在固定Kh下电机功率曲线完全包含负载的功率曲线。当使用变量泵时,Kh为一个变量,只要电机功率满足负载最大功率要求,在不同负载情况下,可以通过调节Kh值使电机工作在合适的速度与转矩下,满足负载每一点的功率需求。这样就可以选择更小的电机,优化EHA系统。