CN109104046A - 基于飞机燃油系统的机电作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞机燃油系统的机电作动器，包含永磁电机、减速器、作动机构和若干热管；永磁电机包含定子铁芯、定子绕组、转子和壳体；定子绕组缠绕在定子铁芯上，定子铁芯固定在壳体内；转子通过轴承固定在壳体，其输出轴通过减速器和作动机构；壳体上设有和热管一一对应的通孔；热管的穿过壳体上与其对应的通孔，蒸发段和定子铁芯固连，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱中、和燃油接触。本发明具有体积小、能耗低、使用寿命长等主要特点。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，尤其涉及一种基于飞机燃油系统的机电作动器。
背景技术
随着功率电传技术的发展，全电飞机与多电飞机的概念相继提出。多电飞机最大的特征在于：将液压、气压等重量大且结构复杂的子系统去除，并用性能相同或更优的电动装备代替。被移除的液压、气压系统中，包含飞行控制系统的执行机构，即作动器；液压作动器出力较大，但液压油存在泄漏的风险，且油路复杂、管路重量大，储存液压油的油箱占用了大量空间，对集成度逐渐提高、结构越来越紧凑的飞机设计不利；而机电作动器体积小、重量轻、结构简单，仅需电缆提供电能，永磁电机经过减速器带动滚珠丝杠往复运动，即可带动舵面起降，实现与液压作动器相同功能的同时提升易维护性，是未来飞行控制系统中的主要执行机构。
但永磁电机本身存在散热问题，且复合材料的应用及红外隐身的要求大大降低了电机通过飞机蒙皮散热的可能性，导致机电作动器常在全封闭的环境工作，热量难以向外散出，使其温度过高、使用寿命缩减；同时，也存在部分机电作动器完全暴露在机体外，在高空中近-60℃的低温环境工作，出现因低温导致机械结构卡死的险情。故急需完善机电作动器的热管理系统，使其在接近地面常温的环境中正常工作。
理论上，永磁电机发热最突出的部位为定子线圈与定子铁芯。目前对永磁电机的散热主要有三种思路：其一为辐射散热，即在电机外壳外侧设置翅片，将热量通过翅片散发到环境中；其二为水冷或油冷，即在电机外壳内部留出冷却液通道，将热量通过冷却液传输到冷却液箱中；其三为旋转热管方案，即在永磁体转子内装填气-液相变工质，将热量通过转子传输至减速器，再通过其他方式散去。上述三种方法或要求较大安装空间，或传热路径较长，不太适用于飞机上对空间与传热量的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于飞机燃油系统的机电作动器，重量轻、效率高、能耗低、使用寿命长。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于飞机燃油系统的机电作动器，包含永磁电机、减速器、作动机构和若干热管；
所述永磁电机包含定子铁芯、定子绕组、转子和壳体；
所述定子绕组缠绕在定子铁芯上，定子铁芯固定在所述壳体内；
所述转子通过轴承固定在所述壳体，其输出轴通过减速器和所述作动机构，用于为所述作动机构提供动力；
所述壳体上设有和所述热管一一对应的通孔；
所述热管的穿过壳体上与其对应的通孔，蒸发段和所述定子铁芯固连，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱中、和燃油接触。
作为本发明一种基于飞机燃油系统的机电作动器进一步的优化方案，所述定子铁芯上设有和所述热管一一对应的导热槽；
所述热管的蒸发段设置在其对应的导热槽内，且在导热槽内填充导热胶。
处于封闭环境的机电作动器正常工作时，其电机的定子绕组通过高频变化的电流导致定子绕组与定子铁芯发热，热量经导热胶传向热管蒸发段，热管内相变材料汽化并将热量传至热管冷凝段，后由冷凝段将热量传给燃油；处于开放环境的机电作动器正常工作时，热管冷凝段温度（即燃油温度）高于蒸发段，热量通过燃油传至冷凝段，飞机燃油系统油箱内的燃油随时流动，为机电作动器提供适宜的工作温度。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1）本设计未在机电作动器的电机外壳外侧布置翅片，未使用风冷、液冷等换热方式，不需要在电机内部布置风道、油路，不具有风扇、冷却油箱、冷却油管路等设备，减小了电机占用的空间与重量；
2）本设计只通过热管进行热量传递，不需要主动对风扇、油泵等设备供电，仅需少量增加燃油泵功率，大幅降低了飞机系统的能耗；
3）本设计只通过热管进行热量传递，热管完全密封，几乎没有泄漏风险，且导热系数超出纯金属上百倍，安全性及传热性能好；
4）本设计中热管可在一定程度上弯曲，布置更加灵活；
5）本设计中电机永磁体转子为实心，可在内部布置更多永磁体，在输入电能不变的情况下可提高电机出力，提升了机电作动器的性能；
6）本设计利用了飞机燃油不停流动且温度较稳定的特点，由于热管易布置，且在油箱中插入热管对燃油流动阻力影响极小，实现了能量损耗极低的被动式热管理，提高电能的利用效率；
7）本设计在一般永磁电机的基础上做出了部分改动，其工艺成熟，成本低廉。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中永磁电机和热管相配合的结构示意图；
图3是本发明中永磁电机和热管相配合的剖面图。
图中，1-永磁电机，2-减速器，3-作动机构，4-热管，5-定子铁芯，6-定子绕组，7-转子，8-壳体，9-飞机燃油系统中的油箱，10-热管的蒸发段，11-热管的冷凝段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种基于飞机燃油系统的机电作动器，包含永磁电机1、减速器2、作动机构3和若干热管4；永磁电机1的输出轴通过减速器2和所述作动机构3，用于为所述作动机构3提供动力；热管4的蒸发段伸入永磁电机1中，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱10中、和燃油（热沉）接触，热管4为机电作动器提供传热途径，将热量直接导入部飞机燃油系统的油箱10中。
如图2所示，永磁电机1包含定子铁芯5、定子绕组6、转子7和壳体8；定子绕组6缠绕在定子铁芯5上，定子铁芯5固定在壳体8内；转子7通过轴承固定在壳体8内，其输出轴通过减速器2和作动机构3，用于为作动机构3提供动力；壳体8上设有和热管4一一对应的通孔；热管4的穿过壳体8上与其对应的通孔，蒸发段和定子铁芯5固连，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱中、和燃油接触。
如图3所示，定子铁芯5上设有和热管4一一对应的导热槽；热管4的蒸发段设置在其对应的导热槽内，且在导热槽内填充导热胶；蒸发段吸热后将热量传至热管冷凝段11，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱10中，热量则由热管冷凝段10传至燃油；此过程也可逆向进行。由此建立机电作动器与燃油系统的传热通道，使得机电作动器温度与燃油温度相近，实现机电作动器的被动热管理。若该机电作动器经常遭受极端工况，如长时间高频作动、长时间维持舵面位置固定等，应按作动器实际功率选取热管、设计定子铁芯5的热管槽道并调整热管数目。
就其背景而言，本发明的应用场合较受限。多电飞机的电能大部分由发动机提供，为保证发动机正常运转，油箱内的燃油必须随时流动，本发明正是依赖飞机燃油系统的这一特点，在增加少量燃油泵功耗的情况下增大冷凝段的对流换热系数，藉此获得效率高、能耗低的优势；由于机电作动器所处空间全封闭或全开放，且安装空间及重量受限，可用的轻质高效的传热方式较少，为保证在极端环境下能够正常工作，选用热管传热，从而实现高效换热；若不具备以上几个背景条件，本发明或不甚适用。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.基于飞机燃油系统的机电作动器，其特征在于，包含永磁电机（1）、减速器（2）、作动机构（3）和若干热管（4）；
所述永磁电机（1）包含定子铁芯（5）、定子绕组（6）、转子（7）和壳体（8）；
所述定子绕组（6）缠绕在定子铁芯（5）上，定子铁芯（5）固定在所述壳体（8）内；
所述转子（7）通过轴承固定在所述壳体（8），其输出轴通过减速器（2）和所述作动机构（3），用于为所述作动机构（3）提供动力；
所述壳体（8）上设有和所述热管（4）一一对应的通孔；
所述热管（4）的穿过壳体（8）上与其对应的通孔，蒸发段和所述定子铁芯（5）固连，冷凝段伸入外部飞机燃油系统的油箱中、和燃油接触。
2.根据权利要1所述的基于飞机燃油系统的机电作动器，其特征在于，所述定子铁芯（5）上设有和所述热管（4）一一对应的导热槽；
所述热管（4）的蒸发段设置在其对应的导热槽内，且在导热槽内填充导热胶。
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