基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，该方法首先分析伺服电机发热特性，明确其周向机壳的非均匀温度场分布情况和各部位散热需求；然后基于此设计微小通道热沉变通道密度构型，使用飞行器低温燃料作为冷却工质进行再生冷却，通过热沉多冷却通道并行紧贴于电机周向机壳外表面的方式，提高伺服电机的散热性能和均匀性，满足小体积约束，并且不需要携带额外冷却工质；最后，设计伺服电机主动式热控制系统，建立引入冷却性能函数的伺服电机热模型，设计伺服电机热控制算法，通过调控微小通道热沉的运行参数，从而改善因伺服电机运行状态变化导致的工作温度波动。态变化导致的工作温度波动。态变化导致的工作温度波动。

【技术实现步骤摘要】
基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法


[0001]本专利技术伺服电机热控制
，具体为一种基于变密度结构微小通道热沉性能 调控的飞行器伺服电机主动热控制方法。

技术介绍

[0002]大功率电动伺服系统在高速飞行器中应用愈发广泛，其中伺服电机是电动伺服系 统实现电能向机械能转化的关键部件，因此伺服电机性能直接影响飞行器的性能和控 制品质。目前，抑制大功率伺服电机工作性能的主要因素已不再是转矩和功率，而是 其过高的工作温度。高温将导致电机出现过热烧毁、部组件性能、绝缘及可靠性退化 等安全隐患，尤其是对应用于高速飞行器的大功率伺服电机而言，因飞行器内部空间 紧凑、外部气动加热严重导致散热环境恶劣，更容易出现局部过热的风险，进而影响 电机工作安全性和可靠性。
[0003]针对大功率伺服电机温升过高的问题，需要设计相应散热装置。目前常用散热技 术包括自然散热、强制风冷和液冷。其中，液冷的冷却性能最强，文献“全封闭大功率 永磁牵引电机的温度场数值计算，电机与控制应用，2021，Vol.48(11)：58
‑
64+79”研 究了大功率伺服电机运行时的稳态温度场分布，并为其设计冷却装置。该装置采用水 冷方式，在电机表面设计蛇形水流通道，通过冷却水流动带走电机热量，从而实现降 温。
[0004]但该文献所提出方法，并不完全适用于对飞行器上的大功率伺服电机进行冷却， 主要原因包括：(1)该方法提出的冷却装置体积大且需要额外携带冷却工质，无法满 足飞行器背景下的小体积、轻质量要求；(2)没有考虑大功率伺服电机各部件发热量 不同造成的非均匀温度场影响，冷却后电机仍存在较明显的温度非均匀分布；(3)该 冷却方式简化电机为定常工作状态，其冷却性能未考虑伺服电机实际工作过程中输出 功率和发热量变化，无法调控由此带来的电机温度变化。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为解决大功率伺服电机温升严重，而现有冷却装置体积大、散热性能不足，不满 足飞行器领域小体积、轻质量要求，且难以应对电机非均匀温度分布和电机运行状态 变化造成的温度波动等问题，本专利技术提出了一种基于变密度结构微小通道热沉性能调 控的飞行器伺服电机主动热控制方法。
[0007]该方法基于改变微小通道热沉通道密度以匹配电机温度场和散热需求，并通过改 变微小通道热沉运行参数进行冷却性能调控，实现飞行器大功率伺服电机主动热控制。 该方法首先分析伺服电机发热特性，明确其周向机壳的非均匀温度场分布情况和各部 位散热需求；然后基于此设计微小通道热沉变通道密度构型，使用飞行器低温燃料作 为冷却工质进行再生冷却，通过热沉多冷却通道并行紧贴于电机周向机壳外表面的方 式，提高伺服
电机的散热性能和均匀性，满足小体积约束，并且不需要携带额外冷却 工质；最后，设计伺服电机主动式热控制系统，建立引入冷却性能函数的伺服电机热 模型，设计伺服电机热控制算法，通过调控微小通道热沉的运行参数，从而改善因伺 服电机运行状态变化导致的工作温度波动。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方 法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：通过分析飞行器伺服电机发热特性，构建飞行器伺服电机等效热网络模 型，确定伺服电机动态温度特性、非均匀温度场分布和各部位散热需求；
[0011]步骤2：根据步骤1得到的伺服电机非均匀温度场分布以及各部位散热需求，设 计微小通道热沉的冷却通道密度，进而确定微小通道热沉散热装置构型；
[0012]步骤3：根据步骤2确定的微小通道热沉散热装置构型，仿真分析所述微小通道 热沉散热装置传热特性，得到其传热系数随运行参数改变时的变化规律；
[0013]步骤4：根据步骤3得到的所述传热系数随运行参数改变时的变化规律构建所述 微小通道热沉散热装置节点，并将该节点作为飞行器伺服电机等效热网络模型的传热 节点之一，进行飞行器伺服电机主动热控制；
[0014]所述飞行器伺服电机主动热控制过程为：
[0015]根据飞行器伺服电机被控实际温度与期望温度的偏差，主动控制调节所述微小通 道热沉散热装置的运行参数，进而调节所述传热系数，实现对飞行器伺服电机被控温 度的闭环控制。
[0016]进一步的，所述微小通道热沉散热装置构型采用热沉多冷却通道并行紧贴于伺服 电机周向机壳外表面方式。
[0017]进一步的，所述微小通道热沉散热装置采用飞行器低温燃料作为冷却工质进行再 生冷却。
[0018]进一步的，所述微小通道热沉散热装置的运行参数包括冷却工质的进口流速和运 行压力。
[0019]进一步的，步骤1具体过程为：
[0020]首先将飞行器伺服电机分为若干部件，计算部件存在的损耗发热，确定发热源以 及伺服电机的非均匀温度场分布；
[0021]其次按照飞行器伺服电机部件所划分部件确定所述热网络模型节点，其中发热源 为有源节点，其余节点为无源节点，各节点之间以等效热阻相连。
[0022]进一步的，将飞行器伺服电机分为定子、绕组、气隙、转子、永磁体、气腔、周 向机壳、端面机壳、轴承和转轴；所存在的损耗包括绕组铜损、定子及转子铁损、永 磁体涡流损耗、轴承机械损耗；定子、绕组、永磁体、转子和轴承为发热源；等效热 阻分为热传导热阻和热对流热阻。
[0023]进一步的，绕组铜损为：
[0024]P
Cu
＝mI2R
w
[0025][0026]其中，m表示相数；I表示电机相电流的有效值；R
w
表示相绕组电阻；ρ
w
表示绕组电 阻率；N
p
和N
c
分别表示每相绕组数和半槽匝数；l
ef
表示电机有效长度；S表示1匝 导线的截面积；
[0027]定子铁损为：
[0028]P
s
＝k
e,s
·
B
sn
·
f
s2
·
m
Fe,s
+k
h,s
·
B
sn
·
f
s
·
m
Fe,s
[0029]转子铁损为：
[0030]P
r
＝k
e,r
·
B
rn
·
f
r2
·
m
Fe,r
[0031]其中，k
e,s
表示定子材料的涡流常数；k
h,s
表示定子材料的磁滞常数；k
e,r
表示转子材 料的涡流常数；B
s
和B
r
分别表示定子和转子的最大磁通密度，n为铁芯材料的 Steinmetz系数，取1.6
‑
2；f本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：通过分析飞行器伺服电机发热特性，构建飞行器伺服电机等效热网络模型，确定伺服电机动态温度特性、非均匀温度场分布和各部位散热需求；步骤2：根据步骤1得到的伺服电机非均匀温度场分布以及各部位散热需求，设计微小通道热沉的冷却通道密度，进而确定微小通道热沉散热装置构型；步骤3：根据步骤2确定的微小通道热沉散热装置构型，仿真分析所述微小通道热沉散热装置传热特性，得到其传热系数随运行参数改变时的变化规律；步骤4：根据步骤3得到的所述传热系数随运行参数改变时的变化规律构建所述微小通道热沉散热装置节点，并将该节点作为飞行器伺服电机等效热网络模型的传热节点之一，进行飞行器伺服电机主动热控制；所述飞行器伺服电机主动热控制过程为：根据飞行器伺服电机被控实际温度与期望温度的偏差，主动控制调节所述微小通道热沉散热装置的运行参数，进而调节所述传热系数，实现对飞行器伺服电机被控温度的闭环控制。2.根据权利要求1所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：所述微小通道热沉散热装置构型采用热沉多冷却通道并行紧贴于伺服电机周向机壳外表面方式。3.根据权利要求1所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：所述微小通道热沉散热装置采用飞行器低温燃料作为冷却工质进行再生冷却。4.根据权利要求1所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：所述微小通道热沉散热装置的运行参数包括冷却工质的进口流速和运行压力。5.根据权利要求1所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：步骤1具体过程为：首先将飞行器伺服电机分为若干部件，计算部件存在的损耗发热，确定发热源以及伺服电机的非均匀温度场分布；其次按照飞行器伺服电机部件所划分部件确定所述热网络模型节点，其中发热源为有源节点，其余节点为无源节点，各节点之间以等效热阻相连。6.根据权利要求5所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：将飞行器伺服电机分为定子、绕组、气隙、转子、永磁体、气腔、周向机壳、端面机壳、轴承和转轴；所存在的损耗包括绕组铜损、定子及转子铁损、永磁体涡流损耗、轴承机械损耗；定子、绕组、永磁体、转子和轴承为发热源；等效热阻分为热传导热阻和热对流热阻。7.根据权利要求6所述一种基于变密度结构微小通道热沉性能调控的飞行器伺服电机主动热控制方法，其特征在于：绕组铜损为：P
Cu
＝mI2R
w
其中，m表示相数；I表示电机相电流的有效值；R
w
表示相绕组电阻；ρ
w
表示绕组电阻率；N
p
和N
c
分别表示每相绕组数和半槽匝数；l
ef
表示电机有效长度；S表示1匝导线的截面积；定子铁损为：P
s
＝k
e,s
·
B
sn
·
f
s2
·
m
Fe,s
+k
h,s
·
B
sn
·<...

【专利技术属性】
技术研发人员：高智刚，王天虎，周军，李朋，张佼龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：