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

1.本发明伺服电机热控制技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.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，本发明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。
7.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。
8.本发明的技术方案为：
9.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：
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.所述飞行器伺服电机主动热控制过程为：
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.进一步的，步骤1具体过程为：
20.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；
21.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。
22.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。
23.进一步的，绕组铜损为：
24.p
cu
＝mi2rw25.26.其中，m表示相数；i表示电机相电流的有效值；rw表示相绕组电阻；ρw表示绕组电 阻率；n
p
和nc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；
27.定子铁损为：
28.ps＝k
e,s
·bsn
·fs2
·mfe,s
+k
h,s
·bsn
·fs
·mfe,s
29.转子铁损为：
30.pr＝k
e,r
·brn
·fr2
·mfe,r
31.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；bs和br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；fs和fr分别表示定子和转子内产生的电流频率；m
fe,s
和m
fe,r
分别表示定子及转子的铁芯质量；脚标中s和r分别表示定子和转子；
32.永磁体涡流损耗为：
[0033][0034]
其中，m表示各谐波次数；jm表示永磁体涡流密度；γ表示永磁体电导率；dv表示对 永磁体的体积积分因子；
[0035]
机械损耗为：
[0036][0037]
其中，f表示轴承载荷；d表示轴承滚珠中心处直径；v表示轴承滚珠中心的圆周速 度。
[0038]
进一步的，采用以下过程计算伺服电机各节点之间的等效热阻：根据各节点间热 传递方式，划分为热传导热阻和热对流热阻；
[0039]
其中热传导热阻计算模型为：
[0040][0041]
其中r
cond
为热传导热阻；δ表示传热路径长度；λ为导热系数；a
cond
为导热接触面积；
[0042]
热对流热阻计算模型为：
[0043][0044]
其中r
conv
为节点间热对流热阻；h表示对流传热系数，a
conv
为对流接触面积。
[0045]
进一步的，根据伺服电机结构，将各节点的热传导热阻按照平壁稳态导热模型或 圆筒壁稳态导热模型进行计算：
[0046]
平壁稳态导热模型为：
[0047][0048]
其中，δ
fl
表示平壁稳态导热模型中的导热层厚度；a
fl
表示导热层的传热面积；λ
fl
表 示导热层的导热系数；
[0049]
圆筒壁稳态导热模型为：
[0050][0051]
其中，r1和r2分别表示圆筒壁导热层内外壁面处半径；l表示圆筒壁的长度；λ
cy
表示导 热层的导热系数。
[0052]
进一步的，步骤2中，根据伺服电机的非均匀温度场分布，确定伺服电机周向机 壳的强化换热区部位和换热区部位；强化换热区的热沉冷却通道数量与换热区的热沉 冷却通道数量关系根据强化换热区部位与换热区部位的温差比值确定，两者为正相关：
[0053][0054]
其中，nh和n
l
分别表示强化换热区及换热区的冷却通道数量；δth表示强化换热区气 腔与周向机壳的温差，δt
l
表示换热区定子与周向机壳的温差。
[0055]
进一步的，所述传热系数为微小通道热沉散热装置与飞行器伺服电机周向机壳进 行热交换时的传热系数。
[0056]
有益效果
[0057]
本发明的有益效果是：
[0058]
(1)设计微小通道热沉，在满足飞行器体积重量严格约束的情况下，提高伺服电 机散热能力，解放了影响飞行器高功率密度伺服电机性能的热瓶颈，同时，采用飞行 器低温液体燃料作为微小通道热沉的冷却工质，无需额外携带冷却剂，有利于减化散 热系统，降低其总质量和所占用空间；
[0059]
(2)微小通道热沉采用多通道并行散热冷却方式，在构型设计时基于伺服电机不 同换热区域的温差和换热需求确定各区域冷却通道的密度，能够有效改善电机非均匀 温度分布，提高伺服电机均温性；
[0060]
(3)以微小通道热沉作为热控制系统的执行机构，为伺服电机设计主动热控制方 案，通过改变微小通道热沉的运行参数(压力、流速)实现对其冷却性能的调节，从 而实现针对伺服电机温度的主动控制，达到伺服电机散热能力和功率损耗的动态匹配， 有效减轻因其功率变化引起的温度波动。
[0061]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0062]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0063]
图1为伺服电机主动热控制方法框图。
[0064]
图2为伺服电机损耗分布及传热示意图。
[0065]
图3为伺服电机等效热网络模型示意图。
[0066]
图中标号：0为环境，1为定子，2为绕组，3为气隙，4为永磁体，5为转子，6 为后气
腔，7为前气腔，8为内转轴，9为轴承，10为外转轴，11为后端面机壳，12 为前端面机壳，13为周向机壳。
[0067]
图4为伺服电机微小通道热沉结构示意图。
[0068]
图中标号：10为外转轴，15为伺服电机，16为强化换热区高密度冷却通道，17 为换热区低密度冷却通道。
[0069]
图5为微小通道热沉变参数下传热系数控制面示意图。
[0070]
图6为伺服电机热控制用等效热网络模型示意图(引入微小通道热沉冷却装置的 变传热系数模块)。
[0071]
图中标注：0为环境，1为定子，2为绕组，3为气隙，4为永磁体，5为转子，6 为后气腔，7为前气腔，8为内转轴，9为轴承，10为外转轴，11为后端面机壳，12 为前端面机壳，13为周向机壳，14为热沉变传热系数模块。
[0072]
图7为伺服电机主动热控制方案原理图。
[0073]
图8为伺服电机主动热控制流程图。
具体实施方式
[0074]
本发明针对飞行器大功率伺服电机冷却需求，提出一种基于微小通道热沉构型和 性能调控的飞行器大功率伺服电机主动式热控制方法，通过引入微小通道热沉，并采 用飞行器低温燃料作为冷却工质，满足了小体积、低质量约束。该方法首先根据伺服 电机发热机理，分析其动态温度特性、非均匀温度场分布和散热需求；然后根据其发 热特性针对性的设计微小通道热沉的通道密度，以有效提高考虑非均匀温度分布影响 下的伺服电机整体散热性能和温度均匀性；为实现伺服电机的主动热控制，通过设计 伺服电机主动热控制方案，调控微小通道热沉的运行参数，从而改变其冷却性能以调 节伺服电机的工作温度，使之保持在适宜温度范围内。本发明能够有效实现对飞行器 大功率伺服电机的主动式闭环热控制，有效改善电机非均匀温度场，以及因运行状态 变化造成的电机温度波动。
[0075]
本发明首先明确伺服电机的损耗功率，基于电机各部件建立其等效热网络模型， 分析其动态温度变化、非均匀温度场分布情况，分析各部位的散热需求。其次，针对 性设计微小通道热沉的冷却通道密度，即基于伺服电机非均匀温度场，分析各部位散 热需求，区分高、低散热需求区域并合理调整对应的通道数量，提高电机的综合散热 性能。确定散热装置构型后，通过数值仿真方法分析该热沉的传热特性，掌握其传热 系数随运行参数改变时的变化规律，然后根据热沉传热系数变化规律建立变传热系数 仿真模块，并基于变传热系数仿真模块，将热沉作为电机等效热网络模型的传热节点 之一，进行伺服电机热控制系统设计与仿真，通过采用主动热控制算法，根据热控制 算法输出结果调控微通道热沉运行参数，改变热沉的冷却能力以适应伺服电机的温度 变化。最终通过分析伺服电机各部件温度变化，评估所设计主动式热控制系统的有效 性。本发明总体流程如图1所示。
[0076]
(1)伺服电机损耗发热计算
[0077]
图2所示为伺服电机的结构、损耗分布及传热示意图，本发明将电机分为以下几 部分：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，传 热方式主要为热传导和热对流，路径则以产生损耗的部件为发热源，沿电机径向及轴 向传热。上述因损耗导
致的发热详细计算如下。
[0078]
绕组铜损：
[0079][0080]
其中，m表示相数；i表示电机相电流的有效值；rw表示相绕组电阻ω；ρw表示 绕组电阻率；n
p
和nc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。
[0081]
定子铁损：
[0082]
p
fe,s
＝k
e,s
·bsn
·fs2
·mfe,s
+k
h,s
·bsn
·fs
·mfe,s
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
转子铁损：
[0084]
p
fe,r
＝k
e,r
·brn
·fr2
·mfe,r
ꢀꢀꢀ
(3)
[0085]
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；bs和br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，一般取1.6-2；fs和fr分别表示定子和转子内产生的电流频率；m
fe,s
和 m
fe,r
分别表示定子及转子的铁芯质量；脚标中s和r分别表示定子和转子。
[0086]
永磁体涡流损耗：
[0087][0088]
其中，m表示各谐波次数；jm表示永磁体涡流密度；γ表示永磁体电导率；dv表 示对永磁体的体积积分因子。
[0089]
机械损耗：
[0090][0091]
其中，f表示轴承载荷；d表示滚珠中心处直径；v表示滚珠中心的圆周速度。
[0092]
基于上述损耗计算，及其分布与传热分析结果(图2)，建立电机热网络模型， 如图3所示，其中标识相应数字的圆形节点即为电机所划分各部件，因定子、绕组、 永磁体、转子和轴承均为发热源，故对应节点1、2、4、5、9为有源节点，发热量基 于损耗计算合理分配，其余节点则为无源节点。各节点间以等效热阻相连，根据热传 递方式划分为热传导热阻和热对流热阻，如转轴轴向传热过程中以热传导为主，其热 阻的计算以热传导热阻的方式计算，而气腔与绕组间热阻则以热对流热阻方式计算， 具体计算方式如下。
[0093]
热传导热阻：
[0094][0095]
其中r
cond
为热传导热阻；l表示传热路径长度；λ为导热系数；a
cond
为导热接触 面积。
[0096]
热对流热阻：
其中对流换热方程描述为：
[0116]
q＝h
ca·
δt
ꢀꢀꢀ
(11)
[0117]
其中，q为热流量，hc为可变传热系数，a为传热面积；δt为对流传热温差。
[0118]
变传热系数模块建立完成后对其进行仿真验证，主要通过该模块与原有定传热系 数模块在同一传热系数下的温度变化对比，及变传热系数下是否符合传热学规律这两 种方式，判断所创建的变传热系数模块是否正确。
[0119]
以热沉作为伺服电机冷却的执行机构，以热沉的传热系数作为控制量，以热沉的 运行参数作为热控制参数，为其设计闭环反馈式的主动热控制方案，原理图如图7所 示。该主动热控制方案，以伺服电机周向机壳实际温度与期望温度的偏差为控制器输 入，生成控制指令调节微小通道热沉的进口流速和运行压力，通过运行工况的改变， 调节热沉与电机周向机壳进行热交换时的传热系数，改变热沉的冷却能力，控制热沉 所移除的电机热量，从而实现对电机温度的闭环控制，其具体流程如图8所示。
[0120]
(4)综合热分析与评价
[0121]
对大功率伺服电机的主动热控制系统进行仿真，针对稳定性、准确性及快速性三 方面设计控制性能评估参数，评价其热控制性能，计算公式分别如下。
[0122]
稳定性评估参数：
[0123][0124]
其中，δ
er
(％)为相对超调量；t
max
为周向机壳的最大温度；tr为参考温度。
[0125]
准确性评估参数：
[0126][0127]
其中，t
er
(％)为稳定温度误差比；t
13
为周向机壳的稳定温度。
[0128]
快速性评估参数：
[0129]
tr＝t
er-t0ꢀꢀꢀ
(13)
[0130]
其中，tr为周向机壳节点温度上升时间；t
er
为周向机壳节点温度稳定时刻；t0为 温升开始时刻。
[0131]
基于上述评价参数，可量化描述主动热控制系统所发挥的调控作用，判断其控制 精度是否满足实际所需，若不满足则进一步改进控制系统，提高其温度调控作用以满 足需求。
[0132]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。
[0133]
本实施例首先利用等效热网络法建立电机的热分析模型，根据伺服电机零部件组 成将其分解为若干节点，再将节点以热阻连接，构成伺服电机等效热网络模型；其次， 基于热分析结果设计微小通道热沉，根据电机机壳散热面的非均匀温度分布和差异化 散热需求，设计热沉的通道密度并进行不同运行参数下的传热性能数值仿真，建立热 沉传热系数的拟合模型；随后，结合热沉传热系数拟合模型，构建热沉节点引入伺服 电机热网络模型，基于改变热沉运行参数从而调控热沉冷却性能的模式，设计伺服电 机主动式闭环热控制
方案及算法，并完成对其温度控制效能的评估。本发明通过受控 调节热沉传热系数的方式，将伺服电机非均匀动态发热特性与微小通道热沉再生冷却 散热性能相匹配，通过伺服电机非均匀热特性及发热量和热沉冷却性能随不同部位散 热需求的匹配设计与主动调节，有效改善伺服电机的工作温度和均温性。其主动式热 控制方案设计与实现流程如图1所示。
[0134]
第一步：根据结构组成和工作原理对伺服电机进行热网络模型节点划分。
[0135]
基于伺服电机各主要组成部件及内部空间，将其分为定子1、绕组2、气隙3、永 磁体4、转子5、后气腔6、前气腔7、内转轴8、轴承9、外转轴10、后侧端面机壳 11、前侧端面机壳12、周向机壳13，如图1所示。其中电机损耗主要存在于定子1 的定子铁损、绕组2的绕组铜损、永磁体4的涡流损耗、转子5的转子铁损和轴承9 摩擦损耗，因此将以上5部分作为热源，其热量经由电机轴向及径向进行热传导，并 经过后气腔6、前气腔7、后侧端面机壳11、前侧端面机壳12，周向机壳13、外转轴 10等与环境0进行对流换热，最后达到热平衡状态。分析其传热过程如图2所示。
[0136]
第二步：基于节点划分建立热网络模型，并确定各节点之间热传递关系。
[0137]
基于伺服电机的节点划分、热传递方向及方式，建立热网络模型，如图3所示。 其中各节点即为电机区域划分结果，两节点间的热阻根据热传递方式分为热传导热阻 和热对流热阻，其中固体与空气间的热量传递方式为热对流，以热对流热阻相连，如 表1所示；固体间热量传递方式为热传导，以热传导热阻相连，如表2和表3所示。
[0138]
表1 热对流热阻相连节点
[0139][0140]
固体间的热传导热阻分别以平壁稳态导热模型和圆筒壁稳态导热模型计算，表2 给出伺服电机中基于平壁稳态导热模型计算的热传导热阻，表3给出伺服电机中基于 圆筒壁稳态导热模型计算的热传导热阻。
[0141]
表2 平壁稳态导热模型求解的热阻相连节点
[0142]
[0143]
表3 圆筒壁稳态导热模型求解的热阻相连节点
[0144][0145]
第三步：根据热网络模型，进行伺服电机温度场仿真计算。
[0146]
根据伺服电机热网络模型，搭建其数学仿真模型。在仿真环境下，以额定转速 10000rpm和额定电流29a计算各项损耗，设定期望温度为300k，仿真得到的结果如 下表所示：
[0147]
表4 伺服电机各节点平均温度
[0148][0149]
由以上仿真结果可知，伺服电机工作温度已超出合理的工作温度范围，不满足gb 4706.1的相应要求，因此，需要设计专门的散热装置对伺服电机进行冷却。
[0150]
第四步：分析周向机壳各部位散热需求，设计微小通道热沉匹配散热需求的各部 位通道密度，并获取微小通道热沉在不同运行参数下的冷却性能数学描述。
[0151]
基于伺服电机热网络模型的仿真结果，分析周向机壳13的不同区域温度状态分析 其传热需求，并据此确定微小通道热沉在各区域的冷却通道密度。其中，热沉整体贴 附于伺服电机周向机壳13，呈圆柱形包裹伺服电机15。分析电机周向机壳13的传热 需求，可知周向机壳13两端位置与气腔的温差较大，即强化散热需求较高，而中间位 置温差较低，且两者的温差比约为1.55：1，分析其原因主要在于热传导的换热性能强 于热对流：定子1与周向机壳13之间为热传导，且传热面积较大，便于散热；前气腔 7及后气腔6与周向机壳13之间为热对流，且传热面积较小。加之在绕组和定子的两 端位置，受绕组导线弯折换向影响，绕组铜线密度更大，因损耗导致的发热量也更大。 因此，确定伺服电机的周向机壳13两端各1/4长度部分为强化换热区，中部1/2长度 为换热区，故将强化换热区与换热区的微小
通道数量比确定为2：1，设计强化换热区 冷却通道数量为72，换热区冷却通道数量为36。
[0152]
基于所设计的微小通道热沉变密度构型，设计变进口流速、运行压力工况，采用 cfd数值计算方式，分析获取热沉在不同参数工况下的传热系数变化。在此基础上， 通过数据拟合获得热沉在不同运行参数下的变传热系数描述函数。具体工况表如下：
[0153]
表5 微小通道热沉计算工况
[0154][0155]
经过各工况计算，求得变流速工况及变压力工况的传热系数，将其拟合为传热系 数的控制面，如图5所示。该控制面以微小通道热沉中冷却工质的进口流速和运行压 力为控制变量，当控制器调控热沉中冷却工质的流速及压力时，热沉传热系数随之变 化，进而改变对伺服电机周向机壳13的散热性能，实现对伺服电机15整体温度的主 动控制。
[0156]
第五步：在热网络模型中引入可变冷却性能的热沉节点，并以此为温控执行机构 设计伺服电机主动热控制算法。
[0157]
基于上一步所得微小通道热沉的变传热系数控制面，将其作为热网络模型的节点 之一，引入伺服电机15的热分析中，获得引入热沉冷却性能后的伺服电机热控制用等 效热网络模型如图6所示。与图3所示的伺服电机等效热网络模型相比，图6中增加 了热沉节点14，该节点将作为微小通道热沉具有变传热能力的换热节点，其改变电机 周向机壳13与热沉节点14之间的热交换量，即当伺服电机15发热严重时，可增大热 沉节点14的传热系数，提高热沉的散热能力，以降低伺服电机15的温升；当伺服电 机15发热较少时，可减小热沉节点14的换热系数，减弱热沉的散热能力，防止伺服 电机15出现过冷却。
[0158]
通过上述方式，可设计伺服电机热控制方案，如图7所示。以周向机壳13实际温 度与期望温度的偏差作为控制器输入，设计pid控制算法以产生控制量，据此调节微 小通道热沉内冷却剂的进口流速和运行压力，从而控制热沉与周向机壳13之间进行热 交换时的传热系数，即可根据电机发热量和温度变化动态调控热沉的散热性能，实现 对电机温度的闭环控制。
[0159]
第六步：将伺服电机热控制用等效热网络模型引入伺服电机工作性能仿真，利用 评价参数进行伺服电机热控制效果分析与优化。
[0160]
基于上一步建立的热控制用等效热网络模型及主动热控制方案，可对伺服电机15 运行时的工作温度特性进行全面的分析。该主动热控制方法将微小通道热沉的散热性 能
以变传热系数的方式引入热网络模型，有效结合了伺服电机15发热特性和散热特 性，使两者处于统一模型下，明确伺服电机15功率损耗导致的发热量及微小通道热沉 散热性能对伺服电机15温度变化的影响。根据所设计稳定性、准确性及快速性参数评 价和优化所设计热控制算法的性能，实现伺服电机15在工作状态动态变化下的良好温 度控制，使其始终工作在适宜温区内，保证飞行器大功率伺服电机长时间运行下的安 全性和可靠性。
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本发明以pid控制器为例，基于上述评价参数评估其控制性能。在引入pid主动 控制后，仿真可知各节点温度对比如下：
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表6 主动热控制前后节点温度对比
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从上表中可明显看出，加入主动热控制系统后，各节点温度均显著降低，电机运 行在适宜温度范围内，且电机内部非均匀温度分布得到明显改善。除轴承节点降低约 30k外，其它各无源节点温度均降低了约50k，各有源节点温度均降低了约80k，距 离f级电机运行最大允许工作温度155℃有88.65℃的安全冗余；相对于最大允许工作 温升115k也有75.5k的冗余，能够满足伺服电机高效长时间运行需要；此外，电机 各节点之间最大温差较未控制时减小28.7k，说明温度分布更加均匀。
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根据仿真结果，获得基于pid控制器的电机主动热控制系统性能评估结果如下表 所示：
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表7 基于pid控制器的电机主动热控制系统性能
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表中可知，考虑稳定性、准确性及快速性，所设计的pid控制器能够全面满足伺 服电机15的温度控制需求。
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至此，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 及装置说明完成。本发明结合热网络模型、微小通道热沉及控制算法的相关理论，为 飞行器大功率伺服电机设计了行之有效的主动热控制方法及装置，在满足飞行器对于 体积、重量、工质携带等约束情况下，有效解决其温升过高、散热不足且温度分布非 均匀引起的功率受限问题及可靠性下降等安全隐患。从仿真结果中可以看出，引入本 发明所提出的主动热控制方法及装置后，伺服电机15的温升显著降低、均温性得以改 善，控制稳定性、准确性及快速性均满足伺服电机15的热控制需求。
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本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和 宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。