航空技術飛機致動器設計 - CAE軟體Romax

Romax 在專案初期可以快速由系統層面評估可靠性，利用其電機工程專業知識、系統設計和分析工具來評估整個系統，成功地提高了電驅動單元在航空應用中的技術水平。用Romax設計執行器，創新技術運用當之無愧！

飛機執行器/致動器 (Aircraft actuator collaborative) 是什麼?

飛機執行器/致動器是航空系統中的關鍵部件，可將電力、液壓或氣動能轉換為機械運動，以控制各種飛行表面和系統。它們透過調節副翼、升降舵和方向舵等控制面，在飛機運作中發揮著至關重要的作用，這些控制面向對於機動和穩定性至關重要。此外，執行器/致動器也用於起落架系統、貨艙門和其他需要精確運動的機構。由於航空營運的高要求，這些設備必須滿足嚴格的安全性和可靠性標準。這些執行器/致動器通常分為線性和旋轉類型，每種類型都針對飛機內的特定應用而設計。執行器/致動器技術的進步，例如開發更有效率、更輕質的材料，可以提高飛機的性能和燃油效率。

EMMAS (Electro‑Mechanical Magnetic Actuator Systems)專案的主要參與者為英國TRIUMPH AEROSPACE OPERATIONS，該專案的部分資金來自於航空航天工業戰略競賽(Aerospace Industrial Strategy Competition)，該競賽由ATI(Aerospace Technology Institute)、Innovate UK(the UK’s Innovation Agency)、與BIS(Department for Business, Innovation and Skills)共同主辦，致力於設計更安全、更安靜、更可靠的電驅動系統，包含適用於極端環境的電子設備，該電驅動系統必需具有抗振能力、熱調節能力、與較少的維護，並且在永久或暫時過載時可以抵抗干擾。電驅動的整套設計過程都會進行系統性的評估，目標為提高電驅動領域的技術能力、系統的可靠性、安全性與乘客體驗。

—–Youn Park, Head of Aerospace, Romax Technology

挑戰

推動技術能力競賽以促進設計開發工作

創新、安全、輕量、可靠的航空電驅動系統

解決方案

透過各領域的專家密切合作，匯集最新的設計、分析與開發技術，致力於高效能、耐用可靠且適用於極端環境的電驅動系統

效益

從系統性的概念架構選擇到詳細設計與分析，該專案展示了電驅動系統各方面的可靠性皆已經達到飛行器的業界標準

在航空產業中，安全是首要考量，因此飛行作動系統（例如方向舵和副翼）必須具有高度可靠的元件，以確保飛行安全。飛機的重量和效率是影響排放和燃油消耗的關鍵因素，也是產業向更多電動飛機過渡的重要推動力。電機作動器作為液壓作動器的替代方案，因其潛力而備受關注。相較於液壓系統，電機作動器具有重量輕、能效高的優點，有助於降低飛機總重量和改善燃油效率。然而，由於擔憂其可靠性，目前採用電機作動器仍然有限。提升電機作動器的可靠性至航空標準，是實現更多電動飛機的關鍵挑戰之一。隨著技術進步，電機作動器有望取代傳統液壓系統，推動航空產業進一步向高效、低排放的目標邁進。

這個專案證明了從系統層面進行作動器設計可以降低電機技術的風險，並開發出既安全又可靠的系統，同時展現出扭矩密度提高和效率的優勢。

合作夥伴的選擇基於他們的專業領域。Triumph Actuation Systems 作為項目領導，提供了作動器設計和控制硬體。Magnomatics 提供了其新穎的偽直驅概念，這是一種結合了無刷交流電機和集成磁齒輪的系統。The University of Sheffield運用其領先世界的控制技術來設計控制系統。 Romax 則利用其電機工程專業知識及系統設計和分析工具來評估整個系統。

這個專案進行了對方向舵作動器的完整系統層級設計和分析，涵蓋了新穎的容錯偽直驅概念（PDD, Pseudo Direct Drive）、專用控制器和滾珠螺桿機構。項目小組自全面審查所有飛機作動器系統開始，系統性地評估和比較每個應用的電驅動操作特徵，並確定最適合納入專案的方案。

在專案初期，Romax專注於對多個概念進行可靠性評估，迅速依據相關航空標準進行校合，以確保方案符合行業規範，這一過程於設計初期至關重要，為未來的設計概念方向進行量化的評分，從而選擇出最適合的電驅動作動器架構。

在獲得Triumph提供的作動器機械設計(包含Magnomatics的新型PDD設計)後，Romax應用了其行業領先的專業知識，對整個系統進行了機械可靠性分析，透過使用軟體 Romax，能夠評估整個系統的剛度、變形和應力，考慮到如重力、磁力不平衡、軸向預載和軸承間隙等重要影響因素。

軸承是系統中關鍵的安全元件，而 Romax 在此領域展現了超過 25 年的世界領先評估能力。通過將這些專業知識應用於專案，Romax 能夠量化多種複雜操作條件和系統效應對軸承可靠性的影響。例如，評估了電磁力（由 PDD 的存在所引起）對軸承損壞的影響。基於這些分析，提出並實施了系統設計建議。此外，還創建了創新的動態模型，能夠識別隨著滾珠螺桿機構運動變化的模態形狀和共振現象。

控制器由The University of Sheffield設計，並包含了 Romax 開發的動態模型，這使得能夠開發出一個穩健的控制算法，該算法已經構建並進行了測試。結合 Triumph提供的尖端硬體，最終的控制系統具有良好的穩健性和抗擾動能力，適合用於航空應用中的極端環境。

總體而言，這個專案成功地提高了電驅動單元在航空應用中的技術水平，通過系統層面的設計和分析，提升了可靠性、降低了風險，並對於電動飛機的發展有了實質上的推進。