Aktuatorsystemer i lufta

Tradisjonelt har luftfartøy brukt hydrauliske aktuatorer til å manøvrere primære og sekundære flykontroller, landingsunderstell, bremsesystemer og avisingssystemer. Elektrifisering av luftfartssektoren driver overgangen fra hydrauliske aktuatorer til kraftelektronikk for å redusere vekt, kompleksitet og vedlikeholdskrav, samtidig som påliteligheten forbedres.

Tilpasset kraftelektronikk

Microchip har en sterk tradisjon for å tilby standard så vel som svært tilpassede kraftelektronikkløsninger i enten silisium (Si) IGBT- eller silisiumkarbid (SiC)-teknologi for å redusere designkostnader, tid, ressurser og kompleksitet for luftfarts- og forsvarskunder.

Vår nye kostnadseffektive, plug-and-play integrerte kraftløsnigner for aktuatorsystemer kombinerer en hybrid kraftdriver (HPD) og et kompatibelt driverkort som gir intelligens, skalerbarhet, designfleksibilitet, pålitelighet, raskere tid til marked og høy effekttetthet for luftbårne kraftsystemer i More Electric Aircraft (MEA), fraktfly, småfly, forsvarsavionikk, elektriske vertikal start- og landingsfly (eVTOL), droner og multikoptere.

Styring av fly

Luftfartøy har flere flykontroller som hjelper dem med å manøvrere på land og i luften. Et fly roterer i bank, pitch og yaw (Bank (roll) er rotasjon rundt lengdeaksen (fra nese til hale), pitch (pitch) er rotasjon rundt tverraksen (fra vingespiss til vingespiss) som får nesen til å peke opp eller ned, og yaw (yaw) er rotasjon rundt den vertikale aksen som får nesen til å svinge mot venstre eller høyre), samtidig som det beveger seg horisontalt, vertikalt og sidelengs. De fire grunnleggende prinsippene (rett og i vater flyging, svinger, stigninger og nedstigninger) er de viktigste manøvrene som styrer flyet gjennom de seks bevegelsene i flygingen. På land brukes roret til å takse flyet til venstre, høyre eller rett. I luften brukes både primære flykontroller og sekundære flykontroller.

Mange oppgaver

Primære flykontroller består av ror for å kontrollere giringen langs den vertikale aksen, høyderor for å kontrollere stigningen opp og ned langs den laterale aksen, og balanseror for å kontrollere bankingen eller for å snu flyet langs den lengdegående aksen, som koordinerer ror og høyderor etter behov.

Sekundære kontroller består av trim, flaps og spoiler. Trimkontrollflater er nødvendige for å kompensere for eventuelle konstante trykktilførseler for flystyring fra piloten. Pitchemomenter kan også genereres ved forlengelse og tilbaketrekking av flaps, landingsunderstell og andre luftmotstandsproduserende enheter, for eksempel spoilere.

Primære flykontroller er et must, og derav navnet, mens sekundære flykontroller bidrar til å forbedre flyets bevegelse i luften med finere kontroll.

I tillegg er det mange andre oppgaver som utføres av aktuatoren, slik som betjening av landingsunderstell, åpning av kraftdør og avising.

Utviklingen

Flykontrollene aktiveres når flyet øker fart i luften og møter en stor mengde kraft. For å bevege disse overflatene ble pneumatiske aktuatorer brukt tidlig på 1900-tallet. Rundt 1930-tallet begynte fly å bruke hydrauliske aktuatorer. Disse hydrauliske aktuatorene består av et sentralisert hydraulisk reservoar, filtre, pumper og inkompressibel væske for å bevege aktuatorene, med flymotoren som driver de hydrauliske pumpene direkte. Disse aktuatorene gikk etter hvert over til elektrohydrauliske aktuatorer som vedlikeholdt det sentraliserte hydrauliske væskereservoaret, mens en elektrisk motor ble brukt til å drive de sentraliserte hydrauliske pumpene. De fleste av den eldre generasjonen fly i tjeneste bruker denne teknologien. Hovedproblemet med dette sentrale hydrauliske systemet er vedlikehold, rørleggerarbeid, frekvensendringer i filtre, høyere vekt, større systemer og høyere energiforbruk.

Overgang til elektrisk

Med oppfinnelsen av aktueringsteknologi skjer det en overgang fra tradisjonelle hydrauliske systemer (EH) til elektrohydraostatiske aktuatorer (EHA), elektriske hydrauliske backup-aktuatorer (EBHA) og elektromekaniske aktuatorer (EMA), med det endelige målet å erstatte det sentrale hydrauliske systemet med Fly-by-Wire (FBW) for å redusere systemvekt, strømforbruk, kompleksitet og vedlikehold, samtidig som påliteligheten forbedres.

Elektro-hydrostatisk aktivering (EHA):

Elektrohydrostatisk aktiveringssystem (EHA) eliminerer behovet for sentrale hydrauliske systemer. Disse systemene bruker elektrisk kraft til flyets styreflateaktuering, noe som resulterer i redusert flyvekt, effektivt strømforbruk og forbedret vedlikehold.

EHA-systemer er elektriske aktiveringssystemer som bruker flyets elektriske kraft til aktuering av flyets styreflater. Disse systemene er svært energieffektive og gir en total vektfordel for flyet. EHA-teknologi er strømbasert aktivering som resulterer i redusert totalt strømforbruk for flyet. EHAer resulterer i forbedret vedlikeholdbarhet siden det ikke er hydrauliske forbindelser mellom aktiveringsutstyr og fartøysystemet. EHAer består av en høyhastighets, reversibel pumpe med fast forskyvning, drevet av en børsteløs likestrømsmotor. Aktuatorposisjonen styres av pumpens rotasjonsretning, og aktuatorstempelhastigheten styres av pumpens rotasjonshastighet. Aktuatorens utgangskraft er en funksjon av den elektriske motorens utgangsmoment.

Elektrisk reserve hydraulisk aktuering (EBHA):

EBHA-systemet ligner på EHA-systemer. Det brukes imidlertid vanligvis til å ivareta reservefunksjon for de sentrale hydrauliske systemene, og har lignende fordeler som EHA.

Elektromekanisk aktuering (EMA):

EMA-systemer er strømforsynte systemer som eliminerer behovet for sentrale hydrauliske systemer, samt alle slags hydrauliske elementer ettersom de bruker mekaniske aktuatorer. En elektrisk motor er dedikert og plassert ved hver mekaniske aktuator på flyet. Denne typen aktuatorer eliminerer bruken av pumper og bruker i stedet en mekanisk girkasse eller lignende anordning drevet av en elektrisk motor. Denne mekaniske girkassen driver roterende- til lineær-konvertering for å bevege flykontrollene.

Hovedfordelen med denne overgangen fra sentraliserte hydrauliske systemer til EHA/EBHA og EMA inkluderer, men er ikke begrenset til, betydelig vektbesparelse, økt ytelse, forbedret sikkerhet på grunn av forbedret pålitelighet under krevende forhold, reduserte vedlikeholdskostnader og lavere driftskostnader i løpet av livssyklusen. Alle disse faktorene reduserer flyets karbonavtrykk. Jo større flyet er, desto større er fordelene. Denne overgangen trenger robuste, pålitelige, kostnadseffektive og kompakte kraftelektronikkbaserte drivsystemer for å drive motorene som igjen driver aktuatorene.

Aktueringssystemer først ut

Etter hvert som fly utvikler seg til «mer elektriske fly» (MEA) og etter hvert til helelektriske fly, vil aktueringssystemer være blant de første systemene som sannsynligvis vil bli elektrifisert. Dette gir oss muligheten til å tilby løsninger for applikasjoner, inkludert, men ikke begrenset til, kommersielle fly, fraktfly og mindre treningsfly, i tillegg til forsvarssektoren, eVTOL, droner og multihelikoptre.

Figur 4 nedenfor viser et eksempel på et mer elektrisk fly (MEA) som vil trenge kraftelektronikkløsninger for 24 flykontrollere, 5 landingsunderstell, 10 drivstoffpumper og 8 dører. Dette demonstrerer behovet for kraftløsninger som muliggjør endringen mot avkarbonisering.

Det er flere vekstfaktorer som muliggjør etterspørselen etter elektrifisering av aktuatorer:

• Elektrifisering av kommersielle- og fraktfly

• Vekst i passasjertrafikk

• Modernisering av flyflåten

• Elektrifisering av militære- og kampfly

• Helelektriske /H2/hybride mindre fly

• Bruk av elektriske VTOL (EVTOL) for person- og varetransport

• Droner og multikopter for ulike tjenester og landbruk

Noen av de viktigste prognosene og analysene fra markedet for kommersiell luftfart forsterker potensialet for et voksende marked for elektrisk aktuering.

• Modernisering av flåten: Flyselskaper vil kreve de nyeste, mest effektive flyene med lavest utslipp. Fra og med 2022 er bare 25 % av den kommersielle flåten elektrifisert.
• Passasjertrafikk: Passasjertrafikken forventes å vokse med 3,6 % fra 2019 til 2041, og antallet fly vil øke for å dekke denne etterspørselen.
• Ny generasjon fly: Innen 2041 vil den nye generasjonen fly utgjøre mer enn 95 % av flåten. Siden disse flyene vil bruke elektrisk aktuering i stedet for hydraulisk, vil etterspørselen sannsynligvis være høyere. Sammenlignet med 2021 var det bare 20 % av flåten som var nye fly.

Oppsummert er det en etterspørsel på mer enn 40 000 nye fly, med tanke på både vekst (> 23 000) og erstatning (> 17 000) innen 2042.

For å muliggjøre denne overgangen, kreves det muligheten til å integrere forskjellige kraftelektroniske komponenter for funksjoner som bevegelse av kraftstyringer, men også for å gi konfigurerbarhet, standardisering, modularitet og pålitelighet for å oppfylle luftfartsstandarder.

Kraftmoduler

Aktuatoren genererer en translasjonsbevegelse i fremover- og bakoverretning, som omdannes til rotasjonsbevegelse for flykontrollene. For å erstatte det tradisjonelle hydrauliske systemet med kraftelektronikk, trenger vi flere funksjoner. Avhengig av flykontrollens art, kan konfigurasjonene være obligatoriske eller valgfrie.

Effektområdet til en typisk aktuator går opptil 25 kW for et driftstrykk på 5000 Psig med en slaglengde på 10 tommer. Disse klassifiseringene varierer avhengig av bruksområdene, men gir en svært generisk klassifisering som er vanlig i luftfartsindustrien. DC-koblingsspenningene er primært 270 V og 540 V. Den elektriske motorens koblingsfrekvens varierer mellom ~2 og 10 kHz. På grunn av den høyere spenningen som er involvert, er det viktig å ha en fullstendig isolert modul med forbedrede termiske egenskaper for å gi lavt effekttap og høy effektivitet, for å muliggjøre mindre vekt og fotavtrykk. Det er viktig å ha 650 V til 700 V effektmoduler for 270 V DC-kobling og 1200 V for 540 V med mulighet for å tilby derivater opptil 1700 V, om nødvendig.

SiC

Både hybrid SiC (IGBT + SiC D) og SiC anbefales for å gi kunden valgmuligheter. For relativt høy frekvens bidrar full SiC, inkludert SiC MOSFET-er og Schottky-dioder, til å redusere svitsjetap, mens hybrid SiC balanserer fordelene kontra kostnadene når Fsw er relativt lavere. Den lave termiske motstanden mellom overgang og kabinett og silisiumnitrid (Si3N4)-substrat forbedrer modulens termiske ytelse. Bruk av aluminium-silisiumkarbid (AlSiC)-basisplate reduserer vekten ytterligere samtidig som den øker påliteligheten til løsningen. Dette resulterer i høy effekttetthet, noe som bidrar til å krympe størrelsen og vekten på løsningen, og dermed gir større effekttetthet i det gitte området. Dette er en kritisk differensiator innen luftfartsapplikasjoner. Lavere termiske tap reduserer kjølebehovet og forbedrer omformerens totale effektivitet, noe som påvirker strømforbruket positivt.

Induktans

De integrerte aktuerings-kraftmodulene må ha svært lav pakkeinduktans. Strømendringshastigheten (di/dt) kan være betydelig høyere på grunn av høy svitsjefrekvens (Fsw). Denne høye di/dt-verdien med høyere spredt induktans resulterer i høyere total induktans og høyere spenningsoversving under bryterutkobling. [V-oversving = V og L di/dt]. Lavere oversving forbedrer robustheten til kraftmodulen.

Det er også viktig å ha temperaturovervåking som enkelt kan implementeres for å kontrollere temperaturforhold og forbedre beskyttelsen. Overvåking av DC-buss, inverter og solenoidstrøm med tilbakemelding til kontrollkretser forbedrer holdbarheten til kraftmodulen.

Kvalifisering

For å overholde de høye standardene innen luftfart er kvalifisering i henhold til DO-160G for flyforhold som lav/høy temperatursykling, kaldstart, høyde på 15 000 fot, kaldtemperatur -55 °C, fuktighet, støt og vibrasjoner), svært akselerert levetidstesting (HALT), RoHS, delvis utladningstest og AS9100-samsvar avgjørende.

Fullt integrert aktuatorløsning

Selv om de fleste kundene kan designe sine egne drivkretser som er kompatible med kraftmodulen, gir en fullt integrert løsning for aktuering en alt-i-ett-løsning som minimerer designarbeidet, kostnadene forbundet med prosjekter, akselererer time-to-market, samt minimerer kompleksiteten og mangelen på fleksibilitet knyttet til systemdesign for MEA-aktuering.

Gate-driverkortet skal forsyne kraftmodulen med PWM-signal basert på innganger fra et overordnet system. Dette kan inkludere alle bryterne til omformeren, solenoiddriften, mykstarteren og bremsebryteren. I tillegg til å forsyne gate-signalene, skal driveren kunne sørge for isolasjon og kontinuerlig overvåking av følgende parametere og forsyne utganger til LVDS:

• DC link busspenning
• DC link busstrøm
• Fasestrømutgangen til inverter
• Solenoidestrøm
• Temperaturen i kraftmodulen

Driverkortet skal ha spenningen over shuntene i effektmodulen og gi strømmålingssignaler som isolert differensialutgang for fasestrøm, busstrøm og solenoidstrøm. Driverkortet skal også måle DC-linkbusspenningen og gi en isolert differensialspenningsutgang.

Ved normal drift vil driverkortet motta PWM-svitsjesignalinnganger fra et system på høyere nivå og forsyne gate-drive-signaler til strømmodulen for å styre funksjonen til trefase inverterbrobryteren, solenoidbryteren, mykstartbryteren og bremsebryteren.

Microchips integrerte aktuatorløsning

Microchips kostnadseffektive, plug-and-play integrerte aktueringskraftløsning kombinerer en hybrid strømforsyning (HPD) og et kompatibelt driverkort som gir intelligens, skalerbarhet, designfleksibilitet, pålitelighet, raskere time-to-market og høy effekttetthet for kraftsystemer til fly i MEA, fraktfly, småfly, forsvarsavionikk, elektriske vertikale start- og landingsfly (eVTOL), droner og multikopperfly. HPD-modulene varierer fra 5 kVA til 20 kVA og har samme fotavtrykk. Disse modulene inkluderer en trefaseomformer med temperatur- og utgangsstrømmålinger og alternativer for en bremsechopper, solenoiddrift og mykstarter. De kan konfigureres med silisium (Si) eller silisiumkarbid (SiC) brytere. Det isolerte gate-driverkortet kan håndtere komplikasjonene ved å drive MOSFET-er og isolerte gate bipolare transistorer (IGBT-er) med en høyere svitsjefrekvens. Press-fit-kontakten gjør det enkelt å feste kortet til toppen av HPD-modulen i samsvar med DO-160- og AS9100-standardene for luftfartsindustrien. Du kan også bestille en HPD-modul og en driver-kretskortenhet separat for designfrihet og tilpasningsevne.

Viktige fordeler med Microchips integrerte kraftforsyningsløsning

• Høy grad av integrasjon og fleksibilitet – Inkluderer inverter, bremsechopper, solenoiddrift, mykstarter, termiske sensorer, telemetriutganger og gatedriverkort
• Modulær og tilpasningsdyktig SiC/IGBT-løsning med nominell DC-kobling opptil 540 VDC og effekt opptil 20 kVA
• Isolert gatedriverkort med gjennombruddsdeteksjon, flere beskyttelser og høyhastighets lavspennings differensialsignalering (LVDS)
• Kostnadseffektiv, svært pålitelig og robust løsning
• Høy effekttetthet med redusert vekt, mindre fotavtrykk, optimalisert design og effektive halvledere
• Raskere tid til markedet – Brukervennlig modulært design med integrert funksjonalitet reduserer antall komponenter og testkrav
• Flytestede standard- og tilpassede løsninger tilgjengelig opptil 1700 V

For mer informasjon, se: https://www.microchip.com/en-us/products/power-management/power-modules/integrated-actuation-power-solution.

 Referanser:

• Airplane Flying Handbook, FAA
• Electro Hydrostatic Actuation: An attractive Energy-Efficient option for Machine Builders. Achim Helbig, Ph.D, Moog, Innovation Projects Manager 2014
• Primary Fixed-Wing Actuation Systems Collins aerospace collinsaerospace.com
• Electro hydrostatic Actuation Parker.com