多电飞机变频交流供电条件下柱塞泵一维热网络建模与试验验证研究

现代民用航空运输业正经历一场深刻的动力系统变革。以波音787和空客A350为代表的新一代先进民机，标志着航空技术从传统的液压-气动-机械联合驱动体系向着以电能为核心的多电化方向加速演进。多电飞机（More Electric Aircraft，MEA）的核心设计理念在于以电力驱动逐步替代从发动机引气驱动的液压和气动系统，从而显著提升飞机二次能源系统的综合效率、可靠性与可维护性。在这一技术架构下，飞行控制系统中的作动器逐步由传统的集中式液压伺服作动向分布式电静液作动器（Electro-Hydrostatic Actuator，EHA）和机电作动器（Electro-Mechanical Actuator，EMA）过渡，起落架收放、襟缝翼驱动、反推力装置等功能的电动化程度也在不断提高。

一、多电飞机供电系统的发展背景

飞机供电体制的演进为上述变革提供了能源基础。航空电力系统技术先后经历了小功率低压直流（28 VDC）、中功率恒频交流（115 VAC/400 Hz）、大功率变频交流（115 VAC/360800 Hz）和高压直流（270 VDC与540 VDC）四个主要发展阶段。变频交流供电体制因其结构简单——发电机无需恒速传动装置（CSD），可直接由发动机附件机匣驱动——而具有显著的重量与成本优势，已成为波音787等机型的主供电架构。然而，变频交流电源的输出频率随发动机转速在360800 Hz范围内宽幅波动，这给下游用电设备特别是由变频交流电动机直接驱动的电动泵提出了严苛的适应能力要求。

多电飞机用电设备的非线性特性对飞机电源品质提出了新的挑战。变频交流电源的不足之处在于：当电源频率宽幅变化时，直接由变频交流电动机驱动的泵源转速随之发生变化，而非像传统恒频系统那样保持恒定。这一转速波动直接改变了柱塞泵内部各部件的运动速度、油液流动状态、摩擦副接触条件以及泄漏特性，进而使得泵的热生成与热耗散过程呈现出复杂的动态变化规律。同时，多电飞机对能量管理和热管理提出了更高的要求，电力电子器件、电机、液压泵等发热部件的高度集成使得系统热耦合效应更加突出，热管理的有效性已成为制约系统功率密度和可靠性进一步提升的关键瓶颈。

1.1 交流电动泵在飞机作动系统中的核心地位与热管理挑战

交流电动泵作为飞机液压作动系统的关键动力源，通过将变频交流电能转换为液压能，驱动液压作动筒实现操纵面偏转、起落架收放、舱门开闭等飞行关键功能，是确保飞机操控性与安全性不可替代的核心组件。在波音787的液压能源架构中，多个电动泵组成的分布式液压源替代了传统的发动机驱动泵集中供压模式，每个电动泵均由独立的变频交流电动机直接驱动，具有响应快、可变速运行、分区独立控制等技术优势。

然而，随着电动泵功率负载的提升及运行工况复杂度的增加，高功率密度电机与柱塞泵集成所产生的复杂热效应逐渐成为制约系统可靠性与寿命的关键瓶颈。机载交流变频电动泵面临的热管理问题具有多重叠加特性：首先，变频电源驱动的电机转速随电源频率变化而在较大范围内波动，导致泵内摩擦副的相对运动速度、油液黏性剪切速率和泄漏流量均随之改变，生热过程呈现强非线性和时变特征；其次，柱塞泵在高压工况下（典型工作压力为21~35 MPa），滑靴副、配流盘、柱塞-缸体副等关键摩擦副在油膜剪切与微凸体直接接触的双重作用下产生大量摩擦热，局部瞬态温度可超过200 ℃；第三，电动泵的高度集成结构——永磁同步电机与轴向柱塞泵通常封装于同一壳体内，部分设计甚至采用浸油式方案——使得电机损耗（定子铜损、铁损、永磁体涡流损）产生的热量与泵内机械摩擦热、油液黏滞损耗热在同一封闭空间内相互耦合，油温升高导致油液黏度下降和氧化变质，进而恶化润滑条件、加剧摩擦磨损，形成“温升—黏度降—泄漏增—发热增”的恶性循环。

在航空液压系统高压、高频次、高可靠性的严苛要求下，热管理失效可能引发油液劣化、密封件老化失效、关键运动副异常磨损甚至卡滞，严重时导致系统功能丧失和飞行安全事故。液压系统压力从21 MPa上升至56 MPa时，油液温度可从110 ℃升高至180 ℃，油温过高会加速油液氧化分解、降低黏度、缩短使用寿命，并导致密封件老化和运动副磨损加剧。然而，由于电动泵的闭式或半闭式结构，关键部位（如永磁体表面、滑靴-斜盘接触区、配流盘油膜）的温度难以直接测量，传统方法主要依赖壳体表面温度间接推算内部热状态，缺乏有效的热实时监测与预警手段。

1.2 国内外电动泵技术发展现状与差距分析

在国际市场上，派克汉尼汾（Parker Hannifin）与伊顿（Eaton）两大航空液压系统供应商引领着民机电动泵技术的发展方向。近年来，两家企业相继推出新一代集成式电动泵单元，将永磁同步电机与轴向柱塞泵封装于紧凑模块内，并内置温度传感器与振动传感器，支持在线健康管理（Prognostics and Health Management，PHM），代表着当前民机电动泵产品的先进技术水平。伊顿为波音787飞机开发的燃油泵采用先进的高压柱塞泵技术，并为空客A380提供了全球首款高压5000 psi液压动力系统，其中包括四台5000 psi交流电动泵及配套的电子控制和保护系统，为飞机的主飞行控制系统、起落架和前轮转向等关键功能提供液压动力。伊顿还设计了将电动机、集成远程控制器和液压泵集成为一体的功率组件（integrated powerpack），通过分区供压技术以电动泵替代第三套液压系统，有力支撑了多电飞机的发展。

派克汉尼汾在电静液作动器领域积累了深厚的技术基础，其Compact EHA系列产品实现了电机-泵-作动筒的高度集成，具有优异的功率密度和动态响应特性。该公司推出的模块化冷却泵系列产品兼容多种介电流体，支持定速和变速两种运行模式，能够同时满足电子设备和传感器套件的散热需求。这些产品所体现的技术特点包括：电机与泵的深度集成设计、多物理量传感器（温度、振动、压力）一体化嵌入、基于数据驱动的健康状态评估与寿命预测，以及与飞机能源管理系统协同优化的智能控制策略。

相比之下，我国在面向民机的电动泵产品方面与国外先进企业仍存在显著差距，主要体现在：高性能永磁同步电机的功率密度与效率水平尚有不足；关键摩擦副材料与表面处理工艺难以满足高压、高转速、宽温域的可靠性要求；传感器集成与PHM算法的工程实用性有待提升；面向适航验证的系统级试验能力不足。然而，在国产大飞机工程与航空液压系统自主可控的政策驱动下，国内科研力量正在加速技术追赶。海军航空工程学院与西北工业大学合作建立的航空燃油柱塞泵热力学模型，揭示了机械损失是柱塞泵最主要的生热源（占比超过70%），试验与仿真误差控制在1%以内，为国产泵热设计奠定了重要理论基础。

1.3 技术研究现状：结构优化与策略优化

从技术层面来看，电动泵作为一个涉及机-电-液-热多物理场耦合的整体系统，其热特性受到电机损耗热、柱塞泵摩擦热、油液黏滞热以及各部件间热传导与对流换热的综合影响。当前主要的热管理技术路线可归纳为结构优化和控制策略优化两大方向。

在结构优化方面，多物理场耦合仿真分析技术被广泛应用于电动泵产品的特性分析和优化设计。欧美国家在该领域起步较早，形成了以电机-液压-热流耦合为核心的多物理场耦合分析技术体系。NASA（美国国家航空航天局）通过建立电机-液压-热流耦合模型，深入研究了高压工况下液压油黏温特性对泵体散热的影响规律，为电动泵热管理设计提供了全面的理论分析框架。国内在多物理场耦合仿真方面近年来取得了一系列重要成果：郭志敏等人、谭顺辉等人和谢海波等人创新提出了一种基于数字底座的多场耦合联合仿真技术（Multidisciplinary Design Optimization，MDO），对柱塞泵的机械-流场-声场特性进行了联合仿真建模，并对其压力流量特性进行了系统分析与优化。张伟等人利用Maxwell 3D建立了电机电磁场仿真模型，通过试验验证了模型的准确性，并深入探究了零件配合间隙和线圈温度对电机损耗与发热的影响规律。海军航空工程学院与西北工业大学合作团队针对航空燃油柱塞泵，建立了考虑泄漏和机械损失的热力学模型，通过泄漏分析和机械损失分析揭示了各热源比例，为国产泵的热设计提供了重要的理论依据。然而，目前面向泵源的热特性仿真研究主要针对特定边界条件下的稳态热特性，对于交流变频供电条件下不同转速、不同负载工况的综合影响尚缺乏系统考虑。

在策略优化方面，施圣贤等人研究了基于变频电动机的泵控负载传感系统，通过仿真验证了其动态响应和节能优势。沈引中等人探讨了交流电动泵的变频调节策略，系统分析了不同工况点的效率优化方法，提升了电动泵在不同频率下的工况适应性。高锋等人进一步研究了飞机液压系统中变频电动泵的输出特性，指出其在高动态负载下的稳定性与控制需求。左子璋针对电动液压泵在实际运行中存在的控制精度不足、响应滞后及能耗较高等问题，提出了一种基于自适应PID算法的复合控制策略，从多个维度改进了系统的综合能效。这些策略优化研究为电动泵的工况适应性提升做出了重要贡献，但普遍侧重于动力性能与控制品质的优化，对热特性的主动管控研究仍处于起步阶段。

二、柱塞泵热特性建模基础

2.1 交流变频电动泵系统的热源构成

机载交流变频电动泵的热源主要包括电机损耗、柱塞泵摩擦生热和液压油黏滞损耗三类，三者通过导热、对流相互耦合。

电机损耗包含铜损、铁损、转子铝损及机械损耗。对变频电机，铁损随频率升高近似线性增加，铜损随负载电流平方关系变化。在集成设计中，电机损耗热部分经壳体散失，部分传入泵腔液压油，成为系统热平衡的输入项。

柱塞泵摩擦生热是最主要的内部热源。在高压下，滑靴副、配流盘、柱塞-缸体副等摩擦副中油膜剪切和微凸体接触将大量机械能转化为热能，机械损失占总功率损失70%以上。滑靴-斜盘接触区局部温度可达200 ℃以上，是造成油液结焦和密封老化的直接原因。

液压油黏滞损耗源自油液在配流窗口、柱塞与缸孔环形间隙、滑靴油膜等狭小间隙中流动时的剪切损耗，具有正反馈特征：温升→黏度降→泄漏增→节流损失增→发热增，若不控制会导致温度持续攀升。

2.2 柱塞泵机械损失的物理构成与数学模型

机械损失指输入轴功率中未能转化为液压能而耗散为热量的部分，可分为四类：

干摩擦损失：在低速、高压、高温等油膜不足时，摩擦副微凸体直接接触产生的固体摩擦，大小主要与负载压力正相关。航空柱塞泵斜盘-滑靴界面压力极高，超薄油膜下局部过热和边界摩擦突出。

常值摩擦损失：与转速和负载关系较弱的固定摩擦，如轴密封、轴承密封的接触摩擦，只取决于结构尺寸和预紧状态。

黏性摩擦损失：运动部件间隙中油液受到剪切而产生的黏性阻尼损失，与油液黏度、相对运动速度、接触面积和油膜间隙相关。转速变化时该损失直接改变，体现了变频运行的影响。

流体动力损失：油液流速突变引起的黏性内摩擦和涡流损失，在配流过程、柱塞腔容积变化时发生，随流量增加而非线性增大。

2.3 柱塞泵的温升机理：生热与传热的动态平衡

温升是热量产生与散失间的动态平衡。生热主要来自油液泄漏节流和摩擦。泄漏生热本质是高压油向低压区的不可逆压降耗能，负载越大、转速越高、斜盘倾角改变导致的泄漏路径变化及黏度改变都会影响生热量。摩擦生热已如前所述。

传热方面，传导是泵内热量转移的主要路径，热量由高温摩擦面经金属构件传至其他部件和壳体。对流传热依赖油液循环流动，将热量从高温区携带至低温区。在航空封闭环境下，壳体表面对流与辐射散热贡献较小，强制回油散热是重要的热管理手段。壳体回油流量的大小显著影响泵的温度特性。泄油口的油液温度是各摩擦副泄漏油温、进油温度、机械损失生热和壳体散热共同作用下的平衡结果，这是热仿真建模的难点之一。

三、一维热网络法的柱塞泵热仿真分析

3.1 一维热网络法的基本原理与建模思路

一维热网络法将连续温度场和热流场离散为热节点、热阻和热容，构建等效热路。与三维有限元方法相比，一种快速柱塞泵热计算方法可将仿真时间缩短至约10%，温度分布差异控制在±5%以内，适合快速迭代与参数化研究。

建模时，需将各摩擦副和节流口的生热量作为热源施加于对应节点；固体构件和油液容积之间通过接触热阻和对流热阻连接；热容节点描述各部件或油液容积因吸热导致的温度变化。关键技术包括：生热源定位与量化、热阻参数确定、热容计算。

3.2 仿真平台与建模工具

本文介绍的恒压变量柱塞泵热模型基于Simcenter AMESim 2020.1建立。AMESim热液压库和热液压元件设计库（THCD库）能描述油液温度对黏度、密度等物性的影响，自动计算节流、摩擦等不可逆生热量，适合热-液压耦合仿真。建模中运用了机械库、热液压库、THCD库的Terminal接口和流体热容子模型等。

3.3 模块化建模策略与关键子模块设计

采用模块化策略，将轴向柱塞泵热系统分解为若干功能子模块，通过Terminal接口耦合：

柱塞运动模块：根据斜盘倾角和分度圆半径，计算各柱塞轴向位移、速度和加速度。
柱塞腔容积模块：实时计算九个柱塞腔的瞬时容积，相位差40°，容积差为单柱塞有效排量。
配流盘油口模块：模拟吸排油时腰形窗口的节流面积变化，再现压力脉动和流量波动。
摩擦生热模块：通过库伦+黏性摩擦模型描述柱塞-缸孔副；基于油膜剪切和几何尺寸计算滑靴-斜盘摩擦功率；积分计算配流盘端面摩擦功率。所得摩擦功率转化为各固体热节点的热流输入。
泄漏节流生热模块：考虑柱塞环形间隙、滑靴静压支承泄漏、端面间隙泄漏等，将节流生热量直接施加于流经油液热节点。
热网络传热模块：构建包含摩擦界面、油液容积、壳体及部件固体节点的等效热路，热阻考虑接触热导率、对流换热系数和传导热阻，热容由质量和比热容确定。
摆线泵排油模块：模拟强制排油过程，排油流量由主轴转速和摆线泵排量决定，与内部泄漏量无直接关系，其流量和温度构成出口温度边界。
整泵集成模块：将上述子模块组装为机械-液压-热三域耦合的全系统模型。初始阶段未考虑壳体与环境的热交换，重点关注泵内热传导与油液对流。

3.4 模型参数来源与工况选取

模型参数通过三维数模提取、实物测量、性能曲线反推及台架试验数据挖掘等途径获取。核心结构参数：分度圆直径25 mm、柱塞直径8.5 mm、最大斜盘倾角19°、柱塞个数9。在599 Hz（8985 r/min）下，计算得输出功率5831.7 W，发热损失2205.9 W，总效率约72.6%。

仿真验证选取台架试验2000–3000 s的准稳态时段。此时进油口温度71.8 ℃，出油口约78.5 ℃，泄油口约81.7 ℃，波动小于1.4 ℃，可视为初始热平衡边界。模型以此直接启动稳态计算。

四、仿真模型的试验校正与有效性验证

4.1 试验系统与测试方案

试验系统由自增压油箱、变频电源（360–800 Hz可调）、电动泵样机及数据采集系统组成。在泵吸油流道、回油流道、出口流道及电机定子铁芯布置铠装热电偶，同步采集温度、压力、流量和转速。

4.2 模型校正策略

以试验进口流量、压力和温度作为输入边界条件，将出口流量、出口压力、回油流量、泄油与出油温度的仿真结果与试验对比，通过调整各摩擦副摩擦系数、泄漏等效节流面积、热阻和传热系数完成校正。仿真以2000 s时刻实测温度为初始条件直接启动稳态计算，省去了前2000 s瞬态过程，启动时会出现小幅压力流量波动，属初始条件设定引起的合理偏差，不影响稳态精度。

4.3 仿真与试验的对比验证结果

校正后2000–3000 s稳态工况下，仿真与试验吻合良好：

压力-流量特性：出口压力（21 MPa）和出口流量（17.6 L/min）与试验完全匹配，动力学行为还原准确。

温度特性：泄油口温度偏差小于3 ℃；出油口温度偏差小于5 ℃，满足±8 ℃的工程精度标准。出油口温度存在约4–5 ℃的系统性偏低，主要原因是模型简化了壳体回油对缸体与转子的持续对流加热路径。实际中，温度较高的回油流经环形间隙时加热转子，使得出口油温略高于仅考虑内部摩擦和节流生热的仿真值。

五、柱塞泵油路温升规律与生热机制

5.1 压强-流量特性匹配分析

压力-流量的准确匹配验证了柱塞运动学、配流盘油口节流和变量机构调节特性描述的物理正确性，为摩擦与泄漏生热计算提供了可靠的载荷输入，是温度仿真的基础。

5.2 各油路温度变化规律分析

以实测进油口温度作为边界，模型计算所得出油口与泄油口温度时变规律与试验高度一致，表明进油口温度边界条件是充分且有效的，模型能准确预测油液温度在热传导与对流下的动态演变。这为通过调节进油温度实现热管理提供了定量工具。

5.3 壳体回油热传导效应与出油口温度偏差分析

出油口温度仿真值约低4–5 ℃的物理原因在于，实际壳体回油在排出前流经缸体与转子间隙，高温回油通过对流和传导加热转子，部分热量传入泵内，导致出口油温升高。该自加热机制对泵温度分布有重要影响：适度的加热有助于维持油液黏度，但过度会威胁电机永磁体热稳定性。当前模型尚未完整刻画该路径，这是未来改进方向。

5.4 油路温升规律对柱塞泵热设计的启示

摩擦生热占主导（机械损失＞70%），降低摩擦功耗是首要优化方向，包括选用低摩擦系数材料、优化滑靴静压支承以提高油膜承载能力、改进配流盘卸荷槽设计等。

泄漏虽产生节流生热，但其携带散热作用可调控泵内温度分布。壳体回油流量存在热学最优范围，需在散热效能与容积效率损失之间取得平衡。

在变频供电下，转速随频率变化，恒速假设下的热设计可能偏离实际。有必要利用本文模型开展变工况仿真，研究转速-负载-温度多维映射关系，为变频运行热管理提供指导。

六、结论与展望

本文以机载交流变频电动泵的热管理问题为工程背景，以恒压变量轴向柱塞泵为具体研究对象，针对传统柱塞泵热分析方法在建模精度与多工况适应性方面的不足，系统地开展了基于一维热网络法的柱塞泵热特性仿真技术研究。在深入剖析柱塞泵生热机理与传热机制的基础上，利用AMESim多物理域仿真平台建立了模块化的一维热网络热仿真模型，并基于台架试验数据完成了模型校正与有效性验证。研究获得的主要结论如下：

（1）在全面系统地分析柱塞泵摩擦副机械损失物理构成和油液泄漏节流生热机理的基础上，建立了一种将摩擦生热模块、泄漏生热模块、热网络传热模块与柱塞运动学-流体动力学模块有机集成的柱塞泵一维热仿真建模方法。该方法以生热-传热耦合分析为核心，能够较全面地反映柱塞泵在多热源、多路径综合作用下的热行为。

（2）基于AMESim 2020.1平台实现了上述建模方法的工程化应用。通过机械库、热液压库和热液压元件设计库（THCD库）的子模型调用和Terminal接口的参数耦合，构建了包含9个柱塞的恒压变量轴向柱塞泵完整一维热仿真模型，模型具有良好的模块化和可扩展性。

（3）在2000~3000 s稳态工况下的试验验证结果表明：模型对出口压力（21 MPa）和出口流量（17.6 L/min）的仿真值与试验数据完全匹配，验证了动力学行为还原的准确性；泄油口温度与试验数据偏差小于3 ℃，出油口温度偏差小于5 ℃，变化趋势与实测数据基本一致，满足±8 ℃的建模精度标准。出油口温度存在4~5 ℃的稳态系统误差，分析显示该误差主要源于模型中壳体回油对转子持续热传导路径的简化处理。

（4）该一维热网络模型可有效反映柱塞泵在各油路的温升规律和油液温度在热传导与热对流过程中的动态演变规律，为柱塞泵生热机制的定量探究和基于仿真驱动的热管理策略优化提供了可靠的工程分析工具。

基于本文的研究成果，后续研究将围绕以下方向展开更为深入的探索。

（1）壳体散热结构优化设计。结合一维仿真所揭示的出油口温度偏差机制以及壳体回油对内部构件的持续热传导规律，开展壳体散热结构的改进设计研究。具体措施可包括：在壳体外部增加散热翅片以扩大有效散热面积；优化壳体内部回油流道几何形状以增强对流换热系数；改进热传导路径，减少回油热量向转子区域的传递比例。通过计算流体力学（CFD）仿真分析壳体外部流场与温度场分布，评估不同散热结构方案在典型飞行工况下的散热效能。

（2）摩擦副材料匹配与润滑方案优化。基于一维热网络模型对各摩擦副生热比例和各运动副温度特性的定量分析结果，系统探索摩擦副材料的优化匹配方案。重点关注滑靴-斜盘副的摩擦磨损性能，探索新型耐磨涂层（如DLC类金刚石涂层、CrN氮化铬涂层等）在降低摩擦系数和提高抗胶合能力方面的应用潜力。同时，研究油液添加剂配方的优化，以在高压、高温工况下获得更优异的抗磨性能和氧化安定性。

（3）基于数字孪生的热失效预警与动态温控策略开发。依托一维热模型所揭示的压力-流量-温度耦合规律和计算效率优势（一维模型计算速度远快于三维CFD，适合在线应用），进一步开发面向电动泵系统的数字孪生模型。通过将实时采集的温度、压力和转速数据作为模型输入，在线估计泵内各关键摩擦副和永磁体的实时温度，实现热状态的虚拟传感和趋势预测。在此基础上，建立热失效预警阈值与动态温控策略——当预测温度接近安全临界值时，向飞控计算机或液压管理系统发出预警信号，并自动调节泵的工作参数（如降低功率输出或提高回油冷却流量），从而在保证飞行安全的前提下实现电动泵热管理系统的智能化升级。

（4）本文建立的模型目前在固定工况（2000~3000 s稳态运行段）下完成了验证，未来将扩展至交流变频供电条件下变转速、变压力、变斜盘倾角的多种瞬态和非稳态工况下的仿真与试验验证。特别是需要针对电机泵在变频起动、阶跃负载和工况切换等瞬态过程中的热行为开展研究，进一步检验和提升一维热网络模型在多工况、多阶段运行条件下的适用性和预测精度。同时，考虑将本文的柱塞泵热模型与电机损耗热模型进行一体化耦合，构建完整的电动泵系统级热仿真模型，为航空电动泵的热设计与热管理提供更为全面的仿真分析工具。

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