航空技術飛機致動器設計 – CAE軟體Romax
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。
“We have been able to use our electrical knowledge for the aerospace industry, and it’s allowed us to create new tools that utilise novel mathematical techniques for analysis of the dynamic behaviour of ball screws, which could lead to improved design and reliability of these components in the industry.”
—–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。
(電驅動作動器與電子控制系統)
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。
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行 業 應 用 案 例 ：
軌 道 交 通
客 戶 需 求 ：
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一列現代化柴油列車軸箱軸承失效問題不斷增加，引起了越來越多的關注。 Romax 工程師使用 優 化 模 擬 軟 體，基於對 軸箱軸承 和 齒輪箱 的深厚知識，通過三個關聯的工作包進行問題根源分析以及詳細高效的問題調查。
可再生能源
客 戶 需 求 ：
根據GL認證的要求，在指定載荷譜和極限工況下完成 耐久性 計算。
Romax 所 提 供 的 服 務 ：
詳細的軸幾何尺寸，複雜的行星齒輪系統，花鍵聯結，有限元箱體模型和內部軸承細節。使用載荷分佈評估和選擇軸承，根據ISO標準計算壽命，調查和優化 預緊力 、 遊隙 、 錯位量 、 軸承 內部幾何資訊和 潤滑 狀況。Romax 生成的報告中 耐久性 滿足GL要求。報告允許供應商在該風機中使用它們的軸承產品。
重 載 車 輛
客 戶 需 求 ：
審核中型卡車 變速器 ，評估低成本供應商的軸承
Romax 所 提 供 的 服 務 ：
使用 Romax 軟體的全系統方法詳細分析所選軸承類型； Romax 在軸承潛在供應商審核過程中提供支援。基於完整 齒輪箱 系統分析完成 軸承選型 和 優化 。評估預緊力、錯位量、潤滑油和量產變差，鑒別軸承性能的關鍵影響因素。
汽 車 行 業
客 戶 需 求 ：
某大型歐洲汽車製造商需要改進 變速器 設計，使製造流程更具魯棒性。裝配過程中產生的結構變形導致 軸承預緊量 發生變化，需分析和優化軸承預緊量變化產生的系統影響。
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Romax 快速的建模 和 分析 功能可以將 齒輪 、 軸 、 軸承 和 箱體 集成到單一的 齒輪箱 模型中，預測各個零部件之間的 相互耦合 作用。通過使用 Romax 軟體對 變速器 進行整體系統優化，充分考慮所有零部件之間的相互影響，分析 電機定子 與 齒輪箱 殼體之間的配合以及箱體變形及其對 齒輪 和 軸承 的影響，最終幫助該汽車製造商優化了製造工藝，成功降低製造成本並進一步提高產品品質。
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