CN112865408A - 双余度机电作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双余度机电作动器，其由底座(3)、左支撑板(4A)、右支撑板(4B)、罩体(5)、六相容错电机(1)、行星滚柱丝杠组件(2)、左端传动组件和右端传动组件构成；其中左端传动组件与右端传动组件的结构相同。传动组件包括有斜齿圆柱齿轮、转轴、惰轮和电磁制动器。本发明是以六相容错电机(1)与斜齿圆柱齿轮的配合，实现行星滚柱丝杠组件(2)的直线输出。通过电机轴(1A)两端分别安装的左端传动组件和右端传动组件使得左右两端独立传动方式下，减小了机电作动器的体积和重量。

Description

双余度机电作动器
技术领域
本发明涉及一种适用于机电作动器，更特别地说，是指一种应用于航空航天飞行器的双余度机电作动器。
背景技术
随着航空航天飞行器技术的发展，航空航天飞行器全电化逐渐成为未来发展方向。机电作动器通过喷管推力矢量或空气舵形式产生姿态调整力矩，是保障航空航天飞行器稳定飞行的重要一环，机电作动器的可靠性受到了越来越多的重视。
2008年第41卷第5期《微电机》中公开的“无负载均衡控制的两余度舵机及其非线性补偿控制”，作者蒋志宏，朱纪洪。此文献介绍了两余度电动作动器应用于飞行器的结构。研究的两余度电动作动器具有完全相同且相对独立的两个通道，每个通道由控制***、余度管理及故障诊断***、驱动单元、无刷电机、制动器和差动运动合成等部分组成。两个通道之间通过两余度通信总线进行信息交互。正常工作时，由飞控计算机确定其中一个通道为主控单元，另一个通道为副控单元，主控单元协调两通道同时工作，两个通道的输出经过合成后带动舵面旋转。当通道出现致命故障时，如果是主控单元发生故障，余度管理及故障诊断***将发出制动指令将该通道隔离，同时，飞控计算机将取消其主控单元资格，由副控单元通道独立维持整个***工作；如果是副控单元发生故障，仅仅由余度管理及故障诊断***发出制动指令将该通道隔离，由主控单元通道独立维持整个***工作。另外，研究的两余度电动作动器还设计有局部余度，可保证当一个通道局部出现故障时，使作动器仍具有一定的余度性。
传统的应用于航空航天飞行器的机电作动器，由两个无刷直流电机驱动，所述这两个电机的重量及安装体积较大。当某一个电机失效时，另一个电机无法提供额定输出功率，机电作动器只能降额运行。尽管采用这种方式可以提高***可靠度，但也缩短飞行距离，提高了飞行成本。该方式实质上只对电机作了余度设计，一旦传动机构发生机械卡阻故障，带来整个作动器失效。
发明内容
为了解决现有航空航天飞行器中机电作动器在齿轮传动失效造成的传动机构卡阻故障，本发明设计了一种双余度机电作动器。本发明双余度机电作动器以六相容错电机与斜齿圆柱齿轮的配合，实现行星滚柱丝杠组件的直线输出；当左端传动组件出现机械卡阻故障以及六相容错电机出现绕组故障时，通过电磁离合器与电磁制动器的相互配合实现故障切换，达到两个传动通道的独立驱动。在双余度的双传动方式下，减小了机电作动器的体积和重量。
本发明设计的一种双余度机电作动器，能够应用于航空航天飞行器的双余度机电作动器；其特征在于：双余度机电作动器包括有底座(3)、左支撑板(4A)、右支撑板(4B)、罩体(5)、六相容错电机(1)、行星滚柱丝杠组件(2)、左端传动组件和右端传动组件；其中左端传动组件与右端传动组件的结构相同；
罩体(5)的下方经平行放置的左支撑板(4A)与右支撑板(4B)固定在底座(3)上；罩体(5)内布局安装有将六相容错电机(1)、行星滚柱丝杠组件(2)、左端传动组件和右端传动组件；
左端传动组件包括有AA斜齿圆柱齿轮(11)、AB斜齿圆柱齿轮(12)、AC斜齿圆柱齿轮(13)、AD斜齿圆柱齿轮(14)、左端惰轮(15)、左端电磁制动器(15A)、AA转轴(16)和AB转轴(17)；AA斜齿圆柱齿轮(11)连接在六相容错电机(1)的电机轴(1A)的左端为左段圆柱(1A2)上；
AB斜齿圆柱齿轮(12)与AC斜齿圆柱齿轮(13)平行放置且安装在AA转轴(16)上；
左端惰轮(15)与左端电磁制动器(15A)安装在AB转轴(17)上；
AD斜齿圆柱齿轮(14)安装在行星滚柱丝杠组件(2)的套筒(2A)上；
AA斜齿圆柱齿轮(11)的外齿与AB斜齿圆柱齿轮(12)的外齿啮合；
左端惰轮(15)的外齿分别与AC斜齿圆柱齿轮(13)的外齿和AD斜齿圆柱齿轮(14)的外齿啮合；
右端传动组件包括有BA斜齿圆柱齿轮(21)、BB斜齿圆柱齿轮(22)、BC斜齿圆柱齿轮(23)、BD斜齿圆柱齿轮(24)、右端惰轮(25)、右端电磁制动器(25A)、BA转轴(26)和BB转轴(27)；
BB斜齿圆柱齿轮(22)与BC斜齿圆柱齿轮(23)平行放置且安装在BA转轴(26)上；
右端惰轮(25)与右端电磁制动器(25A)安装在BB转轴(27)上；
BD斜齿圆柱齿轮(24)安装在行星滚柱丝杠组件(2)的行星滚柱丝杠(2B)上；
BA斜齿圆柱齿轮(21)的外齿与BB斜齿圆柱齿轮(22)的外齿啮合；
右端惰轮(25)的外齿分别与BC斜齿圆柱齿轮(23)的外齿和BD斜齿圆柱齿轮(24)的外齿啮合；
六相容错电机(1)由电机轴(1A)、定子铁芯(1B)、转子永磁体(1C)、转子铁芯(1D)、绕组线圈(1E)、电机壳(1F)、左电磁离合器(1K)、右电磁离合器(1N)、左旋转变压器(1L)、右旋转变压器(1P)、左轴承(1M)、右轴承(1Q)构成；定子铁芯(1B)与绕组线圈(1E)构成定子组件；转子铁芯(1D)与转子永磁体(1C)构成转子组件；
电机轴(1A)的左端为左段圆柱(1A2)，电机轴(1A)的右端为右段圆柱(1A3)，电机轴(1A)的中间部位设有十字肩(1A1)；电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)上从外向里顺次套接有左电磁离合器(1K)、左旋转变压器(1L)、左轴承(1M)和AA左斜齿圆柱齿轮(11)；电机轴(1A)的右段圆柱(1A3)上从外向里顺次套接有右电磁离合器(1N)、右旋转变压器(1P)、右轴承(1Q)和BA左斜齿圆柱齿轮(21)；
定子铁芯(1B)上设有用于放置绕制的线圈绕组(1E)的线圈槽(1B2)，相邻线圈槽(1B2)之间是线圈骨架(1B3)，中间是AA通孔(1B1)；定子铁芯(1B)的外部套接的是电机壳(1F)，定子铁芯(1B)的AA通孔(1B1)至电机轴(1A)之间顺次安装的是隔套(1J)、转子永磁体(1C)和转子铁芯(1D)；
电机壳(1F)的左端安装有左端盖(1G)，左端盖(1G)与电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)接合处是左轴承(1M)，左轴承(1M)的外圈固定安装在左端盖(1G)的AA中心通孔(1G1)中；
电机壳(1F)的右端安装有右端盖(1H)，右端盖(1H)与电机轴(1A)的右段圆柱(1A3)接合处是右轴承(1Q)，右轴承(1Q)的外圈固定安装在右端盖(1H)的AB中心通孔(1H1)中；
行星滚柱丝杠组件(2)由套筒(2A)、行星滚柱丝杠(2B)、丝杠螺母(2C)、传感器安装座(2D)、螺纹滚柱(2G)、滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)构成；螺纹滚柱(2G)、滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)组合后作为行星滚柱丝杠(2B)的丝杠承力块；行星滚柱丝杠(2B)在圆周布置的多个螺纹滚柱(2G)中运动；
套筒(2A)上设有BA通孔(2A1)、导向槽(2A2)和导向隔块(2A3)；相邻导向隔块(2A3)之间是导向槽(2A2)；导向槽(2A2)内用于放置丝杠螺母(2C)的导向轨(2C1)；导向隔块(2A3)置于丝杠螺母(2C)的导向凹槽(2C3)中；BA通孔(2A1)用于丝杠螺母(2C)穿过；
丝杠螺母(2C)上设有导向轨(2C1)、BB通孔(2C2)和导向凹槽(2C3)；相邻导向轨(2C1)之间是导向凹槽(2C3)；导向凹槽(2C3)内用于放置套筒(2A)的导向隔块(2A3)；导向轨(2C1)置于套筒(2A)的导向槽(2A2)中；BB通孔(2C2)内放置有传感器安装座(2D)、行星滚柱丝杠(2B)和丝杠承力块；套筒(2A)与丝杠螺母(2C)为花键副连接；
传感器安装座(2D)安装在丝杠螺母(2C)的左端；传感器安装座(2D)上设有用于安装A直线位移传感器(2E)和B直线位移传感器(2F)的定位孔；传感器安装座(2D)上安装有A直线位移传感器(2E)和B直线位移传感器(2F)；
螺纹滚柱(2G)的两端分别是滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)；通过滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)之间的多个螺纹滚柱(2G)为圆周布置。
本发明双余度机电作动器的优点在于：
(1)传统双余度机电作动器通常具有2个普通三相电机、2个减速器、2个丝杠。而本发明双余度机电作动器只使用1个六相容错电机(1)与1个行星滚柱丝杠(2B)，实现了对驱动机构(六相容错电机(1))与传动机构(行星滚柱丝杠(2B))的双余度设计。电机轴(1A)两端两个机械传动通道相互独立、互不干涉，为作动器的的容错控制奠定了基础。本发明双余度机电作动器提升了***功率密度、提高飞行距离，节约了飞行成本。
(2)采用“热备份”电机驱动方式。电机为六相容错电机(1)，单层绕组绕制，具备物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离能力。对电机最容易失效的绕组故障进行余度设计，当电机绕组发生断路、短路故障时，剩余绕组具备正常输出额定功率的能力。采用多相容错电机代替常规的两个普通电机，能够在保证电机可靠性基础上，减小了电机重量和安装体积。
(3)现有设计多采用滚珠丝杠，本发明采用行星滚柱丝杠组件(2)。行星滚柱丝杠(2B)与滚珠丝杠的结构不同，区别在于行星滚柱丝杠(2B)载荷传递元件为螺纹滚柱(2G)，是典型的线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。螺纹滚柱(2G)替代传统技术滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而使行星滚柱丝杠(2B)具有更高的抗冲能力。同时，本发明在普通行星滚柱丝杠的基础上进一步设计，采用丝杠副与花键副的结构使行星滚柱丝杠(2B)具备两个通道单独工作的能力。行星滚柱丝杠(2B)的丝杠副与花键副能够单独工作、互不干涉，保证了传动的平稳性和可靠性。
(4)采用旋转变压器与直线位移传感器双备份，降低传感器故障风险。电子元器件在飞行器高空飞行中较容易失效，一旦失效影响作动器输出精度，严重影响飞行器飞行安全。传感器的备份不占用过多安装空间，避免了电气元器件失效的风险。
附图说明
图1是本发明设计的双余度机电作动器的外部结构图。
图2是本发明未装配外罩的双余度机电作动器的外部结构图。
图2A是本发明未装配外罩的双余度机电作动器的另一视角结构图。
图2B是图2的剖视图。
图3是本发明双余度机电作动器中六相容错电机的外部结构图。
图3A是图3的A－A剖视图。
图3B是图3的B－B剖视图。
图3C是本发明双余度机电作动器中六相容错电机的分解图。
图3D是本发明双余度机电作动器中六相容错电机的六个相分布图。
图4是本发明双余度机电作动器中行星滚柱丝杠组件的外部结构图。
图4A是本发明双余度机电作动器中行星滚柱丝杠组件的分解图。
Figure BDA0002892613060000051
Figure BDA0002892613060000061
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图2、图2A、图2B所示，本发明设计的是一种能够应用于航空航天飞行器的双余度机电作动器，包括有底座3、左支撑板4A、右支撑板4B、罩体5、六相容错电机1、行星滚柱丝杠组件2、左端传动组件和右端传动组件。其中左端传动组件与右端传动组件的结构相同。
在图1中，罩体5的下方经平行放置的左支撑板4A与右支撑板4B固定在底座3上。通过底座3能够将本发明设计的双余度机电作动器固定在航空航天飞行器上。罩体5内布局安装有将六相容错电机1、行星滚柱丝杠组件2、左端传动组件和右端传动组件。
左端传动组件包括有AA斜齿圆柱齿轮11、AB斜齿圆柱齿轮12、AC斜齿圆柱齿轮13、AD斜齿圆柱齿轮14、左端惰轮15、左端电磁制动器15A、AA转轴16和AB转轴17。AA斜齿圆柱齿轮11连接在六相容错电机1的电机轴1A的左端为左段圆柱1A2上。
AB斜齿圆柱齿轮12与AC斜齿圆柱齿轮13平行放置且安装在AA转轴16上。
左端惰轮15与左端电磁制动器15A安装在AB转轴17上。
AD斜齿圆柱齿轮14安装在行星滚柱丝杠组件2的套筒2A上。
AA斜齿圆柱齿轮11的外齿与AB斜齿圆柱齿轮12的外齿啮合。
左端惰轮15的外齿分别与AC斜齿圆柱齿轮13的外齿和AD斜齿圆柱齿轮14的外齿啮合。
右端传动组件包括有BA斜齿圆柱齿轮21、BB斜齿圆柱齿轮22、BC斜齿圆柱齿轮23、BD斜齿圆柱齿轮24、右端惰轮25、右端电磁制动器25A、BA转轴26和BB转轴27。
BB斜齿圆柱齿轮22与BC斜齿圆柱齿轮23平行放置且安装在BA转轴26上。
右端惰轮25与右端电磁制动器25A安装在BB转轴27上。
BD斜齿圆柱齿轮24安装在行星滚柱丝杠组件2的行星滚柱丝杠2B上。
BA斜齿圆柱齿轮21的外齿与BB斜齿圆柱齿轮22的外齿啮合。
右端惰轮25的外齿分别与BC斜齿圆柱齿轮23的外齿和BD斜齿圆柱齿轮24的外齿啮合。
电磁制动器
在本发明中，分别在左端惰轮15和右端惰轮25上安装电磁制动器，以此在改变从动齿轮转向的同时，也增加了传动距离。电磁制动器的输入电压为24V，制动扭矩为100N·m。
在本发明中，左端惰轮15上的左端电磁制动器15A和右端惰轮25上的右端电磁制动器25A为通电刹车抱死，断电分离。
斜齿圆柱齿轮
在本发明中，左右两端的斜齿圆柱齿轮布局的4个齿轮为两级传动模式。传统航空航天作动器一般为多级传动，应用本发明设计的双余度机电作动器替代后，两级传动就能满足航空航天作动器的需求。提高了传动精度。
在本发明中，以左端的斜齿圆柱齿轮进行举例说明，右端的斜齿圆柱齿轮与左端是相同的。
一级传动
在本发明中，AA斜齿圆柱齿轮11与AB斜齿圆柱齿轮12构成一级传动模式。同时，BA斜齿圆柱齿轮21与BB斜齿圆柱齿轮22构成一级传动模式。
二级传动
在本发明中，AC斜齿圆柱齿轮13、左端惰轮15与AD斜齿圆柱齿轮14构成二级传动模式。同时，BC斜齿圆柱齿轮23、右端惰轮25与BD斜齿圆柱齿轮24构成二级传动模式。
本发明斜齿圆柱齿轮的参数设置为：
表1，传动比
Figure BDA0002892613060000081
i一级表示一级传动比。
i二级表示二级传动比。
Z11表示AA斜齿圆柱齿轮11的齿数。
Z12表示AB斜齿圆柱齿轮12的齿数。
Z13表示AC斜齿圆柱齿轮13的齿数。
Z14表示AD斜齿圆柱齿轮14的齿数。
表2，一级传动中斜齿圆柱齿轮的尺寸
AA斜齿圆柱齿轮11 AB斜齿圆柱齿轮12
Z<sub>11</sub>＝34 Z<sub>12</sub>＝68
d<sub>11</sub>＝21mm d<sub>12</sub>＝42mm
b<sub>11</sub>＝26mm b<sub>12</sub>＝21mm
β<sub>11</sub>＝15.7° β<sub>12</sub>＝15.7°
d11表示AA斜齿圆柱齿轮11的分度圆直径。
d12表示AB斜齿圆柱齿轮12的分度圆直径。
b11表示AA斜齿圆柱齿轮11的齿宽。
b12表示AB斜齿圆柱齿轮12的齿宽。
β11表示AA斜齿圆柱齿轮11的螺旋角。
β12表示AB斜齿圆柱齿轮12的螺旋角。
表3，二级传动中斜齿圆柱齿轮的尺寸
AC斜齿圆柱齿轮13 左端惰轮15 AD斜齿圆柱齿轮14
Z<sub>13</sub>＝36 Z<sub>15</sub>＝72 Z<sub>14</sub>＝144
d<sub>13</sub>＝25mm d<sub>14</sub>＝50mm d<sub>15</sub>＝100mm
b<sub>13</sub>＝35mm b<sub>14</sub>＝30mm b<sub>15</sub>＝25mm
β<sub>13</sub>＝13.3° β<sub>14</sub>＝13.3° β<sub>15</sub>＝13.3°
Z13表示AC斜齿圆柱齿轮13的齿数。
Z14表示AD斜齿圆柱齿轮14的齿数。
Z15表示左端惰轮15的齿数。
d13表示AC斜齿圆柱齿轮13的分度圆直径。
d14表示AD斜齿圆柱齿轮14的分度圆直径。
d15表示左端惰轮15的分度圆直径。
b13表示AC斜齿圆柱齿轮13的齿宽。
b14表示AD斜齿圆柱齿轮14的齿宽。
b15表示左端惰轮15的齿宽。
β13表示AC斜齿圆柱齿轮13的螺旋角。
β14表示AD斜齿圆柱齿轮14的螺旋角。
β15表示左端惰轮15的螺旋角。
六相容错电机1
参见图2、图2A、图2B、图3、图3A、图3B、、图3C所示，六相容错电机1由电机轴1A、定子铁芯1B、转子永磁体1C、转子铁芯1D、绕组线圈1E、电机壳1F、左电磁离合器1K、右电磁离合器1N、左旋转变压器1L、右旋转变压器1P、左轴承1M、右轴承1Q构成。定子铁芯1B与绕组线圈1E构成定子组件。转子铁芯1D与转子永磁体1C构成转子组件。
电机轴1A的左端为左段圆柱1A2，电机轴1A的右端为右段圆柱1A3，电机轴1A的中间部位设有十字肩1A1。电机轴1A的左段圆柱1A2上从外向里顺次套接有左电磁离合器1K、左旋转变压器1L、左轴承1M和AA左斜齿圆柱齿轮11；电机轴1A的右段圆柱1A3上从外向里顺次套接有右电磁离合器1N、右旋转变压器1P、右轴承1Q和BA左斜齿圆柱齿轮21。
定子铁芯1B上设有用于放置绕制的线圈绕组1E的线圈槽1B2，相邻线圈槽1B2之间是线圈骨架1B3，中间是AA通孔1B1。定子铁芯1B的外部套接的是电机壳1F，定子铁芯1B的AA通孔1B1至电机轴1A之间顺次安装的是隔套1J、转子永磁体1C和转子铁芯1D，如图3A、图3B所示。
电机壳1F的左端安装有左端盖1G，左端盖1G与电机轴1A的左段圆柱1A2接合处是左轴承1M，左轴承1M的外圈固定安装在左端盖1G的AA中心通孔1G1中。
电机壳1F的右端安装有右端盖1H，右端盖1H与电机轴1A的右段圆柱1A3接合处是右轴承1Q，右轴承1Q的外圈固定安装在右端盖1H的AB中心通孔1H1中。
电磁离合器
在本发明中，左电磁离合器1K和右电磁离合器1N为通电吸合，断电分离。电磁离合器的输入电压为24V，动摩擦扭矩为25N·m，静摩擦扭矩为27N·m。
旋转变压器
在本发明中，左旋转变压器1L和右旋转变压器1P用于测量电机转速和角位移，实现电机闭环控制。旋转变压器的励磁电压为小于10V，励磁频率为400Hz。
六相容错电机1的额定转速为12000r/min，额定转矩为25N·m。左轴承1M与右轴承1Q为深沟球轴承。
本发明的绕组线圈1E为铜丝绕制得到，对于图3C示意的结构是方便绘图，不是所述绕组线圈1E的实际结构形状。在图3D中铜丝绕制的第一线组安装在定子铁芯1B的1号槽口和12号槽口中，形成六相容错电机1的A相绕组。铜丝绕制的第二线组安装在定子铁芯1B的11号槽口和10号槽口中，形成六相容错电机1的B相绕组。铜丝绕制的第三线组安装在定子铁芯1B的9号槽口和8号槽口中，形成六相容错电机1的C相绕组。铜丝绕制的第四线组安装在定子铁芯1B的7号槽口和6号槽口中，形成六相容错电机1的D相绕组。铜丝绕制的第五线组安装在定子铁芯1B的5号槽口和4号槽口中，形成六相容错电机1的E相绕组。铜丝绕制的第六线组安装在定子铁芯1B的3号槽口和2号槽口中，形成六相容错电机1的F相绕组。
在本发明中，六相容错电机1的六相绕相分别是指A相、B相、C相、D相、E相和F相。
在正常工作状态时，六相绕相正常工作。
在故障状态时，若A相发生断路、或者短路故障，剩余五相绕组(B相、C相、D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
在故障状态时，若A相和B相发生断路、或者短路故障，剩余四相绕组(C相、D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
在故障状态时，若A相、B相和C相发生断路、或者短路故障，剩余三相绕组(D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
行星滚柱丝杠组件2
参见图2、图2A、图2B、图4、图4A所示，行星滚柱丝杠组件2由套筒2A、行星滚柱丝杠2B、丝杠螺母2C、传感器安装座2D、螺纹滚柱2G、滚柱左端盖2H和滚柱右端盖2J构成。螺纹滚柱2G、滚柱左端盖2H和滚柱右端盖2J组合后作为行星滚柱丝杠2B的丝杠承力块。行星滚柱丝杠2B在圆周布置的多个螺纹滚柱2G中运动。
参见图4A所示，套筒2A上设有BA通孔2A1、导向槽2A2和导向隔块2A3。相邻导向隔块2A3之间是导向槽2A2。导向槽2A2内用于放置丝杠螺母2C的导向轨2C1。导向隔块2A3置于丝杠螺母2C的导向凹槽2C3中。BA通孔2A1用于丝杠螺母2C穿过。
参见图4A所示，丝杠螺母2C上设有导向轨2C1、BB通孔2C2和导向凹槽2C3。相邻导向轨2C1之间是导向凹槽2C3。导向凹槽2C3内用于放置套筒2A的导向隔块2A3。导向轨2C1置于套筒2A的导向槽2A2中。BB通孔2C2内放置有传感器安装座2D、行星滚柱丝杠2B和丝杠承力块。在本发明中套筒2A与丝杠螺母2C为花键副连接。
参见图4A所示，传感器安装座2D安装在丝杠螺母2C的左端。传感器安装座2D上设有用于安装A直线位移传感器2E和B直线位移传感器2F的定位孔。传感器安装座2D上安装有A直线位移传感器2E和B直线位移传感器2F。
螺纹滚柱2G的两端分别是滚柱左端盖2H和滚柱右端盖2J。通过滚柱左端盖2H和滚柱右端盖2J之间的多个螺纹滚柱2G为圆周布置。
在本发明中，丝杠螺母2C和行星滚柱丝杠2B中间的滚动元件为圆周阵列布置的多个螺纹滚柱2G，行星滚柱丝杠2B的线接触与传统滚珠丝杠的点接触相比，本发明效率更高，承载能力更强。行星滚柱丝杠2B的导程为5mm，螺矩为1mm，额定动载荷为80.6KN，额定静载荷为113.6KN。
在本发明中，直线位移传感器(2E、2F)用于测量丝杠螺母2C输出位移，实现机电作动器***闭环控制。直线位移传感器的输入电压为9～28V，输出电压为0～5V，精度为±0.1％，量程为0～30mm。
本发明双余度机电作动器的工作原理：
本发明设计的双余度机电作动器有两种工作状态：正常工作状态与故障状态。
为了方便说明，以左端传动组件的传动关系为例进行说明工作原理。
(1)正常工作状态
运动步骤101，AA斜齿圆柱齿轮11连接在六相容错电机1的电机轴1A的左段圆柱1A2上；
运动步骤102，BA斜齿圆柱齿轮21连接在六相容错电机1的电机轴1A的右段圆柱1A3上；
运动步骤103，左电磁离合器1K通电吸合，左端电磁制动器15A断电分离；
运动步骤104，六相容错电机1的电机轴1A的左段圆柱1A2上的AA斜齿圆柱齿轮11转动；
在正常工作状态时，六相绕相正常工作；
在AA斜齿圆柱齿轮11转动下顺次实现AB斜齿圆柱齿轮12、AC斜齿圆柱齿轮13、左端惰轮15和AD斜齿圆柱齿轮14随动；实现了AA斜齿圆柱齿轮11与AB斜齿圆柱齿轮12的一级减速传动；AC斜齿圆柱齿轮13与AD斜齿圆柱齿轮14的二级减速传动；所述的二级减速传动中，利用左端惰轮15来改变AD斜齿圆柱齿轮14的转向，从而增加二级减速传动距离；
运动步骤105，AD斜齿圆柱齿轮14的转动带动套筒2A随动；
运动步骤106，在套筒2A与丝杠螺母2C采用花键副连接，实现套筒2A转动会带动丝杠螺母2C旋转，丝杠螺母2C同时输出直线位移；
运动步骤107，与此同时的六相容错电机1的右端动作为，右电磁离合器1N断电分离，右端电磁制动器25A通电刹车，将行星滚柱丝杠2B抱死。
(2)故障状态
在本发明中，故障状态又分为绕组故障、斜齿传动圆柱齿轮故障与传感器故障。
1)电机绕组故障
在本发明中，六相容错电机1的六相绕相分别是指A相、B相、C相、D相、E相和F相。
单相绕组故障状态，若A相发生断路、或者短路故障，剩余五相绕组(B相、C相、D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
双相绕组故障状态，若A相和B相发生断路、或者短路故障，剩余四相绕组(C相、D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
三相绕组故障状态，若A相、B相和C相发生断路、或者短路故障，剩余三相绕组(D相、E相和F相)也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
在本发明中，电机绕组故障出现四相绕组故障、五相绕组故障和六相绕组故障，则六相容错电机1将不能运行。
2)斜齿传动圆柱齿轮故障
若判断左端传动组件发生机械故障，左电磁离合器1K断电分离，左电磁制动器15A通电刹车，将套筒2A抱死。同时，右电磁离合器1N通电吸合，右电磁制动器25A断电分离，六相容错电机1带动右端传动组件转动，BD斜齿圆柱齿轮24带动行星滚柱丝杠2B转动，行星滚柱丝杠2B与丝杠螺母2C为丝杠副连接，行星滚柱丝杠2B转动带动丝杠螺母2C输出直线位移。
3)传感器故障
六相容错电机1的电机轴1A的两端分别安装2个旋转变压器，当左旋转变压器1L失效，迅速切换右旋转变压器1P。另外，传感器安装座2D安装2个直线位移传感器，当A直线位移传感器2E失效，迅速切换B直线位移传感器2F。
本发明是一种适用于航空航天飞行器上使用的双余度机电作动器，所要解决的是在双余度驱动切换的前提下如何降低重量与安装体积的技术问题，本发明双余度机电作动器的技术手段，以六相容错电机与斜齿圆柱齿轮的配合，实现行星滚柱丝杠组件的直线输出；当左端传动组件出现机械卡阻故障以及六相容错电机出现绕组故障时，通过电磁离合器与电磁制动器的相互配合实现故障切换，达到两个传动通道的独立驱动。在双余度的双传动方式下，减小了机电作动器的体积和重量的技术效果。

Claims (10)

1.一种双余度机电作动器，能够应用于航空航天飞行器的双余度机电作动器；其特征在于：双余度机电作动器包括有底座(3)、左支撑板(4A)、右支撑板(4B)、罩体(5)、六相容错电机(1)、行星滚柱丝杠组件(2)、左端传动组件和右端传动组件；其中左端传动组件与右端传动组件的结构相同；
罩体(5)的下方经平行放置的左支撑板(4A)与右支撑板(4B)固定在底座(3)上；罩体(5)内布局安装有将六相容错电机(1)、行星滚柱丝杠组件(2)、左端传动组件和右端传动组件；
左端传动组件包括有AA斜齿圆柱齿轮(11)、AB斜齿圆柱齿轮(12)、AC斜齿圆柱齿轮(13)、AD斜齿圆柱齿轮(14)、左端惰轮(15)、左端电磁制动器(15A)、AA转轴(16)和AB转轴(17)；AA斜齿圆柱齿轮(11)连接在六相容错电机(1)的电机轴(1A)的左端为左段圆柱(1A2)上；
AB斜齿圆柱齿轮(12)与AC斜齿圆柱齿轮(13)平行放置且安装在AA转轴(16)上；
左端惰轮(15)与左端电磁制动器(15A)安装在AB转轴(17)上；
AD斜齿圆柱齿轮(14)安装在行星滚柱丝杠组件(2)的套筒(2A)上；
AA斜齿圆柱齿轮(11)的外齿与AB斜齿圆柱齿轮(12)的外齿啮合；
左端惰轮(15)的外齿分别与AC斜齿圆柱齿轮(13)的外齿和AD斜齿圆柱齿轮(14)的外齿啮合；
右端传动组件包括有BA斜齿圆柱齿轮(21)、BB斜齿圆柱齿轮(22)、BC斜齿圆柱齿轮(23)、BD斜齿圆柱齿轮(24)、右端惰轮(25)、右端电磁制动器(25A)、BA转轴(26)和BB转轴(27)；
BB斜齿圆柱齿轮(22)与BC斜齿圆柱齿轮(23)平行放置且安装在BA转轴(26)上；
右端惰轮(25)与右端电磁制动器(25A)安装在BB转轴(27)上；
BD斜齿圆柱齿轮(24)安装在行星滚柱丝杠组件(2)的行星滚柱丝杠(2B)上；
BA斜齿圆柱齿轮(21)的外齿与BB斜齿圆柱齿轮(22)的外齿啮合；
右端惰轮(25)的外齿分别与BC斜齿圆柱齿轮(23)的外齿和BD斜齿圆柱齿轮(24)的外齿啮合；
六相容错电机(1)由电机轴(1A)、定子铁芯(1B)、转子永磁体(1C)、转子铁芯(1D)、绕组线圈(1E)、电机壳(1F)、左电磁离合器(1K)、右电磁离合器(1N)、左旋转变压器(1L)、右旋转变压器(1P)、左轴承(1M)、右轴承(1Q)构成；定子铁芯(1B)与绕组线圈(1E)构成定子组件；转子铁芯(1D)与转子永磁体(1C)构成转子组件；
电机轴(1A)的左端为左段圆柱(1A2)，电机轴(1A)的右端为右段圆柱(1A3)，电机轴(1A)的中间部位设有十字肩(1A1)；电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)上从外向里顺次套接有左电磁离合器(1K)、左旋转变压器(1L)、左轴承(1M)和AA左斜齿圆柱齿轮(11)；电机轴(1A)的右段圆柱(1A3)上从外向里顺次套接有右电磁离合器(1N)、右旋转变压器(1P)、右轴承(1Q)和BA左斜齿圆柱齿轮(21)；
定子铁芯(1B)上设有用于放置绕制的线圈绕组(1E)的线圈槽(1B2)，相邻线圈槽(1B2)之间是线圈骨架(1B3)，中间是AA通孔(1B1)；定子铁芯(1B)的外部套接的是电机壳(1F)，定子铁芯(1B)的AA通孔(1B1)至电机轴(1A)之间顺次安装的是隔套(1J)、转子永磁体(1C)和转子铁芯(1D)；
电机壳(1F)的左端安装有左端盖(1G)，左端盖(1G)与电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)接合处是左轴承(1M)，左轴承(1M)的外圈固定安装在左端盖(1G)的AA中心通孔(1G1)中；
电机壳(1F)的右端安装有右端盖(1H)，右端盖(1H)与电机轴(1A)的右段圆柱(1A3)接合处是右轴承(1Q)，右轴承(1Q)的外圈固定安装在右端盖(1H)的AB中心通孔(1H1)中；
行星滚柱丝杠组件(2)由套筒(2A)、行星滚柱丝杠(2B)、丝杠螺母(2C)、传感器安装座(2D)、螺纹滚柱(2G)、滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)构成；螺纹滚柱(2G)、滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)组合后作为行星滚柱丝杠(2B)的丝杠承力块；行星滚柱丝杠(2B)在圆周布置的多个螺纹滚柱(2G)中运动；
套筒(2A)上设有BA通孔(2A1)、导向槽(2A2)和导向隔块(2A3)；相邻导向隔块(2A3)之间是导向槽(2A2)；导向槽(2A2)内用于放置丝杠螺母(2C)的导向轨(2C1)；导向隔块(2A3)置于丝杠螺母(2C)的导向凹槽(2C3)中；BA通孔(2A1)用于丝杠螺母(2C)穿过；
丝杠螺母(2C)上设有导向轨(2C1)、BB通孔(2C2)和导向凹槽(2C3)；相邻导向轨(2C1)之间是导向凹槽(2C3)；导向凹槽(2C3)内用于放置套筒(2A)的导向隔块(2A3)；导向轨(2C1)置于套筒(2A)的导向槽(2A2)中；BB通孔(2C2)内放置有传感器安装座(2D)、行星滚柱丝杠(2B)和丝杠承力块；套筒(2A)与丝杠螺母(2C)为花键副连接；
传感器安装座(2D)安装在丝杠螺母(2C)的左端；传感器安装座(2D)上设有用于安装A直线位移传感器(2E)和B直线位移传感器(2F)的定位孔；传感器安装座(2D)上安装有A直线位移传感器(2E)和B直线位移传感器(2F)；
螺纹滚柱(2G)的两端分别是滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)；通过滚柱左端盖(2H)和滚柱右端盖(2J)之间的多个螺纹滚柱(2G)为圆周布置。
2.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：AA斜齿圆柱齿轮(11)与AB斜齿圆柱齿轮(12)构成一级传动模式；同时，BA斜齿圆柱齿轮(21)与BB斜齿圆柱齿轮(22)构成一级传动模式；一级传动比为
Figure FDA0002892613050000031
AC斜齿圆柱齿轮(13)、左端惰轮(15)与AD斜齿圆柱齿轮(14)构成二级传动模式；同时，BC斜齿圆柱齿轮(23)、右端惰轮(25)与BD斜齿圆柱齿轮(24)构成二级传动模式；二级传动比为
Figure FDA0002892613050000032
3.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：六相容错电机1的六相绕相分别是指A相、B相、C相、D相、E相和F相；
在正常工作状态时，六相绕相正常工作；
在故障状态时，若A相发生断路、或者短路故障，剩余五相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变；
在故障状态时，若A相和B相发生断路、或者短路故障，剩余四相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变；
在故障状态时，若A相、B相和C相发生断路、或者短路故障，剩余三相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变。
4.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：行星滚柱丝杠(2B)的导程为5mm，螺矩为1mm，额定动载荷为80.6KN，额定静载荷为113.6KN。
5.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：六相容错电机(1)的额定转速为12000r/min，额定转矩为25N·m。
6.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：电磁制动器(15、25)的输入电压为24V，制动扭矩为100N·m。
7.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：电磁离合器(1K、1N)的输入电压为24V，动摩擦扭矩为25N·m，静摩擦扭矩为27N·m。
8.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：旋转变压器(1L、1P)的励磁电压为小于10V，励磁频率为400Hz。
9.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：直线位移传感器的输入电压为9～28V，输出电压为0～5V，精度为±0.1％，量程为0～30mm。
10.根据权利要求1所述的双余度机电作动器，其特征在于：双余度机电作动器有两种工作状态：正常工作状态与故障状态；
(1)正常工作状态
运动步骤101，AA斜齿圆柱齿轮(11)连接在六相容错电机(1)的电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)上；
运动步骤102，BA斜齿圆柱齿轮(21)连接在六相容错电机(1)的电机轴(1A)的右段圆柱(1A3)上；
运动步骤103，左电磁离合器(1K)通电吸合，左端电磁制动器(15A)断电分离；
运动步骤104，六相容错电机(1)的电机轴(1A)的左段圆柱(1A2)上的AA斜齿圆柱齿轮(11)转动；
在正常工作状态时，六相绕相正常工作；
在AA斜齿圆柱齿轮(11)转动下顺次实现AB斜齿圆柱齿轮(12)、AC斜齿圆柱齿轮(13)、左端惰轮(15)和AD斜齿圆柱齿轮(14)随动；实现了AA斜齿圆柱齿轮(11)与AB斜齿圆柱齿轮(12)的一级减速传动；AC斜齿圆柱齿轮(13)与AD斜齿圆柱齿轮(14)的二级减速传动；所述的二级减速传动中，利用左端惰轮(15)来改变AD斜齿圆柱齿轮(14)的转向，从而增加二级减速传动距离；
运动步骤105，AD斜齿圆柱齿轮(14)的转动带动套筒(2A)随动；
运动步骤106，在套筒(2A)与丝杠螺母(2C)采用花键副连接，实现套筒(2A)转动会带动丝杠螺母(2C)旋转，丝杠螺母(2C)同时输出直线位移；
运动步骤107，与此同时的六相容错电机(1)的右端动作为，右电磁离合器(1N)断电分离，右端电磁制动器(25A)通电刹车，将行星滚柱丝杠(2B)抱死；
(2)故障状态
故障状态又分为绕组故障、斜齿传动圆柱齿轮故障与传感器故障；
1)电机绕组故障
六相容错电机(1)的六相绕相分别是指A相、B相、C相、D相、E相和F相；
单相绕组故障状态，若A相发生断路、或者短路故障，剩余五相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变；
双相绕组故障状态，若A相和B相发生断路、或者短路故障，剩余四相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变；
三相绕组故障状态，若A相、B相和C相发生断路、或者短路故障，剩余三相绕组也能正常输出额定功率，以此保证本发明双余度机电作动器的输出力不变；
2)斜齿传动圆柱齿轮故障
若判断左端传动组件发生机械故障，左电磁离合器(1K)断电分离，左电磁制动器(15A)通电刹车，将套筒(2A)抱死；同时，右电磁离合器(1N)通电吸合，右电磁制动器(25A)断电分离，六相容错电机(1)带动右端传动组件转动，BD斜齿圆柱齿轮(24)带动行星滚柱丝杠(2B)转动，行星滚柱丝杠(2B)与丝杠螺母(2C)为丝杠副连接，行星滚柱丝杠(2B)转动带动丝杠螺母(2C)输出直线位移；
3)传感器故障
六相容错电机(1)的电机轴(1A)的两端分别安装2个旋转变压器，当左旋转变压器(1L)失效，迅速切换右旋转变压器(1P)；另外，传感器安装座(2D)安装2个直线位移传感器，当A直线位移传感器(2E)失效，迅速切换B直线位移传感器(2F)。
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