CN113153974A - 一种电机直驱式多用途离心式作动器及其工作方法 - Google Patents

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CN113153974A CN202110382776.4A CN202110382776A CN113153974A CN 113153974 A CN113153974 A CN 113153974A CN 202110382776 A CN202110382776 A CN 202110382776A CN 113153974 A CN113153974 A CN 113153974A
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Abstract

本发明公开了一种电机直驱式多用途离心式作动器及其工作方法，包括圆柱形的外壳、构造相同的第一、第二离心力输出组件，第一、第二离心力输出组件关于所述外壳中心面对称且同轴安装。当单个离心式作动器独立工作时，第一、第二无刷直流电机分别驱动第一、第二偏心质量块同向等速旋转产生平面内的可控输出力；两个离心式作动器配合使用时，每个离心式作动器的第一、第二无刷直流电机分别驱动第一、第二偏心质量块反向等速旋转，两个离心式作动器配合即可产生单方向的可控输出力。

Description

一种电机直驱式多用途离心式作动器及其工作方法
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体为一种电机直驱式多用途离心式作动器及其工作方法。
背景技术
旋翼是直升机机体振动的主要来源，在直升机的前飞状态下，不平衡气动力会在桨叶上产生周期交变气动载荷，这些载荷将在桨毂处发生汇合，并通过旋翼轴、主减速器和变距拉杆传递到机身。在各种直升机旋翼减振方式中，双线摆吸振器是一种安装在旋翼桨毂顶部，且行之有效的装置。但是，双线摆吸振器因受几何结构的限制，需要使用较大的配重块才能产生足够的***振力。并且，摆臂必须足够刚硬，以承受由配重块产生的离心载荷。因此双线摆吸振器具有重量和体积大等缺点。使用离心式作动器替换双线摆吸振器，通过主动控制的方式抑制直升机桨毂振动，既能够保留双线摆吸振器减振效果，又具有体积小、重量轻等特点。而目前国内现有的离心式作动器工作方式单一，只能产生单方向上的输出力，不能产生平面内的输出力，因此不适用于直升机桨榖顶部振动控制的使用工况。
此外，针对振动激励装置以及单个方向上振动主动控制的需求，国内现有的离心式作动器均采用齿轮传动和换向的方式驱动偏心质量块反向旋转，从而产生单方向的输出力。
例如，授权公告号为CN105508505B的中国专利文件于2017年11月28日公开了一种锥齿轮换向的离心式作动器，利用两台离心力作动单元，每台离心力作动单元包含一个无刷直流电机和两个偏心块转盘，偏心块转盘和电机同轴安装，电机转子与其中一转盘连接，两个转盘上均带有锥齿轮，两个转盘上的锥齿轮均与另一锥齿轮正交啮合，利用锥齿轮换向，从而使两个偏心块反向旋转，通过两台相同的离心力作动单元就可以输出给定幅值和频率的力。
授权公告号为CN106015459B的中国专利文件于2019年03月05日公开了一种离心式作动器由两个直齿轮，两个质量块，两个槽等组成，其中两个质量块反向转动，并且可在对应的槽中移动，通过调节电机的相关参数以及质量块的中心距就可以控制输出力的三要素。
授权公告号为CN109723757B的中国专利文件于2020年07月28日公开了一种用于振动主动控制的离心式作动器，电机与电机锥齿轮连接，电机锥齿轮与中心轴齿轮以及空心轴锥齿轮啮合，带动内外环两个偏心块同速反向转动，从而产生竖直方向上的交变振动力，两组内外环偏心块进行速度和相位配合即可产生幅值、相位、频率可控的输出力。
上述专利都是通过齿轮传动驱动偏心质量块旋转，而齿轮传动使得作动器机械结构复杂，质量和体积增加，并且使用时齿轮啮合噪声大，对润滑要求高，使用寿命短。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种电机直驱式多用途离心式作动器，采用两台无刷直流电机分别直接驱动两个偏心质量块旋转的构型，使得离心式作动器不仅能够产生单个方向的输出力还能够产生平面内的输出力，解决了国内现有离心式作动器不适用于直升机桨榖顶部振动控制的问题，同时解决了现有离心式作动器采用齿轮传动导致的机械结构复杂，对润滑要求高，使用寿命短，并且在运行过程中齿轮啮合产热多，噪声大的问题。
一种电机直驱式多用途离心式作动器，包括圆柱形的外壳、构造相同的第一离心力输出组件与第二离心力输出组件，该第一离心力输出组件与第二离心力输出组件关于外壳中心面对称且同轴安装；第一离心力输出组件与第二离心力输出组件包括第一偏心质量块和第二偏心质量块，并分别由第一无刷直流电机和第二无刷直流电机驱动，当单个离心式作动器独立工作时，第一无刷直流电机、第二无刷直流电机分别驱动第一偏心质量块和第二偏心质量块同向等速旋转，使第一离心力输出组件与第二离心力输出组件产生平面内的可控输出力，当两个离心式作动器配合使用时，每个离心式作动器的第一无刷直流电机和第二无刷直流电机分别驱动第一偏心质量块和第二偏心质量块反向等速旋转，两个离心式作动器配合产生单方向的可控输出力。
作为优选，第一离心力输出组件包括第一旋转变压器，第一旋转变压器的定子通过第一旋转变压器固定夹板固定在第一电机安装底座上，与外壳保持相对位置不变，第一电机安装底座固定连接第一无刷直流电机，该第一旋转变压器的转子通过第一轴杆连接第一偏心轮盘，第一偏心轮盘上固定有第一偏心质量块，且该第一偏心轮盘的外圆连接第一离心轴承的内圈，第一离心轴承的外圈固定连接外壳的内壁。第二离心力输出组件包括第二旋转变压器，第二旋转变压器的定子通过第二旋转变压器固定夹板固定在第二电机安装底座上，与外壳保持相对位置不变，第二电机安装底座固定连接第二无刷直流电机，该第二旋转变压器的转子通过第二轴杆连接第二偏心轮盘，第二偏心轮盘上固定有第二偏心质量块，且该第二偏心轮盘的外圆连接第二离心轴承的内圈，第二离心轴承的外圈固定连接外壳的内壁。
作为优选，外壳的内侧设有用于固定第一直流无刷电机、第二直流无刷电机以及第一旋转变压器、第二旋转变压器的电机安装底座固定孔，该电机安装底座固定孔承受第一直流无刷电机、第二无刷直流电机带动第一偏心质量块、第二偏心质量块旋转产生的反扭矩。
作为优选，圆柱状外壳的两端面分别通过端盖固定螺丝固定连接第一端盖和第二端盖，第一端盖、第二端盖以及外壳内侧的台阶共同限制第一离心轴承、第二离心轴承的轴向运动。
作为优选，外壳的壳体表面还设有用于为该离心式作动器供电与传输信号的航插孔。
作为优选，第一无刷直流电机与第二无刷直流电机为扁平状的航模电机，第一偏心质量块和第二偏心质量块的形状为尺寸完全相同的扇形
作为优选，第一离心轴承、第二离心轴承为自润滑轴承，用于承受所述第一偏心质量块和第二偏心质量块旋转产生的离心力并将该离心力传递给外壳。
本发明还公开了一种电机直驱式多用途离心式作动器的工作方法，当第一无刷直流电机、第二无刷直流电机分别驱动第一偏心质量块与第二偏心质量块同向等速旋转时，产生平面内的可控输出力F，设第一偏心质量块与第二偏心质量块的质量为m，偏心距为r，第一、第二无刷直流电机的转速都为ω，相位分别为θ1和θ2，相位差为
Figure BDA0003013683150000041
则输出力
Figure BDA0003013683150000042
通过调节第一无刷直流电机、第二无刷直流电机的转速ω和相位θ1、θ2以控制输出力F的幅值、频率和相位；
当第一无刷直流电机、第二无刷直流电机分别驱动第一偏心质量块与第二偏心质量块反向等速旋转时，将两台离心式作动器同轴安装，产生单向的输出力F4，设两台离心式作动器的第一无刷直流电机的相位差为α1-α2，则输出力
Figure BDA0003013683150000043
调节两台离心式作动器的第一无刷直流电机的相位和转速，以控制单向输出力F4的幅值和频率。
有益效果：
(1)本发明采用两台无刷直流电机分别直接驱动两个偏心质量块旋转的构型，使得离心式作动器不仅能够产生单个方向的输出力还能够产生平面内的输出力，适用于直升机桨榖顶部振动控制；
(2)本发明采用无刷直流电机直接驱动偏心质量块旋转的构型，相较于现有技术中采用齿轮传动驱动偏心质量块旋转的方式，有效的避免齿轮传动带来的润滑和噪声问题，能够简化离心式作动器的机械结构，降低离心式作动器的重量，提高离心式作动器的使用寿命；
(3)本发明的电机直驱式多用途离心式作动器具有两种不同的工作方式，可产生平面内以及单方向上的可控输出力，能够适应不同的使用工况。
附图说明
图1为本发明离心式作动器的整体图；
图2为本发明离心式作动器的零件分解图；
图3为本发明离心式作动器内部结构装配图；
图4为本发明离心式作动器的外壳图；
图5为本发明离心式作动器偏心质量块同向等速旋转工作原理图；
图6为本发明离心式作动器偏心质量块反向等速旋转工作原理图。
附图标记：1外壳，2安装孔，3端盖固定螺丝，4第一端盖，5第一偏心质量块，6第一偏心轮盘，7第一离心轴承，8第一轴杆，9第一直流无刷电机，10第一电机安装底座，11第一旋转变压器，12第一旋转变压器固定夹板，13第二端盖，14第二偏心质量块，15第二偏心轮盘，16第二离心轴承，17第二轴杆，18第二无刷直流电机，19第二电机安装底座，20第二旋转变压器，21第二旋转变压器固定夹板，22电机安装底座固定孔，23航插孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种电机直驱式多用途离心式作动器，采用两组对称分布的离心力输出组件，有两种不同的工作方式：单台作动器可用于直升机桨毂顶部振动主动控制，两台作动器配合使用时可用作振动激励装置及单个方向的振动主动控制，具有输出力大、频带宽的优点。
如图1所示，为本发明离心式作动器的整体图。本发明的离心式作动器包括圆筒状的外壳1，其外壳1的两个端面通过端盖固定螺丝3分别连接第一端盖4和第二端盖13，外壳1的底端设有4个安装孔2，通过安装孔2与外部连接。
如图2所示，为本发明离心式作动器的零件分解图。如图3所示，为本发明离心式作动器的结构装配图，结合图2和图3，本发明的离心式作动器关于外壳1的中面成轴对称，且两端设有完全相同的离心力输出组件。离心力输出组件分为第一离心力输出组件与第二离心力输出组件。第一离心力输出组件包括第一旋转变压器固定夹板12、第一旋转变压器11、第一电机安装底座10、第一无刷直流电机9、第一轴杆8、第一离心轴承7、第一偏心轮盘6和第一偏心质量块5，第一旋转变压器固定夹板12固定第一旋转变压器11的定子，且第一旋转变压器11的定子与第一电机安装底座10固定连接，第一无刷直流电机9的定子安装在第一电机安装底座10上，且第一无刷直流电机9的转子连接第一轴杆8，并通过第一轴杆8连接第一偏心轮盘6，第一偏心轮盘6的表面固定连接第一偏心质量块5，第一偏心轮盘6的外圆连接第一离心轴承7的内圈。
第二离心力输出组件包括第二旋转变压器固定夹板21、第二旋转变压器20、第二电机安装底座19、第二无刷直流电机18、第二轴杆17、第二离心轴承16、第二偏心轮盘15和第二偏心质量块14，第二旋转变压器固定夹板21固定第二旋转变压器20的定子，且第二旋转变压器20的定子与第二电机安装底座19固定连接，第二无刷直流电机18的定子安装在第二电机安装底座19上，且第二无刷直流电机18的转子连接第二轴杆17，并通过第二轴杆17连接第二偏心轮盘15，第二偏心轮盘15的表面固定连接第二偏心质量块14，第二偏心轮盘15的外圆连接第二离心轴承16的内圈。
第一无刷直流电机9与第二无刷直流电机18的参数完全相同，选用扁平状的航模电机，方便安装，能够尽可能的节省作动器的内部空间。第一偏心质量块5与第二偏心质量块14的形状为尺寸完全相同的扇形，采用密度较大铜作为材料。第一离心轴承7与第二离心轴承16采用自润滑轴承，主要作用是承受离心力并将离心力传递给外壳。第一端盖4和第二端盖13分别置于第一偏心质量块5和第二偏心质量块14外侧，使第一离心力输出组件与第二离心力输出组件固定在外壳1的内部。
以第一离心力输出组件为例，其工作方式为：由第一直流无刷电机9驱动带动第一偏心轮盘6旋转，第一偏心轮盘6带动安装在其表面的第一偏心质量块5旋转，产生离心力作用于第一偏心轮盘6上，经由第一离心轴承7传递至外壳1，通过作动器底部的四个安装孔2传递至外界。
如图4所示，为本发明离心式作动器的外壳图。在作动器外壳1内侧设计了两排电机安装底座固定孔22，主要用于固定第一、第二直流无刷电机、以及第一、第二旋转变压器，并承受第一、第二无刷直流电机带动第一、第二偏心质量块旋转所产生的反扭矩；在作动器外壳1上还设计有航插孔用作给作动器供电以及传输信号。第一、第二旋转变压器的转子通过第一、第二轴杆分别与第一、第二无刷直流电机相连，用于测量电机转速和相位等信息。
本发明电机直驱式多用途离心式作动器与传统的离心式作动器不同，运用了两台无刷直流电机直接驱动两个偏心质量块。这种独特的构型使得本发明所述的电机直驱式多用途离心式作动器有两种不同的工作方式，能适应更多的使用工况，结合图5和图6，本发明还公开了一种电机直驱式多用途离心式作动器的工作方法。
如图5所示，为本发明离心式作动器偏心质量块同向等速旋转工作原理图。第一无刷直流电机和第二无刷直流电机分别驱动第一偏心质量块和第二偏心质量块同向等速旋转，产生平面内的可控输出力，假设第一偏心质量块M1、第二偏心质量块M2的质量为m，偏心距为r，第一、第二无刷直流电机的转速为ω，相位分别为θ1和θ2，相位差为
Figure BDA0003013683150000081
第一、第二偏心质量块因旋转产生的偏心力分别为F1和F2，则
F1＝F2＝mω2r (1)
第一、第二偏心质量块产生的合力为F，则
Figure BDA0003013683150000082
由式2可知，改变第一、第二无刷直流电机的转速ω、相位θ1和θ2，以控制离心式作动器输出力幅值F、频率ω和相位θ，其中
Figure BDA0003013683150000083
在这种工作方式下，本发明所述的离心式作动器可以用于直升机桨榖顶部振动主动控制技术，用于抵消桨毂平面内的谐波激振力，抑制桨榖平面内的振动，达到直升机双线摆吸振器的效果。
如图6所示，当两个无刷直流电机分别驱动的第一偏心质量块和第二偏心质量块反向等速旋转时，假设第一偏心质量块M1、第二偏心质量块M2的质量为m，偏心距为r，第一、第二无刷直流电机的转速为ω，第一、第二偏心质量块旋转产生的离心力在X方向上的合力相互抵消，在Y方向上的合力相互叠加，因此可以产生一个Y方向上的输出力，则在任意时刻t的输出力为F3：
F3＝2mω2rsinωt (3)
由式3可知，单独一台离心式作动器不能控制输出力的幅值。故需将两台完全相同的离心式作动器并排安装在一条直线上，通过调节两台离心式作动器的第一无刷直流电机的相位差就可以控制输出力的幅值。假设两台离心式作动器的第一无刷直流电机的相位差为α1-α2，则两台离心式作动器的输出合力为：
Figure BDA0003013683150000091
由式4可知，当两台离心式作动器配合使用时，通过调节第一、第二无刷直流电机的转速和两台离心式作动器的第一无刷直流电机的相位差就可以产生幅值，频率可控的输出力。
本发明公开的离心式作动器工作时，当采用第一、第二无刷直流电机驱动第一、第二偏心质量块同向等速转动时，单个作动器即可产生平面内的输出力。当第一、第二无刷直流电机驱动第一、第二偏心质量块反向等速转动时，将两个离心式作动器同轴连接配合使用，可产生单方向上的频率、幅值可控的输出力，能够适应不同的使用工况，用途广泛。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：包括圆柱形的外壳(1)、结构相同的第一离心力输出组件与第二离心力输出组件，该第一离心力输出组件与第二离心力输出组件关于所述外壳(1)中心面对称且同轴安装；所述第一离心力输出组件与第二离心力输出组件包括第一偏心质量块(5)和第二偏心质量块(14)，并分别由第一无刷直流电机(9)和第二无刷直流电机(18)驱动，当单个所述离心式作动器独立工作时，第一无刷直流电机(9)、第二无刷直流电机(18)分别驱动第一偏心质量块(5)和第二偏心质量块(14)同向等速旋转，使第一离心力输出组件与第二离心力输出组件产生平面内的可控输出力；两个所述离心式作动器配合使用时，每个所述离心式作动器的第一无刷直流电机(9)和第二无刷直流电机(18)分别驱动第一偏心质量块(5)和第二偏心质量块(14)反向等速旋转，两个所述离心式作动器配合产生单方向的可控输出力。
2.根据权利要求1所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：所述第一离心力输出组件包括第一旋转变压器(11)，该第一旋转变压器(11)的定子通过第一旋转变压器固定夹板(12)固定在第一电机安装底座上(10)，与外壳(1)保持相对位置不变，所述第一电机安装底座(10)固定连接第一无刷直流电机(9)，该第一旋转变压器(11)的转子通过第一轴杆(8)连接第一偏心轮盘(6)，所述第一偏心轮盘(6)上固定有第一偏心质量块(5)，且该第一偏心轮盘(6)的外圆连接第一离心轴承(7)的内圈，该第一离心轴承的外圈固定连接外壳(1)的内壁；
所述第二离心力输出组件包括第二旋转变压器(20)，该第二旋转变压器(20)的定子通过第二旋转变压器固定夹板(21)固定在第二电机安装底座上(19)，与外壳(1)保持相对位置不变，所述第二电机安装底座(19)固定连接第二无刷直流电机(18)，该第二旋转变压器(20)的转子通过第二轴杆(17)连接第二偏心轮盘(15)，所述第二偏心轮盘(15)上固定有第二偏心质量块(14)，且该第二偏心轮盘(15)的外圆连接第二离心轴承(16)的内圈，该第二离心轴承的外圈固定连接外壳(1)的内壁。
3.根据权利要求2所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：所述外壳(1)的内侧设有用于固定所述第一直流无刷电机(9)、第二直流无刷电机(18)以及第一旋转变压器(11)、第二旋转变压器(20)的电机安装底座固定孔(22)，该电机安装底座固定孔(22)承受所述第一直流无刷电机(9)、第二无刷直流电机(18)带动第一偏心质量块(5)、第二偏心质量块(14)旋转产生的反扭矩。
4.根据权利要求3所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：圆柱状外壳(1)的两端面分别通过端盖固定螺丝(3)固定连接第一端盖(4)和第二端盖(13)，所述第一端盖(4)、第二端盖(13)以及外壳(1)内侧的台阶共同限制第一离心轴承(7)、第二离心轴承(16)的轴向运动。
5.根据权利要求4所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：所述外壳(1)的壳体表面还设有用于为该离心式作动器供电与传输信号的航插孔(23)。
6.根据权利要求5所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：所述第一无刷直流电机(9)与第二无刷直流电机(18)为扁平状的航模电机，第一偏心质量块(5)和第二偏心质量块(14)的形状为尺寸完全相同的扇形。
7.根据权利要求6所述的电机直驱式多用途离心式作动器，其特征在于：所述第一离心轴承(7)、第二离心轴承(16)为自润滑轴承，用于承受所述第一偏心质量块(5)和第二偏心质量块(14)旋转产生的离心力并将该离心力传递给外壳(1)。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的电机直驱式多用途离心式作动器的工作方法：其特征在于：当第一无刷直流电机(9)、第二无刷直流电机(18)分别驱动第一偏心质量块(5)与第二偏心质量块(14)同向等速旋转时，产生平面内的可控输出力F，设第一偏心质量块(5)与第二偏心质量块(14)的质量为m，偏心距为r，第一无刷直流电机(9)、第二无刷直流电机(18)的转速都为ω，相位分别为θ1和θ2，相位差为
Figure FDA0003013683140000031
Figure FDA0003013683140000032
则输出力
Figure FDA0003013683140000033
通过调节第一无刷直流电机(9)、第二无刷直流电机(18)的转速ω和相位θ1、θ2以控制输出力F的幅值、频率和相位；
当第一无刷直流电机(9)、第二无刷直流电机(18)分别驱动第一偏心质量块(5)与第二偏心质量块(14)反向等速旋转时，将两台离心式作动器同轴安装，产生单向的输出力F4，设两台离心式作动器的第一无刷直流电机(9)的相位差为α1-α2，则输出力
Figure FDA0003013683140000041
调节两台离心式作动器的第一无刷直流电机(9)的相位差和转速，以控制单向输出力F4的幅值和频率。
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