无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010819408.7 (22)申请日 2020.08.14 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 杜锦华龙云 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 马贵香 (51)Int.Cl. H02K 7/10(2006.01) H02K 49/10(2006.01) H02K 1/14(2006.01) H02K 1/27(2006.01) H02K 3/18(2006.01) H02K 3。

2、/28(2006.01) H02K 11/21(2016.01) H02K 11/215(2016.01) (54)发明名称 一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作 动器 (57)摘要 本发明公开了一种无机械卡阻高推力密度 直驱型机电作动器， 包括内转子式永磁容错游标 电机、 永磁丝杠副和支撑测量部件； 所述内转子 式永磁容错游标电机包括定子绕组、 定子、 定子 齿， 磁通调制极， 转子永磁体和转子铁芯； 所述永 磁丝杠副包括永磁丝杠和永磁螺母； 所述支撑测 量部件包括轴承、 机壳、 直线位移传感器LVDT及 旋转变压器。 本发明的无机械卡阻高推力密度直 驱型机电作动器通过使用永磁丝杠副将永磁游。

3、 标电机的旋转运动转化为机电作动器的直线运 动， 避免了普通直驱型机电作动器滚珠丝杠副或 滚柱丝杠副机械卡阻的问题； 同时采用内转子式 永磁容错游标电机作驱动电机， 电机较强的容错 性能与高转矩密度特性使得机电作动器具备更 高的可靠性与推力密度。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 112117863 A 2020.12.22 CN 112117863 A 1.一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 其特征在于， 包括内转子式永磁容 错游标电机， 永磁丝杠副以及支撑测量部件； 所述内转子式永磁容错游标电机包括定子绕组(5)、 定子(6)、 转子永磁体(7)、 转子铁 芯(8)、 定。

4、子齿(14)和磁通调制极(15)； 所述永磁丝杠副包括永磁丝杠与永磁螺母(9)； 所述 支撑测量部件包括轴承(10)、 机壳(13)、 直线位移传感器LVDT及旋转变压器(11)； 所述定子(6)固定在机壳(13)的内部， 其上均匀分布有若干定子齿(14)， 定子齿(14)的 下部与磁通调制极(15)连接成为一体； 所述定子绕组(5)隔齿环绕于各定子齿(14)上； 所述 转子永磁体(7)固定于转子铁芯(8)的外部， 转子铁芯(8)的内部放置永磁丝杠副； 所述永磁丝杠副包括永磁螺母(9)与永磁丝杠； 所述永磁螺母(9)的螺旋式永磁体固定 于转子铁芯(8)的内表面； 所述永磁丝杠包括中空丝杆(3)。

5、和丝杠螺旋式永磁体(4)， 丝杠螺 旋式永磁体(4)固定于中空丝杆(3)的外表面； 中空丝杆(3)的前端连接有拉环(1)； 所述轴承(10)位于转子的前后两端， 轴承(10)的外圈连接机壳(13)， 内圈连接一体化 转子的固定支撑部件(16)； 所述直线位移传感器LVDT包括LVDT铁芯和绕组部分(12)以及 LVDT杆状衔铁(2)， LVDT铁芯与绕组部分(12)的前端位于中空丝杆(3)空腔的后部， 后端与 机壳(13)的尾部中心位置固定连接； LVDT杆状衔铁(2)的一端与拉环(1)固定相连， 另一端 位于LVDT铁芯与绕组部分(12)的内部； 所述旋转变压器(11)的定子部分固定于机壳(。

6、13)的 内部， 转子部分与固定支撑部件(16)固定连接。 2.根据权利要求1所述的一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 其特征在于， 所述定子绕组(5)采用隔齿绕制的双三相集中式电枢绕组。 3.根据权利要求1所述的一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 其特征在于， 所述转子永磁体(7)采取N、 S极间隔布置的方式， 按径向固定于转子铁芯(8)的外部。 4.根据权利要求1所述的一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 其特征在于， 所述永磁螺母(9)的螺旋式永磁体与丝杠螺旋式永磁体(4)相对应且螺距相同。 5.根据权利要求1所述的一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 其特征。

7、在于， 所述LVDT杆状衔铁(2)的轴线、 中空丝杆(3)的轴线， 内转子式永磁容错游标电机的轴线、 直 线位移传感器LVDT的轴线、 旋转变压器(11)的轴线以及机壳(13)的轴线位于同一直线上。 权利要求书 1/1 页 2 CN 112117863 A 2 一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器 技术领域 0001 本发明属于电作动技术领域， 具体涉及一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作 动器。 背景技术 0002 随着电作动技术的进步， 电动伺服机构正在取代传统的气动伺服机构与液压伺服 机构， 并在飞机和导弹的舵面控制以及飞机和火箭发动机的推力矢量控制系统中得到实际 的工程应用。 电动。

8、伺服机构按照结构又可以分为电静液作动器和机电作动器。 电静液作动 器由伺服电机带动可逆式液压泵驱动作动器内部的液压回路进行工作， 因此保留了部分液 压作动器的优点， 不存在机械卡阻现象。 但电静液作动器同样由于保留液压回路， 所以无法 彻底消除液压油渗漏的影响， 可维护性依然较差。 机电作动器采用滚珠丝杠副或者滚柱丝 杠副等传动机构把伺服电机的旋转运动转化成作动器所需的直线运动， 完全消除了液压回 路解决了液压油渗漏的问题， 可维护性好， 而且在效率、 动态响应性能上也要优于电静液作 动器。 然而， 机电作动器由于存在机械卡阻的潜在风险， 严重影响着飞机导弹火箭飞行的可 靠性， 易引发灾难性飞。

9、行事故， 所以机电作动器的工程应用程度不及电静液作动器， 只在 “织女星” 运载火箭， 波音787飞机阻流板等不太重要的控制舵面上有些应用1-3。 0003 针对机电作动器机械卡阻的问题， 目前的解决方法主要有两种： 一种是运用当前 日益成熟的人工智能方法， 基于大量仿真数据或者实验数据进行健康评估与故障预测， 以 便及时排除故障， 降低机电作动器机械卡阻的概率4。 但这种方法的缺点在于如果故障数 据来自于仿真， 则准确性依赖于机电作动器故障模型的精度， 而故障模型又只能通过部分 实验人为的模拟一些故障进行验证， 难以反映实际情况； 而如果采用实验数据， 又存在实验 数据难以获取的问题， 毕竟。

10、目前采用机电作动器的飞机和火箭实在太少， 且没有在主控制 舵面上应用的先例。 另一种方法则是改进机电作动器的结构来降低机械卡阻的概率， 而这 种方法又可以分为两种解决途径， 第一种是以去除机电作动器中间齿轮箱为代表的直驱型 机电作动器的方法5， 但这种方法只能消除齿轮箱的机械卡阻而无法消除滚珠丝杠副或滚 柱丝杠副的机械卡阻， 而且采用直驱的方法后， 需要伺服电机提供较低的转速和较大的转 矩， 而这又会增加伺服电机的重量与体积。 第二种则是如专利CN201711162688.6所采用的 使用离合器的方法6， 在作动器故障时用离合器脱开卡阻接触， 这种方法可以较好解决机 电作动器机械卡阻的问题。 。

11、但由于引进了离合器， 使得系统的重量和体积增加， 、 同时还需 要解决机械卡阻识别和离合器控制的问题， 增加了系统复杂度， 降低了系统可靠性。 0004 1Bulent Sarlioglu,and Casey T.Morris, “More Electric Aircraft: Review,Challenges,andOpportunities for Commercial Transport Aircraft,” IEEE Transactions on Transportation Electrification,2015,1(1),pp.54-64.2郭洪根, 王指国.大功率航天电动伺。

12、服机构发展综述J.导航定位与授时， 2016， 3(3)： 1-5. 0005 3齐海涛,付永领,郎燕.大型客机飞控作动系统配置方案设计J.液压与气动， 2014， 4(5)： 19-27. 说明书 1/5 页 3 CN 112117863 A 3 0006 4Cristobal Ruiz-Carcel,and Andrew Starr, “Data-Based Detection and Diagnosis of Faults in Linear Actuators,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2018,67(。

13、9),pp.2035-2047. 0007 5F.Jian,J.C.Mare b,F.Yongling, “Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting, multidisciplinary effects and power flows,” Chinese Journal of Aerenautics, 2017,30(1),pp.47-65. 0008 6顾海锋.一种机电作动器： 中国， 201711162668.。

14、6P， 2017-11-21. 发明内容 0009 本发明的目的在于提供一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 以解决目 前常规机电作动器存在的机械卡阻问题， 以及普通直驱型机电作动器体积质量偏大， 推力 密度偏低的问题。 0010 为达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0011 一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 包括内转子式永磁容错游标电 机， 永磁丝杠副以及支撑测量部件； 0012 所述内转子式永磁容错游标电机包括定子绕组、 定子、 转子永磁体、 转子铁芯、 定 子齿和磁通调制极； 所述永磁丝杠副包括永磁丝杠与永磁螺母； 所述支撑测量部件包括轴 承、 机壳、 直线位移传。

15、感器LVDT及旋转变压器； 0013 所述定子固定在机壳的内部， 其上均匀分布有若干定子齿， 定子齿的下部与磁通 调制极连接成为一体； 所述定子绕组隔齿环绕于各定子齿上； 所述转子永磁体固定于转子 铁芯的外部， 转子铁芯的内部放置永磁丝杠副； 0014 所述永磁丝杠副包括永磁螺母与永磁丝杠； 所述永磁螺母的螺旋式永磁体固定于 转子铁芯的内表面； 所述永磁丝杠包括中空丝杆和丝杠螺旋式永磁体， 丝杠螺旋式永磁体 固定于中空丝杆的外表面； 中空丝杆的前端连接有拉环； 0015 所述轴承位于转子的前后两端， 轴承的外圈连接机壳， 内圈连接一体化转子的固 定支撑部件； 所述直线位移传感器LVDT包括LV。

16、DT铁芯和绕组部分以及LVDT杆状衔铁， LVDT 铁芯与绕组部分的前端位于中空丝杆空腔的后部， 后端与机壳的尾部中心位置固定连接； LVDT杆状衔铁的一端与拉环固定相连， 另一端位于LVDT铁芯与绕组部分的内部； 所述旋转 变压器的定子部分固定于机壳的内部， 转子部分与固定支撑部件固定连接。 0016 进一步地， 所述定子绕组采用隔齿绕制的双三相集中式电枢绕组。 0017 进一步地， 所述转子永磁体采取N、 S极间隔布置的方式， 按径向固定于转子铁芯的 外部。 0018 进一步地， 所述永磁螺母的螺旋式永磁体与丝杠螺旋式永磁体相对应且螺距相 同。 0019 进一步地， 所述LVDT杆状衔铁的。

17、轴线、 中空丝杆的轴线， 内转子式永磁容错游标电 机的轴线、 直线位移传感器LVDT的轴线、 旋转变压器的轴线以及机壳的轴线位于同一直线 上。 0020 与现有技术相比， 本发明具有以下有益的技术效果： 说明书 2/5 页 4 CN 112117863 A 4 0021 本发明采用内转子式永磁容错游标电机与永磁丝杠副相集成的直驱型结构， 可以 为机电作动器带来以下三个技术效果： 0022 永磁游标电机与永磁丝杠副通过磁场实现各部件间力与力矩的非接触传递， 解 决了机电作动器机械卡阻的问题， 提高了机电作动器的可靠性与可维护性， 降低了机电作 动器的噪声与振动。 同时机电作动器过载时不存在硬性机。

18、械损伤， 提升了机电作动器的过 载能力。 0023 永磁游标电机采用磁场调制原理工作， 通过设置磁通调制极产生磁齿轮效应， 使得电机具备低速大力矩的特点， 相比于常规机电作动器通常采用的永磁同步电机， 直流 无刷电机， 其转矩密度更大， 可以有效提高机电作动器的推力密度。 0024 永磁游标电机采用内转子结构， 这种结构使得转子内部的空腔部分可以安装永 磁丝杠副与直线位移传感器(LVDT)， 可以有效提高机电作动器的空间利用率， 缩小机电作 动器体积。 0025 永磁游标电机定子绕组采用双三相集中式隔齿绕制的电枢绕组， 有利于电机某 相绕组在发生短路故障时不影响周围的其它绕组。 同时双三相绕组。

19、能为电机提供两个余 度， 保证电机在单一电气故障情况下仍能保证机电作动器全部的工作性能， 提高了作动器 的可靠性。 附图说明 0026 图1是直驱型机电作动器的横向剖面图。 0027 图2是永磁游标电机与永磁丝杠副的连接结构示意图。 0028 图3是永磁游标电机转子部分与永磁丝杠副螺母部分组成的一体化转子的结构示 意图。 0029 其中： 1-拉环， 2-LVDT杆状衔铁， 3-中空丝杆， 4-丝杠螺旋式永磁体， 5-定子绕组， 6-定子， 7-转子永磁体， 8-转子铁芯， 9-永磁螺母， 10-轴承， 11-旋转变压器， 12-LVDT铁芯与 绕组部分， 13-机壳， 14-定子齿， 15-。

20、磁通调制极， 16-固定支撑部件。 具体实施方式 0030 以下对本发明进行进一步详细说明。 0031 一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 主要包括， 内转子式永磁容错游 标电机， 永磁丝杠副与支撑测量部件。 内转子式永磁容错游标电机的定子部分共有十二个 定子齿14， 上面隔齿绕制两套相互独立且对称的三相单层集中式电枢定子绕组5； 转子部分 由转子永磁体7， 转子铁芯8， 和永磁丝杠副的永磁螺母9直接耦合形成， 其中转子铁芯8的外 部径向布置永磁游标电机的转子永磁体7， 内部放置永磁丝杠副； 永磁丝杠副由永磁螺母9 与永磁丝杠组成， 其中永磁螺母9的螺旋式永磁体固定于转子铁芯8的内层，。

21、 与永磁游标电 机的转子部分耦合形成一体化转子， 永磁丝杠则包括丝杠螺旋式永磁体4和中空丝杆3， 丝 杠螺旋式永磁体4固定于中空丝杆3的外表面， 其螺距与永磁螺母9的螺旋式永磁体的相同； 轴承10起支撑一体化转子的作用， 其外圈连接作动器的机壳13， 内圈连接一体化转子的固 定支撑部件16； 直线位移传感器(LVDT)放置于中空丝杆3的空腔内， 用于测量机电作动器输 出的线性位移， 其包括LVDT铁芯与绕组部分12与LVDT杆状衔铁2， LVDT铁芯与绕组部分12与 说明书 3/5 页 5 CN 112117863 A 5 作动器的机壳13的尾部固定相连， LVDT杆状衔铁2与作动器的拉环1固。

22、定相连； 旋转变压器 11的定子部分固定于机壳13的内部， 转子部分与一体化转子的固定支撑部件16连接， 用于 测量一体化转子的旋转角度与旋转速度。 0032 下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明， 需要说明的是本发明 并不局限于以下具体实施例， 凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保 护范围。 0033 本发明给出一种无机械卡阻高推力密度直驱型机电作动器， 主要包括内转子式永 磁容错游标电机、 永磁丝杠副和支撑测量部件； 0034 内转子式永磁容错游标电机包括： 定子绕组5， 定子6， 转子永磁体7， 转子铁芯8， 定 子齿14和磁通调制极15； 定子绕组5采用双。

23、三相集中式电枢绕组， 隔齿环绕于定子齿14； 定 子6固定在机壳13的内部； 转子永磁体7采取N、 S极间隔布置的方式， 径向固定于转子铁芯8 的外部， 转子永磁体7采用不同的极对数可以使永磁游标电机具有不同的传动比， 实际运用 中可以根据具体情况灵活选取； 转子铁芯8的外表面放置转子永磁体7， 内表面放置永磁螺 母9的螺旋式永磁体， 转子永磁体7与永磁螺母9的螺旋式永磁体共用转子铁芯8； 磁通调制 极15位于定子齿14的下部， 与定子齿14连接成为一体， 起着磁场调制的作用； 当永磁游标电 机通电后， 电机的两组三相绕组各发出一半功率， 共同产生圆形旋转磁场， 该磁场经过磁通 调制极15调制。

24、， 速度降低， 转矩增大， 与转子永磁体7相互作用使转子带动永磁丝杠副的永 磁螺母9旋转； 当定子绕组5发生短路或者开路故障时， 可以立即切除一组三相绕组， 使另一 组三相绕组满功率工作， 保证机电作动器的输出功率， 此外， 隔齿绕制定子绕组5有助于隔 离绕组短路时带来的高温， 火花等不良影响， 降低对周围绕组的影响， 保障机电作动器的高 可靠性。 0035 永磁丝杠副包括： 永磁丝杠和永磁螺母9； 其中永磁丝杠由中空丝杆3和丝杠螺旋 式永磁体4构成， 中空丝杆3的前端与拉环1固定连接， 内部空腔放置LVDT杆状衔铁2， 且LVDT 铁芯与绕组部分12也有部分位于中空丝杆3的内部空腔之中； 丝。

25、杠螺旋式永磁体4固定于中 空丝杠3的外表面， 与永磁螺母9的螺旋式永磁体相对应； 永磁螺母9主要由螺旋式永磁体构 成， 螺旋式永磁体固定于转子铁芯8的内表面， 其螺距与丝杠螺旋式永磁体4的相同； 当永磁 游标电机带动一体化转子转动时， 永磁螺母9的螺旋式永磁体与丝杠螺旋式永磁体4通过磁 场相互作用， 将永磁螺母9的旋转运动转化成永磁丝杠的直线运动， 并通过拉环1带动舵面 摆动， 转化过程中无机械接触， 从而避免机械卡阻。 0036 支撑测量部件包括： 轴承10， 机壳13， LVDT杆状衔铁2， LVDT铁芯与绕组部分12， 旋 转变压器11； 轴承10位于转子的前后两端， 起到支撑一体化转子。

26、的作用， 轴承外圈连接机壳 13， 内圈与一体化转子的固定支撑部件16相连； 机电作动器的机壳13与轴承10的外圈以及 LVDT铁芯与绕组部分12的尾部固定相连， 起到支撑与固定的作用； LVDT杆状衔铁2的一端与 拉环1固定相连， 另一端位于LVDT铁芯与绕组部分12的内部， 当永磁丝杠直线运动时， LVDT 杆状衔铁2会被拉环1带着前后运动， 从而测量机电作动器的直线位移； LVDT铁芯与绕组部 分12的前端位于中空丝杆3空腔的后部， 后端与机壳13的尾部中心位置固定连接； 在结构 上， LVDT杆状衔铁2的轴线， 中空丝杆3的轴线， 永磁游标电机的轴线， 直线位移传感器LVDT 的轴线， 旋转变压器11的轴线以及机壳13的轴线是相同的， 因此机电作动器具备较好的一 致性； 旋转变压器11的定子部分固定于机壳13的内部， 转子部分与一体化转子的固定支撑 说明书 4/5 页 6 CN 112117863 A 6 部件16固定相连， 机电作动器工作时， 永磁游标电机转子带动旋转变压器11的转子转动， 从 而使旋转变压器11可以测量一体化转子的旋转速度与旋转角度。 说明书 5/5 页 7 CN 112117863 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 112117863 A 8 图3 说明书附图 2/2 页 9 CN 112117863 A 9 。