雙主動式冗餘馬達齒輪系統的製作方法
2023-06-02 01:03:41
雙主動式冗餘馬達齒輪系統的製作方法
【專利摘要】一種容錯虛擬橢圓電動馬達具有被約束在定子罩中的至少四個線圈元件。驅動板由支點支撐以用於章動運動，並且具有至少四個核心段，每個核心段分別與所述至少四個線圈元件中的相應一個相關聯以在激活時產生吸引力。控制處理器為所述至少四個線圈元件中的每個提供獨立的電流控制以響應於接收到的位置命令和接收到的擺動角輸入而激活，從而誘導所述至少四個線圈元件在驅動板上以純扭矩和構造運轉。
【專利說明】雙主動式冗餘馬達齒輪系統
【技術領域】
[0001]本公開的實施例大致涉及電動馬達，並且更具體地涉及具有多個線圈的三相虛擬橢圓馬達，以用於允許一個或更多個線圈或控制器故障而不妨礙馬達運行的冗餘操作。
【背景技術】
[0002]在大型商用飛機中的主飛行控制表面的機電致動器為了提供冗餘度而需要複雜的機械聯接器。這些聯接器既重又會引入附加的故障模式和複雜苛刻的裝配公差約束。通常，系統使用兩個獨立馬達的速度加法。這需要每個馬達具有制動器並且與差動件連接，其允許一個馬達驅動負載並且在故障條件下允許該馬達應用其制動器以允許另一個馬達運行。這是包括多個齒輪嚙合和軸承支撐的複雜機械系統。這種精密機器可能具有較低效率因而降低系統性能。制動器是附加的潛在故障點並降低系統的可靠性。
[0003]因此期望提供一種電動馬達控制的致動器，其無需馬達冗餘、速度加法或制動系統來在故障容錯模式中操作。
【發明內容】
[0004]本文描述的實施例提供了一種容錯虛擬橢圓電動馬達，其具有被約束在定子罩中的至少四個線圈元件。驅動板由支點支撐以用於章動運動，並且驅動板具有至少四個核心段，每個核心段分別與所述至少四個線圈元件中的一個相關聯以在激活時產生吸引力。控制處理器為所述至少四個線圈元件的每個提供獨立的電流控制以用於響應於接收到的位置命令和接收到的擺動角輸入進行激活，從而誘導所述至少四個線圈元件在驅動板上以純扭矩和構造運轉。
[0005]實施例可以通過提供附接於驅動板的旋轉法蘭而用於飛機表面的致動器，所述旋轉法蘭適合於連接到和空氣動力學表面相關聯的致動元件。
[0006]通過接收位置命令實現用於利用本公開實施例的致動器的控制的方法。確定章動驅動板擺動角度，並相繼地控制多個至少四個靜止線圈元件中至少三個的電流從而誘導驅動板的章動以達到與接收到的位置命令一致的擺動角度。
[0007]另外，本公開包括根據下列條款的實施例:
[0008]條款I 一種容錯虛擬橢圓電動馬達，包括:
[0009]被約束在定子罩中的至少五個線圈元件；
[0010]驅動板，其由支點支撐以用於章動運動並且具有至少五個核心段，每個所述核心段分別與所述至少五個線圈元件中的相應一個相關聯以用以在激活時產生吸引力；和
[0011]控制處理器，其為所述至少五個線圈元件中的每個提供獨立的電流控制，以用於響應於接收到的位置命令和接收到的擺動角度輸入而激活，所述至少五個線圈元件在驅動板上以純扭矩和構造運行。
[0012]條款2根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中每個線圈元件包括:
[0013]靜止核心；和
[0014]線圈，其操作性地關聯於所述靜止核心以用於在線圈中通入電流時核心的磁化。
[0015]條款3根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中驅動板包含外周環齒輪(outer pericyclic gear)和內周環齒輪(inner pericyclic gear),並且還包括:
[0016]反作用板，其具有反作用周環齒輪，所述反作用周環齒輪適於外周環齒輪的配合地接合；和
[0017]驅動板，其具有驅動周環齒輪，所述驅動周環齒輪適於內周環齒輪的配合地接合。
[0018]條款4根據條款3所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括:
[0019]罩，其與反作用板相連接並且其具有附接於結構的靜止連接件；和
[0020]附接於驅動板的旋轉法蘭，所述旋轉法蘭適於與致動元件連接。
[0021]條款5根據條款4所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括適於在所述罩中可旋轉地支撐驅動板的套管。
[0022]條款6根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括至少兩個位置傳感器，其向控制處理器提供擺動角度輸入。
[0023]條款7根據條款6所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少兩個位置傳感器包括六個位置傳感器。
[0024]條款8根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少五個線圈元件包括六個線圈元件，並且所述至少五個核心段包括六個核心段。
[0025]條款9根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括與所述至少五個線圈元件中的每個相關聯的永磁體。
[0026]條款10根據條款I所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述控制處理器包括編程軟體模塊以基於擺動角度確定當前致動器位置，並基於接收到的位置命令確定使驅動板從當前位置旋轉到期望位置所必要的扭矩命令。
[0027]條款11 一種飛機控制表面系統,包括:
[0028]空氣動力學表面；
[0029]容錯虛擬橢圓電動馬達，其具有
[0030]被約束在定子罩中的至少五個線圈元件；
[0031]驅動板，其由支點支撐以用於章動運動並且具有至少五個核心段，每個所述核心段分別與所述至少五個線圈元件中的相應一個相關聯用以在激活時產生吸引力；
[0032]附接於驅動板的旋轉法蘭，所述旋轉法蘭適於連接到關聯於空氣動力學表面的致動元件；和
[0033]控制處理器，其為所述至少五個線圈元件中的每個提供獨立的電流控制，以用於響應於接收到的位置命令和接收到的擺動角度輸入而激活，所述至少五個線圈元件在驅動板上以純扭矩和構造運行。
[0034]條款12根據條款11所述飛機控制表面系統，其中所述驅動板包含外周環齒輪(outer pericyclic gear)和內周環齒輪(inner pericyclic gear),並且還包括:
[0035]具有反作用周環齒輪的反作用板，所述反作用周環齒輪適於外周環齒輪的配合地接合；
[0036]具有驅動周環齒輪的驅動板，所述驅動周環齒輪適於內周環齒輪的配合地接合；以及
[0037]封罩驅動板、線圈元件和反作用板的罩，所述罩被連接到所述反作用板並具有附接到結構的靜止連接。
[0038]條款13根據條款11所述飛機控制表面系統，還包括適合於在所述罩中可旋轉地支撐驅動板的套管。
[0039]條款14根據條款11所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括至少兩個位置傳感器，其向控制處理器提供擺動角度輸入。
[0040]條款15根據條款14所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少兩個位置傳感器包括六個位置傳感器。
[0041]條款16根據條款11所述容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少五個線圈元件包括六個線圈元件，並且所述至少五個核心段包括六個核心段。
[0042]條款17根據條款11所述容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括與所述至少五個線圈元件中的每個相關聯的永磁體。
[0043]條款18 —種用於控制致動器的方法，包括:
[0044]接收位置命令；
[0045]確定安裝在支點上的章動驅動板的擺動角度；以及
[0046]相繼地控制至多個至少五個靜止線圈元件中的至少三個的電流，以吸引驅動板中的相關聯的核心段，從而誘導驅動板的章動到達與接收到的位置命令一致的擺動角度。
[0047]條款19根據條款18所述用於控制致動器的方法，其中相繼控制電流的步驟包括調節每個線圈中的電流以達到相對於與該線圈關聯的扇區的計算出的擺動角變化，所述電流調節獨立於對任何其他線圈元件的電流控制。
[0048]條款20根據條款18所述用於控制致動器的方法，其中所述多個至少五個靜止線圈元件包括第一組以120°間隔的三個線圈元件和第二組三個線圈元件，第二組中的每個線圈在第一組中的兩個線圈之間，並且還包括:
[0049]識別故障線圈；
[0050]移除對包含故障線圈的第一組三個線圈的控制動力；以及
[0051]將至第二組線圈的電流增加至1.7倍。
[0052]以上討論的特徵、功能和優點在本公開的各種實施例中能夠獨立實現，或者可以在另一些實施例中結合，參考下面的說明和附圖可以看到更多詳細內容。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0053]圖1是根據本實施例的包含在機翼中的示例性空氣動力學表面致動器的等距剖視圖；
[0054]圖2是致動器實施例的詳細視圖；
[0055]圖3是以展現虛擬橢圓電動馬達的元件的第一視角示出的致動器分解圖；
[0056]圖4是以第二視角示出的致動器分解圖；
[0057]圖5是示例性實施例中的線圈系統的等距視圖；
[0058]圖6A是轉子齒輪和輸出板及反作用板傳動齒輪的接合的側視圖；
[0059]圖6B是轉子齒輪和輸出板的接合的側視圖，其中為清楚移除了反作用板；
[0060]圖7是致動器控制元件的方框圖；以及
[0061]圖8是用於利用本文公開的實施例的系統來控制包括故障條件的致動器的方法的流程圖。
[0062]在此公開中示出的每個附圖示出了所提供實施例的一個方面的一種變體，並且只有不同點將被詳細討論。
【具體實施方式】
[0063]本文公開的實施例提供一種採用虛擬橢圓電動馬達的致動器，其中虛擬橢圓電動馬達帶有多於三個線圈段，所述線圈段獨立工作但都在同一輸出板上以純扭矩和而不是速度求和操作在運行。如果任何一個線圈故障，或一個線圈的控制器故障使線圈失效，則扭矩的和被減小但是對剩餘線圈的增加的扭矩命令適應了因故障線圈而缺少的扭矩。由於線圈的純扭矩和操作，故障線圈或其控制器對馬達運轉沒有影響，而且故障發生後不需要將系統帶上線的轉換時間。
[0064]參照附圖，圖1示出了具有空氣動力學表面12的飛機機翼10，所述表面如副翼、擾流板或襟翼，其提供飛機控制表面系統。根據本實施例的致動器14具有至如機翼結構元件18的用於致動力的反作用的靜止結構的靜止連接件16。驅動連接件20附接於空氣動力學表面12的致動元件。
[0065]圖2中詳細示出了致動器14。靜止連接件16直接從致動器的罩22延伸。驅動連接件20從旋轉法蘭21延伸。如該實施例所示，靜止連接件16和驅動連接件20表示為圓柱形末端元件，其被接納在致動杆中的單球軸承內。在可替代的實施例中，可以使用如直接連接於旋轉法蘭21或旋轉輸出板的杆末端或法蘭的其他連接設置(會在後文更詳細的描述)和致動器罩22。
[0066]如圖3和圖4的分解圖所示，致動器包括具有支撐多個定子線圈元件26的定子罩24的虛擬橢圓電動馬達(如圖3所見並將在後文參照圖5更詳細描述)。如該實施例所示，示出了六個定子線圈元件26，然而在可替代的實施例中可以使用大於四的任意數量。驅動板28包括定子線圈元件26的匹配核心段30 (如圖4所見)。核心元件30將驅動板28劃分為扇區，每個扇區與一個線圈元件26相關聯。驅動板28額外地具有接近外圓周的外周環齒環32和位於外齒環徑向向內的內周環齒環34。靜止或反作用齒輪板36包括反作用周環齒環38 (如圖4所見)以便配合地接合驅動板28上的外周環齒環32。旋轉輸出板40包括旋轉驅動周環齒環42 (如圖4所見)以便接合在驅動板28上的內周環齒環34。套管44支撐旋轉輸出板40。虛擬橢圓電動馬達被支撐在具有底座46的致動器罩22內，定子罩24被接收在底座46中。封蓋48通過螺栓47附接於底座46並支撐套管44。反作用環50分別通過螺栓49和51將反作用齒輪板36接合到封蓋48。旋轉法蘭21通過螺栓41附接於旋轉輸出板40。
[0067]圖5示出了定子罩24和定子線圈元件26的細節。與傳統電動馬達不同，每個定子線圈元件26的致動線圈52位於靜止核心54上。一旦通過引入電流激活線圈52,核心54就吸引驅動板28上的對應的匹配核心段30。驅動板28由支點56支撐，如圖6A和圖6B所見，其作為擺動板並且隨著線圈52相繼激活而在支點上章動(nutate)。在運行期間，驅動板28中的第一匹配核心段30(如圖4所見)被電磁地拉到相關聯的定子線圈元件26 (如圖3和圖5所見)，如箭頭57所指示的，並且驅動板28的直徑上相反的部分被拉抵於反作用齒輪板36和旋轉輸出板40 (如圖3所見)且分別通過反作用周環齒環38和旋轉驅動周環齒環42(如圖4所見)與外周環齒環32和內周環齒環34的相關聯部分接合。相繼激活線圈52導致驅動板28在支點56上章動。周環齒輪的性質導致了在上升齒輪徑向向內而在下降齒輪徑向向外的相對運動。相繼接合併驅動驅動板28的內周環齒輪34抵靠旋轉輸出板40上的旋轉周環齒輪42驅動旋轉輸出板40隨著驅動板28繞支點56章動而旋轉。旋轉運動對致動器罩22 (由底座46和封蓋48構成)的反作用由與反作用環36上的反作用周環齒輪38接合的驅動板的外周環齒輪32提供。在示例性實施例中，在外周環齒輪和反作用周環齒輪上具有180個齒，而在內周環齒輪和驅動周環齒輪上具有179個齒，達到180比I的齒輪齒數比允許對產生的扭矩以高機械優勢的非常精確的控制。
[0068]通過採用一個或多個位置傳感器來測量驅動板28的擺動角度並響應於命令扭矩激活線圈元件26來完成虛擬橢圓電動馬達的控制。每個線圈元件都獨立於其他線圈被命令。如圖7所示，位置傳感器60和電流傳感器62關聯於每個線圈元件(附圖中所示實施例為六個位置傳感器和六個電流傳感器)。在可替代實施例中，最少為兩個位置傳感器，例如可從德國奧爾滕堡的MICRO-EPSILON MESSTENCHNIK GmbH&C0.KG (德國米銥公司)得到的渦流探測器，其以90°或120°間隔開並可用於提供對擺動角度的完全行列式計算。控制處理器64接收來自飛行控制計算機或類似命令裝置的致動器14的位置命令65和來自位置傳感器60和電流傳感器62的輸入。控制處理器64包括編程軟體模塊以基於擺動角度70確定電流致動器位置，並基於接收到的位置命令確定將驅動板28從當然位置旋轉至期望位置所需的扭矩命令72。計算得到的電流輸出74通過電纜66(如圖3和圖4所見)被相繼提供給每個線圈元件以激活從而導致驅動板28章動達到期望位置。通過經附接電纜68(如圖3和圖4所見)提供的來自位置傳感器的反饋，被激活線圈元件中的電流被控制處理器64控制以相對於該線圈元件和由位置傳感器確定的位置達到期望的位置變化而不涉及其他線圈元件。因此，由於附加的電流施加於相鄰線圈元件以達到期望的位置變化，一個線圈元件的故障或該元件的控制器的故障不妨礙馬達的運行。線圈元件以純扭矩和運轉以提供驅動板28的章動。
[0069]圖8的流程圖中描述了控制處理器的運行。用於控制虛擬橢圓電動馬達致動器的方法開始於，通過拉下並壓緊/下壓章動驅動板確定基礎或零轉子位置開始，步驟800。驅動板必須在已知且有效的位置以便使定子以已知且規律的方式向驅動板施加力。至少一個線圈被充能以拉動驅動板直至驅動板相對於該線圈處於最大傾斜角(完全降下)。之後通過位置傳感器測量位置建立零位置。然後接收位置命令，步驟802。章動驅動板擺動角度由控制處理器基於來自位置傳感器的輸入確定以建立相對於定子線圈位置的驅動板的下降點的相對位置，步驟804。之後，電流輸入由控制處理器相繼控制用以應用電流至多個至少五個靜止線圈元件中的至少三個，從而誘導驅動板的章動達到與接收到的位置命令一致的擺動角度，步驟806。至線圈的電流的應用作為力矢量應用被確定。使用位置測量，電流強度的組合被施加於所有定子線圈。由這些電流產生的力通過磁引力在轉子上作為矢量相加產生期望的壓緊和扭矩。這些矢量相互獨立並能夠僅在其定子位置施加力。只需要以大於90度間隔開的三個矢量來提供對轉子的完全控制。隨著轉子運動通過其周期，調製這些電流。電流可以被相繼地提供給所有的線圈元件(只要它們在運作中)。調節在每個線圈中的電流以達到相對於與該線圈關聯的扇區的計算出的擺動角度變化，而獨立於對任何其他線圈元件的電流控制(電流調節獨立於電流控制)，步驟808。在五個或更多線圈的任何構造中，任意單個線圈故障和任何不相鄰線圈的雙重故障導致至少三個剩餘線圈相互間隔小於160°。對於更多數量的線圈，可以適應多個線圈故障，只要至少三個線圈保持成剩餘線圈之間的角度小於這三個線圈中的任何兩個之間的160°即可。
[0070]在一個示例性實施例中，六個線圈和轉子核心段提供獨立的三線圈組(三個線圈元件)，其中每個線圈圍繞定子相互間隔120度，第一組的每個線圈介於第二組的兩個線圈之間。使用位置測量，電流強度的組合被施加於每組定子線圈。由這些電流產生的力通過磁引力在轉子上作為矢量相加產生期望的壓緊和扭矩。隨著轉子運動通過其周期，調製這些電流。因為所有力都是獨立的，所以兩組三相電流與由相對轉子位置改變的扭矩命令成比例。響應於某些錯誤(即位置、速度、加速度)，電流的矢量和的大小由馬達控制器控制。如果所有線圈和/或控制器都是激活的，則各個線圈將在轉子的整個周期或擺動上具有平均電流。當一個或更多個線圈丟失時，丟失線圈的這個三線圈組被去能，產生期望的力所需的矢量和必須保持相同，所以剩餘線圈中的平均電流簡單地增加到1.7倍以補償丟失而不需要任何其他變化。
[0071]為了進一步適應線圈元件的故障，如圖5所示，永磁體58可以與每個線圈元件26關聯，以便給驅動板28的核心段30提供附加的壓緊力。章動驅動板28將接近相關聯的永磁體相繼地放置每個核心段，並且磁體將為驅動板28中的核心段30提供吸引力，即使相關聯的線圈52沒有充能以磁化靜止核心54也如是，從而反抗在失活線圈之上提升驅動板28的齒輪反作用的任何傾向。這加強了驅動板擺動通過故障線圈扇區的能力。在示出的實施例中，永磁體58位於接近定子罩24的外圍周長以與驅動板28的章動外圍緊密接觸。
[0072]通過提供帶有相關聯的線圈和靜止核心的至少五個線圈元件以吸引驅動板中的相關聯的核心段，一個線圈元件的故障不影響虛擬橢圓電動馬達的運行。在以前文描述過的三個線圈構成的兩組運轉的六個線圈系統的70%的電流容量的過容量，允許線圈組接收充足的電流以過載驅動板的章動通過相關聯於無效線圈元件的扇區。系統中包括的每個附加線圈元件將提供對馬達中附加的非相鄰線圈故障的耐受能力。本文描述的實施例的示例性的六個線圈元件構造，當在全部六個線圈被獨立控制下運行時，將適應三個非相鄰線圈故障或兩個相鄰線圈故障而不影響馬達運行。
[0073]以上根據專利法規需要詳細描述了本公開的各種實施例，本領域的技術人員將認識到關於本文公開的特定實施例的改變和代替。這些改變根據定義的權利要求都在本公開的範圍和目的之內。
【權利要求】
1.一種容錯虛擬橢圓電動馬達，包括: 至少五個線圈元件，其被約束在定子罩中； 驅動板，其由支點支撐以用於章動運動並且具有至少五個核心段，每個所述核心段分別與所述至少五個線圈元件中的相應一個相關聯以用於在激活時產生吸引力；和 控制處理器，其為所述至少五個線圈元件中的每個提供獨立的電流控制以響應於接收到的位置命令和接收到的擺動角輸入而激活，所述至少五個線圈元件在所述驅動板上以純扭矩和構造運行。
2.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，其中每個線圈元件包括: 靜止核心；和 線圈，其操作地關聯於所述靜止核心以在所述線圈中引入電流時磁化所述核心。
3.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述驅動板包括外周環齒輪和內周環齒輪並進一步包括: 反作用板，其具有適於與所述外周環齒輪配合地接合的反作用周環齒輪；和 驅動板，其具有適於與所述內周環齒輪配合地接合的驅動周環齒輪。
4.根據權利要求3所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括: 罩，其連接於所述反作用板並且具有用於附接至結構的靜止連接件；和 旋轉法蘭，其附接到所述驅動板，所述旋轉法蘭適於連接到致動元件。
5.根據權利要求4所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括套管，其適於在所述罩中旋轉地支撐所述驅動板。
6.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括至少兩個位置傳感器，其向所述控制處理器提供所述擺動角輸入。
7.根據權利要求6所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少兩個位置傳感器包括六個位置傳感器。
8.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述至少五個線圈元件包括六個線圈元件，並且所述至少五個核心段包括六個核心段。
9.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，還包括永磁體，其與所述至少五個線圈元件中的每個相關聯。
10.根據權利要求1所述的容錯虛擬橢圓電動馬達，其中所述控制處理器包括編程軟體模塊用以便基於擺動角確定當前制動器位置，並且基於所述接收到的位置命令確定將所述驅動板從當前位置轉到期望位置所需的扭矩命令。
11.一種控制致動器的方法，包括: 接收位置命令； 確定安裝在支點上的章動驅動板的擺動角；以及 相繼控制至多個至少五個靜止線圈元件中的至少三個的電流以吸引所述驅動板中的相關聯的核心段，從而誘導所述驅動板的章動達到與所述接收到的位置命令一致的擺動角。
12.根據權利要求11所述的控制致動器的方法，其中相繼控制電流的步驟包括調節每個線圈中的電流以便相對於與這個線圈關聯的扇區達到計算出的擺動角變化，所述電流調節獨立於對任何其他線圈元件的電流控制。
13.根據權利要求11所述的控制致動器的方法，其中所述多個至少五個靜止線圈元件包括以120°間隔開的第一組三個線圈元件和第二組三個線圈元件，所述第二組中的每個線圈介於所述第一組中的兩個線圈之間，並進一步包括: 識別故障線圈； 移除包含所述故障線圈的所述第一組三個線圈的控制動力；以及 將至所述第二組線圈的電流增加至1.7倍。
【文檔編號】H02P6/24GK104283370SQ201410289756
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】R·阿特姆 申請人:波音公司