双主动式冗余马达齿轮系统的制作方法
【专利摘要】一种容错虚拟椭圆电动马达具有被约束在定子罩中的至少四个线圈元件。驱动板由支点支撑以用于章动运动，并且具有至少四个核心段，每个核心段分别与所述至少四个线圈元件中的相应一个相关联以在激活时产生吸引力。控制处理器为所述至少四个线圈元件中的每个提供独立的电流控制以响应于接收到的位置命令和接收到的摆动角输入而激活，从而诱导所述至少四个线圈元件在驱动板上以纯扭矩和构造运转。
【专利说明】双主动式冗余马达齿轮系统
【技术领域】
[0001]本公开的实施例大致涉及电动马达，并且更具体地涉及具有多个线圈的三相虚拟椭圆马达，以用于允许一个或更多个线圈或控制器故障而不妨碍马达运行的冗余操作。
【背景技术】
[0002]在大型商用飞机中的主飞行控制表面的机电致动器为了提供冗余度而需要复杂的机械联接器。这些联接器既重又会引入附加的故障模式和复杂苛刻的装配公差约束。通常，系统使用两个独立马达的速度加法。这需要每个马达具有制动器并且与差动件连接，其允许一个马达驱动负载并且在故障条件下允许该马达应用其制动器以允许另一个马达运行。这是包括多个齿轮啮合和轴承支撑的复杂机械系统。这种精密机器可能具有较低效率因而降低系统性能。制动器是附加的潜在故障点并降低系统的可靠性。
[0003]因此期望提供一种电动马达控制的致动器，其无需马达冗余、速度加法或制动系统来在故障容错模式中操作。
【发明内容】
[0004]本文描述的实施例提供了一种容错虚拟椭圆电动马达，其具有被约束在定子罩中的至少四个线圈元件。驱动板由支点支撑以用于章动运动，并且驱动板具有至少四个核心段，每个核心段分别与所述至少四个线圈元件中的一个相关联以在激活时产生吸引力。控制处理器为所述至少四个线圈元件的每个提供独立的电流控制以用于响应于接收到的位置命令和接收到的摆动角输入进行激活，从而诱导所述至少四个线圈元件在驱动板上以纯扭矩和构造运转。
[0005]实施例可以通过提供附接于驱动板的旋转法兰而用于飞机表面的致动器，所述旋转法兰适合于连接到和空气动力学表面相关联的致动元件。
[0006]通过接收位置命令实现用于利用本公开实施例的致动器的控制的方法。确定章动驱动板摆动角度，并相继地控制多个至少四个静止线圈元件中至少三个的电流从而诱导驱动板的章动以达到与接收到的位置命令一致的摆动角度。
[0007]另外，本公开包括根据下列条款的实施例:
[0008]条款I 一种容错虚拟椭圆电动马达，包括:
[0009]被约束在定子罩中的至少五个线圈元件；
[0010]驱动板，其由支点支撑以用于章动运动并且具有至少五个核心段，每个所述核心段分别与所述至少五个线圈元件中的相应一个相关联以用以在激活时产生吸引力；和
[0011]控制处理器，其为所述至少五个线圈元件中的每个提供独立的电流控制，以用于响应于接收到的位置命令和接收到的摆动角度输入而激活，所述至少五个线圈元件在驱动板上以纯扭矩和构造运行。
[0012]条款2根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，其中每个线圈元件包括:
[0013]静止核心；和
[0014]线圈，其操作性地关联于所述静止核心以用于在线圈中通入电流时核心的磁化。
[0015]条款3根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，其中驱动板包含外周环齿轮(outer pericyclic gear)和内周环齿轮(inner pericyclic gear),并且还包括:
[0016]反作用板，其具有反作用周环齿轮，所述反作用周环齿轮适于外周环齿轮的配合地接合；和
[0017]驱动板，其具有驱动周环齿轮，所述驱动周环齿轮适于内周环齿轮的配合地接合。
[0018]条款4根据条款3所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括:
[0019]罩，其与反作用板相连接并且其具有附接于结构的静止连接件；和
[0020]附接于驱动板的旋转法兰，所述旋转法兰适于与致动元件连接。
[0021]条款5根据条款4所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括适于在所述罩中可旋转地支撑驱动板的套管。
[0022]条款6根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括至少两个位置传感器，其向控制处理器提供摆动角度输入。
[0023]条款7根据条款6所述容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少两个位置传感器包括六个位置传感器。
[0024]条款8根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少五个线圈元件包括六个线圈元件，并且所述至少五个核心段包括六个核心段。
[0025]条款9根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括与所述至少五个线圈元件中的每个相关联的永磁体。
[0026]条款10根据条款I所述容错虚拟椭圆电动马达，其中所述控制处理器包括编程软件模块以基于摆动角度确定当前致动器位置，并基于接收到的位置命令确定使驱动板从当前位置旋转到期望位置所必要的扭矩命令。
[0027]条款11 一种飞机控制表面系统,包括:
[0028]空气动力学表面；
[0029]容错虚拟椭圆电动马达，其具有
[0030]被约束在定子罩中的至少五个线圈元件；
[0031]驱动板，其由支点支撑以用于章动运动并且具有至少五个核心段，每个所述核心段分别与所述至少五个线圈元件中的相应一个相关联用以在激活时产生吸引力；
[0032]附接于驱动板的旋转法兰，所述旋转法兰适于连接到关联于空气动力学表面的致动元件；和
[0033]控制处理器，其为所述至少五个线圈元件中的每个提供独立的电流控制，以用于响应于接收到的位置命令和接收到的摆动角度输入而激活，所述至少五个线圈元件在驱动板上以纯扭矩和构造运行。
[0034]条款12根据条款11所述飞机控制表面系统，其中所述驱动板包含外周环齿轮(outer pericyclic gear)和内周环齿轮(inner pericyclic gear),并且还包括:
[0035]具有反作用周环齿轮的反作用板，所述反作用周环齿轮适于外周环齿轮的配合地接合；
[0036]具有驱动周环齿轮的驱动板，所述驱动周环齿轮适于内周环齿轮的配合地接合；以及
[0037]封罩驱动板、线圈元件和反作用板的罩，所述罩被连接到所述反作用板并具有附接到结构的静止连接。
[0038]条款13根据条款11所述飞机控制表面系统，还包括适合于在所述罩中可旋转地支撑驱动板的套管。
[0039]条款14根据条款11所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括至少两个位置传感器，其向控制处理器提供摆动角度输入。
[0040]条款15根据条款14所述容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少两个位置传感器包括六个位置传感器。
[0041]条款16根据条款11所述容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少五个线圈元件包括六个线圈元件，并且所述至少五个核心段包括六个核心段。
[0042]条款17根据条款11所述容错虚拟椭圆电动马达，还包括与所述至少五个线圈元件中的每个相关联的永磁体。
[0043]条款18 —种用于控制致动器的方法，包括:
[0044]接收位置命令；
[0045]确定安装在支点上的章动驱动板的摆动角度；以及
[0046]相继地控制至多个至少五个静止线圈元件中的至少三个的电流，以吸引驱动板中的相关联的核心段，从而诱导驱动板的章动到达与接收到的位置命令一致的摆动角度。
[0047]条款19根据条款18所述用于控制致动器的方法，其中相继控制电流的步骤包括调节每个线圈中的电流以达到相对于与该线圈关联的扇区的计算出的摆动角变化，所述电流调节独立于对任何其他线圈元件的电流控制。
[0048]条款20根据条款18所述用于控制致动器的方法，其中所述多个至少五个静止线圈元件包括第一组以120°间隔的三个线圈元件和第二组三个线圈元件，第二组中的每个线圈在第一组中的两个线圈之间，并且还包括:
[0049]识别故障线圈；
[0050]移除对包含故障线圈的第一组三个线圈的控制动力；以及
[0051]将至第二组线圈的电流增加至1.7倍。
[0052]以上讨论的特征、功能和优点在本公开的各种实施例中能够独立实现，或者可以在另一些实施例中结合，参考下面的说明和附图可以看到更多详细内容。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1是根据本实施例的包含在机翼中的示例性空气动力学表面致动器的等距剖视图；
[0054]图2是致动器实施例的详细视图；
[0055]图3是以展现虚拟椭圆电动马达的元件的第一视角示出的致动器分解图；
[0056]图4是以第二视角示出的致动器分解图；
[0057]图5是示例性实施例中的线圈系统的等距视图；
[0058]图6A是转子齿轮和输出板及反作用板传动齿轮的接合的侧视图；
[0059]图6B是转子齿轮和输出板的接合的侧视图，其中为清楚移除了反作用板；
[0060]图7是致动器控制元件的方框图；以及
[0061]图8是用于利用本文公开的实施例的系统来控制包括故障条件的致动器的方法的流程图。
[0062]在此公开中示出的每个附图示出了所提供实施例的一个方面的一种变体，并且只有不同点将被详细讨论。
【具体实施方式】
[0063]本文公开的实施例提供一种采用虚拟椭圆电动马达的致动器，其中虚拟椭圆电动马达带有多于三个线圈段，所述线圈段独立工作但都在同一输出板上以纯扭矩和而不是速度求和操作在运行。如果任何一个线圈故障，或一个线圈的控制器故障使线圈失效，则扭矩的和被减小但是对剩余线圈的增加的扭矩命令适应了因故障线圈而缺少的扭矩。由于线圈的纯扭矩和操作，故障线圈或其控制器对马达运转没有影响，而且故障发生后不需要将系统带上线的转换时间。
[0064]参照附图，图1示出了具有空气动力学表面12的飞机机翼10，所述表面如副翼、扰流板或襟翼，其提供飞机控制表面系统。根据本实施例的致动器14具有至如机翼结构元件18的用于致动力的反作用的静止结构的静止连接件16。驱动连接件20附接于空气动力学表面12的致动元件。
[0065]图2中详细示出了致动器14。静止连接件16直接从致动器的罩22延伸。驱动连接件20从旋转法兰21延伸。如该实施例所示，静止连接件16和驱动连接件20表示为圆柱形末端元件，其被接纳在致动杆中的单球轴承内。在可替代的实施例中，可以使用如直接连接于旋转法兰21或旋转输出板的杆末端或法兰的其他连接设置(会在后文更详细的描述)和致动器罩22。
[0066]如图3和图4的分解图所示，致动器包括具有支撑多个定子线圈元件26的定子罩24的虚拟椭圆电动马达(如图3所见并将在后文参照图5更详细描述)。如该实施例所示，示出了六个定子线圈元件26，然而在可替代的实施例中可以使用大于四的任意数量。驱动板28包括定子线圈元件26的匹配核心段30 (如图4所见)。核心元件30将驱动板28划分为扇区，每个扇区与一个线圈元件26相关联。驱动板28额外地具有接近外圆周的外周环齿环32和位于外齿环径向向内的内周环齿环34。静止或反作用齿轮板36包括反作用周环齿环38 (如图4所见)以便配合地接合驱动板28上的外周环齿环32。旋转输出板40包括旋转驱动周环齿环42 (如图4所见)以便接合在驱动板28上的内周环齿环34。套管44支撑旋转输出板40。虚拟椭圆电动马达被支撑在具有底座46的致动器罩22内，定子罩24被接收在底座46中。封盖48通过螺栓47附接于底座46并支撑套管44。反作用环50分别通过螺栓49和51将反作用齿轮板36接合到封盖48。旋转法兰21通过螺栓41附接于旋转输出板40。
[0067]图5示出了定子罩24和定子线圈元件26的细节。与传统电动马达不同，每个定子线圈元件26的致动线圈52位于静止核心54上。一旦通过引入电流激活线圈52,核心54就吸引驱动板28上的对应的匹配核心段30。驱动板28由支点56支撑，如图6A和图6B所见，其作为摆动板并且随着线圈52相继激活而在支点上章动(nutate)。在运行期间，驱动板28中的第一匹配核心段30(如图4所见)被电磁地拉到相关联的定子线圈元件26 (如图3和图5所见)，如箭头57所指示的，并且驱动板28的直径上相反的部分被拉抵于反作用齿轮板36和旋转输出板40 (如图3所见)且分别通过反作用周环齿环38和旋转驱动周环齿环42(如图4所见)与外周环齿环32和内周环齿环34的相关联部分接合。相继激活线圈52导致驱动板28在支点56上章动。周环齿轮的性质导致了在上升齿轮径向向内而在下降齿轮径向向外的相对运动。相继接合并驱动驱动板28的内周环齿轮34抵靠旋转输出板40上的旋转周环齿轮42驱动旋转输出板40随着驱动板28绕支点56章动而旋转。旋转运动对致动器罩22 (由底座46和封盖48构成)的反作用由与反作用环36上的反作用周环齿轮38接合的驱动板的外周环齿轮32提供。在示例性实施例中，在外周环齿轮和反作用周环齿轮上具有180个齿，而在内周环齿轮和驱动周环齿轮上具有179个齿，达到180比I的齿轮齿数比允许对产生的扭矩以高机械优势的非常精确的控制。
[0068]通过采用一个或多个位置传感器来测量驱动板28的摆动角度并响应于命令扭矩激活线圈元件26来完成虚拟椭圆电动马达的控制。每个线圈元件都独立于其他线圈被命令。如图7所示，位置传感器60和电流传感器62关联于每个线圈元件(附图中所示实施例为六个位置传感器和六个电流传感器)。在可替代实施例中，最少为两个位置传感器，例如可从德国奥尔滕堡的MICRO-EPSILON MESSTENCHNIK GmbH&C0.KG (德国米铱公司)得到的涡流探测器，其以90°或120°间隔开并可用于提供对摆动角度的完全行列式计算。控制处理器64接收来自飞行控制计算机或类似命令装置的致动器14的位置命令65和来自位置传感器60和电流传感器62的输入。控制处理器64包括编程软件模块以基于摆动角度70确定电流致动器位置，并基于接收到的位置命令确定将驱动板28从当然位置旋转至期望位置所需的扭矩命令72。计算得到的电流输出74通过电缆66(如图3和图4所见)被相继提供给每个线圈元件以激活从而导致驱动板28章动达到期望位置。通过经附接电缆68(如图3和图4所见)提供的来自位置传感器的反馈，被激活线圈元件中的电流被控制处理器64控制以相对于该线圈元件和由位置传感器确定的位置达到期望的位置变化而不涉及其他线圈元件。因此，由于附加的电流施加于相邻线圈元件以达到期望的位置变化，一个线圈元件的故障或该元件的控制器的故障不妨碍马达的运行。线圈元件以纯扭矩和运转以提供驱动板28的章动。
[0069]图8的流程图中描述了控制处理器的运行。用于控制虚拟椭圆电动马达致动器的方法开始于，通过拉下并压紧/下压章动驱动板确定基础或零转子位置开始，步骤800。驱动板必须在已知且有效的位置以便使定子以已知且规律的方式向驱动板施加力。至少一个线圈被充能以拉动驱动板直至驱动板相对于该线圈处于最大倾斜角(完全降下)。之后通过位置传感器测量位置建立零位置。然后接收位置命令，步骤802。章动驱动板摆动角度由控制处理器基于来自位置传感器的输入确定以建立相对于定子线圈位置的驱动板的下降点的相对位置，步骤804。之后，电流输入由控制处理器相继控制用以应用电流至多个至少五个静止线圈元件中的至少三个，从而诱导驱动板的章动达到与接收到的位置命令一致的摆动角度，步骤806。至线圈的电流的应用作为力矢量应用被确定。使用位置测量，电流强度的组合被施加于所有定子线圈。由这些电流产生的力通过磁引力在转子上作为矢量相加产生期望的压紧和扭矩。这些矢量相互独立并能够仅在其定子位置施加力。只需要以大于90度间隔开的三个矢量来提供对转子的完全控制。随着转子运动通过其周期，调制这些电流。电流可以被相继地提供给所有的线圈元件(只要它们在运作中)。调节在每个线圈中的电流以达到相对于与该线圈关联的扇区的计算出的摆动角度变化，而独立于对任何其他线圈元件的电流控制(电流调节独立于电流控制)，步骤808。在五个或更多线圈的任何构造中，任意单个线圈故障和任何不相邻线圈的双重故障导致至少三个剩余线圈相互间隔小于160°。对于更多数量的线圈，可以适应多个线圈故障，只要至少三个线圈保持成剩余线圈之间的角度小于这三个线圈中的任何两个之间的160°即可。
[0070]在一个示例性实施例中，六个线圈和转子核心段提供独立的三线圈组(三个线圈元件)，其中每个线圈围绕定子相互间隔120度，第一组的每个线圈介于第二组的两个线圈之间。使用位置测量，电流强度的组合被施加于每组定子线圈。由这些电流产生的力通过磁引力在转子上作为矢量相加产生期望的压紧和扭矩。随着转子运动通过其周期，调制这些电流。因为所有力都是独立的，所以两组三相电流与由相对转子位置改变的扭矩命令成比例。响应于某些错误(即位置、速度、加速度)，电流的矢量和的大小由马达控制器控制。如果所有线圈和/或控制器都是激活的，则各个线圈将在转子的整个周期或摆动上具有平均电流。当一个或更多个线圈丢失时，丢失线圈的这个三线圈组被去能，产生期望的力所需的矢量和必须保持相同，所以剩余线圈中的平均电流简单地增加到1.7倍以补偿丢失而不需要任何其他变化。
[0071]为了进一步适应线圈元件的故障，如图5所示，永磁体58可以与每个线圈元件26关联，以便给驱动板28的核心段30提供附加的压紧力。章动驱动板28将接近相关联的永磁体相继地放置每个核心段，并且磁体将为驱动板28中的核心段30提供吸引力，即使相关联的线圈52没有充能以磁化静止核心54也如是，从而反抗在失活线圈之上提升驱动板28的齿轮反作用的任何倾向。这加强了驱动板摆动通过故障线圈扇区的能力。在示出的实施例中，永磁体58位于接近定子罩24的外围周长以与驱动板28的章动外围紧密接触。
[0072]通过提供带有相关联的线圈和静止核心的至少五个线圈元件以吸引驱动板中的相关联的核心段，一个线圈元件的故障不影响虚拟椭圆电动马达的运行。在以前文描述过的三个线圈构成的两组运转的六个线圈系统的70%的电流容量的过容量，允许线圈组接收充足的电流以过载驱动板的章动通过相关联于无效线圈元件的扇区。系统中包括的每个附加线圈元件将提供对马达中附加的非相邻线圈故障的耐受能力。本文描述的实施例的示例性的六个线圈元件构造，当在全部六个线圈被独立控制下运行时，将适应三个非相邻线圈故障或两个相邻线圈故障而不影响马达运行。
[0073]以上根据专利法规需要详细描述了本公开的各种实施例，本领域的技术人员将认识到关于本文公开的特定实施例的改变和代替。这些改变根据定义的权利要求都在本公开的范围和目的之内。
【权利要求】
1.一种容错虚拟椭圆电动马达，包括: 至少五个线圈元件，其被约束在定子罩中； 驱动板，其由支点支撑以用于章动运动并且具有至少五个核心段，每个所述核心段分别与所述至少五个线圈元件中的相应一个相关联以用于在激活时产生吸引力；和 控制处理器，其为所述至少五个线圈元件中的每个提供独立的电流控制以响应于接收到的位置命令和接收到的摆动角输入而激活，所述至少五个线圈元件在所述驱动板上以纯扭矩和构造运行。
2.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，其中每个线圈元件包括: 静止核心；和 线圈，其操作地关联于所述静止核心以在所述线圈中引入电流时磁化所述核心。
3.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，其中所述驱动板包括外周环齿轮和内周环齿轮并进一步包括: 反作用板，其具有适于与所述外周环齿轮配合地接合的反作用周环齿轮；和 驱动板，其具有适于与所述内周环齿轮配合地接合的驱动周环齿轮。
4.根据权利要求3所述的容错虚拟椭圆电动马达，还包括: 罩，其连接于所述反作用板并且具有用于附接至结构的静止连接件；和 旋转法兰，其附接到所述驱动板，所述旋转法兰适于连接到致动元件。
5.根据权利要求4所述的容错虚拟椭圆电动马达，还包括套管，其适于在所述罩中旋转地支撑所述驱动板。
6.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，还包括至少两个位置传感器，其向所述控制处理器提供所述摆动角输入。
7.根据权利要求6所述的容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少两个位置传感器包括六个位置传感器。
8.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，其中所述至少五个线圈元件包括六个线圈元件，并且所述至少五个核心段包括六个核心段。
9.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，还包括永磁体，其与所述至少五个线圈元件中的每个相关联。
10.根据权利要求1所述的容错虚拟椭圆电动马达，其中所述控制处理器包括编程软件模块用以便基于摆动角确定当前制动器位置，并且基于所述接收到的位置命令确定将所述驱动板从当前位置转到期望位置所需的扭矩命令。
11.一种控制致动器的方法，包括: 接收位置命令； 确定安装在支点上的章动驱动板的摆动角；以及 相继控制至多个至少五个静止线圈元件中的至少三个的电流以吸引所述驱动板中的相关联的核心段，从而诱导所述驱动板的章动达到与所述接收到的位置命令一致的摆动角。
12.根据权利要求11所述的控制致动器的方法，其中相继控制电流的步骤包括调节每个线圈中的电流以便相对于与这个线圈关联的扇区达到计算出的摆动角变化，所述电流调节独立于对任何其他线圈元件的电流控制。
13.根据权利要求11所述的控制致动器的方法，其中所述多个至少五个静止线圈元件包括以120°间隔开的第一组三个线圈元件和第二组三个线圈元件，所述第二组中的每个线圈介于所述第一组中的两个线圈之间，并进一步包括: 识别故障线圈； 移除包含所述故障线圈的所述第一组三个线圈的控制动力；以及 将至所述第二组线圈的电流增加至1.7倍。
【文档编号】H02P6/24GK104283370SQ201410289756
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】R·阿特姆 申请人:波音公司