CN102192012A - 用于机电系统的负载监控 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于机电系统的负载监控。一种用于确定旋转或静止机电系统中被驱动部件上的负载的方法，包括定位旋转柔性的轴部可操作的与驱动部件和被驱动部件通讯，驱动部件具有可绕轴旋转的驱动转子。轴部可操作的与驱动部件和被驱动部件连接。驱动转子和被驱动部件的角位被确定。基于驱动转子和被驱动部件的角位差和轴部的已知扭转刚度计算被驱动部件上负载的大小。

Description

用于机电系统的负载监控
技术领域
本发明总的涉及机电系统。更具体地，本发明涉及机电系统中的转矩感测。
背景技术
随着电动机和电动机驱动技术近来的发展，用电气驱动系统代替例如飞机、太空船、船和陆地车辆的交通工具上的传统的机械、气动和液压系统变得有利。电气驱动系统提供了效率更高、重量减少、可靠性更高、液压液体造成的环境和火灾危险减少、维护成本降低和封装变小的优势。在例如机电致动器、起动器发电机、电气驱动泵的载荷场合，超过安全设计裕量的旋转转矩或过载转矩偶尔会被施加到系统上。在过载状态期间的安全性是极端重要的。
感测机械过载状态的需要要求在合适的时间段内感测和施加负载来防止对系统和外部环境的机械或电气损坏。典型地，使用机械或电气负载/力传感器来保护驱动系统。然而，对致动系统增加传感器减少了它的可靠性并且增加了整个系统的复杂性。机械致动系统需要精确的机械结构，该机械结构允许解除超过设计阈值的机械负载。例如剪切轴、制动器、滑动离合器和负载传感器的机械安全部件具有按照传统所提供的过载保护但是具有局限。类似地，液压和气动致动系统典型地利用弹簧加载的压力泄放阀，当系统压力/系统负载超过设计阈值时该阀打开。该技术会很好的接收过载保护仪器，该仪器提供精确的系统保护而不增加系统的复杂度或减少整个系统的可靠性。
发明内容
根据本发明的一个方面，机电系统包括具有可绕轴旋转的驱动转子的驱动部件和可绕该轴旋转的被驱动部件。旋转柔性轴部定位成可操作的与驱动转子和被驱动部件通讯。轴部可操作的连接到它们，从而驱动转子绕轴的旋转驱动被驱动部件绕该轴旋转。驱动转子和被驱动部件的旋转量的差指示了被驱动部件上的负载。
根据本发明的另一方面，用于确定机电系统的被驱动部件上负载的方法包括定位旋转柔性的轴部可操作的与驱动部件和被驱动部件通讯，驱动部件具有可绕轴旋转的驱动转子。轴部可操作的连接到它们。确定驱动转子和被驱动部件的角位。基于驱动转子和被驱动部件的角位差和轴部的已知扭转刚度计算被驱动部件上负载的大小。
通过结合附图的以下具体描述，这些和其它的优势和特征将会变得更清晰。
附图说明
在说明书的结尾处在权利要求书中特别的指出并清楚的要求保护该主题，也即本发明。通过结合附图的以下具体描述，本发明的上述和其它特征和优势是清晰的，其中：
图1是机电系统一个实施例的示意图；
图2是机电系统一个实施例的部分的截面图；
图3是机电系统另一实施例的示意图；
图4是机电系统的部分的截面图；并且
图5是说明施加到机电致动系统一个实施例的转矩的示意性截面图。
通过参考附图的例子，具体的说明解释了本发明的实施例，以及优势和特征。
具体实施方式
图1示出了机电系统，该系统包括第一部件，例如涡轮引擎10，和第二部件，例如用于涡轮引擎10的起动马达12。在一些实施例中，起动马达12是电动机。起动马达12包括起动转子14，起动转子14通过在起动转子14和涡轮转子16之间延伸的涡轮轴18连接到涡轮转子16。涡轮轴18包括位于起动转子14和涡轮转子16之间的旋转柔性的轴部20。
在任何给定时间涡轮转子16和起动转子14的角位都是已知的。为了得到旋转位置数据，在一些实施例中，起动马达12和涡轮引擎10中的每一个包括至少一个转子位置传感器22，其能够分别检测起动转子14和涡轮转子16的角位。在一些实施例中，起动马达12是开关式磁阻(SR)马达、无刷直流马达、感应马达或其它马达，其包括用于和起动转子14通讯的现有转子位置传感器22。在一些实施例中，可以利用其它类型的马达，并且位置传感器22，例如旋转变压器，固定到涡轮轴18来确定起动转子14或涡轮转子16中的一个或多个的角位。在其它实施例中，可以不使用转子位置传感器22来确定起动转子14中的一个的位置。在这些实施例中，当起动转子14绕起动马达12的轴26旋转时，通过算法算术地确定起动转子14的角位，该算法使用已知的例如电压分布和/或电流的分布图。由于已知起动马达12的电压分布图是起动转子14的角位的函数，因此然后可以通过测量期望点的电压和/或电流并且比较测量值和已知分布图来确定起动转子14的角位。
旋转柔性的轴部20沿起动转子14和涡轮转子16之间的涡轮轴18设置，在一些实施例中在涡轮轴18的两个旋转刚性部之间。如图2所示，在一些实施例中，轴部20是连接到涡轮轴18的扭力弹簧28。扭力弹簧28具有已知弹簧常数或施加到其上的每单位力的扭量。虽然扭力弹簧28在图2中示出为轴部20，应该意识到可以利用具有已知量的每单位施加力的旋转弯曲或扭曲的轴部20的其它结构。例如，轴部20可以是具有已知量的每单位施加力的旋转弯曲量的实心轴。
再次参考图1，已知的起动转子14和涡轮转子16的角位以及轴部20的弹簧常数建立了起动转子14和涡轮转子16旋转之间的额定关系，这样在起动转子14的任何旋转位置下，都可以得到涡轮转子16的额定位置。这种配置在许多情况下都可以是有用的。例如，已知起动转子14和涡轮转子16的位置以及轴部20的弹簧常数，涡轮引擎10的负载可以确定。而且，该配置可以用于涡轮引擎10的状况监控。通过同时采样起动转子14位置和涡轮转子16位置，可以计算位置增量。由于在起动转子14和涡轮转子16之间有已知的弹簧常数，接着可以确定涡轮引擎10的转矩负载。如果转矩负载落到用于给定操作状态(温度、空气密度等)的额定范围之外，则可以批准对涡轮引擎10进行维护。
图3示出了机电系统的另一实施例。在该实施例中，第一部件是，例如机电致动器30，其在一些实施例中是线性或旋转的，其连接到驱动马达32并由其驱动。驱动马达32包括至少一个转子位置传感器22，其能够检测驱动马达32的驱动马达转子34的角位。
机电系统包括位于马达轴38一端的制动机构36。如图4所示，在一些实施例中，制动机构36包括固定到马达轴38的制动装置40和附接到棘轮伺服机构44的棘轮爪42。制动装置40包括多个制动装置齿46，棘轮爪42可以啮合到其中来阻止期望点上马达轴38的旋转，从而阻止机电致动器30的致动。虽然这里描述了棘轮爪和制动装置制动机构36，然而可以意识到包括其它类型制动机构36的实施例也在本发明的范围内。
马达轴38包括位于驱动马达32和制动机构36之间的旋转柔性的轴部20。如上所述，在一些实施例中，轴部20是连接到马达轴38的扭力弹簧28。扭力弹簧28具有已知的弹簧常数或施加到其上的每单位力的扭曲量。扭力弹簧28具有键槽48，其能够接收制动装置轴50。虽然在图4中扭力弹簧28示出为轴部20，然而可以意识到也可以利用其它配置的轴部20。例如，轴部20可以是具有已知的每单位施加力的旋转弯曲量的实心轴
在机电系统的操作期间，驱动马达32通过马达轴38的旋转驱动机电致动器30到需要的位置。制动机构36随后啮合来阻止马达轴38的旋转。由于作用到机电致动器30的力，转矩可以作用到马达轴38上。这个转矩通过具有轴部20的驱动马达32监控。由于具有已知弹簧常数的轴部20的存在，在制动机构36啮合的同时转矩施加到马达轴38允许驱动电机转子34和马达轴38的不弯曲部52的旋转。这种旋转在图5中示出，其示出了空载转子14a的相对位置和有负载转子14b的转子位置。转子14的运动通过位置传感器22或通过感应算法检测。已知旋转运动量和轴部20的弹簧常数可以计算施加转矩。在一些实施例中，为了机电系统完整性和安全性原因施加转矩可以具有预先设定的界限。如果施加的转矩超出了预先设定的界限，制动机构36可以释放，从而允许马达轴38的旋转，这接着导致机电致动器30的起动，这样马达轴38上的转矩解除。
具有轴部20和通过转子位置传感器22或其它方式的转子位置传感的机电系统消除了对机电系统10中直接转矩传感器的需要。
已经只结合有限数量的实施例详细描述了本发明，应当很容易理解本发明并不局限于这些公开实施例。反而，本发明可以被修改来并入任意数量此前未描述的改变、替换、代替或等同配置，但是其等同于本发明的主旨和范围。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但可以理解本发明的情况可以只包括描述的实施例中的一些。从而，本发明并不视为由上述描述所限制，而是只通过以下权利要求的范围来限制。

Claims (19)

1.一种机电系统，包括：
驱动部件，其具有可绕轴旋转的驱动转子；
被驱动部件，其可绕所述轴旋转；和
旋转柔性的轴部，其配置为可操作的和驱动转子以及被驱动部件通讯并且可操作的与它们连接，从而使得驱动转子绕所述轴的旋转驱动被驱动部件绕所述轴的旋转，其中驱动转子和被驱动部件的旋转量的差表示被驱动部件上的负载。
2.如权利要求1所述的机电系统，进一步包括至少一个位置传感器，其可操作的和驱动转子和/或被驱动部件通讯来确定其角位。
3.如权利要求1所述的机电系统，其中所述驱动部件包括开关式磁阻(SR)马达、无刷直流马达或感应马达之一。
4.如权利要求1所述的机电系统，其中所述轴部包括具有已知弹簧常数的扭力弹簧。
5.如权利要求1所述的机电系统，进一步包括制动机构，其配置成在期望角位置停止驱动转子的旋转。
6.如权利要求5所述的机电系统，其中当制动机构啮合时驱动转子的旋转量表示由被驱动部件作用到驱动马达上的转矩量。
7.如权利要求5所述的机电系统，其中制动机构包括：
制动装置，其可操作的连接到轴部，具有多个制动装置齿；和
爪，其可以和所述多个制动装置齿啮合。
8.如权利要求7所述的机电系统，其中爪可以是棘轮式的。
9.一种用于确定机电系统的被驱动部件上负载的方法，包括：
配置旋转柔性的轴部可操作的和驱动部件以及被驱动部件通讯，驱动部件具有可绕轴旋转的驱动转子，所述轴部可操作的与驱动部件以及被驱动部件连接；
确定驱动转子的角位；
确定被驱动部件的角位；和
基于驱动转子和被驱动部件的角位差以及所述轴部的已知扭转刚度计算被驱动部件上负载的大小。
10.如权利要求9所述的方法，其中确定驱动转子和/或被驱动部件的角位是通过一个或多个可操作的与它们连接的转子位置传感器来实现的。
11.如权利要求9所述的方法，其中驱动部件是电动机。
12.如权利要求11所述的方法，其中确定驱动转子的角位是通过将驱动部件的测量电特性与已知分布图进行比较来实现的。
13.如权利要求12所述的方法，其中电特性是电压和/或电流。
14.如权利要求9所述的方法，进一步包括比较负载和预先确定的界限。
15.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
啮合制动机构以停止驱动转子的旋转；
通过经由被驱动部件施加到驱动转子上的转矩来改变驱动转子的角位；和
通过驱动转子角位改变的大小和所述轴部的已知扭转刚度计算所述转矩的大小。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括如果转矩的大小超过预先确定的界限则从驱动部件解除转矩。
17.如权利要求16所述的方法，其中通过释放制动机构来解除转矩。
18.如权利要求15所述的方法，其中啮合制动机构包括使爪啮合进入配置在制动装置中的多个制动装置齿。
19.如权利要求9所述的方法，其中所述驱动部件包括开关式磁阻(SR)马达、无刷直流马达或感应马达之一。
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