CN109951017B

CN109951017B - 一种航空航天高功率密度集成化电力作动器

Info

Publication number: CN109951017B
Application number: CN201910234042.4A
Authority: CN
Inventors: 徐金全; 方豪; 杜宇韬; 郭宏
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beijing northern sky long hawk UAV Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN109951017A

Abstract

一种高功率密度集成化的电力作动器，包括机壳、端盖、前支耳、后支耳、前轴承、后轴承、电动机定子组件、电动机转子组件、定位套筒、滚珠丝杠、线位移传感器和后支耳盖；电动机采用8极24槽的无刷直流电动机，通过其直接带动滚珠丝杠完成直线运行，取消了减速器；将电动机的转子组件和前后轴承直接装配到螺母上；将线位移传感器置于中空的滚珠丝杠螺杆内部，前后轴承均采用角接触轴承，分别置于机壳和端盖的轴承室中，实现对滚珠丝杠螺母径向和轴向两个方向的支撑；结构更紧凑，功率密度和集成度更高，有效地减小系统传动机构之间损耗，提高系统整体效率，有效地满足航空航天电力伺服作动器高功率密度、高传动效率及高可靠性的性能要求。

Description

一种航空航天高功率密度集成化电力作动器

技术领域

本发明属于航空航天电动舵机技术领域，具体涉及一种高功率密度集成化的电力作动器。

背景技术

随着多电/全电技术的不断发展，电力作动器具有结构简单、任务可靠性高、维护性好、易于控制等优点，且能够大大简化系统次级能源的结构，其逐渐取代传统的气动作动器和液压作动器，被广泛应用于现代飞行器的舵面控制、推力矢量控制等伺服作动领域。

电力作动器由电动机、减速器和滚珠丝杠等部分组成，通过电动机将电能转换成旋转形式的机械能，经过减速器和滚珠丝杠，将旋转的机械运动转换成直线运动，其性能优劣直接影响整个飞行器的性能。随着现代飞行器向超高速、高机动、大航程等方向发展，高功率密度和高集成化已经成为新一代电力作动器必须具备的技术特征。因此，开展高功率密度集成化的电力作动器具有重要的理论意义和工程实用价值。

而传统的电力作动器集成度不高，电动机、减速器和滚珠丝杠相互独立，三者之间的传动需要额外的连接部件，使得整个电力作动器结构复杂、体积重量大、功率密度低，难以满足现代飞行器小型化、高功率密度的需求。此外，传统的电力作动器传动效率不高，进一步影响了整个作动系统功率密度的提升。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种航空航天高功率密度集成化的电力作动器，通过对电力作动器结构以及关键部件的设计创新，显著地提升所设计电力作动器的功率密度和传动效率。

一种航空航天高功率密度集成化电力作动器，所述电力作动器包括机壳、端盖、前支耳、后支耳、前轴承、后轴承、电动机定子组件、电动机转子组件、定位套筒、滚珠丝杠、线位移传感器和后支耳盖；电动机包括定子组件和转子组件；定子组件包括定子铁心和定子绕组；转子组件包括永磁磁钢和转子铁心；滚珠丝杠由螺母和螺杆两部分组成；所述电力作动器不包括减速器机构；所述电力作动器采取将滚珠丝杠置于电动机的转子内侧，将电动机的转子与滚珠丝杠的螺母直接相连，通过电动机直接带动滚珠丝杠完成直线运行；滚珠丝杠的螺母设计为：将电动机的转子组件和前、后轴承直接装配到该螺母上；滚珠丝杠的螺杆内部采用中空结构，将所述线位移传感器置于螺杆内部，并通过螺帽固定；所述滚珠丝杠的螺杆末端设计成凸台结构，实现螺杆伸出长度的限位功能；通过上述结构完成了将电动机的转子与滚珠丝杠的螺母直接相连，省略了减速器结构；所述前、后轴承均采用角接触轴承，分别置于机壳和端盖的轴承室中，实现对滚珠丝杠螺母径向和轴向两个方向的支撑。

电动机采用8极24槽的无刷直流电动机形式。

电动机定、转子铁心材料均采用高磁饱和的软磁材料1J22；定位套筒采用不导磁的铝合金材料，通过车削加工而成中空的圆柱形套筒，保证后轴承的轴向定位和轴向力传递。

线位移传感器采用外径8.5mm的高精密直线滑动电位器，实现电力作动器的直线位置检测。

所述电力作动器的机壳采用航空铝棒7075材料一体化加工而成，提高整个系统的结构强度。

电力作动器的端盖和后支耳盖通过螺钉固定到机壳；线位移传感器通过螺钉固定到端盖；后支耳通过螺纹固定到后支耳盖；端盖和后支耳盖做成两体结构，进一步减小系统的重量。

首先，电力作动器采用电动机直接驱动滚珠丝杠的结构，取消了传统电力作动器的减速器，大大减小了整个作动系统的体积和重量，提高了系统的功率密度。此外，通过在电动机的转子内部集成滚珠丝杠的装配方式，进一步提高了系统的集成度和功率密度。由于减少了减速器，使得电力作动器的传动结构更加简单，传动效率更高。电力作动器的工作原理是通过电动机转子的旋转，带动滚珠丝杠的螺母旋转，实现滚珠丝杠螺杆的直线伸缩运动。

其次，通过滚珠丝杠螺母结构形式的合理设计，将传统滚珠丝杠的螺母和转筒做成一体结构，实现滚珠丝杠螺母与电动机转子组件以及前后轴承的高集成化装配，在保证滚珠丝杠螺母机械强度的前提下，尽量减小螺母的重量，提升整个系统的功率密度。

再次，通过滚珠丝杠螺杆结构形式的合理设计，把螺杆设计成中空结构形式，将电力作动器的线位移传感器集成到滚珠丝杠螺杆的内部。线位移传感器的动子通过螺帽与滚珠丝杠的螺杆固定，进而完成对电力作动器直线位置的检测。这种结构一方面减小整个作动系统的体积，提高系统集成度；另一方面降低整个电力作动器的重量，提高系统的功率密度。

最后，电力作动器的电动机采用无刷直流电动机的形式，定、转子结构采用8极24槽的三相绕组结构，且定、转子铁心材料采用高磁饱和的软磁材料1J22，进一步提高系统的功率密度。此外，作动器的前后轴承均采用角接触轴承，保证整个系统的轴向机械结构强度。

本发明的创新之处和有益技术效果在于：

(1)本发明一种高功率密度集成化的电力作动器采用电动机直接驱动滚珠丝杠的结构，取消了传统电力作动器的减速器，大大减小了整个作动系统的体积和重量，提高了系统的功率密度和传动效率，能够有效地满足现代飞行器用电力作动器高功率密度的要求。

(2)电力作动器滚珠丝杠螺母的一体化结构设计，便于实现与电动机转子组件的高集成化装配，在保证螺母机械结构强度的前提下，尽量减小螺母的重量，提升系统的功率密度。

(3)电力作动器的电动机采用无刷直流电动机的形式，定、转子结构采用8极24槽的三相绕组结构，且定、转子铁心材料采用高磁饱和的软磁材料1J22，以提高系统的功率密度。

本发明一种高功率密度集成化的电力作动器，通过对电力作动器结构以及关键部件的设计创新，使得所设计的集成化的电力作动器，具有更紧凑的结构，更高的功率密度和集成度，且可以有效地减小系统传动机构之间损耗，提高系统的整体效率，适用于高功率密度、高传动效率、高可靠性等航空航天电力伺服作动领域。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明无刷直流电动机定子结构示意图；

图3为本发明无刷直流电动机转子结构示意图；

图4为本发明的滚珠丝杠结构示意图；

图中使用的附图标记说明如下：

1、定子铁心 2、定子绕组 3、前轴承 4、滚珠丝杠螺母 5、前支耳 6、线位移传感器7、永磁磁钢 8、机壳 9、后轴承 10、端盖 11、后支耳 12、转子铁心 13、滚珠丝杠螺杆 14、定位套筒 15、螺帽 16、后支耳盖。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明提出的一种高功率密度集成化的电力作动器，由机壳8、端盖10、前支耳5、后支耳11、前轴承3、后轴承9、定子组件(定子铁心1和定子绕组2)、转子组件(永磁磁钢7和转子铁心12)、定位套筒14、滚珠丝杠组件(螺母4和螺杆13)、线位移传感器6和后支耳盖16构成。

其中，定子组件由定子铁心1和定子绕组2构成，如图2所示。定子铁心1采用高磁饱和、低铁心损耗的电工硅钢1J22制成；定子绕组2采用耐高温的聚酰亚胺漆包线，分别嵌放在定子铁心的24个定子槽中。

其中，转子组件由永磁磁钢7和转子铁心12构成，如图3所示。转子铁心12采用高磁饱和、低铁心损耗的电工硅钢1J22制成，通过车削加工而成，以保证其机械强度；永磁磁钢7采用高磁能积的钐钴稀土永磁材料，并通过胶粘到转子铁心7的表面；整个转子组件通过过盈配合装配到滚珠丝杠的螺母4上。

其中，滚珠丝杠组件由螺母4和螺杆13构成，如图4所示。螺母4采用高碳铬轴承钢GCr15，通过车削加工制成，螺母与螺杆的接触侧装有滚珠和返珠器；螺杆采用高碳铬轴承钢GCr15，通过车削加工制成，螺杆的外表面有螺纹，螺杆的内部为中空结构，便于线性位移传感器的安装与固定。

其中，定位套筒14采用不导磁的铝合金材料，通过车削加工而成中空的圆柱形套筒，保证后轴承9的轴向定位和轴向力传递。

其中，线位移传感器6采用结构紧凑的高精密直滑电位器，通过螺帽固定到滚珠丝杠螺杆的止口处，如图1所示。

其中，前轴承3和后轴承9均采用角接触轴承，实现对滚珠丝杠螺母径向方向和轴向方向的支撑。

其中，前支耳5和后支耳11采用不导磁的圆钢，通过车削加工而成。前支耳通过螺纹与滚珠丝杠的螺杆机械连接，后支耳通过螺纹与后支耳盖16机械连接。

其中，机壳8、端盖10和后支耳盖16采用高强度的铝合金，通过车削加工而成。端盖10和后支耳盖16做成两体结构，进一步减小系统的重量。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种航空航天高功率密度集成化电力作动器，其特征在于，所述电力作动器包括机壳、端盖、前支耳、后支耳、前轴承、后轴承、电动机定子组件、电动机转子组件、定位套筒、滚珠丝杠、线位移传感器和后支耳盖；其中，电动机采用8极24槽的无刷直流电动机形式；电动机包括定子组件和转子组件；定子组件包括定子铁心和定子绕组；转子组件包括永磁磁钢和转子铁心；滚珠丝杠由螺母和螺杆两部分组成；

所述电力作动器不包括减速器机构；所述电力作动器采取将滚珠丝杠置于电动机的转子内侧，将电动机的转子与滚珠丝杠的螺母直接相连，通过电动机直接带动滚珠丝杠完成直线运行；

滚珠丝杠的螺母设计为：将电动机的转子组件和前、后轴承直接装配到该螺母上；滚珠丝杠的螺杆内部采用中空结构，将所述线位移传感器置于螺杆内部，并通过螺帽固定；所述滚珠丝杠的螺杆末端设计成凸台结构，实现螺杆伸出长度的限位功能；通过上述结构完成了将电动机的转子与滚珠丝杠的螺母直接相连，省略了减速器结构；

所述前、后轴承均采用角接触轴承，分别置于机壳和端盖的轴承室中，实现对滚珠丝杠螺母径向和轴向两个方向的支撑；

线位移传感器采用外径8.5mm的高精密直线滑动电位器，实现电力作动器的直线位置检测；电力作动器的端盖和后支耳盖通过螺钉固定到机壳；线位移传感器通过螺钉固定到端盖；后支耳通过螺纹固定到后支耳盖；端盖和后支耳盖做成两体结构，进一步减小系统的重量。

2.根据权利要求1所述的一种电力作动器，其特征在于：电动机定、转子铁心材料均采用高磁饱和的软磁材料1J22；定位套筒采用不导磁的铝合金材料，通过车削加工而成中空的圆柱形套筒，保证后轴承的轴向定位和轴向力传递。

3.根据权利要求1所述的一种电力作动器，其特征在于：所述电力作动器的机壳采用航空铝棒7075材料一体化加工而成，提高整个系统的结构强度。