CN110230956A - 一种电动舵机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动舵机系统，包括：舵舱；位于所述舵舱内上侧的电路板；联动舵机组件，包括位于所述舵舱内的联动电机、联动减速器和第一电位器以及联动舵片；差动舵机组件，包括位于所述舵舱内的差动电机、差动减速器和第二电位器以及差动舵片；其中，联动减速器平行设于电路板下方，差动减速器平行设于联动减速器下方，差动电机输出轴方向平行于差动减速器且差动电机位于差动减速器下方，联动电机输出轴方向垂直于联动减速器且差动减速器具有一与联动电机紧密贴合的曲面。由此，联动舵机组件与差动舵机组件空间十字交错的分布方式使电动舵机系统的体积较小，在保证电动舵机系统精密稳定运行的前提下，使电动舵机系统应用范围更广，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及航行器稳定与控制技术领域，具体涉及一种电动舵机系统。
背景技术
电动舵机是导弹、火箭、无人机等航行器的方向控制执行机构，航行器通过控制电动舵机实现自身的俯仰、偏航和滚转，达到按照预定的轨迹和航向飞行的目的。舵机接收飞控系统或弹载计算机下发的操舵指令，实时驱动舵面偏转，改变作用在飞行器上的气动力矩，从而达到控制飞行器航向和姿态的目的。根据飞行器的用途不同，对于舵机的性能指标也有不同的要求。通常情况下，舵机的性能要求主要取决于航行器的类型、大小、用途及所在航行器中的位置。
当航行器使用环境特殊时，其电动舵机需要保持较小体积、分离过载需要达到10000g以上、且鸭式布局动态响应需要达到1°50Hz，而现有技术中电动舵机作为航行器的运转部件，其多个舵机组件轴向大多分布在一平面内，导致电动舵机的体积较大，应用不便，并且同时实现体积小且抗高过载难度较大，无法满足该领域的应用需求。
因此，研究开发一种体积小且分离过载较高的电动舵机是必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动舵机系统，以解决当航行器使用环境特殊时，现有技术中电动舵机不能满足既保证较小体积的同时分离过载需达到10000g以上的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电动舵机系统，包括：
舵舱；
位于所述舵舱内上侧的电路板；
联动舵机组件，用于调整航行器俯仰姿态，所述联动舵机组件包括位于所述舵舱内的联动电机、联动减速器和第一电位器以及位于所述舵舱外侧壁上的联动舵片，所述第一电位器位于所述联动减速器上，所述联动舵片与所述联动减速器固定连接；及
差动舵机组件，用于调整航行器偏航姿态，所述差动舵机组件与所述联动舵机组件呈空间十字交错分布，所述差动舵机组件包括位于所述舵舱内的差动电机、差动减速器和第二电位器以及位于所述舵舱外侧壁上的差动舵片，所述第二电位器位于所述差动减速器上，所述差动舵片与所述差动减速器固定连接；
其中，所述联动减速器平行设于所述电路板下方，所述差动减速器平行设于所述联动减速器下方，所述差动电机输出轴方向平行于所述差动减速器且所述差动电机位于所述差动减速器下方，所述联动电机输出轴方向垂直于所述联动减速器且所述差动减速器具有一与所述联动电机紧密贴合的曲面。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述联动电机与所述差动电机均呈圆柱状，所述差动减速器与所述联动电机贴合的曲面为圆弧面。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述舵舱呈圆台状，其中，所述舵舱上底面直径为48mm-54mm，下底面直径为58mm-64mm，高为70mm-80mm。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述联动舵机组件与所述差动舵机组件通过螺栓结构及聚氨酯胶固定于所述舵舱内，其中，所述聚氨酯胶为聚氨酯发泡胶与聚氨酯树脂按照1：1.5的质量比，配制成密度为0.69g/cm3的胶体。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述联动减速器包括依次连接的第一传动单元、第二传动单元及联动输出轴，所述联动电机与所述第一传动单元连接，所述第一电位器通过第一锥齿轮与所述联动输出轴连接，且所述联动舵片与所述联动输出轴连接。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述第一传动单元包括相连接的第一输入齿轮和第一输出齿轮，所述第二传动单元包括相连接的蜗轮(125)和蜗杆(126)，所述蜗轮(125)为扇形结构，其中，所述第一输入齿轮(123)与所述联动电机(11)连接，所述第一输出齿轮(124)与所述蜗杆(126)连接，所述蜗轮(125)与所述联动输出轴(121)连接。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述差动减速器包括依次连接的第三传动单元、第四传动单元、第五传动单元及差动输出轴，所述差动电机连接所述第三传动单元，所述第二电位器与所述差动输出轴连接，且所述差动舵片与所述差动输出轴连接。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述第三传动单元包括相连接的第三输入齿轮(222)和第三输出齿轮(223)，所述第四传动单元包括相连接的第四输入齿轮(224)和第四输出齿轮(225)，所述第四输出齿轮(225)为扇形结构，所述第五传动单元包括第五输入齿轮(226)及与所述第五输入齿轮(226)两端垂直相连的两个第五输出齿轮(227)，其中，所述第三输入齿轮(222)与所述差动电机(21)连接，所述第三输出齿轮(223)与所述第四输入齿轮(224)连接，所述第四输出齿轮(225)与所述第五输入齿轮(226)连接，两个所述第五输出齿轮(227)分别与所述差动输出轴(221)连接。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述第一电位器与所述第二电位器均包括：上罩、壳体及电位器输出轴，所述上罩与所述壳体密封安装形成一容置空间，所述电位器输出轴贯穿所述容置空间，所述容置空间内设有电刷、及电刷基座，所述电刷通过电刷架固定在所述电刷基座上，所述电刷基座固定安装在所述电位器输出轴上。。
可选的，在所述电动舵机系统中，所述联动电机和所述差动电机均为空心杯永磁直流伺服电机，所述空心杯永磁直流伺服电机包括：定子、转子及碳刷组件，所述转子与定子同轴设置；
所述定子包括机壳、前端盖、磁钢及第一轴承；所述前端盖沿其轴向分为轴承安装段及磁钢安装段，所述前端盖沿其轴向设置有供电机轴同轴穿过的中心孔；所述轴承安装段对应的中心孔还设置有第一轴承；所述轴承安装段与机壳的前端固定连接；所述磁钢安装段位于机壳内；所述磁钢固定设置在磁钢安装段的外侧；
所述转子包括转子线圈、支架、换向器及电机轴；所述电机轴同轴穿过定子的中心孔；所述转子线圈位于磁钢与机壳之间，转子线圈远离前端盖的一端伸出磁钢，并通过支架与电机轴固定连接；所述换向器紧挨支架设置，并套装在电机轴上；
所述碳刷组件包括后端盖、安装板、第二轴承及两个碳刷；所述后端盖为刚性材料制成，所述安装板为绝缘材料制成，所述后端盖与机壳的后端固定连接，所述安装板固定设置于后端盖的内侧，所述两个碳刷固定设置于安装板的内侧；所述后端盖及安装板与电机轴相对处设置有供电机轴通过的电机轴安装孔，所述电机轴通过第二轴承设置于电机轴安装孔处；
两个碳刷结构组成相同，均包括碳刷架、刷头、弹簧、导电柱及电流引出线，所述碳刷架为刚性材料制成，所述刷头为石墨材料制成，两个碳刷的刷头相向设置于换向器的外侧；所述碳刷架从一端至另一端依次设置有弹簧安装孔、弹簧作用段及刷头安装孔；所述弹簧安装孔处还设置有纵向贯通弹簧安装孔的导电柱安装孔；所述刷头安装于刷头安装孔处；所述弹簧为平面涡卷弹簧，位于弹簧安装孔处；所述导电柱的顶端直径大于导电柱安装孔的直径，从导电柱顶端至底端开设有弹簧安装槽，所述导电柱从导电柱安装孔的外侧插入导电柱安装孔，所述弹簧的始端插入弹簧安装槽，弹簧的末端从弹簧安装孔处伸出抵在弹簧作用段，用于保证刷头的位置；所述导电柱的下部伸出导电柱安装孔，伸出的部分与安装板固定连接，所述电流引出线的一端与导电柱的底端电连接；所述引出线的另一端从安装板处引出电机。
在本发明提供的所述电动舵机系统中，所述联动减速器与所述差动减速器均平行设于所述电路板下方，且所述联动减速器位于所述差动减速器上方，所述联动电机输出轴方向垂直于所述联动减速器且所述差动减速器具有一与所述联动电机紧密贴合的曲面，由此，所述联动舵机组件与所述差动舵机组件在空间十字交错的分布方式使得所述电动舵机系统的体积较小，在保证电动舵机系统精密稳定运行的前提下，较小的体积可使所述电动舵机系统应用范围更广，且占用航行器内部的体积更小，并节约成本。
附图说明
图1为本实施例电动舵机系统的结构示意图；
图2为本实施例电动舵机系统沿差动舵片方向的剖面示意图；
图3为本实施例电动舵机系统沿联动舵片方向的剖面示意图；
图4为本实施例联动舵机组件和差动舵机组件的装配示意图；
图5为本实施例联动舵机组件的结构示意图；
图6为本实施例差动舵机组件的结构示意图；
图7为本实施例联动减速器传动示意图；
图8为本实施例差动减速器的传动示意图；
图9为本实施例第一电位器的结构示意图；
图10为本实施例空心杯永磁直流伺服电机的结构示意图；
图11为本实施例碳刷组件的旋转剖视图；
图12为本实施例碳刷组件的立体示意图；其中，
1-联动舵机组件；11-联动电机；111-定子；112-转子；113-碳刷组件；114-第一轴承挡圈；115-第二轴承挡圈；1111-机壳；1112-前端盖；1113-磁钢；1114-第一轴承；1116-磁钢安装段；1118-轴承安装段；1121-转子线圈；1122-支架；1123-换向器；1124-电机轴；1131-后端盖；1132-安装板；1133-第二轴承；1134-碳刷；1135-碳刷架；1136-刷头；1137-弹簧；1138-导电柱；381-弹簧安装槽；1139-电流引出线；12-联动减速器；121-联动输出轴；122-第一锥齿轮；123-第一输入齿轮；124-第一输出齿轮；125-蜗轮；126-蜗杆；13-第一电位器；131-电刷；132-电位器输出轴；133-轴承；134-上罩；135-壳体；1351-基板；1352-引出线；1353-电刷架；1354-电刷基座；136-轴承卡圈；137-调整垫片；14-联动舵片；2-差动舵机组件；21-差动电机；22-差动减速器；221-差动输出轴；222-第三输入齿轮；223-第三输出齿轮；224-第四输入齿轮；225-第四输出齿轮；226-第五输入齿轮；227-第五输出齿轮；23-第二电位器；24-差动舵片；3-舵舱；4-电路板；41-安装块；5-聚氨酯胶。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电动舵机系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
请参阅图1-图4，本实施例提供了一种电动舵机系统，包括：
舵舱3；
位于所述舵舱3内上侧的电路板4；
联动舵机组件1，用于调整航行器俯仰姿态，输出力矩为0.2N·m，所述联动舵机组件1包括位于所述舵舱3内的联动电机11、联动减速器12和第一电位器13以及位于所述舵舱3外侧壁上的联动舵片14，所述第一电位器13位于所述联动减速器12上，所述联动舵片14与所述联动输出轴121固定连接；及
差动舵机组件2，用于调整航行器偏航姿态，输出力矩为0.1N·m，所述差动舵机组件2与所述联动舵机组件1呈空间十字交错分布，所述差动舵机组件2包括位于所述舵舱3内的差动电机21、差动减速器22和第二电位器23以及位于所述舵舱3外侧壁上的差动舵片24，所述第二电位器23位于所述差动减速器22上，所述差动舵片24与所述差动输出轴221固定连接；
其中，所述联动减速器12平行设于所述电路板4下方，所述差动减速器22平行设于所述联动减速器12下方，所述差动电机21输出轴方向平行于所述差动减速器22且所述差动电机21位于所述差动减速器22下方，所述联动电机11输出轴方向垂直于所述联动减速器12且所述差动减速器22具有一与所述联动电机11紧密贴合的曲面。
由此，所述联动舵机组件1与所述差动舵机组件2在空间十字交错的分布方式使得所述电动舵机系统的体积较小，在保证所述电动舵机系统精密稳定运行的前提下，较小的体积可使所述电动舵机系统应用范围更广，且占用航行器内部的体积更小，并节约成本。
优选的，所述联动电机11与所述差动电机21均呈圆柱状，所述差动减速器22与所述联动电机11贴合的曲面为圆弧面。在本实施例中，所述联动电机11输出轴方向为竖直方向，所述差动电机21输出轴方向为水平方向。由此，所述联动电机11与所述差动减速器22垂直分布且紧密贴合，更大限度的利用所述舵舱3内的空间。具体的，所述联动电机11与所述差动电机21的直径均为14mm-18mm，例如本实施例选取直径为16mm的所述联动电机11与所述差动电机21；所述联动电机11与所述差动电机21的高为25mm-35mm，例如本实施例选取高为29.2mm的所述联动电机11与所述差动电机21。
优选的，所述舵舱3呈圆台状，其中，所述舵舱3上底面直径为48mm-54mm，下底面直径为58mm-64mm，高为70mm-80mm，例如本实施例选取的所述舵舱3上底面直径为51mm，下底面直径为61.34mm，高为75mm。由此，在保证所述电动舵机系统稳定且高效工作的前提下，所述电动舵机系统的体积缩小至一定范围内，在精密仪器中适用范围更广。
优选的，所述联动舵机组件1与所述差动舵机组件2通过螺栓结构及聚氨酯胶5固定于所述舵舱3内，其中，所述聚氨酯胶5为聚氨酯发泡胶HE-1012MA与聚氨酯树脂HE-1012MB按照1：1.5的质量比，配制成密度为0.69g/cm3的胶体。由此，使得所述电动舵机系统对15000g以上的冲击缓冲效果显著，在整个所述舵舱3装配完成后根据空腔体积灌入相应质量该胶体，其通过压力密实填充整个所述舵舱3，提高所述舵舱3的刚度及连接强度，及抗高过载能力，使其达到抗过载18000g、0.5ms半正弦波。
优选的，所述电路板4采用环氧树脂整板灌封，其元器件用环氧树脂固封，以提高所述电路板4的抗高过载能力。较佳的，所述电路板4采用指令分离算法，即阶跃指令时采用较小Kp，以抑制所述电动舵机系统的抖动；正弦指令时采用较大Kp，以提高所述电动舵机系统的动态响应能力。
优选的，请参考图5-图8，所述联动减速器12包括联动输出轴121、第一传动单元及与所述第一传动单元连接的第二传动单元，所述联动电机11与所述第一传动单元连接，所述第二传动单元与所述联动输出轴121连接，所述第一电位器13通过第一锥齿轮122与所述联动输出轴121连接。较佳的，所述第一传动单元包括相连接的第一输入齿轮123和第一输出齿轮124，所述第一输入齿轮123和所述第一输出齿轮124均为圆柱直齿轮，所述第二传动单元包括相连接的蜗轮125和蜗杆126，其中，所述第一输入齿轮123与所述联动电机11连接，所述第一输出齿轮124与所述蜗杆126连接，所述蜗轮125与所述联动输出轴121连接，具体的，所述蜗轮125为扇形结构且使用钢材质，所述蜗杆126使用铜材质，轴承选用微型进口轴承，保护壳体除安装口外采用一体式结构且使用高强度铝合金。
由此，所述联动减速器12结构排布紧凑，所述第一传动单元的一级齿轮模数0.25，齿数最大允许配比2.94，以此减小所述联动电机11的转动惯量，提高所述联动舵机组件1的动态响应能力，例如达到1°50Hz的动态响应频率，所述第二传动单元既满足所述联动减速器12的质量要求，又保证其连接强度，提高抗高过载能力，同时对所述联动减速器12保护壳体的所有连接面均涂抹适量环氧胶进行密封，以保证整个所述联动减速器12保护壳的密封性，防止整舱灌封时所述聚氨酯胶5进入所述联动减速器12内部。
优选的，所述联动舵机组件1包括两个联动舵片14，两个所述联动舵片14位于所述舵舱3侧壁，且分别通过键轴及螺钉与所述联动舵机输出轴121连接。具体的，所述联动舵机输出轴121通过所述蜗轮125轴两端向所述联动舵片14输出，以保证所述联动舵片14联动，从而使所述联动舵机组件1精准的调整航行器的俯仰姿态，完成动作任务。
优选的，所述差动减速器22包括差动输出轴221及依次连接的第三传动单元、第四传动单元和第五传动单元，所述差动电机21连接所述第三传动单元，所述第五传动单元与所述差动输出轴221连接，所述第二电位器23与所述差动输出轴221连接。所述第三传动单元包括相连接的第三输入齿轮222和第三输出齿轮223，所述第三输入齿轮222和所述第三输出齿轮223均为圆柱直齿轮，所述第四传动单元包括相连接的第四输入齿轮224和第四输出齿轮225，所述第五传动单元包括第五输入齿轮226及与所述第五输入齿轮226两端垂直相连的两个第五输出齿轮227，所述第五输入齿轮226及所述第五输出齿轮226均为锥齿轮。其中，所述第三输入齿轮222与所述差动电机21连接，所述第三输出齿轮223与所述第四输入齿轮224所连接，所述第四输出齿轮225与所述第五输入齿轮226连接，两个所述第五输出齿轮227分别与所述差动输出轴221连接。具体的，所述第四输出齿轮225为扇形结构，所述差动减速器22中的轴及齿轮均使用钢材质，轴承选用微型进口轴承，保护壳体除安装口外采用一体式结构且使用高强度铝合金。
由此，保证了所述差动舵机组件2输出端同步反向传动，通过优化第三传动单元、第四传动单元和第五传动单元的齿轮结构及减速比分配，第三传动单元齿轮模数为0.25，齿数最大允许配比2.89，第五传动单元利用差齿传动保证所述差动输出轴221反向运动，减小所述差动电机21的转动惯量，提高所述差动舵机组件2的动态响应能力，既满足所述差动减速器22的质量要求，又保证其连接强度，提高抗高过载能力，同时对所述差动减速器22保护壳体的所有连接面均涂抹适量环氧胶进行密封，以保证整个所述差动减速器22保护壳的密封性，防止整舱灌封时所述聚氨酯胶5进入所述差动减速器12内部。
优选的，所述差动舵机组件2包括两个差动舵片24，两个所述差动舵片24位于所述舵舱3侧壁，且分别通过键轴及螺钉与所述差动舵机输出轴221连接。由此，以保证两个所述差动舵片24同步反向运动，从而使所述差动舵机组件2精准的调整航行器的偏航姿态，完成动作任务。
优选的，请参考图9，所述第一电位器13与所述第二电位器23相同(图中仅示出所述第一电位器13)，均包括：
上罩134、壳体135及电位器输出轴132，所述上罩134与所述壳体135通过热装及涂抹适量胶体进行密封安装形成一容置空间，所述电位器输出轴132通过两个微型具有止动挡边及防尘盖的深沟球轴承133与所述壳体135连接且所述电位器输出轴132贯穿所述容置空间，具有挡边的所述轴承133能够在不改变所述第一电位器13与所述第二电位器23尺寸情况下实现双排轴承，提高所述第一电位器13及所述第二电位器23的耐冲击能力；所述电位器输出轴132上安装有轴承卡圈136及调整垫片137，完成所述电位器输出轴132轴向定位及轴向间隙调整。
所述壳体135内包含基板1351、引出线1352、电刷架1353及电刷基座1354，所述基板1351选用强度较好的复合材料，通过胶体与所述壳体135进行固定连接；所述引出线1352在所述基板1351表面进行胶体预埋处理，再通过在所述壳体135与所述上罩134上开孔引出，以防止其断裂；所述电刷131焊接在所述电刷架1353上，所述电刷架1353通过铆接及涂抹胶体固定在所述电刷基座1354上，所述电刷基座1354通过胶体固定安装在所述电位器输出轴132上，通过一定预紧力以实现所述电刷131与所述基板1352电阻区接触滑动。较佳的，所述电刷135采用弹性较好的多指合金刷，以提高在高过载冲击时接触可靠性，从而提高了所述第一电位器13与所述第二电位器23的密封性及抗高过载能力。
请参考图10-12，优选的，所述联动电机11和所述差动电机21均为空心杯永磁直流伺服电机。具体的，所述空心杯永磁直流伺服电动机，包括定子111、转子112及碳刷组件113，转子112与定子111同轴设置；定子111包括机壳1111、前端盖1112、磁钢1113及第一轴承1114；前端盖1112沿其轴向分为轴承安装段1118及磁钢安装段1116，前端盖1112沿其轴向设置有用于电机轴1124通过的中心孔；轴承安装段1118对应的中心孔还设置有第一轴承1114；轴承安装段1118与机壳1111的前端固定连接；磁钢安装段1116位于机壳1111内，磁钢1113定设置在磁钢安装段1116的外侧；
转子112包括转子线圈1121、支架1122、换向器1123及电机轴1124；电机轴1124设置在定子111的中心孔处；转子线圈1121位于磁钢1113与机壳1111之间，转子线圈1121远离前端盖1112的一端伸出磁钢1113，并通过支架1122与电机轴1124固定连接；换向器1123紧挨支架1122设置，并套装在电机轴1124上；
碳刷组件113包括后端盖1131、安装板1132、第二轴承1133及两个碳刷1134；后端盖1131为刚性材料制成，安装板1132为绝缘材料制成，后端盖1131与机壳1111的后端固定连接，安装板1132固定设置于后端盖1131的内侧，两个碳刷1134固定设置于安装板1132的内侧；后端盖1131及安装板1132与电机轴1124相对处设置有供电机轴1124通过的电机轴安装孔，电机轴1124通过第二轴承1133设置于电机轴安装孔处；两个碳刷1134结构组成相同，均包括碳刷架1135、刷头1136、弹簧1137、导电柱1138及电流引出线1139，碳刷架1135为金属材料制成，刷头1136为石墨材料制成，两个碳刷1134的刷头1136相向设置于换向器1123的外侧。
具体的，碳刷架1135从一端至另一端依次设置有弹簧安装孔、弹簧作用段及刷头安装孔；弹簧安装孔处还设置有纵向贯通弹簧安装孔的导电柱安装孔；刷头1136安装于刷头安装孔处；弹簧1137为平面涡卷弹簧1137，位于弹簧安装孔处；导电柱1138的顶端直径大于导电柱安装孔的直径，从导电柱1138顶端至底端开设有弹簧安装槽381，导电柱1138从导电柱安装孔的外侧插入导电柱安装孔，弹簧1137的始端插入弹簧安装槽381，弹簧37的末端从弹簧安装孔处伸出抵在弹簧作用段，用于保证刷头1136的位置；导电柱1138的下部伸出导电柱安装孔，伸出的部分与安装板1132固定连接，电流引出线1139的一端与导电柱1138的底端电连接；引出线的另一端从安装板1132处引出电机。
为了有效避免了高冲击振动环境下引出线松脱断路或者短路而失效的情况，提高电机的耐冲击性。本发明的安装板1132包括两个导电柱固定孔及与两个导电柱固定孔相通的线槽，导电柱1138的下部与导电柱固定孔过盈配合，电流引出线1139从线槽处引出电机；线槽处设置有灌封胶；后端盖1131的一侧设置有安装槽，所述安装板1132镶嵌于安装槽处。本发明将引出线固定在安装板1132的槽内，并用灌胶塑封，相比传统的焊接这种嵌套式结构使引出线连接更紧固，绝缘性更好。
因为空心杯转子线圈1121的唯一支撑连接部分为支架1122，且结构类似悬臂梁，这样就对支架1122的强度和刚度提出了更高要求，故支架1122材料选用加强加厚型树脂材料保证绝缘。为了提高转子112的耐冲击性，本发明的转子112的支架1122包括同轴设置的树脂支架及钢架；钢架为筒状结构，包括同轴设置的大径段和小径段；树脂支架朝向转子线圈1121另一端的一侧设置有钢架安装槽，钢架的大径段嵌入钢架安装槽。
为了进一步提高电机的耐冲击性，本发明将作为转子112主要支撑结构和受力部件的电机轴1124材料选用高强度不锈钢3Cr13，热处理后要求硬度不小于50HRC，相比常用钢材料轴的强度和刚度都有较大提高，耐冲击性更好。
此外，为了防止电机轴1124发生轴向串动，本发明在第一轴承1114的外侧还设置有第一轴承挡圈114，第二轴承1133的外侧还设置有第二轴承挡圈115。
为了有效提高整机的耐冲击性，第二轴承挡圈5与电极轴通过激光焊接，第一轴承挡圈114与电机轴1124通过激光焊接；前端盖1112和后端盖1131分别与壳体通过激光焊接。相比传统的螺钉连接和铆接，激光焊接能量集中，热影响和热变形小，且没有接触加工和对零件的外力作用，连接高精度高强度。
由此，通过电机整体结构的设计及碳刷组件的结构设计，使得空心杯永磁直流伺服电动机具有良好的抗冲击性能，碳刷的安装结构采用安装板和后端盖的组合形式，其中安装板采用绝缘材料保证电流引出的安全性，后端盖采用刚性材料，保证电机整体结构的刚度。碳刷分为碳刷架和刷头两部分，其中碳刷架采用金属材料，刷头采用石墨材料，金属材料的碳刷架结构作为碳刷支撑部分，与传统的一体式结构的纯石墨碳刷相比，金属制碳刷架易加工，强度和连接性更好，同时使石墨碳刷的长度更短，结构更简单，大大降低了碳刷的加工难度和采购成本，有效提高了碳刷部分的抗冲击性。采用平面涡卷弹簧(发条弹簧)提供压迫保持碳刷与换向器有效紧密连接的弹力，平面涡卷弹簧的另一端使用铜柱固定，相比传统的钢丝卷制弹簧，平面涡卷弹簧的接触面积更大，同等压力下零件所受的压强更小更平稳，且不易疲劳失效，可靠性更好，大大提高了使用寿命和耐冲击性。
综上所述，在本发明提供的中，具有如下优点：
联动舵机组件与差动舵机组件在空间十字交错的分布方式使得所述电动舵机系统的体积较小，在保证电动舵机系统精密稳定运行的前提下，较小的体积可使所述电动舵机系统应用范围更广，且占用航行器内部的体积更小，并节约成本。
进一步的，该电动舵机系统通过聚氨酯胶填充舵舱，对联动电机、差动电机的碳刷、弹簧以及对电位器的电刷及输出轴轴向固定方式等部件的改进，从而保证电动舵机系统的连接强度，且提高其抗过载能力。
更进一步，通过联动电机、差动电机的高功率密度比、减速器传动系统优化后转动惯量的减小、控制算法采用指令分离法，即阶跃指令时采用较小Kp，以抑制所述电动舵机系统的抖动；正弦指令时采用较大Kp，以提高所述电动舵机系统的动态响应能力。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种电动舵机系统，其特征在于，包括：
舵舱(3)；
位于所述舵舱(3)内上侧的电路板(4)；
联动舵机组件(1)，用于调整航行器俯仰姿态，所述联动舵机组件(1)包括位于所述舵舱(3)内的联动电机(11)、联动减速器(12)和第一电位器(13)以及位于所述舵舱(3)外侧壁上的联动舵片(14)，所述第一电位器(13)位于所述联动减速器(12)上，所述联动舵片(14)与所述联动减速器(12)固定连接；及
差动舵机组件(2)，用于调整航行器偏航姿态，所述差动舵机组件(2)与所述联动舵机组件(1)呈空间十字交错分布，所述差动舵机组件(2)包括位于所述舵舱(3)内的差动电机(21)、差动减速器(22)和第二电位器(23)以及位于所述舵舱(3)外侧壁上的差动舵片(24)，所述第二电位器(23)位于所述差动减速器(22)上，所述差动舵片(24)与所述差动减速器(22)固定连接；
其中，所述联动减速器(22)平行设于所述电路板(4)下方，所述差动减速器(22)平行设于所述联动减速器(12)下方，所述差动电机(21)输出轴方向平行于所述差动减速器(22)且所述差动电机(21)位于所述差动减速器(22)下方，所述联动电机(11)输出轴方向垂直于所述联动减速器(12)且所述差动减速器(22)具有一与所述联动电机(11)紧密贴合的曲面。
2.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述联动电机(11)与所述差动电机(21)均呈圆柱状，所述差动减速器(22)与所述联动电机(11)贴合的曲面为圆弧面。
3.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述舵舱(3)呈圆台状，其中，所述舵舱(3)上底面直径为48mm-54mm，下底面直径为58mm-64mm，高为70mm-80mm。
4.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述联动舵机组件(1)与所述差动舵机组件(2)通过螺栓结构及聚氨酯胶(5)固定于所述舵舱(3)内，其中，所述聚氨酯胶(5)为聚氨酯发泡胶与聚氨酯树脂按照1：1.5的质量比，配制成密度为0.69g/cm3的胶体。
5.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述联动减速器(12)包括依次连接的第一传动单元、第二传动单元及联动输出轴(121)，所述联动电机(11)与所述第一传动单元连接，所述第一电位器(13)通过第一锥齿轮(122)与所述联动输出轴(121)连接，且所述联动舵片(14)与所述联动输出轴(121)连接。
6.如权利要求5所述的电动舵机系统，其特征在于，所述第一传动单元包括相连接的第一输入齿轮(123)和第一输出齿轮(124)，所述第二传动单元包括相连接的蜗轮(125)和蜗杆(126)，所述蜗轮(125)为扇形结构，其中，所述第一输入齿轮(123)与所述联动电机(11)连接，所述第一输出齿轮(124)与所述蜗杆(126)连接，所述蜗轮(125)与所述联动输出轴(121)连接。
7.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述差动减速器(22)包括依次连接的第三传动单元、第四传动单元、第五传动单元及差动输出轴(221)，所述差动电机(21)连接所述第三传动单元，所述第二电位器(23)与所述差动输出轴(221)连接，且所述差动舵片(24)与所述差动输出轴(221)连接。
8.如权利要求7所述的电动舵机系统，其特征在于，所述第三传动单元包括相连接的第三输入齿轮(222)和第三输出齿轮(223)，所述第四传动单元包括相连接的第四输入齿轮(224)和第四输出齿轮(225)，所述第四输出齿轮(225)为扇形结构，所述第五传动单元包括第五输入齿轮(226)及与所述第五输入齿轮(226)两端垂直相连的两个第五输出齿轮(227)，其中，所述第三输入齿轮(222)与所述差动电机(21)连接，所述第三输出齿轮(223)与所述第四输入齿轮(224)连接，所述第四输出齿轮(225)与所述第五输入齿轮(226)连接，两个所述第五输出齿轮(227)分别与所述差动输出轴(221)连接。
9.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述第一电位器(13)与所述第二电位器(23)均包括：上罩(134)、壳体(135)及电位器输出轴(132)，所述上罩(134)与所述壳体(135)密封安装形成一容置空间，所述电位器输出轴(132)贯穿所述容置空间，所述容置空间内设有电刷(131)、及电刷基座，所述电刷(131)通过电刷架固定在所述电刷基座上，所述电刷基座固定安装在所述电位器输出轴(132)上。
10.如权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，所述联动电机(11)和所述差动电机(21)均为空心杯永磁直流伺服电机，所述空心杯永磁直流伺服电机包括：定子(111)、转子(112)及碳刷组件(113)，所述转子(112)与定子(111)同轴设置；
所述定子(111)包括机壳(1111)、前端盖(1112)、磁钢(1113)及第一轴承(1114)；所述前端盖(1112)沿其轴向分为轴承安装段(1118)及磁钢安装段(1116)，所述前端盖(1112)沿其轴向设置有供电机轴(1124)同轴穿过的中心孔；所述轴承安装段(1118)对应的中心孔还设置有第一轴承(1114)；所述轴承安装段(1118)与机壳(1111)的前端固定连接；所述磁钢安装段(1116)位于机壳(1111)内；所述磁钢(1113)固定设置在磁钢安装段(1116)的外侧；
所述转子(112)包括转子线圈(1121)、支架(1122)、换向器(1123)及电机轴(1124)；所述电机轴(1124)同轴穿过定子(111)的中心孔；所述转子线圈(1121)位于磁钢(1113)与机壳(1111)之间，转子线圈(1121)远离前端盖(1112)的一端伸出磁钢(1113)，并通过支架(1122)与电机轴(1124)固定连接；所述换向器(1123)紧挨支架(1122)设置，并套装在电机轴(1124)上；
所述碳刷组件(113)包括后端盖(1131)、安装板(1132)、第二轴承(1133)及两个碳刷(1134)；所述后端盖(1131)为刚性材料制成，所述安装板(1132)为绝缘材料制成，所述后端盖(1131)与机壳(1111)的后端固定连接，所述安装板(1132)固定设置于后端盖(1131)的内侧，所述两个碳刷(1134)固定设置于安装板(1132)的内侧；所述后端盖(1131)及安装板(1132)与电机轴(1124)相对处设置有供电机轴(1124)通过的电机轴安装孔，所述电机轴(1124)通过第二轴承(1133)设置于电机轴安装孔处；
两个碳刷(1134)结构组成相同，均包括碳刷架(1135)、刷头(1136)、弹簧(1137)、导电柱(1138)及电流引出线(1139)，所述碳刷架(1135)为刚性材料制成，所述刷头(1136)为石墨材料制成，两个碳刷(1134)的刷头(1136)相向设置于换向器(1123)的外侧；所述碳刷架(1135)从一端至另一端依次设置有弹簧安装孔、弹簧作用段及刷头安装孔；所述弹簧安装孔处还设置有纵向贯通弹簧安装孔的导电柱安装孔；所述刷头(1136)安装于刷头安装孔处；所述弹簧(1137)为平面涡卷弹簧(1137)，位于弹簧安装孔处；所述导电柱(1138)的顶端直径大于导电柱安装孔的直径，从导电柱(1138)顶端至底端开设有弹簧安装槽(381)，所述导电柱(1138)从导电柱安装孔的外侧插入导电柱安装孔，所述弹簧(1137)的始端插入弹簧安装槽(381)，弹簧(1137)的末端从弹簧安装孔处伸出抵在弹簧作用段，用于保证刷头(1136)的位置；所述导电柱(1138)的下部伸出导电柱安装孔，伸出的部分与安装板(1132)固定连接，所述电流引出线(1139)的一端与导电柱(1138)的底端电连接；所述引出线的另一端从安装板(1132)处引出电机。
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