CN110997481A - 用于驱动浮体的机舱的电动伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

在用于驱动浮体的机舱(13)的电动伺服驱动系统(30)中，机舱(13)通过轴(1)和变速器(7、8、8’)借助至少两个伺服马达(9、10、16、17、18、19)可转动，其中提供了用于张紧变速器(7、8、8’)的控制单元(28)。至少在伺服马达(9、10、16、17、18、19)中，限制用于张紧的力矩，其中，在某电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中改变转矩，而至少另一个电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中转矩是恒定的。

Description

用于驱动浮体的机舱的电动伺服驱动系统

本发明涉及一种机舱(Gondel)的电动伺服驱动系统(或者说执行驱动系统)，其中，通过机舱可驱动浮体，该浮体尤其是船。

电动伺服驱动系统例如被提供用于远洋船的，尤其是电驱动的舵桨，其布置在船尾区域的船底下方的可旋转轴上。舵桨有机舱。电动伺服驱动系统还被提供用于例如远洋船的POD，该POD布置在船尾区域中的船底下方可旋转轴上。POD具有机舱。远洋船是浮体的一个例子。浮体的其他示例是潜艇或浮式海上采油平台。除了诸如客船，渡轮或巡洋舰的远洋船之外，诸如拖船或驳船的其他船也是可能的应用。为了调节或旋转机舱，可以设置电动伺服驱动器或电动伺服马达或多个电动伺服驱动器或多个电机。除电动伺服外，电动伺服驱动器还具有一个变流器。

大型船的舵桨由伺服马达驱动，伺服马达通常设计为液压马达或电动马达。液压马达具有的缺点是，在从液压管路到马达的过渡点上可能发生泄漏，特别是在长时间振动应力的情况下，如在舵桨中长时间振动应力的情况下存在泄露。所需的液压设备(泵和马达)相对较重并且占用大量空间。

由WO 00/15495已知电动伺服马达的使用。从WO 89/05262中，还已知具有两个驱动电机的舵桨，其通过具有外齿的盘使舵桨旋转。WO 89/05262中所示的驱动器可以可选地具有液压马达或电动马达，该驱动器具有两个驱动马达。

从EP 1 341 693 B2中已知POD驱动器的方位角调节。描述了一种用于远洋船的，特别是电驱动的舵桨的伺服驱动器，该舵桨布置在船尾区域中的船底下方的可旋转轴上，该轴可通过至少两个伺服马达旋转，该伺服马达通过小齿轮作用在与上轴部分连接的齿圈，优选地作用在布置在上轴部分内部的齿圈上，并且为此目的被设计成可控制和可调节的。

对于在共同变速器上工作的多马达驱动器(例如啮合在共同齿圈上的小齿轮)、特别是在低负载下并且当驱动力矩的符号变化时，存在齿面在变速器内常常往复撞击的风险。这降低了齿轮的使用寿命，从而降低了整个变速器的使用寿命。马达，即伺服马达，可以直接或通过各个上游的变速器耦合到集合变速器上。

本发明所要解决的技术问题是，增加变速器的使用寿命。

该技术问题通过根据权利要求1的电动伺服驱动系统以及通过根据权利要求7的用于运行电动伺服驱动系统的方法来实现。本发明的示例性实施例由权利要求2至6或8至12得出。

在机舱的电动伺服驱动系统中，机舱可通过轴和齿轮借助于至少两个伺服马达旋转。机舱用于驱动浮体。浮体的示例是船(例如，游轮、集装箱船、补给船、破冰船等)或石油钻机，采油平台等。电动伺服驱动系统具有用于张紧变速器的控制单元。控制单元可以是中央单元和/或分布在多个硬件平台上的非中央单元。借助该控制单元可影响电动伺服马达，电动伺服马达可通过构建力矩来产生张力。

通过在共同的集合变速器上的张紧、即用于多个驱动马达(亦电动伺服马达)的力矩张紧，可以增加其使用寿命。该张紧尤其可以通过用于POD驱动器的方位角控制的调节驱动器来实现。

通过驱动马达的力矩张紧，可以消除变速器中齿面的撞击。这种撞击是由松动引起的。驱动器被张紧以消除松动。为了消除齿轮松动的负面影响，驱动器例如成组地互相张紧。为此，例如使用不同的特性曲线，将转速控制器请求的控制力矩转换为针对驱动组的力矩额定值。例如，可以通过预紧以及机械减振或电气减振将由力矩不对称分布引起的驱动组之间的振动保持在合理的范围内。

各个驱动器的力矩张紧可以通过相应地控制驱动马达的逆变器来实现。所描述的概念使得可以使用任意数量的马达来张紧。选择用于张紧的马达越多，为此所维持的力矩就越小。

在电动伺服驱动系统的一种实施方式中，控制单元具有多个用于电动伺服马达的设定点的输出端，以便将所需的负载力矩分配给电动伺服马达。因此，电动伺服马达可以至少暂时接收不同的额定值。额定值例如涉及速度、转矩、位置等。该控制单元特别用于执行调节任务和/或控制任务。

所使用的控制原理尤其基于协作特征曲线的原理。这意味着各个马达(电动伺服马达)至少部分以彼此相反的转矩运行。这个原则可以完善。至少可以实现以下方面之一：

·仅使用很小的用于张紧的力矩(尤其是可调力矩)(例如马达额定力矩的5％)；

·使任意可选数量的马达(偶数和奇数)相互张紧；

·在马达故障时，保留其余马达的张紧，其中，在持续运行期间进行新的转矩分配；

·如果发生马达故障，则为了张紧将另一台马达添加到其余用于张紧的马达中，其中，在持续运行期间进一步分配转矩；

·如果负载力矩的符号发生变化，则马达的转矩将依次移动通过0，和/或

·当负载力矩的符号改变时，当前最多一台电机无转矩或变速器中的齿面切换。

在电动伺服驱动系统的一种实施方式中，控制单元具有这样的调节装置，该调节装置对于不同的电动伺服马达实现力矩交零点的时间上的错移。

因此可以获得持续的张紧。

在电动驱动系统的一个实施例中，一序列电动伺服驱动器被设置用于改变转矩的符号。所述序列可以取决于例如电动伺服马达的功率，电动伺服马达的局部定位和/或它们的负载。以这种方式，根据边界条件实现了定义的状态。

在电动伺服驱动系统的一种实施方式中，控制单元对于不同的电动伺服马达具有相同的额定负荷曲线，所述额定负荷曲线在时间上错移。这样即使转矩符号发生变化也可以连续的或均匀的张紧。

在电动伺服驱动系统的一个实施例中，用于张紧的控制单元具有至少一个电动伺服马达的限时最大转矩数量。因此可以避免过载。

在电动伺服驱动系统的一个实施例中，仅一小部分可用转矩用于力矩张紧。驱动马达(电动伺服马达)的全部转矩可用于负载。因此，没有必要加大驱动器的尺寸。

在电动伺服驱动系统的一种实施方式中，各个马达的转矩相对于总驱动转矩的分配相对于力矩反向区域中的张力在时间上错移。可以在一个变速器上使用四个或五个马达来完成此操作。这种类型的转矩分配符合意义地适用于多个马达中的任何数目。

在电动伺服驱动系统的一个实施例中，如果一个或多个马达发生故障，则在连续运行期间由控制单元重新分配马达的各个转矩。

由于在使用所描述的驱动系统或其运行方法时预期的较低的变速器磨损，因此维护间隔可以增加，这导致成本节省。

在电动伺服驱动系统的实施例中，伺服马达设计为永磁励磁电机(PEM)，其通过小齿轮连接到齿环。永磁励磁电机的优势在于，即使在低速下也可以输出较高的转矩。使用相对较小的、节省空间的电机是非常有利的。

在电动伺服驱动系统的一种实施方式中，电动伺服马达设计为齿轮电机，变速器具有输出小齿轮。因此可以有利地使用普通的三相电机，其中，变速器所需的额外空间并不是很大。在使用永磁励磁电机和带有法兰齿轮的常规三相电机时，电机都特别小，以至于它们可以毫无困难地布置在轴的上部。这导致伺服驱动器的总高度更明显地减小，从而可以更好地利用舵桨或POD上方的货舱。

在电动伺服驱动系统的一种方案中，可以根据特性曲线来控制和/或调节电动伺服马达。例如，在执行调节运动时，可以为电动伺服马达实现软启动，其中某电动伺服马达例如以低转矩驱动地作用，而另一个则以低转矩制动地作用。

电动伺服马达可以有利地具有转速和旋转方向测量装置。因此，可以使用简单的计数器确定轴的准确位置，并且省去附加的旋转位置传感器系统。

伺服驱动器有利地与电动工作/电子工作的船舶推进系统连接。这使得可以通过船舶推进系统直接影响伺服驱动器。船舶推进系统有利地包含具有最优曲线的存储器，必要时还有极限曲线，利用这些曲线考虑与舵桨的转速对船速和/或舵桨的瞬时位置的依赖关系。以这种方式，特别地可以避免太快的调整，该太快的调整可能导致不适应船速的操纵。

在运行用于驱动船舶的机舱的电动伺服驱动系统的方法中，电动伺服驱动系统设置有多个电动伺服马达和用于旋转机舱的变速器，其中通过电动伺服驱动系统张紧该变速器。

在该方法的一种实施方式中，将用于张紧的力矩至少暂时地分配给多个电动伺服马达。避免了在力矩变化的情况下，也就是说，当负载从正值变为负值或反之时，所有的电动伺服马达同时经过交零点。

在该方法的一种实施方式中，在至少一个电动伺服马达中用于张紧的力矩被限制。这样，张紧力矩可以分配给不同的电动伺服马达。

在该方法的一种实施方式中，在一个电动伺服马达中转矩变化，而在至少另一台电动伺服马达中转矩是恒定的或保持恒定。该转矩尤其是张紧所需的转矩。因此，在该方法的一个实施例中，张紧转矩在一个电动伺服马达中变化，而至少在另一电动伺服马达中，张紧转矩是恒定的或保持恒定。这在负载变化的情况下能够连续传递张紧转矩。

在该方法的一种实施方式中，如果一个电动伺服马达发生故障，则由其余的电动伺服马达进行张紧。这增加了系统的可用性。

在该方法的一个实施例中，当负载力矩的符号发生变化时，仅唯一一个在运行中的电动伺服马达无负载力矩地运行。这样可以保护变速器。

参考附图通过示例的方式更详细地解释本发明，其中，进一步的细节从附图中可得到。相同的附图标记用于相似的元件。详细显示：

图1示出了可旋转的POD；

图2示出了具有四个电动伺服马达的伺服驱动系统。

图3示出了具有五个伺服马达的多电机驱动器中的力矩张紧的图示。

图4示出了具有四个伺服马达的多电机驱动器中的力矩张紧的图示。

在图1中，附图标记1表示舵桨的轴，附图标记2表示电机的壳体，该电机的壳体安装在舵桨轴1的下部。附图标记3表示由壳体2中的电机驱动的舵桨，并且附图标记4表示也由壳体2中的电机驱动的第二舵桨。在两个舵桨3和4之间是优选连续的、未示出的电机轴。代替用于电机的壳体2，也可以设置用于机械驱动的舵桨的变速器的壳体，然后在轴1的中间是机械驱动的舵桨的驱动轴，并且轴1可以设计得更细。在轴1的上部具有齿环5，该齿环5有利地设计成具有内齿，并且该齿环5与小齿轮6、6’形成第一变速器7。小齿轮6和6’由电机(伺服马达)9、10经由变速器8、8’驱动。当使用特别大转矩的电机时，例如在PEM电机中，可以省略变速器8、8’。电机9、10具有转数计数器和转数方向计数器11、12，通过它们可以检测舵的位置。伺服驱动器连接到总网电气系统上。带有壳体2、舵桨3、4和轴1的机舱13可以通过伺服驱动器9、10进行方位角旋转。

图2示意性地示出了具有四个电动伺服马达16、17、18、19的伺服驱动系统。所提供的伺服驱动器的数量可以取决于船的尺寸或POD的尺寸。四个马达作用在小齿轮20、21、22、23上，在所示的实施例中，这些小齿轮设计为常规小齿轮。但是，也可以使用蜗轮或其他机械元件。可以分别通过逆变器24、25、26、27单独地(如图所示)或分别以两个为一组地给电机供电。逆变器24、25、26、27与控制单元28在数据技术上连接。控制单元28具有多个输出端31，例如用于输出单个逆变器24、25、26、27的额定值。控制单元28还具有多个输入端32，例如用于从各个逆变器24、25、26、27接收实际值。

根据图3的图示以图形示出了具有五个伺服马达的电动伺服驱动系统中的力矩张紧。在图中在时间34上绘制了力矩M33。所示为带有交零点48的负载力矩40。负载力矩分配至五个伺服马达，其中，五个伺服马达的马达力矩绘制为：

第一伺服马达的马达力矩35

第二伺服马达的马达力矩36

第三伺服马达的马达力矩37

第四伺服马达的马达力矩38

第五伺服马达的马达力矩39。

还显示了随时间变化的七个阶段：

第一阶段41

第二阶段42

第三阶段43

第四阶段44

第五阶段45

第六阶段46

第七阶段47。

负载力矩40随时间从第一阶段41到第七阶段47进行线性变化，在第四阶段44中具有交零点48。

在第一阶段41中，五个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37、38、39，其中，马达力矩为负。马达力矩35、36、37、38、39在数量上开始线性减小。

在第二阶段42中，仅还有四个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37、38。马达力矩35、36、37、38保持恒定。第五伺服马达的马达力矩39在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也在数量上)。

在第三阶段43中，仅还有三个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37用于张紧。马达力矩35、36、37保持恒定。第四伺服马达38的马达力矩在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也从数量上)。第五伺服马达的马达力矩39始终保持正值。

在第四阶段44中，仅还有两个伺服马达具有相同的负马达力矩35、36。第四和第五伺服马达38、39的马达力矩具有相同的正力矩值。马达力矩35、36保持恒定，并且马达力矩38和39保持恒定。第三伺服马达37的马达力矩在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也从数量上线性增大)。

在第五阶段45中，仅还有一个伺服马达具有恒定的负值，即具有马达力矩35的伺服马达。第三、第四和第五伺服马达的马达力矩37、38、39具有相同的正力矩值37、38、39。马达力矩35保持恒定的负值，而马达力矩37、38和39保持恒定的正值。第二伺服马达36的马达力矩在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也从数量上)。

在第六阶段46中，第二、第三、第四和第五伺服马达的马达力矩36、37、38、39具有相同的正力矩值。马达力矩36、37、38和39始终保持正值。第一伺服马达35的马达力矩在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也在数量上)。

在第七阶段47中，五个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37、38、39，其中，马达力矩为正。由于负载40线性增加，因此马达力矩35、36、37、38、39以相等的部分(或者说等份地)(也在数量上)线性增加。

所描述的和/或所示出的马达力矩或各个伺服马达的转矩相对于总驱动转矩的分配，如针对五个电机的图形所示，获得在变速器上的改善的张紧。这种类型的转矩分配类似地适用于任何数量的电机。如果一个或多个电机发生故障，则控制器可以在运行期间重新分配各个力矩。

根据图4的图示以图形示出了具有四个伺服马达的电动伺服驱动系统中的力矩张紧。在图中在时间34上绘制了力矩M33。示出了带有交零点48的负载力矩40。该负载力矩分给四个伺服马达，其中，四个伺服马达的马达力矩绘制为：

·第一伺服马达的马达力矩35

·第二伺服马达的马达力矩36

·第三伺服马达的马达力矩37

·第四伺服马达的马达力矩38

还显示了随时间变化的六个阶段：

·第一阶段41

·第二阶段42

·第三阶段43

·第四阶段44

·第五阶段45

·第六阶段46

负载力矩40从第一阶段41到第六阶段46随时间线性变化，并且在第三阶段43和第四阶段44之间具有交零点48。

在第一阶段41中，四个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37、38，马达力矩为负。马达力矩35、36、37、38在数量上开始线性减小。

在第二阶段42中，仅还有三个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37。马达力矩35、36、37保持恒定。第四伺服马达的马达力矩38在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也在数量上)。

在第三阶段43中，仅还有两个伺服马达具有相同的马达力矩35、36。马达力矩35、36保持恒定。第三伺服马达的马达力矩38在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也在数量上)。第四伺服马达的马达力矩38保持恒定为正。

在第四阶段44中，仅还有一个伺服马达具有恒定的负值，它是具有马达力矩35的伺服马达。第三和第四伺服马达的马达力矩37、38具有相同的正力矩值37、38。马达力矩35保持恒定为负，并且马达力矩37、38保持恒定为正。第二伺服马达36的马达力矩在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也在数量上)。

在第五阶段45中，第二、第三和第四伺服马达的马达力矩36、37、38具有相同的正力矩值。马达力矩36、37、38始终保持正值。第一伺服马达的马达力矩35在数量上线性减小，从负变为正，然后再次线性增大(也从数量上)。

在第六阶段46中，四个伺服马达具有相同的马达力矩35、36、37、38，马达力矩为正。由于负载40线性增加，因此马达力矩35、36、37、38以相等的部分线性增加(也从数量上)。

Claims (12)

1.一种用于驱动浮体的机舱(13)的电动伺服驱动系统(30)，其中，机舱(13)能够通过轴(1)和变速器(7、8、8’)借助至少两个电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)转动，所述电动伺服驱动系统(30)具有用于张紧变速器(7、8、8’)的控制单元(28)。

2.根据权利要求1所述的电动伺服驱动系统(30)，其中，所述控制单元(28)具有用于所述伺服马达(9、10、16、17、18、19)的额定值的多个输出端(31)，以使所需的负载力矩分配到所述电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)。

3.根据权利要求1或2所述的电动伺服驱动系统(30)，其中，所述控制单元(28)具有调节装置，所述调节装置实现不同的电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)的力矩交零点(48)的时间上的错移。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动伺服驱动系统(30)，其中，一序列电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)被设置用于改变所述转矩的符号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动伺服驱动系统(30)，其中，所述控制单元(28)具有用于不同的电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)的额定负载曲线(35、36、37、38、39)，所述额定负载曲线(35、36、37、38、39)时间上是错移的。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动伺服驱动系统(30)，其中，所述控制单元(28)为了张紧具有至少一个电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)的限时的最大转矩量。

7.一种运行用于驱动船舶的机舱(13)的伺服驱动系统(30)的方法，所述伺服驱动系统(30)具有多个电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)并且设有用于使机舱旋转的变速器(7、8、8’)，其中，借助于电动伺服驱动系统张紧变速器(7、8、8’)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，至少在电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中，限制用于张紧的力矩。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中转矩变化，而至少在另外的电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中转矩是恒定的。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，在电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)发生故障的情况下，通过其余的电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)进行所述张紧。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，在所述负载力矩(40)的符号变化时，仅处于运行中的电动伺服马达(9、10、16、17、18、19)中的一个在没有负载力矩的情况下运行。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中，使用根据权利要求1至6中任一项所述的伺服驱动系统(30)。

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