CN115743501A - 采用双定子永磁电机驱动的转舵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，共轴式的双定子永磁电机提供转舵装置的动力，双定子采用串联结构，共用一个电机转轴；通过双定子永磁电机控制器和两个驱动器，实现永磁电机单定子工作模式或双定子工作模式；双定子永磁电机输出端的花键轴插入行星齿轮减速器的输入花键轴套中，通过减速器放大花键轴上的转舵扭矩，该转舵扭矩由减速器传递至小齿轮；与小齿轮啮合的扇形齿圈通过传动销固定在舵柄上，带动舵柄转动，从而带动舵柄上舵叶转动。利用双定子一体化设计，实现冗余备份，显著提高操舵系统的可靠性与续航力；采取电动直驱式操舵方式，提升功率转换率，通过减速器和齿轮传动机构实现力矩放大，增强电动舵机大型舰船的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶设备设计技术，特别涉及一种采用双定子永磁电机驱动的转舵装置。
背景技术
转舵装置用于实现舰船转舵、航向控制，转舵过程是根据操作指令，驱动装置输出动力，转动舵叶至指定位置的过程。
现有的舰船转舵装置根据动力源不同可分为：
a、电力驱动式液压舵机，其控制方式一般采用阀控或者泵控方式操纵液压系统的流量和方向，通过油泵向油缸供油，带动舵柄和舵叶转动，从而达到操舵目的。电力驱动式液压舵机采用传统液压系统结构，具有压力损耗和流量损失等问题，导致系统的工作效率较低，且存在后期维护难、油液污染等问题。
b、电动舵机，其控制方式一般采用伺服控制器驱动电机，通过滚珠丝杠或其他机械传动方式，带动舵柄和舵叶转动实现操舵。电动舵机一般用单电机驱动，传动方式扭矩受限，导致系统输出的扭矩较小，一般很难应用于大型船舶。
发明内容
针对现在转舵装置存在的问题，提出了一种采用双定子永磁电机驱动的转舵装置。
本发明的技术方案为：一种采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，共轴式的双定子永磁电机提供转舵装置的动力，双定子采用串联结构，共用一个电机转轴；通过双定子永磁电机控制器和两个驱动器，根据需要选择永磁电机单定子工作模式和双定子工作模式对双定子永磁电机进行对应控制；双定子永磁电机输出端的花键轴插入行星齿轮减速器的输入花键轴套中，通过减速器放大花键轴上的转舵扭矩，该转舵扭矩由减速器传递至小齿轮；与小齿轮啮合的扇形齿圈通过传动销固定在舵柄上，带动舵柄转动，从而带动舵柄上舵叶转动；安装在永磁电机轴端部的测速装置，测量永磁电机传动轴的转动速度，作为双定子永磁电机控制器闭环控制速度反馈信号；布置在舵柄上的舵角反馈装置，测量舵柄的转舵角度，作为双定子永磁电机控制器闭环位置反馈信号。
优选的，所述双定子永磁电机两个定子串联安装，共用一个电机转轴，与电机转轴上固定的两个永磁体分别组成两个独立的定子--转子副，两组驱动器输出两路驱动信号，分别控制定子绕组供电。
优选的，所述双定子外壳上，布置有冷却水管道的接头，两幅定子内置独立的冷却管道，冷却管道中冷却水对工作时的两个定子、电机转轴及两个永磁体进行降温，保证永磁的工作温度不会超过其退磁温度。
优选的，所述减速器的输出轴由螺栓连接到内置扭矩限制器的联轴器端部，联轴器远离减速器的另一端通过螺栓固定在小齿轮的轴端，通过内置扭矩限制器的联轴器连接到小齿轮轴上，防止舵叶上过大的冲击扭矩传递到动力装置上。
优选的，所述扇形齿圈可沿周向布置多个小齿轮，即安装多套驱动装置。
优选的，所述扇形齿圈根据转舵装置的转舵范围、转舵扭矩、布置空间要求设计，沿周向扩展，或根据需要采用圆形齿圈。
优选的，所述电机转轴的上端安装有制动装置，提供转舵装置停机时的制动力矩，制动装置在转舵装置工作时，处于通电常开状态，不参与转舵工作；转舵装置停止工作时断电刹紧，保持舵叶位置。
优选的，所述测速装置采用增量式编码器，编码器安装于防护罩内，实现防撞及防水保护。
优选的，所述转舵装置在需要加大扭矩的情况下，沿轴向或径向扩展多个动力装置。
本发明的有益效果在于：本发明采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，采用永磁电机实现了低速大扭矩的操舵效果；利用双定子一体化设计，可以根据需要选择双定子同时工作输出扭矩，或者其中一个定子输出扭矩，实现冗余备份，显著提高操舵系统的可靠性与续航力；本发明采取电动直驱式操舵方式，功率转换率大幅提升，避免了传统液压舵机液压损耗、维护难、油液污染等问题；本发明通过减速器和齿轮传动机构实现力矩放大，增强了电动舵机大型舰船的适用性。
附图说明
图1是本发明双定子永磁电机驱动的转舵装置控制示意图；
图2是本发明一实施例双定子永磁电机驱动电动舵机结构示意图；
图3是图2中双定子永磁电机结构示意图；
图4是图3中双定子永磁电机左视图；
图5是图3中电机转子轴固定放大图；
图6是图2中扇形齿轮啮合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示双定子永磁电机驱动的转舵装置控制示意图，共轴式的双定子永磁电机提供转舵装置的动力，双定子采用串联结构，共用一个电机转轴；通过双定子永磁电机控制器和两个驱动器，可根据需要选择永磁电机单定子工作模式和双定子工作模式对双定子永磁电机进行对应控制；永磁电机输出端的花键轴插入行星齿轮减速器的输入花键轴套中，通过减速器放大花键轴上的转舵扭矩，该转舵扭矩由减速器传递至小齿轮；与小齿轮啮合的扇形齿圈通过传动销固定在舵柄上，带动舵柄转动，从而带动舵柄上舵叶转动，实现转舵功能。此外，安装在永磁电机轴尾端的电磁刹车装置提供转舵装置停机时的制动力矩，永磁电机转动时电磁刹车处于松开状态；安装在永磁电机轴端部的测速装置，测量永磁电机传动轴的转动速度，作为双定子永磁电机控制器闭环控制速度反馈信号，实现精确的速度控制；布置在舵柄上的舵角反馈装置，测量舵柄的转舵角度，作为双定子永磁电机控制器闭环位置反馈信号，实现准确的转舵位置控制。
如图2、3所示双定子永磁电机驱动电动舵机结构和双定子永磁电机结构，本发明提供一种双定子永磁电机驱动的转舵装置，包括：
编码器1安装在电机转轴2的端部，检测电机转轴2的转速，作为控制器的速度反馈信号；
电机转轴2分别由轴承19、轴承20支承，安装在电机前后端盖21、22上，与定子外壳23一起最终通过钟形罩10、减速器11外壳固定在基座24上；
制动装置3安装在电机转轴2的上端，用于停机时保持舵角不变，采用F-S的形式，正常工作时通电，处于松刹车状态，停机前应将舵叶转至零位，断电后刹紧刹车，保持舵叶位置；
电机定子4与定子5串联安装，共用一个电机转轴2，与电机转轴2上固定的永磁体6和永磁体7分别组成两个独立的定子--转子副，定子4与永磁体6之间形成气隙8，通过气隙8中的磁场传递定子输入的电能，定子5与永磁体7同理通过之间气隙中的磁场传递定子输入的电能；
定子4与定子5外壳上，布置有冷却水管道的接头25，两幅定子内置独立的冷却管道，通过冷却水降低工作时定子4和定子5、电机转轴2及永磁体6和永磁体7的温度，有效保证永磁的工作温度不会超过其退磁温度；
如图2、3、4所示，电机转轴2输出端为带花键9的轴，外部由钟形罩10保护，直接插入到行星齿轮减速器11的花键套12中，通过减速器11放大电机转轴2上的转舵扭矩；
减速器11的输出轴13由螺栓连接到联轴器14端部，联轴器14内置扭矩限制器，联轴器14远离减速器的另一端通过螺栓固定在小齿轮15的轴端；
如图2、6所示，小齿轮15及扇形齿圈16啮合形成齿轮传动，扇形齿圈16通过销轴17与舵柄18固定连接，推动舵柄18转动。扇形齿圈16可沿周向布置多个小齿轮，即安装多套驱动装置，在提高转舵扭矩的同时，能够保证转舵装置的可用性。
从上述结构可知，电机转轴2上的扭矩通过减速器11放大，通过带扭矩限幅的联轴器14传递，然后进一步由小齿轮15大齿圈16的放大，最终作用于舵柄18上。通过带扭矩限幅机构的联轴器连接到小齿轮轴上，防止舵叶上过大的冲击扭矩传递到动力装置上，保护电机及减速器。
本发明电机转轴2上的转舵扭矩可以由双定子--永磁体转子组合(4、6)和(5、7)提供，可以根据需要选择双定子同时工作输出扭矩，或者其中一个定子输出扭矩，实现冗余备份，显著提高操舵系统的可靠性与续航力。
该转舵装置结构下，采用永磁电机实现了低速大扭矩的操舵效果。本发明采取电动直驱式操舵方式，功率转换率大幅提升，避免了传统液压舵机液压损耗、维护难、油液污染等问题。此外，本发明通过减速器和齿轮传动机构实现力矩放大，增强了电动舵机大型舰船的适用性。
所述测速装置可采用增量式编码器，编码器安装于防护罩内，实现防撞及防水保护；配套合适的控制器，可以实现转舵装置的双冗余配置，提高转舵装置的可靠性：单个定子及其驱动控制器的失效，不影响整体的转舵能力。在安装空间足够，且确实需要更大扭矩的情况下，动力装置可沿轴向或径向扩展。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，共轴式的双定子永磁电机提供转舵装置的动力，双定子采用串联结构，共用一个电机转轴；通过双定子永磁电机控制器和两个驱动器，根据需要选择永磁电机单定子工作模式和双定子工作模式对双定子永磁电机进行对应控制；双定子永磁电机输出端的花键轴插入行星齿轮减速器的输入花键轴套中，通过减速器放大花键轴上的转舵扭矩，该转舵扭矩由减速器传递至小齿轮；与小齿轮啮合的扇形齿圈通过传动销固定在舵柄上，带动舵柄转动，从而带动舵柄上舵叶转动；安装在永磁电机轴端部的测速装置，测量永磁电机传动轴的转动速度，作为双定子永磁电机控制器闭环控制速度反馈信号；布置在舵柄上的舵角反馈装置，测量舵柄的转舵角度，作为双定子永磁电机控制器闭环位置反馈信号。
2.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述双定子永磁电机两个定子串联安装，共用一个电机转轴，与电机转轴上固定的两个永磁体分别组成两个独立的定子--转子副，两组驱动器输出两路驱动信号，分别控制定子绕组供电。
3.根据权利要求2所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述双定子外壳上，布置有冷却水管道的接头，两幅定子内置独立的冷却管道，冷却管道中冷却水对工作时的两个定子、电机转轴及两个永磁体进行降温，保证永磁的工作温度不会超过其退磁温度。
4.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述减速器的输出轴由螺栓连接到内置扭矩限制器的联轴器端部，联轴器远离减速器的另一端通过螺栓固定在小齿轮的轴端，通过内置扭矩限制器的联轴器连接到小齿轮轴上，防止舵叶上过大的冲击扭矩传递到动力装置上。
5.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述扇形齿圈可沿周向布置多个小齿轮，即安装多套驱动装置。
6.根据权利要求1或5所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述扇形齿圈根据转舵装置的转舵范围、转舵扭矩、布置空间要求设计，沿周向扩展，或根据需要采用圆形齿圈。
7.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述电机转轴的上端安装有制动装置，提供转舵装置停机时的制动力矩，制动装置在转舵装置工作时，处于通电常开状态，不参与转舵工作；转舵装置停止工作时断电刹紧，保持舵叶位置。
8.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述测速装置采用增量式编码器，编码器安装于防护罩内，实现防撞及防水保护。
9.根据权利要求1所述采用双定子永磁电机驱动的转舵装置，其特征在于，所述转舵装置在需要加大扭矩的情况下，沿轴向或径向扩展多个动力装置。
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