CN116412236A - 机电线性致动器 - Google Patents

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CN116412236A CN202211728744.6A CN202211728744A CN116412236A CN 116412236 A CN116412236 A CN 116412236A CN 202211728744 A CN202211728744 A CN 202211728744A CN 116412236 A CN116412236 A CN 116412236A
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M·J·F·塞兰德
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Abstract

提供了一种机电线性致动器(100)。所述机电线性致动器包括：旋转轴(102)；谐波传动齿轮装置(106)，所述谐波传动齿轮装置从所述旋转轴径向向外延伸并且与所述旋转轴同轴；电动马达(104)，所述电动马达定位在所述谐波传动齿轮装置的径向外侧，其中所述旋转轴被配置成由所述电动马达经由所述谐波传动齿轮装置驱动；以及输出部件(108)，所述输出部件被配置成响应于所述旋转轴的旋转而沿着所述旋转轴被驱动。

Description

机电线性致动器
技术领域
本公开涉及线性致动器，例如，诸如用于飞机控制的机电线性致动器。
背景技术
本公开涉及线性致动器，并且具体涉及机电线性致动器。这种致动器可以用于致动飞机中的控制表面和其他表面，例如缝翼、襟翼、推力反向器门等。
在一些应用中，诸如在航空航天工业中，需要生产要求空间或包络(envelope)尽可能小的致动器，特别是就其直径而言。还需要生产尽可能轻并且可靠的致动器。
发明内容
根据第一方面，提供了一种机电线性致动器。所述机电线性致动器包括：
旋转轴；
谐波传动齿轮装置，所述谐波传动齿轮装置从所述旋转轴径向向外延伸并且与所述旋转轴同轴；
电动马达，所述电动马达定位在所述谐波传动齿轮装置的径向外侧，
其中所述旋转轴被配置成由所述电动马达经由所述谐波传动齿轮装置驱动；以及
输出部件，所述输出部件被配置成响应于所述旋转轴的旋转而沿着所述旋转轴被驱动。
应当理解，通过提供从旋转轴径向向外延伸并与旋转轴同轴的谐波传动齿轮装置和定位在谐波传动齿轮装置的径向外侧的电动马达，与一些其他机电线性致动器相比，所述机电线性致动器所需的空间或包络的直径可以减小。
在本公开的各种示例中，电动马达可以包括转子，该转子与谐波传动齿轮装置同轴并围绕该谐波传动齿轮装置延伸。
旋转轴可以采取各种形式。然而，在各种示例中，旋转轴可以包括滚珠丝杠，并且输出部件可以包括滚珠螺母。
在本公开的各种示例中，可能期望提供一种在单个部件发生故障的情况下不会发生故障的机电线性致动器。这在例如航空航天应用中可能是有益的，在航空航天应用中，机电线性致动器的故障可能导致飞机的灾难性故障。因此，在本公开的各种示例中，马达可以是容错马达。
可以提供各种类型的容错马达。然而，在本公开的各种示例中，容错马达可以包括单个转子和两个或多个定子，或者容错马达可以包括多相容错马达驱动系统。
在本公开的任何示例中，机电线性致动器还可以包括止动件，该止动件用于限制输出部件沿着旋转轴在第一方向上的移动。
在本公开的任何示例中，机电线性致动器还可以包括另外的止动件，该另外的止动件用于限制输出部件沿着旋转轴在与第一方向相反的第二方向上的移动。
在本公开的一些示例中，可能期望在电动马达不运转的情况下(例如由于电动马达故障或电源故障)限制或停止输出轴的旋转。这可以通过多种方式实现。在本公开的各种示例中，谐波传动齿轮装置可
以被配置成当电动马达不运转时限制或在一些示例中停止输出轴的5旋转。
在本公开的这些或各种其他示例中，机电线性致动器还可以包括制动器，该制动器被配置成当该制动器接合时限制或在一些示例中停止输出轴的旋转。
在本公开的各种示例中，可能期望提供一种在单个部件发生故障0的情况下不会发生故障的机电线性致动器。这在例如航空航天应用中
可能是有益的，在航空航天应用中，机电线性致动器的故障可能导致飞机的灾难性故障。因此，在本公开的各种示例中，机电线性致动器可以被配置成使得制动器将在谐波传动齿轮装置发生故障的情况下
用于限制或停止旋转轴的旋转，并且/或者谐波传动齿轮装置将在制5动器发生故障的情况下用于限制或停止旋转轴的旋转。
在本公开的各种示例中，制动器可以是被动制动器。
根据本公开的另外的方面，可以提供一种致动系统，该致动系统包括一个或多个根据本公开的任何方面的机电线性致动器以及用于控制该一个或多个机电线性致动器的控制器。
0从本公开的另外的方面，可以提供一种飞机，该飞机包括：
水平稳定器；以及
根据本公开的任何方面的机电线性致动器或致动系统，
其中所述机电线性致动器被配置成相对于所述飞机移动所述水平稳定器。
关于本公开的一个方面描述的特征当然可以应用于其另外的方面。一般而言，本文所描述的任何示例的特征可以在任何适当的地方应用于本文所描述的任何其他示例。当提到不同的示例或示例组时，应该理解这些示例不一定是不同的，而是可以重叠的。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的某些示例，其中：
图1示出了飞机的尾端的示意性透视图；
图2示出了根据本公开的示例的机电线性致动器的示意图；
图3示出了根据本公开的示例的连接到水平稳定器的机电线性致动器的示意图；并且
图4示出了根据本公开的示例的机电线性致动器的谐波传动齿轮装置的分解透视图。
具体实施方式
图1示出了飞机的尾部2的示意性透视图。飞机尾部2包括从飞机机身6向上延伸的垂直稳定器4和在飞机相应侧从飞机机身6向外延伸的相应水平稳定器8a、8b。一个或多个方向舵10设置在垂直稳定器4的后缘12(即后面)处，并且一个或多个升降舵14设置在各个水平稳定器8a、8b的后缘16(即后面)上。垂直稳定器4、水平稳定器8a、8b、方向舵10和升降舵14适于由致动系统(未示出)移动，以控制飞机的移动。
水平稳定器8a、8b连接到飞机机身6，并且被配置成围绕飞机中的铰链(未示出)旋转，使得水平稳定器8a、8b的尖端18可以根据水平稳定器8a、8b是在第一方向还是第二方向上旋转而既可以向下朝向飞机的下侧移动，也可以向上朝向飞机的顶部移动。通常，水平稳定器8a、8b在飞机起飞时向下旋转，而在飞机着陆时向上旋转。然而，应当理解，水平稳定器的旋转可以被控制，以在飞机起飞、飞行或着陆期间的任何给定时间提供其任何所需的移动。
致动系统包括控制系统(未示出)，并且所提供的多个致动器在控制系统的控制下移动相应的垂直稳定器4、水平稳定器8a、8b、方向舵10和升降舵14。
致动器可以采取多种不同的形式，这取决于例如使用它们的飞机的类型和尺寸。在一个示例中，可以在致动系统中提供一个或多个机电致动器，更具体地说是机电线性致动器。可以用于移动水平稳定器8a、8b的机电线性致动器的一个示例是“配平水平稳定器致动器”(通常称为THSA)。根据本公开的各种示例的机电线性致动器可以例如是与如上所述的水平稳定器一起使用的THSA。然而，应当理解，本公开与其他类型的机电线性致动器相关，并且不限于用于飞机或THSA中的致动器。
图2是根据本公开的示例的可以用作上述类型的THSA的机电线性致动器的示意图。
如图所示，机电线性致动器100由旋转轴102构成，该旋转轴适于由马达104驱动以绕其纵向轴线X-X旋转移动。谐波传动齿轮装置106在马达104与旋转轴102之间围绕旋转轴102延伸。旋转轴102被配置成由马达104经由谐波传动齿轮装置106驱动。
输出部件108设置在旋转轴102上，并且被配置成当旋转轴102旋转时沿着旋转轴102被线性驱动。因此，输出部件108被配置成当旋转轴102在一个方向上旋转时沿着旋转轴102在第一方向D1上被线性驱动，并且当旋转轴102在另一个相反方向上旋转时沿着旋转轴102在第二相反方向D2上被线性驱动。输出部件108可以是环形的，其径向内表面(未示出)适于与旋转轴102的径向外表面ro接合。在本公开的一些示例中，旋转轴102具有设置在其径向外表面上的螺旋螺纹(未示出)，该螺旋螺纹与设置在环形输出部件108的径向内表面上的对应螺旋螺纹(未示出)接合。在本公开的一些另外的示例中，旋转轴102和环形输出部件108可以是滚珠丝杠和滚珠螺母。
如图2所示，旋转轴102通过设置在其第一纵向端部112处的固定部件110固定到飞机(例如固定到飞机机身)。应当理解，在本公开的其他示例中，固定部件110可以设置在旋转轴102上的不同位置处。
输出部件108可以固定到由致动器移动的零件上。因此，在一个示例中，输出部件108在远离枢转点的点处固定到水平稳定器8a、8b，以使水平稳定器8a、8b根据需要枢转。在如图3所示的一个示例中，输出部件108可以经由连杆20连接到水平稳定器8a，以便当输出部件108沿着旋转轴102在第一轴向方向D1或第二轴向方向D2上移动时围绕点22枢转。
相应的第一止动件和第二止动件114可以在期望的纵向位置处设置在旋转轴102上，以限制输出部件108沿着旋转轴102在相反的第一方向D1和第二方向D2上的可能移动。
还提供了诸如被动制动器116(例如防逆转制动器(NBB))的辅助制动装置，使得当被动制动器116在发生马达故障、电源故障或控制故障的情况下接合时，旋转轴102不能在任一方向上旋转。因此，当接合时，被动制动器116在来自输出部件108的负载下抵抗旋转轴的旋转(反向旋转)。在正常操作条件下，被动制动器116可以是冗余的，因为主要装置(谐波传动齿轮装置106)抵抗旋转轴102的反向旋转，如下面进一步详细描述的。然而，通过提供不可逆谐波传动齿轮装置106和被动制动器116两者，致动器可以满足例如在航空航天应用中使用的安全要求，因为被动制动器116将在谐波传动齿轮装置106发生故障的情况下用于停止旋转轴102的反向旋转。类似地，被动制动器116的故障不会导致由致动器控制的任何零件(例如，水平稳定器)的运转失灵，因为谐波传动齿轮装置106在水平稳定器的负载或其他负载下仍会抵抗旋转轴102的反向旋转。这在各种应用中是有利的，包括但不限于航空应用，因为致动器内的部件的单一故障不应导致或能够导致灾难性事件，诸如可能由水平稳定器以不同于预期的方式移动而导致的灾难性事件。
现在更详细地描述谐波传动齿轮装置106的结构。如图4所示，谐波传动齿轮装置106包括径向内椭圆波生成零件202。该零件被配置成与旋转轴102接合，以驱动其旋转。环形花键204围绕椭圆波生成零件202并从其径向向外延伸，并与外部环形花键206接合。环形花键204由扭转刚性但柔性的材料制成，并且在其径向外表面上具有齿208。齿208与设置在外部环形花键206的径向内表面上的对应齿210接合。外部环形花键206由马达104驱动旋转，从而经由谐波传动齿轮驱动旋转轴102的旋转。
设置在环形花键204上的齿数与外部环形花键206上的齿数的比率可以改变外部环形花键206与径向内椭圆波生成零件202之间的齿轮比。应当理解，齿的比率可以设定成放大马达104的输出，从而允许马达104输出相对较低的扭矩来驱动旋转轴102。由于谐波传动齿轮装置106的齿轮比，因此需要相对较大的力来驱动径向内椭圆波生成零件202的旋转。因此，当在发生马达故障、电源故障或控制故障的情况下没有向马达104提供电力时，谐波传动齿轮装置106保持旋转轴102不在相反方向上旋转。因此，当没有电力提供给马达104时，谐波传动齿轮装置106是不可逆的，并且因此用作抵抗旋转轴102反向旋转的制动器(例如在由水平稳定器施加在轴上的负载下)。
因为谐波传动齿轮装置106可以用作抵抗旋转轴102反向旋转的制动器，所以在发生马达或其他故障的情况下不需要停止旋转轴102反向旋转的其他主要装置。这与各种已知的THSA体系结构形成对比，在THSA体系结构中，提供一个或多个制动器(例如，诸如电子断开制动器)作为附加的安全机构。
在图2的示例中，马达104(其包括环形部件)的转子(未示出)可以与谐波传动齿轮装置106同轴地安装并且径向地安装在该谐波传动齿轮装置的外部。例如，转子的径向内表面可以与外部环形花键206接合，以便在马达104通电时驱动其旋转。通过以这种方式提供马达104与齿轮系统同轴并围绕齿轮系统延伸的装置，这种类型的机电线性致动器所需的包络可以减小。致动器的直径和致动器中所需零件的总数也可以减少，因此减少了可能发生故障的零件的数量，从而使致动器更安全、更轻且制造成本更低。
作为根据本公开的示例的机电线性致动器中的另外的安全机制，可能期望在马达104中提供容错。在一个示例中，这可以通过提供具有公共转子和两个独立定子的马达(未示出)来实现，该马达被配置成使得第一定子驱动转子，或者在该第一定子发生故障的情况下，第二定子驱动转子。
在替代示例中，可以提供多相容错马达驱动系统。如图2示意性所示，在本公开的不同示例中使用的任何可能的容错马达配置中，马达104的一个或多个转子可以与谐波传动齿轮装置106同心地安装在旋转轴102上，使得该转子或每个转子与谐波传动齿轮装置同轴并围绕该谐波传动齿轮装置延伸。
虽然仅结合有限数量的示例详细描述了本公开，但是应当容易理解，本公开不限于这些公开的示例。相反，可以对本公开进行修改，以结合此前未描述的、但与本公开的范围相当的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种示例，但是应当理解，本公开的各方面可以仅包括所描述的示例中的一些。因此，本公开不应被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种机电线性致动器，其包括：
旋转轴；
谐波传动齿轮装置，所述谐波传动齿轮装置从所述旋转轴径向向外延伸并且与所述旋转轴同轴；
电动马达，所述电动马达定位在所述谐波传动齿轮装置的径向外侧，
其中所述旋转轴被配置成由所述电动马达经由所述谐波传动齿轮装置驱动；以及
输出部件，所述输出部件被配置成响应于所述旋转轴的旋转而沿着所述旋转轴被驱动。
2.如权利要求1所述的机电线性致动器，其中所述电动马达包括转子，所述转子与所述谐波传动齿轮装置同轴并且围绕所述谐波传动齿轮装置延伸。
3.如权利要求1或2所述的机电线性致动器，其中所述旋转轴包括滚珠丝杠，并且所述输出部件包括滚珠螺母。
4.如任一前述权利要求所述的机电线性致动器，其中所述马达是容错马达。
5.如权利要求4所述的机电线性致动器，其中所述容错马达包括单个转子和两个或多个定子。
6.如权利要求4所述的机电线性致动器，其中所述容错马达包括多相容错马达驱动系统。
7.如任一前述权利要求所述的机电线性致动器，其还包括止动件，所述止动件用于限制所述输出部件沿着所述旋转轴在第一方向上的移动。
8.如权利要求7所述的机电线性致动器，其还包括另外的止动件，所述另外的止动件用于限制所述输出部件沿着所述旋转轴在与所述第一方向相反的第二方向上的移动。
9.如任一前述权利要求所述的机电线性致动器，其中所述谐波传动齿轮装置被配置成当所述电动马达不运转时限制或在一些示例中停止输出轴的旋转。
10.如权利要求1至8中任一项所述的机电线性致动器，其还包括制动器，所述制动器被配置成当所述制动器接合时限制或在一些示例中停止输出轴的旋转。
11.如权利要求9所述的机电线性致动器，其还包括制动器，所述制动器被配置成当所述制动器接合时限制或在一些示例中停止所述输出轴的旋转，其中所述制动器将在所述谐波传动齿轮装置发生故障的情况下用于限制或停止所述旋转轴的旋转，并且/或者所述谐波传动齿轮装置将在所述制动器发生故障的情况下用于限制或停止所述旋转轴的旋转。
12.如权利要求10或11所述的机电线性致动器，其中所述制动器是被动制动器。
13.如任一前述权利要求所述的机电线性致动器，其中所述机电线性致动器是配平水平稳定器致动器。
14.一种致动系统，其包括一个或多个如任一前述权利要求所述的机电线性致动器和用于控制所述一个或多个机电线性致动器的控制器。
15.一种飞机，其包括：
水平稳定器；以及
如权利要求1至13中任一项所述的机电线性致动器或如权利要求14所述的致动系统，
其中所述机电线性致动器被配置成相对于所述飞机移动所述水平稳定器。
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