CN1736016A - 具有可供高度利用的转角及转速检测器的潜艇用驱动电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜艇用驱动电动机(1)，其具有一转子(4)和至少两个用于检测该转子(4)的转角和/或转速以及用于为该驱动电动机(1)的一调节装置(7)产生相应的信号信息的信号发送器(10、11)，为了能达到高度利用所述转角及转速信息，可以位置不同地至少这样设置其中两个信号发送器(10、11)，即，在局部有限的外部干扰影响(20或21)作用到该驱动电动机(1)上时至少所述两个信号发送器(10、11)中的一个能够保持正常工作。

Description

具有可供高度利用的转角及转速检测器 的潜艇用驱动电动机

本发明涉及一种按照独立权利要求1所述的具有可供高度利用的转角及转速检测器的潜艇用驱动电动机。

对于尤其是军用领域的潜艇用驱动电动机而言，在对其可用性提出极高要求的同时，也在低噪音方面提出了极高的要求。

在潜艇驱动装置中引起噪音的一个根本原因是驱动电动机的扭矩变化。这样的扭矩变化可以通过借助于一个调节装置来高精度地调节所述驱动电动机或者一个向该驱动电动机馈电的变流器而得以减小。因此，该驱动电动机具有一个或者多个用于检测驱动电动机转子或凸极转子的转角或转速以及用于为所述调节装置产生相应信号信息的高质量信号发送器。借助于这些信号信息可以实现在该驱动电动机的定子中绕组电流的相分布，在变流器附近场取向地调节该变流器以及尤其是优化噪音地调制电动机电流。另外，通过高值的转速测量确保即便在小的绝对转速时也能对驱动电动机进行转速调节。

为了保持潜艇的可用性和机动能力，不允许作用在该驱动电动机上的局部有限的干扰影响(例如电磁干扰、水、火或高温)导致停机或者严重恶化驱动电动机的功能以及在此尤其是该驱动电动机的可调节性。相应地，用于调节驱动电动机所需的转角及转速信息在干扰影响下也必须具有高度的可利用性。

为了满足这些要求，已知按照冗余备份的意义在同一安装位置配置多个同类型或者也可以是不同类型的信号发送器。

本发明所要解决的技术问题是要提供一种尽管存在局部有限的外部干扰影响，但其转角及转速检测信息仍具有高度可用性的潜艇用驱动电动机。

上述技术问题按照本发明通过一种按照权利要求1所述的潜艇用驱动电动机得以解决。本发明有利的扩展设计分别是从属权利要求的内容。

通过在不同位置布设所述信号发送器中的两个，使得至少其中一个信号发送器保持不受局部有限的外部干扰作用到驱动电动机上的影响，以及确保在存在这样的干扰影响时在所述调节装置中也有转角和/或转速信息可供利用，并且因此可以保持潜艇的机动性。

为了进一步提高转角和/或转速信息的可用性，尤其是用于高精度地调节驱动电动机，该驱动电动机有利地具有至少另外一个第三信号发送器，该信号发送器位置与所述第一个信号发送器和第二个信号发送器设置于不同的位置上，使得当局部有限的外部干扰影响作用到该驱动电动机上时，所述信号发送器中至少有两个能够保持正常工作。

所述第一个信号发送器和第二个信号发送器及第三个信号发送器具有相互不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容，由此在所述信号发送器另外出现系统误差和/或出现故障时还能够提高转角和/或转速信息的可用性。由此保证：在出现系统误差和/或所述两个保持工作的信号发送器中的一个出现故障时，两个信号发送器中的另一个继续产生正确的转角和/或转速信息。

在本发明的另一有利的替代性设计方案中，所述驱动电动机具有至少另外一个第三信号发送器，该第三个信号发送器安置在所述第一个信号发送器或第二个信号发送器旁边并且具有与旁边信号发送器不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容，使得当局部有限的外部干扰影响作用到该驱动电动机上时所述三个信号发送器中的至少两个能够保持正常工作。

在本发明的一特别有利的实施例中，借助于最多两个保持正常工作的所述信号发送器的信号信息来高精度地调节所述驱动电动机。因此用相应极少的信号发送器和相应很少的技术和经济成本达到高度利用所述为高精度地调节所述驱动电动机所需要的信号信息。

下面借助于附图中的实施例详细阐述本发明及按照从属权利要求所述的本发明其他有利的扩展设计。

附图以简化视图及局部剖视图表示一设计为在转子侧由永久磁铁激励的同步电机的潜艇用驱动电动机1，该潜艇用驱动电动机1具有一个电动机轴2，后者必要时通过一未示出的联轴器用于驱动一潜艇的螺旋桨3。该驱动电动机1具有一定子5、一由永久磁铁8激励并与电机轴2相连的转子4。一外壳18包围该定子5、转子4以及部分电机轴2。其中，电机轴2以未详细示出的方式可旋转地安置在该外壳18的端面23a、23b中。

驱动电动机1通过电流传输导线19由一变流器6馈电，其中，通过一调节装置7来调节该变流器6。变流器6和调节装置7安置在驱动电动机1的外壳18之外。也可以选择将变流器6和调节装置7安置在驱动电动机1的外壳18之内。

驱动电动机1具有用于确定转子4的转角和/或转速以及用于为调节装置7产生相应信号信息的信号发送器10、11。为此，信号发送器10、11通过电连接导线13、14与调节装置7连接并且通过这些导线向该调节装置7提供信号信息，并且如果需要可通过这些连接导线由该调节装置7供给电能。

信号发送器10和信号发送器11安置在不同位置上，由此使得在局部有限的外部干扰影响作用到该驱动电动机1上时至少所述两个信号发送器10、11中的一个保持正常运行。当信号发送器11安置在该电机1的不是输出端的区域中、亦即安置在该驱动电动机1的端面23b的区域中时，信号发送器10相对地位于该驱动电动机1的被外壳18包围的内腔9中。因此，当局部有限的外部干扰影响21在信号发送器11区域内作用到该驱动电动机1上时，信号发送器10保持能够工作。相反，在局部有限的外部干扰影响20作用到信号发送器10上时，信号发送器11保持工作。因此，在存在干扰影响20或21的情况下，也可提供转角和/或转速信息并且可以保持该驱动电动机1的可调节性以及进而保持潜艇的机动性。

为了进一步提高转角和/或转速信息的可使用性，尤其是用于高精度地调节驱动电动机1，该驱动电动机1在第一种可选择的扩展设计中具有另外的第三个信号发送器12′，该信号发送器12′的安装位置与所述信号发送器10和信号发送器11不同，由此使得当局部有限的外部干扰影响20或21或22作用到驱动电动机1上时，至少所述信号发送器10、11、12′中的两个保持能够工作。为此，该信号发送器12′安置在该电机1的输出端的区域内、亦即安置在该电机1的端面23a的区域内以及通过一连接导线15′向调节装置7提供转角和/或转速信息并且如果需要可通过该连接导线被供应电能。

因此，当局部有限的外部干扰影响20作用到驱动电动机1上并且导致信号发送器10失效时，所述信号发送器11和12′继续保持工作；当局部有限的外部干扰影响21作用到驱动电动机1上并且导致信号发送器11失效时，所述信号发送器10和12′保持继续工作；当局部有限的外部干扰影响22作用到驱动电动机1上并且导致信号发送器12′失效时，所述信号发送器10和11保持继续工作。

为了进一步提高可用性，所述信号发送器10、11、12′具有相互不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容。由此保证：在出现系统误差和/或所述两个保持工作的信号发送器中的一个出现故障时，两个信号发送器中的另一个继续产生正确的转角和/或转速信息。

按照本发明的第二种可选择的扩展设计，取代相对于信号发送器10和信号发送器11设置于不同位置上的信号发送器12′，所述驱动电动机1具有另外一个安置在信号发送器11旁边的第三信号发送器12。在此，该信号发送器12具有与信号发送器11不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容，即，如在下文阐述的那样，当局部有限的外部干扰影响作用到驱动电动机1上时，至少所述三个信号发送器中的两个保持能够工作。

当局部有限的外部干扰影响21作用到信号发送器11、12上时，信号发送器12由于其具有与信号发送器11不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容，因此而具有相应更高的抗干扰性，使得除了设置在不同位置上的信号发送器10之外该信号发送器12也以更高的抗干扰性保持工作。

当局部有限的外部干扰影响20作用到信号发送器10上时，所述信号发送器11和12由于它们布设在不同位置上而保持继续工作。在这种情况下，由于所述信号发送器11和12具有不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容，因此确保在出现系统误差和/或所述两个保持工作的信号发送器11或12中的一个出现故障时，可提供正确的转角和/或转速信息以供使用。

进一步的其他设计局限于所述驱动电动机1带有两个位置相互邻近设置的信号发送器11和12的上述第二种扩展设计。这些进一步的其他设计也同理地适合于所述驱动电动机1带有三个设置于不同位置上的信号发送器10、11、12′的第一种不同扩展设计。

为了在存在外干扰影响时所述驱动电动机1具有一最大可能的可用性，所述信号发送器10有利地具有更高的相对于最大外部干扰影响的抗干扰性。如在所述实施例中所描述的那样，所述信号发送器10被安置在由驱动电动机1的外壳18保护性地包围起来的内腔9内，由此达到良好地保护该信号发送器10免受外部干扰影响。另外，可以通过一设计简单的结构和采用一种简单的测量方法来达到进一步增大所述信号发送器10的抗干扰性。

因此，所述信号发送器10是电动机1的最好的抗外部影响的信号发送器。所以它有利地用于检测所述转子4的转角绝对值。利用该绝对值可以在调节装置7中确定所述用于驱动调节所需的定子5中的相位和相电流符号，借助于这些信息在存在严重的外部干扰影响及所述信号发送器11和12出现故障时也能够保持该驱动电动机1的可调节性以及进而保持潜艇的机动性。

所述信号发送器10设计为磁性的位置传感器，由此实现象例如在驱动电动机1的内腔9中所需要的那样一种特别坚固耐用的以及尤其相对于机械和热的干扰影响不敏感的对转子4的转角绝对值的测量。

在此，所述信号发送器10的对于磁场测量所需的磁感应元件必须要相对于在驱动电动机1内部的电场和磁场被屏蔽。在该实施例中转子4借助于永久磁铁8来激励的情况下，为了确定转子4的转角绝对值也可以直接测量由永久磁铁8产生的磁场。

在变流器6安装在驱动电动机1的外壳18之内的情况下，连接导线13可以在该外壳18的内部引向该变流器6以及由此避免所述信号信息受外界作用到该驱动电动机1上的干扰的影响。

为了特别高精度地调节该驱动电动机1以及为了使由此产生的噪音特别轻微，至少其中一个信号发送器，在本实施例的情况下是指信号发送器11，为满足要求地实现相对于该驱动电动机1的高精度调节，它具有对转子4的转角更高的分辨率。

尤其通过将信号发送器11设计为磁性或光学的增量发生器来实现对所述转角的高分辨率。上述类型的增量发生器产生正弦或矩形的电信号，可以在调节装置7中分析这些电信号的次序以及由此可确定所述转速和一个用于转子4转角的相对值。另外，这些增量发生器在每圈机械旋转中至少产生一个零脉冲，其可从所述转角的相对值中继续确定转角的绝对值。为了改善角度分辨率，调节装置7还可以具有一个适当的用于内插计算的电子元件。

为了附加地确定转子4的转向，信号发送器11有利地具有至少两个相互之间有优选恒定的相位错移的信道。

为了在安装简便及具有便利性的同时达到精确测量所属转角的目的，所述具有转角高分辨率的信号发送器11在附图所示的实施例中有利地安置在驱动电动机1的不是输出端的电机轴2上，也就是说，安置在端面23b的区域内。所述信号发送器的固定部分例如可以直接或者通过适当的法兰固定在外壳18的端面23b上。

在驱动电动机1的外壳18内部安装所述变流器6和调节装置7时，通过使电缆连线14的线路完全在驱动电动机1的外壳18内部延伸，从而减小外部干扰影响的作用。

至少其中一个信号发送器，在该实施例的情况下是指信号发送器12产生一模拟输出信号以及由此具有一与信号发送器10和11相比特别更小的对电磁干扰的敏感性。测速发电机或者两相或三相旋转变压器基于其耐用性和测量精度特别适合作为信号发送器12。视所采用的测量系统的类型，所述转速(例如以带有内部整流器的无电刷的测速器测量)、转速与转向(例如以带有换向器和电刷的测速器测量)或者转角(以例如旋转变压器测量)可作为可供直接使用的信息以及由此实现高精度地调节所述驱动电动机1。

所述信号发送器12优选设计为带有永久磁铁激励的测速发电机，因为一个这样信号发送器不需要供电电压以及因此达到高度的可用性。

如在该实施例中描述的那样，为了如信号发送器11那样达到安装简便及易于维护，所述带有模拟输出信号的信号发送器12安置在驱动电动机1的非输出端的端面23b区域内的电机轴2上。

在将信号发送器10设计为磁性的位置传感器、将信号发送器11设计为具有至少两个相互之间有恒定的相位错移的脉冲信道的增量发生器以及将信号发送器12设计为测速发电机时，如下文描述的那样，可以有利地通过在调节装置7中对信号发送器10、11和12的信号信息的电子转化和处理，通过结合该三个信号发送器10、11和12中最多两个信号发生器的信号来获得全部用于高精度调节驱动电动机1所需的关于转子4的转角和转速的信息，以及因此只用很少的信号发送器和相应很小的技术和经济成本达到高的可用性和高精度地调节所述驱动电动机1。

所述设计为磁性位置传感器的信号发送器10一方面直接实现确定所述转子4的转角绝对值。另一方面可通过数字电子的内插补从本身的信号信息中和/或借助于信号发送器11和/或12的转速信息达到高分辨率地确定所述转角以及通过数字电子的转速测算从该信号发送器10本身的信号信息变化中和/或借助于信号发送器11和/或12的转速信息获得一转向信息及高分辨率和精确的转速信息。因此仅仅通过该信号发送器10的功能作用就可实现高度精确地调节所述驱动电动机1。

所述设计为具有至少两个相互间有恒定的相位错移的脉冲信道的增量发生器的信号发送器11允许通过电子分析该增量发生器的脉冲形状的输出信号随时间的顺序来直接获得一高分辨率及高精度的转速信息，以及通过分析至少两个脉冲信道的信号来确定转子4的转向。可以通过电子积分所述至少两个脉冲信道的与频率成正比的信号以及在利用该增量发生器的零脉冲的情况下来获得转子4的转角绝对值。因此仅仅通过该信号发送器11的功能作用就实现了高度精确地调节所述驱动电动机1。

与信号发送器10和11不同，一设计为测速发电机的信号发送器12尽管允许本身单独直接进行测量和确定转子4的转向和转速，但是转角绝对值只能通过电子积分转速信号以及借助于与转角同步的基准信号来获取。这样的信号例如是所述信号发送器11的零脉冲和/或所述信号发送器10的转角信息。因此，为了调节驱动电动机1，只有一个正常工作的信号发送器12是不够的，还需要另外一个正常工作的信号发送器10或11。

Claims (15)

1.一种潜艇用驱动电动机(1)，其转角及转速的检测信息具有高度的可用性，该电动机具有一转子(4)和至少两个用于检测该转子(4)的转角和/或转速以及用于为该驱动电动机(1)的一调节装置(7)产生相应的信号信息的信号发送器(10、11)，其特征在于，至少其中第一个信号发送器(10)相对于一第二个信号发送器(11)设置于不同位置上，并由此使得在局部有限的外部干扰影响(20或21)作用到该驱动电动机(1)上时所述两个信号发送器(10、11)中的至少一个能保持正常工作。

2.如权利要求1所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，它具有至少另外第三个信号发送器(12′)，该信号发送器(12′)相对于所述第一个信号发送器(10)和第二个信号发送器(11)设置在不同位置上，并由此使得所述信号发送器(10、11、12′)中的至少两个在局部有限的外部干扰影响(20或21或22)作用到该驱动电动机(1)上时仍能保持正常工作。

3.如权利要求2所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述第一个信号发送器(10)和第二个信号发送器(11)及第三个信号发送器(12′)具有相互不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容。

4.如权利要求1所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，它具有至少另外第三个信号发送器(12)，该第三个信号发送器(12)安置在所述第一个信号发送器(10)或第二个信号发送器(11)位置附近，并且通过这三个信号发送器(10、11、12)具有相互不同的工作原理和/或不同的信号形式和信号内容而使得当局部有限的外部干扰影响(20或21或22)作用到该驱动电动机(1)上时所述三个信号发送器中的至少两个能够保持正常工作，由此实现所述转角及转速信息具有高度的可用性。

5.如权利要求2至4中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，该驱动电动机(1)借助于最多两个保持正常工作的所述信号发送器(10、11和12或12′)的信号信息可被高精度地调节。

6.如权利要求1至5中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，至少其中一个信号发送器(10)具有更高的相对于最大外部干扰影响(21)的抗干扰性。

7.如权利要求6所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述具有更高的抗干扰性的信号发送器(10)具有用于检测所述转角绝对值的器件。

8.如权利要求6或7所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述具有更高的抗干扰性的信号发送器(10)设计为磁性的位置传感器。

9.如权利要求6所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述具有更高的抗干扰性的信号发送器(10)安置在该驱动电动机(1)的被一外壳(18)包围的内腔(9)中。

10.如权利要求1至9中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述信号发送器(10、11、12或12′)中的至少一个具有对所述转子(4)的转角更高的分辨率，以满足要求地实现对于该驱动电动机(1)的高精度调节。

11.如权利要求10所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述至少一个对所述转子(4)的转角具有更高分辨率的信号发送器(10、11、12或12′)设计为磁性的或光学的增量发生器。

12.如权利要求1至9中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述信号发送器(10、11、12或12′)中的至少一个产生一模拟的输出信号。

13.如权利要求12所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，至少一个带有模拟输出信号的信号发送器(10、11、12或12′)设计为测速发电机或者两相或三相旋转变压器。

14.如权利要求1至13中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，至少其中一个具有更高转角分辨率和/或具有模拟输出信号的信号发送器(11、12)安置在该电动机(1)非输出端的端面(23b)区域内。

15.如权利要求1至14中任一项所述的潜艇用驱动电动机(1)，其特征在于，所述驱动电动机(1)设计为带有由永久磁铁激励的转子(4)的同步电动机。

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