DE102016105193B4

DE102016105193B4 - Fail-safe electromechanical actuator, method for its operation and use of an electromechanical actuator

Info

Publication number: DE102016105193B4
Application number: DE102016105193.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Spangenberg; Mohamed Alsayed Ahmed M. Ismail
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2036-03-22
Also published as: DE102016105193A1

Abstract

Elektromechanischer Aktuator zur elektrisch gesteuerten mechanischen Betätigung eines zu betätigenden Bauteils (14), wobei der elektromechanische Aktuator einen rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuator (2, 4, 5, 6, 7) und ein von dem Hauptaktuator (2, 4, 5, 6, 7) verstellbares Stellglied (11) aufweist, über dass das zu betätigende Bauteil (14) verstellt werden kann, wobei der Hauptaktuator wenigstens einen Elektromotor (6, 7) und ein von dem Elektromotor (6, 7) verstellbares Betätigungsglied (2) aufweist, das auf das Stellglied (11) einwirkt und über dass das Stellglied (11) verstellt werden kann, wobei der elektromechanische Aktuator als Redundanz zu dem Hauptaktuator (2, 4, 5, 6, 7) einen hydraulischen Zusatzaktuator (2, 3, 19, 20) aufweist, der mit dem Stellglied (11) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzaktuator (2, 3, 19, 20) im Kraftfluss zwischen dem Hauptaktuator (2, 4, 5, 6, 7) und dem Stellglied (11) angeordnet ist, sodass der Zusatzaktuator (2, 3, 19, 20) mitbewegt wird, wenn der Hauptaktuator (2, 4, 5, 6, 7) eine Bewegung an das Stellglied (11) ausgibt.Electromechanical actuator for the electrically controlled mechanical actuation of a component (14) to be actuated, the electromechanical actuator being a purely electromechanical main actuator (2, 4, 5, 6, 7) and one of the main actuator (2, 4, 5, 6, 7 ) has adjustable actuator (11) by means of which the component (14) to be actuated can be adjusted, the main actuator having at least one electric motor (6, 7) and an actuating element (2) adjustable by the electric motor (6, 7) which acts on the actuator (11) and via that the actuator (11) can be adjusted, the electromechanical actuator being redundant to the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) a hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20 ), which is coupled to the actuator (11), characterized in that the additional actuator (2, 3, 19, 20) in the power flow between the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) and the actuator (11) is arranged so that the additional actuator (2, 3, 19 , 20) is moved when the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) outputs a movement to the actuator (11).

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator zur elektrisch gesteuerten mechanischen Betätigung eines zu betätigenden Bauteils. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen elektromechanischen Aktuators. Das zu betätigende Bauteil kann ein bewegliches Bauteil eines Luftfahrzeugs oder eines sonstigen Fahrzeugs sein, z.B. eine primäre Steuerfläche eines Luftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung eines elektromechanischen Aktuators.The invention relates to an electromechanical actuator for the electrically controlled mechanical actuation of a component to be actuated. The invention also relates to a method for operating such an electromechanical actuator. The component to be actuated can be a movable component of an aircraft or other vehicle, e.g. a primary control surface of an aircraft. The invention also relates to a use of an electromechanical actuator.

Luftfahrzeuge weisen typischerweise bewegliche Steuerflächen auf, z.B. Querruder, Höhenruder und Seitenruder, die während des Betriebes des Luftfahrzeugs bewegt werden. Es ist in der Luftfahrtechnik seit langem üblich, für die mechanische Betätigung solcher Steuerflächen hydraulische Aktuatoren einzusetzen. Hydraulische Aktuatoren haben sich als sehr zuverlässig gezeigt. Allerdings ist der Überprüfungs- und Wartungsaufwand des hydraulischen Systems relativ hoch. Es gibt bereits Vorschläge, für die Betätigung solcher Steuerflächen elektromechanische Aktuatoren (EMAs) einzusetzen, die mittels eines rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuators betätigt werden, in der Regel durch einen Elektromotors. Es bestehen trotz verschiedener Vorschläge, die Zuverlässigkeit solcher elektromechanischen Aktuatoren zu erhöhen, noch Bedenken, die einem breiten Einsatz solcher Aktuatoren in der Luftfahrtechnik entgegenstehen. Insbesondere bei Störungen kann nicht ohne weiteres gewährleistet werden, dass eine Restbeweglichkeit der Steuerfläche möglich ist, da elektromechanische Aktuatoren z.B. aufgrund von mechanischen Defekten auch komplett blockieren können.Aircraft typically have movable control surfaces, e.g. Ailerons, elevators and rudders that are moved while the aircraft is in operation. It has long been customary in aviation technology to use hydraulic actuators for the mechanical actuation of such control surfaces. Hydraulic actuators have proven to be very reliable. However, the checking and maintenance of the hydraulic system is relatively high. There are already proposals to use electromechanical actuators (EMAs) for actuating such control surfaces, which actuators are actuated by means of a purely electromechanical main actuator, usually by an electric motor. Despite various proposals to increase the reliability of such electromechanical actuators, there are still concerns that stand in the way of widespread use of such actuators in aeronautical engineering. Particularly in the event of malfunctions, it cannot be easily guaranteed that residual mobility of the control surface is possible, since electromechanical actuators e.g. can also block completely due to mechanical defects.

Aus der US 8 827 205 B2 die den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, ist ein elektromechanischer Aktuator mit einem hydraulischen Zusatzaktuator zur Betätigung eines Fahrwerks eines Flugzeugs bekannt. Aus der EP 2 570 344 A2 ist ein hydraulischer Aktuator zur Fahrwerksbetätigung eines Flugzeugs bekannt. Aus der US 2002/ 0 158 527 A1 ist ein elektromotorischer Antrieb bekannt. Aus der DE 10 2013 225 200 A1 ist ein Linearaktuator bekannt. Aus der DE 10 2013 007 604 A1 ist ein Linearaktuator mit Entriegelungsvorrichtung sowie ein Fahrwerk für ein Luftfahrzeug bekannt.From the US 8 827 205 B2 which discloses the preamble of claim 1, an electromechanical actuator with an additional hydraulic actuator for actuating a landing gear of an aircraft is known. From the EP 2 570 344 A2 a hydraulic actuator for actuating the landing gear of an aircraft is known. From the US 2002/0 158 527 A1 an electric motor drive is known. From the DE 10 2013 225 200 A1 a linear actuator is known. From the DE 10 2013 007 604 A1 a linear actuator with an unlocking device and a landing gear for an aircraft are known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Aktuator der zuvor erläuterten Art anzugeben, der eine verbesserte Störsicherheit aufweist und dementsprechend eine verbesserte Eignung zum Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen aufweist, z. B. zur Betätigung von Steuerflächen von Luftfahrzeugen. Ferner soll ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines solchen elektromechanischen Aktuators angegeben werden.The invention is therefore based on the object of specifying an electromechanical actuator of the type explained above which has improved immunity to interference and accordingly has improved suitability for use in safety-critical applications, e.g. B. for the actuation of control surfaces of aircraft. Furthermore, an advantageous method for operating such an electromechanical actuator is to be specified.

Diese Aufgabe wird durch einen elektromechanischen Aktuator gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit dem zuvor angegebenen elektromechanischen Aktuator der gleiche Sicherheitslevel erreicht werden kann wie mit bisherigen hydraulischen Aktuatoren, was auf überraschende Weise dadurch erreicht wird, dass als Redundanz zu dem Hauptaktuator ein hydraulischer Zusatzaktuator vorgesehen wird, der mit dem Stellglied gekoppelt ist und dementsprechend über das Stellglied auf das zu betätigende Bauteil einwirken kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Hinzufügen eines hydraulischen Zusatzaktuators zugleich auch die Flatterneigung von Steuerflächen wirksam bedämpft werden kann. Hierzu eignet sich ein hydraulischer Zusatzaktuator in besonderem Maße.This object is achieved by an electromechanical actuator according to claim 1. The invention has the advantage that the same safety level can be achieved with the previously specified electromechanical actuator as with previous hydraulic actuators, which is surprisingly achieved in that an additional hydraulic actuator is provided as redundancy to the main actuator, which is coupled to the actuator and can accordingly act on the component to be actuated via the actuator. Another advantage of the invention is that the addition of an additional hydraulic actuator can also effectively dampen the tendency of control surfaces to flutter. An additional hydraulic actuator is particularly suitable for this.

Der Zusatzaktuator ist dabei nicht zwingend als vollständige Redundanz zu dem Hauptaktuator ausgebildet, sondern kann z.B. als passive Redundanz derart ausgebildet sein, dass bei blockiertem Hauptaktuator der Zusatzaktuator noch eine Restbeweglichkeit des Stellglieds und somit des damit gekoppelten zu betätigenden Bauteils ermöglicht. Der Zusatzaktuator kann auch aktiv zur Betätigung des Stellglieds betätigt sein, indem er aktiv mit unter Druck gesetztem Hydraulikfluid beaufschlagt wird. Die diesbezüglichen Möglichkeiten werden an späterer Stelle noch im Zusammenhang mit vorteilhaften Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Aktuators erläutert.The additional actuator is not necessarily designed as a complete redundancy to the main actuator, but can e.g. be designed as passive redundancy in such a way that when the main actuator is blocked, the additional actuator still allows a residual mobility of the actuator and thus of the component to be actuated coupled to it. The additional actuator can also be actuated actively to actuate the final control element by being actively acted upon with pressurized hydraulic fluid. The possibilities in this regard will be explained at a later point in connection with advantageous methods for operating the actuator according to the invention.

Der Hauptaktuator und der Zusatzaktuator können in mechanisch paralleler Anordnung mit dem Stellglied gekoppelt sein, d.h. derart, dass sowohl der Hauptaktuator als auch der Zusatzaktuator jeweils unabhängig voneinander das Stellglied bewegen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Zusatzaktuator mit dem rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuator in mechanischer Reihenanordnung angeordnet ist. Die genannte mechanische Reihenanordnung (im Sinne einer Reihenschaltung) ist als Alternative zur zuvor erwähnten parallelen Anordnung zu sehen, d.h. die Aktuatoren Zusatzaktuator und Hauptaktuator können im Sinne einer kinematischen Kette hintereinander angeordnet sein. Wenn der eine Aktuator das Stellglied bewegt, bewegt sich der andere Aktuator zwangsläufig mit. Dabei ist die Anordnung von Hauptaktuator und Zusatzaktuator derart ausgebildet sein, dass der Zusatzaktuator im Kraftfluss zwischen dem Hauptaktuator und dem Stellglied angeordnet ist, sodass der Zusatzaktuator mitbewegt wird, wenn der Hauptaktuator eine Bewegung an das Stellglied ausgibt. Andererseits bewegt sich Hauptaktuator nicht mit, wenn der Zusatzaktuator eine Bewegung am Stellglied ausführt bzw. durch das Stellglied passiv bewegt wird.The main actuator and the additional actuator can be coupled to the actuator in a mechanically parallel arrangement, ie in such a way that both the main actuator and the additional actuator can each move the actuator independently of one another. According to an advantageous development of the invention, it is provided that the hydraulic auxiliary actuator is arranged in a mechanical series arrangement with the purely electromechanical main actuator. The mentioned mechanical series arrangement (in the sense of a series connection) is to be seen as an alternative to the previously mentioned parallel arrangement, ie the actuators additional actuator and main actuator can be arranged one behind the other in the sense of a kinematic chain. When one actuator moves the final control element, the other actuator inevitably moves with it. The arrangement of the main actuator and additional actuator is designed such that the additional actuator is arranged in the power flow between the main actuator and the actuator so that the additional actuator is moved when the main actuator outputs a movement to the actuator. On the other hand, the main actuator does not move when the Additional actuator executes a movement on the actuator or is moved passively by the actuator.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der rein elektromechanisch arbeitende Hauptaktuator als selbstblockierender Aktuator ausgebildet ist, der ohne elektrische Betätigung auch bei von außen auf das Betätigungsglied des Hauptaktuators einwirkenden Kräften in seiner zuletzt eingenommenen Position verharrt. Dies hat den Vorteil, dass der elektromechanisch arbeitende Hauptaktuator bei Stromausfall oder anderen Defekten selbsttätig in einen sicheren, neutralen Zustand übergeht. Zusätzliche Sicherungsmaßnahmen, z.B. durch weitere Bauelemente, sind nicht erforderlich. Die selbstblockierende Eigenschaft des Hauptaktuators kann z.B. dadurch realisiert werden, dass dieser einen Spindeltrieb aufweist, z.B. mit einem Gewinde. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Hauptaktuator nur dann elektrisch betätigt werden muss, wenn eine Veränderung der Stellposition gewünscht ist. Auf diese Weise wird Energie gespart und der Hauptaktuator geschont. Zudem kann eine Überhitzung des Hauptaktuators zuverlässig vermieden werden.According to an advantageous further development of the invention, it is provided that the purely electromechanical main actuator is designed as a self-locking actuator that remains in its last position without electrical actuation even when external forces act on the actuating member of the main actuator. This has the advantage that the electromechanically operating main actuator automatically switches to a safe, neutral state in the event of a power failure or other defects. Additional security measures, e.g. additional components are not required. The self-locking property of the main actuator can e.g. be realized in that it has a spindle drive, e.g. with a thread. Another advantage is that the main actuator only needs to be operated electrically when a change in the setting position is desired. This saves energy and protects the main actuator. In addition, overheating of the main actuator can be reliably avoided.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Zusatzaktuator in das Betätigungsglied des Hauptaktuators baulich integriert ist. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte elektromechanische Aktuator kompakt und kleinbauend realisiert werden kann, was insbesondere für Anwendungen in Luftfahrzeugen besonders vorteilhaft ist. Auf diese Weise kann der Aktuator auch strömungsgünstig im Luftfahrzeug integriert werden.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the hydraulic additional actuator is structurally integrated into the actuating member of the main actuator. This has the advantage that the entire electromechanical actuator can be implemented in a compact and small-building manner, which is particularly advantageous for applications in aircraft. In this way, the actuator can also be integrated in the aircraft in a streamlined manner.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Zusatzaktuator einen Hydraulikzylinder aufweist, der eine mit Hydraulikfluid gefüllte Arbeitskammer aufweist, in der ein Kolben hin und her beweglich angeordnet ist, wobei eine mit dem Kolben gekoppelte Kolbenstange des Hydraulikzylinders mit dem Stellglied gekoppelt ist. Der Hydraulikzylinder kann z.B. als doppeltwirkender hydraulischer Stellzylinder ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der hydraulische Zusatzaktuator auf einfache und kostengünstige Weise sehr zuverlässig realisiert werden.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the hydraulic auxiliary actuator has a hydraulic cylinder which has a working chamber filled with hydraulic fluid in which a piston is movably arranged to and fro, a piston rod of the hydraulic cylinder coupled to the piston being coupled to the actuator . The hydraulic cylinder can e.g. be designed as a double-acting hydraulic adjusting cylinder. In this way, the additional hydraulic actuator can be implemented very reliably in a simple and inexpensive manner.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder mit einer hydraulischen Ventileinrichtung verbunden ist, durch die wenigstens zwei durch den Kolben voneinander getrennte Teilkammern der Arbeitskammer wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Die hydraulische Ventileinrichtung kann z.B. die Funktion eines 2/2-Wegeventils aufweisen, das eine geöffnete und eine geschlossene Stellung hat. In der geöffneten Stellung sind die voneinander getrennten Teilkammern der Arbeitskammer miteinander über die Ventileinrichtung verbunden, in der geschlossenen Stellung sind die Teilkammern gegeneinander abgesperrt. In der geschlossenen Stellung der Ventileinrichtung befindet der hydraulische Zusatzaktuator sich in einem blockierten Zustand, in dem er sich neutral verhält und seine Stellposition nicht verändert. In der geöffneten Stellung der Ventileinrichtung befindet der hydraulische Zusatzaktuator sich in einem unblockierten Zustand, in dem er seine Stellposition bei Bedarf passiv in Folge von von außen auf das Stellglied einwirkenden Kräften verändern kann. Die hydraulische Ventileinrichtung kann separat von dem Hydraulikzylinder vorgesehen sein oder an oder in dem Hydraulikzylinder baulich integriert sein. Die hydraulische Ventileinrichtung kann insbesondere als elektrisch betätigbare Ventileinrichtung ausgebildet sein, z.B. mit einer Betätigung durch einen Elektromagneten. Die hydraulische Ventileinrichtung kann eine Drossel aufweisen. Es kann auch in der Zuleitung zu der einen oder der anderen Teilkammer eine Drossel vorhanden sein.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the hydraulic cylinder is connected to a hydraulic valve device, by means of which at least two sub-chambers of the working chamber separated from one another by the piston can optionally be connected to one another or separated from one another. The hydraulic valve device can e.g. have the function of a 2/2-way valve which has an open and a closed position. In the open position, the separate partial chambers of the working chamber are connected to one another via the valve device; in the closed position, the partial chambers are blocked from one another. In the closed position of the valve device, the additional hydraulic actuator is in a blocked state in which it behaves neutrally and does not change its actuating position. In the open position of the valve device, the hydraulic auxiliary actuator is in an unblocked state, in which it can passively change its actuating position if necessary as a result of external forces acting on the actuator. The hydraulic valve device can be provided separately from the hydraulic cylinder or can be structurally integrated on or in the hydraulic cylinder. The hydraulic valve device can in particular be designed as an electrically actuatable valve device, e.g. with an actuation by an electromagnet. The hydraulic valve device can have a throttle. A throttle can also be present in the supply line to one or the other sub-chamber.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydraulische Zusatzaktuator mit einer hydraulischen Druckerzeugungseinheit verbunden ist oder über Ventile verbindbar ist, um durch hydraulische Betätigung des hydraulischen Zusatzaktuators das Stellglied in einer vorgegebenen Weise zu betätigen. Auf diese Weise kann der hydraulische Zusatzaktuator in einem aktiven Betriebsmodus auch zum aktiven Verstellen des zu betätigenden Bauteils eingesetzt werden. Je nach Betätigungsrichtung wird über Ventile das unter Druck gesetzte Hydraulikfluid der hydraulischen Druckerzeugungseinheit in die eine oder die andere Teilkammer der Arbeitskammer eingeleitet. Die jeweils andere Teilkammer wird dabei mit einem Rückflussvolumen verbunden, um aus dieser Teilkammer Hydraulikfluid entfernen zu können.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the hydraulic additional actuator is connected to a hydraulic pressure generating unit or can be connected via valves in order to actuate the actuator in a predetermined manner by hydraulic actuation of the hydraulic additional actuator. In this way, the additional hydraulic actuator can also be used in an active operating mode for actively adjusting the component to be actuated. Depending on the direction of actuation, the pressurized hydraulic fluid of the hydraulic pressure generating unit is introduced into one or the other sub-chamber of the working chamber via valves. The respective other sub-chamber is connected to a return volume in order to be able to remove hydraulic fluid from this sub-chamber.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein rotierender Elektromotor ist, der einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor mit einer mit einem Innengewinde versehenden Mutter rotationsfest gekoppelt ist, wobei das Betätigungsglied ein Außengewinde aufweist, das im Eingriff mit dem Innengewinde der Mutter ist, sodass durch Drehung des Rotors das Betätigungsglied relativ zur Längsachse des Rotors linear bewegbar ist. Auf diese Weise kann ein sicherer selbstblockierender Aktuator auf kostengünstige Weise realisiert werden.According to an advantageous further development of the invention it is provided that the electric motor is a rotating electric motor which has a stator and a rotor, the rotor being coupled in a rotationally fixed manner to a nut provided with an internal thread, the actuating member having an external thread which engages with is the internal thread of the nut, so that the actuator can be moved linearly relative to the longitudinal axis of the rotor by rotating the rotor. In this way, a safe self-locking actuator can be implemented in a cost-effective manner.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Aktuator kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, je nachdem, ob ein Fehler im System auftritt oder nicht. Die Betriebsmodi sind ferner davon abhängig, ob eine hydraulische Druckerzeugungseinheit vorgesehen ist, sodass der hydraulische Zusatzaktuator dann auch im aktiven Modus betrieben werden kann. Andernfalls kann er nur im passiven Modus betrieben werden, was aber auch bereits viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht.The electromechanical actuator according to the invention can be operated in different operating modes, depending on whether an error occurs in the system or not. The operating modes also depend on whether a hydraulic pressure generating unit is provided, so that the hydraulic auxiliary actuator is then also operated in the active mode can be. Otherwise it can only be operated in passive mode, which, however, already offers many advantages over the prior art.

Im störungsfreien Normalzustand des elektromechanischen Aktuators wird das Stellglied nur durch elektrische Steuerung des rein elektromechanischen arbeitenden Hauptaktuators verstellt. Der hydraulische Zusatzaktuator befindet sich dann in einem blockierten Zustand, in dem er sich neutral verhält und seine Stellposition nicht verändert. In diesem Betriebsmodus ist der elektromechanische Aktuator eben rein elektromechanisch betrieben. Die hydraulischen Komponenten werden dabei im Wesentlichen nicht belastet und unterliegen keinem Verschleiß, da die Stellposition des Zusatzaktuators sich nicht verändert. Dementsprechend ist im störungsfreien Normalzustand der erforderliche Wartungsaufwand für den hydraulischen Zusatzaktuator minimal, d.h. zumindest erheblich geringer als bei bisherigen rein hydraulischen Systemen, die permanent Stellbewegungen durchführen.In the trouble-free normal state of the electromechanical actuator, the actuator is only adjusted by electrical control of the purely electromechanical main actuator. The additional hydraulic actuator is then in a blocked state in which it behaves neutrally and does not change its actuating position. In this operating mode, the electromechanical actuator is operated purely electromechanically. The hydraulic components are essentially not loaded and are not subject to any wear, since the setting position of the additional actuator does not change. Accordingly, in the normal, trouble-free state, the maintenance effort required for the additional hydraulic actuator is minimal, i.e. at least considerably less than with previous purely hydraulic systems that permanently carry out adjusting movements.

Tritt eine Störung oder ein Ausfall des rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuators auf, z.B. ein mechanisches Blockieren des Antriebs, dann behält dieser seine zuletzt eingenommene Position bei. Der hydraulische Zusatzaktuator wird dann in einen unblockierten Zustand geschaltet, in dem er seine Stellposition bei Bedarf passiv in Folge von von außen auf das Stellglied einwirkenden Kräften verändert. Der unblockierte Zustand kann z.B. dadurch erreicht werden, dass im Falle eines Hydraulikzylinders die zwei durch den Kolben voneinander getrennten Teilkammern miteinander verbunden werden, z.B. durch entsprechendes Schalten der hydraulischen Ventileinrichtung. Die Verbindung kann unmittelbar oder über eine Drossel erfolgen. Auf diese Weise lässt sich der hydraulische Zusatzaktuator bewegen, was bei Steuerflächen von Luftfahrzeugen die Möglichkeit eröffnet, dass diese sich z.B. aufgrund des Luftwiderstands in eine neutrale Position bewegen. Zudem bewirkt der hydraulische Zusatzaktuator in diesem Zustand eine Dämpfung der Steuerfläche, sodass die Flatterneigung vermindert ist.If a malfunction or failure of the purely electromechanical main actuator occurs, e.g. If the drive is mechanically blocked, it will retain its last position. The additional hydraulic actuator is then switched to an unblocked state, in which it changes its actuating position passively, if necessary, as a result of external forces acting on the actuator. The unblocked state can e.g. can be achieved in that in the case of a hydraulic cylinder the two sub-chambers separated by the piston are connected to one another, e.g. by switching the hydraulic valve device accordingly. The connection can be made directly or via a throttle. In this way, the additional hydraulic actuator can be moved, which opens up the possibility of control surfaces of aircraft, e.g. move to a neutral position due to air resistance. In addition, the additional hydraulic actuator dampens the control surface in this state, so that the tendency to flutter is reduced.

Die zuvor genannten zwei Betriebsmodi sind bei einem passiven Betrieb des hydraulischen Zusatzaktuators verfügbar, d.h. auch dann, wenn keine hydraulische Druckerzeugungseinheit vorhanden ist oder wenn diese einen Defekt aufweisen sollte.The previously mentioned two operating modes are available with passive operation of the hydraulic auxiliary actuator, i.e. even if there is no hydraulic pressure generation unit or if it should have a defect.

Die zuvor beschriebenen zwei Betriebsmodi können auch genutzt werden, wenn eine hydraulische Druckerzeugungseinheit vorhanden ist und diese funktionsfähig ist, sodass der Zusatzaktuator zwar in einem aktiven Betriebsmodus betrieben werden kann, aber nicht immer in dem aktiven Betriebsmodus betrieben werden muss. In diesem Fall kann zusätzlich vorgesehen sein, dass bei einer Störung oder einem Ausfall des rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuators dieser seine zuletzt eingenommene Position beibehält, d.h. sich wie zuvor erläutert verhält. Wahlweise wird dann der hydraulische Zusatzaktuator in einen unblockierten Zustand geschaltet, in dem er seine Stellposition bei Bedarf passiv in Folge von von außen auf das Stellglied einwirkenden Kräften verändert, oder der hydraulische Zusatzaktuator wird durch Zufuhr von unter Druck gesetztem Hydraulikfluid aktiv in eine vorbestimmte Stellposition verstellt, sodass das Stellglied nur durch hydraulische Steuerung des Zusatzaktuators verstellt wird. Auf diese Weise ist ein redundanter Notbetrieb des elektromechanischen Aktuators auf hydraulischem Wege möglich, wenn der rein elektromechanisch arbeitende Hauptaktuator nicht einsetzbar ist.The two operating modes described above can also be used if a hydraulic pressure generation unit is available and this is functional, so that the additional actuator can be operated in an active operating mode, but does not always have to be operated in the active operating mode. In this case, it can also be provided that in the event of a malfunction or failure of the purely electromechanical main actuator, it maintains its last position, i.e. behaves as previously explained. Optionally, the additional hydraulic actuator is then switched to an unblocked state, in which it passively changes its setting position if necessary as a result of external forces acting on the actuator, or the additional hydraulic actuator is actively adjusted to a predetermined setting position by supplying pressurized hydraulic fluid so that the actuator can only be adjusted by hydraulic control of the additional actuator. In this way, redundant emergency operation of the electromechanical actuator by hydraulic means is possible when the purely electromechanical main actuator cannot be used.

Fällt in diesem Fall zusätzlich die hydraulische Druckerzeugungseinheit aus oder weist eine Störung auf, so kann immer noch in den passiven Betriebsmodus gewechselt werden, d.h. der hydraulische Zusatzaktuator wird in den unblockierten Zustand geschaltet, in dem er seine Stellposition bei Bedarf passiv in Folge von von außen auf das Stellglied einwirkenden Kräften verändert.If, in this case, the hydraulic pressure generation unit also fails or has a fault, it is still possible to switch to the passive operating mode, i.e. the additional hydraulic actuator is switched to the unblocked state, in which it changes its actuating position passively, if necessary, as a result of external forces acting on the actuator.

Wie erkennbar ist, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Aktuator eine größtmögliche Sicherheit sowohl gegen Störungen als auch gegen eine Flatterneigung einer Steuerfläche eines Luftfahrzeugs erzielen.As can be seen, with the actuator according to the invention the greatest possible security can be achieved both against disturbances and against a tendency to flutter of a control surface of an aircraft.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings.

Es zeigen

1 - einen elektromechanischen Aktuator im Querschnitt und
2 - den elektromechanischen Aktuator gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht.

Show it

1 - an electromechanical actuator in cross section and
2 - the electromechanical actuator according to 1 in a perspective view.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, the same reference symbols are used for elements that correspond to one another.

Die 1 zeigt den elektromechanischen Aktuator mit einem Gehäuse 12, das an einem Ende einen starr an dem Gehäuse 12 befestigten Befestigungsflansch 10 aufweist. Über den Befestigungsflansch 10 kann der Aktuator an einer Befestigungsfläche 13 befestigt werden. Aus dem Gehäuse 12 steht auf der anderen Seite ein linear beweglicher Befestigungsflansch 11 heraus. Dieser dient als verstellbares Stellglied des Aktuators, das gegenüber dem festen Befestigungsflansch 10 in Längsrichtung des Aktuators verstellbar ist. An dem beweglichen Befestigungsflansch 11 kann z.B. über ein Gestänge 15 als zu betätigendes Bauteil 14 eine Steuerfläche eines Luftfahrzeugs angekoppelt sein.The 1 shows the electromechanical actuator with a housing 12 , one end rigid to the housing 12 attached mounting flange 10 having. Via the mounting flange 10 the actuator can be attached to a mounting surface 13 attached. From the case 12 on the other side is a linearly movable mounting flange 11 out. This serves as an adjustable actuator of the actuator, which is opposite to the fixed mounting flange 10 is adjustable in the longitudinal direction of the actuator. On the movable mounting flange 11 can eg via a linkage 15th as a component to be actuated 14th be coupled to a control surface of an aircraft.

Der Aktuator weist in seinem Gehäuse 12 einen zur Ausführung eines Rotationsbewegung eingerichteten Elektromotor auf, der einen mit dem Gehäuse 12 starr gekoppelten Stator 6 sowie einen gegenüber dem Stator 6 eine Rotationsbewegung ausführenden Rotor 7 aufweist. Der Rotor 7 kann über Lager 9, z.B. Kugellager, gegenüber dem Stator 6 bzw. dem Gehäuse 12 gelagert sein. Der Rotor 7 ist drehfest mit einer drehenden Mutter 5 gekoppelt, die ein Innengewinde aufweist. Durch die Mutter 5 ist ein mit einem Außengewinde 4 versehener Hohlzylinder 2 hindurchgeführt, der als Betätigungsglied des Hauptaktuators fungiert. Das Außengewinde 4 dient zur mechanischen Erzeugung einer Linearbewegung des Hohlzylinders 2 und des damit gekoppelten beweglichen Befestigungsflanschs 11, wenn der Rotor 7 mit der rotierenden Mutter 5 eine Drehbewegung ausführt. Das Außengewinde 4 ist passend zum Innengewinde der rotierenden Mutter 5 ausgeführt.The actuator points in its housing 12 an electric motor set up to perform a rotational movement, one with the housing 12 rigidly coupled stator 6th and one opposite the stator 6th a rotor executing a rotational movement 7th having. The rotor 7th can about stock 9 , e.g. ball bearings, opposite the stator 6th or the housing 12 be stored. The rotor 7th is rotatable with a rotating nut 5 coupled, which has an internal thread. Through the mother 5 is one with an external thread 4th provided hollow cylinder 2 passed through, which acts as an actuator of the main actuator. The external thread 4th is used to mechanically generate a linear movement of the hollow cylinder 2 and the movable mounting flange coupled therewith 11 when the rotor 7th with the rotating nut 5 performs a rotary movement. The external thread 4th matches the internal thread of the rotating nut 5 executed.

Dementsprechend kann durch Beaufschlagung des Elektromotors mit elektrischer Energie und entsprechender elektrischer Steuerung der Bewegung durch Drehung des Rotors 7 mit der rotierenden Mutter 5 eine Linearbewegung des Hohlzylinders 2 mit dem daran angekoppelten beweglichen Befestigungsflansch 11 erfolgen. Um die Linearbewegung im Sinne einer Steuerung oder Regelung überwachen zu können, kann der elektromechanische Aktuator einen Wegsensor 8 aufweisen, z.B. in Form eines LVDT-Sensors. LVDT-Sensoren sind induktiv arbeitende, in der Regel einen Linearweg erfassende Sensoren. Über den Wegsensor wird der von dem beweglichen Befestigungsflansch 11 jeweils zurückgelegte Weg erfasst und einer Steuereinrichtung zugeführt.Accordingly, by applying electrical energy to the electric motor and corresponding electrical control of the movement by rotating the rotor 7th with the rotating nut 5 a linear movement of the hollow cylinder 2 with the movable mounting flange coupled to it 11 respectively. In order to be able to monitor the linear movement in the sense of a control or regulation, the electromechanical actuator can use a displacement sensor 8th have, for example in the form of an LVDT sensor. LVDT sensors are inductive sensors that usually measure a linear path. The position sensor is used by the movable mounting flange 11 each distance covered is recorded and fed to a control device.

Der elektromechanische Aktuator weist ferner als hydraulischen Zusatzaktuator einen Hydraulikzylinder 20 auf, der in den rein elektromechanisch arbeitenden Hauptaktuator integriert ist. Dies erfolgt gemäß 1 dadurch, dass der Hohlzylinder 2 zugleich als ein Hydraulikfluid aufnehmender Hydraulikzylinder 20 ausgebildet ist, in dessen Innerem ein Kolben 3 angeordnet ist, der mit einer Kolbenstange 19 gekoppelt ist. Der bewegliche Befestigungsflansch 11 ist mit dieser Kolbenstange 19 verbunden. Dementsprechend ist der bewegliche Befestigungsflansch 11 nur indirekt mit dem Hohlzylinder 2 gekoppelt, nämlich über die Kolbenstange 19, den Kolben 3 und das Hydraulikfluid.The electromechanical actuator also has a hydraulic cylinder as an additional hydraulic actuator 20th which is integrated in the purely electromechanical main actuator. This is done according to 1 in that the hollow cylinder 2 at the same time as a hydraulic cylinder receiving hydraulic fluid 20th is formed, in the interior of which a piston 3 is arranged with a piston rod 19th is coupled. The movable mounting flange 11 is with this piston rod 19th connected. The movable mounting flange is accordingly 11 only indirectly with the hollow cylinder 2 coupled, namely via the piston rod 19th , the piston 3 and the hydraulic fluid.

Im Inneren des Hohlzylinders 2 befindet sich ein Hohlraum, der eine Arbeitskammer des Hydraulikzylinders 20 bildet. Die Arbeitskammer ist durch den Kolben 3 in zwei voneinander getrennte Teilkammern 16, 17 aufgeteilt. Die Teilkammern 16, 17 sind über jeweilige, getrennte Hydraulikleitungen 18 mit einer Hydraulikeinheit 1 gekoppelt. Die Hydraulikeinheit 1 ist hier lediglich schematisch sowohl für den rein passiven Betriebsmodus als auch für den aktiven Betriebsmodus dargestellt.Inside the hollow cylinder 2 there is a cavity that forms a working chamber of the hydraulic cylinder 20th forms. The working chamber is through the piston 3 in two separate chambers 16 , 17th divided up. The sub-chambers 16 , 17th are via respective, separate hydraulic lines 18th with a hydraulic unit 1 coupled. The hydraulic unit 1 is only shown schematically here both for the purely passive operating mode and for the active operating mode.

Beim rein passiven Betriebsmodus kann die Hydraulikeinheit 1 z.B. durch eine hydraulische Ventileinrichtung ausgebildet sein, die z.B. elektromagnetisch betätigbar ist. Über die hydraulische Ventileinrichtung können die Hydraulikleitungen 18 wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.In the purely passive operating mode, the hydraulic unit 1 be formed, for example, by a hydraulic valve device that can be actuated electromagnetically, for example. The hydraulic lines can be via the hydraulic valve device 18th optionally connected to each other or separated from each other.

Für den aktiven Betriebsmodus weist die Hydraulikeinheit zusätzlich eine hydraulische Druckerzeugungseinheit auf, die den Hydraulikdruck des Hydraulikfluids bereitgestellt, mit dem bei Einspeisung des unter Drucks gesetzten Hydraulikfluids über eine der Hydraulikleitungen 18 in eine der Teilkammern 16, 17 der Kolben 3 mit der Kolbenstange 19 und dem beweglichen Flansch 11 nach Wunsch verstellt werden kann.For the active operating mode, the hydraulic unit additionally has a hydraulic pressure generating unit which provides the hydraulic pressure of the hydraulic fluid with that when the pressurized hydraulic fluid is fed in via one of the hydraulic lines 18th in one of the sub-chambers 16 , 17th The piston 3 with the piston rod 19th and the movable flange 11 can be adjusted as required.

Claims

Electromechanical actuator for the electrically controlled mechanical actuation of a component (14) to be actuated, the electromechanical actuator being a purely electromechanical main actuator (2, 4, 5, 6, 7) and one of the main actuator (2, 4, 5, 6, 7 ) has adjustable actuator (11) by means of which the component (14) to be actuated can be adjusted, the main actuator having at least one electric motor (6, 7) and an actuating element (2) adjustable by the electric motor (6, 7) which acts on the actuator (11) and via that the actuator (11) can be adjusted, the electromechanical actuator being redundant to the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) a hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20 ), which is coupled to the actuator (11), characterized in that the additional actuator (2, 3, 19, 20) in the power flow between the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) and the actuator (11) is arranged so that the additional actuator (2, 3, 1 9, 20) is moved when the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) outputs a movement to the actuator (11).

Electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the purely electromechanically operating main actuator (2, 4, 5, 6, 7) is designed as a self-blocking actuator which, without electrical actuation, also acts on the actuating member (2) of the main actuator from the outside (2, 4, 5, 6, 7) acting forces remains in its last position.

Electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20) is structurally integrated in the actuating member (2) of the main actuator (2, 4, 5, 6, 7).

Electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20) has a hydraulic cylinder (20) which has a working chamber (16, 17) filled with hydraulic fluid, in which a piston (3 ) is arranged to be movable back and forth, a piston rod (19) of the hydraulic cylinder (2) coupled to the piston (3) being coupled to the actuator (11).

Electromechanical actuator according to the preceding claim, characterized in that the hydraulic cylinder (20) is connected to a hydraulic valve device (1) through which at least two sub-chambers of the working chamber (16, 17) separated from one another by the piston (3) are optionally connected to one another or can be separated from each other.

Electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20) is connected to a hydraulic pressure generating unit or can be connected via valves in order to be able to operate the hydraulic additional actuator (2, 3, 19, 20) to operate the actuator (11) in a predetermined manner.

Electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor (6, 7) is a rotating electric motor which has a stator (6) and a rotor (7), the rotor (7) having an internal thread Nut (5) is coupled in a rotationally fixed manner, the actuating member (2) having an external thread (4) which engages with the internal thread of the nut (5) so that the actuating member (2) is rotated relative to the longitudinal axis by rotating the rotor (7) of the rotor (7) is linearly movable.

Method for operating an electromechanical actuator according to one of the preceding claims, characterized by the following features: a) in the trouble-free normal state of the electromechanical actuator, the actuator (11) is only activated by electrical control of the purely electromechanically operating main actuator (2, 4, 5, 6, 7 ) adjusted, the hydraulic auxiliary actuator (2, 3, 19, 20) is then in a blocked state in which it behaves neutrally and does not change its setting position, b) in the event of a malfunction or failure of the purely electromechanical main actuator (2 , 4, 5, 6, 7) the latter maintains its last position, the additional hydraulic actuator (2, 3, 19, 20) then being in an unblocked state in which it can passively move into its set position if required as a result of outside of the actuator (11) acting forces changed.

Method according to the preceding claim, characterized by the following features: b) in the event of a malfunction or failure of the purely electromechanical main actuator (2, 4, 5, 6, 7), it retains its last position, b1) then the additional hydraulic actuator (2, 3, 19, 20) is in an unblocked state in which it changes its setting position passively if necessary as a result of external forces acting on the actuator (11), or b2) the additional hydraulic actuator (2, 3, 19, 20) is actively adjusted into a predetermined setting position by supplying pressurized hydraulic fluid, so that the actuator (11) is only adjusted by hydraulic control of the additional actuator (2, 3, 19, 20).

Use of an electromechanical actuator for the electrically controlled mechanical actuation of a movable control surface (14) of an aircraft, the electromechanical actuator being a purely electromechanical main actuator (2, 4, 5, 6, 7) and one of the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) has an adjustable actuator (11) via which the control surface (14) to be actuated can be adjusted, the main actuator having at least one electric motor (6, 7) and an actuating element (2) adjustable by the electric motor (6, 7) which acts on the actuator (11) and via that the actuator (11) can be adjusted, the electromechanical actuator as redundancy to the main actuator (2, 4, 5, 6, 7) an additional hydraulic actuator (2, 3, 19, 20) which is coupled to the actuator (11).