船用新型電動舵機可行性研究

謝俊超，肖 清，花 靖

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

舵機作為保證船舶安全航行的重要設(shè)備，可靠性要求較高。液壓舵機因其大功率和高可靠性，能夠較好地滿足相關(guān)動力和空間布置的要求，常用作船舶操舵系統(tǒng)的主舵機。然而液壓舵機需要布置大量的液壓管路和閥件，在效率、維護性、可控性和集成性等方面存在許多缺陷，影響其功能更好的發(fā)揮。

為了克服采用液壓舵機帶來的上述缺點，電動舵機重新引起了研究人員的重視。隨著新型稀土永磁材料的出現(xiàn)，以及電機技術(shù)、控制技術(shù)和精密制造等技術(shù)的發(fā)展，電動舵機技術(shù)獲得突破，并在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。

船舶方面，國外海軍對此技術(shù)高度重視，英國海軍研制了用于水面艦船及潛艇舵面控制的電動舵機。該電動舵機采用折返式連接結(jié)構(gòu)，體積小，布置方便。通過在23型護衛(wèi)艦上進行試驗和測試，證明其具有噪聲低、可靠性高、維護簡單、耗能少等優(yōu)點。

基于電動舵機的上述優(yōu)點以及電動傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，未來艦船將有可能完全取消液壓舵機，而采用新型電動舵機 (electro-mechanical actuator，EMA)作為舵面執(zhí)行機構(gòu)。

本文提出一種船用新型舵機方案，與傳統(tǒng)液壓舵機相比，能較好地滿足提高能量利用率、降低操舵噪聲、實現(xiàn)集成控制和降低維護費用等方面的需求。

1 新型電動舵機方案

電動舵機需要將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥茥U的直線運動，達到和液壓舵機相似的驅(qū)動效果。由于舵的轉(zhuǎn)動速度較低，所需推力較大，采用不同形式的直線傳動機構(gòu)對整個電動舵機的工作可靠性有較大的影響。

早期的直線傳動機構(gòu)包括蝸輪蝸桿式、齒輪齒條式和螺母絲桿等，這些傳動機構(gòu)有一個共同的缺點，即無法長時間重載工作，此外還會附帶產(chǎn)生振動噪聲和溫升等問題，嚴重制約了機電傳動裝置的發(fā)展。近年來，雖然出現(xiàn)了新型的直線電機，但因其推力較小，無法適用于重載的場合。行星滾柱絲杠作為一種新型的直線傳動單元，有效地解決了目前機電傳動技術(shù)發(fā)展的瓶頸，特別是其能夠在高精度、重載工況下長時間連續(xù)工作，使得行星滾柱絲杠成為船舶舵機傳動機構(gòu)的理想選擇。

考慮到船舶舵機的運行工況復雜，對工作可靠性要求較高，并且布置位置極其有限，根據(jù)舵機的選型設(shè)計要求，對電氣和機械部分進行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合國內(nèi)外機電傳動先進技術(shù)，提出如圖1所示采用力矩電機和行星滾柱絲杠結(jié)合的新型電動舵機方案。

圖1 新型一體化電動舵機的典型部件Fig.1 The typical components of the new integrated marine electro-mechanical actuator

該新型一體化電動舵機將力矩電機和行星滾柱絲杠集成在一起，將轉(zhuǎn)子設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由2個徑向軸承和1個軸向軸承支撐，把行星滾柱安裝在轉(zhuǎn)子上，最終將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動。這種結(jié)構(gòu)能夠大大減少舵機的體積和重量，容易實現(xiàn)高精度伺服控制，相對于現(xiàn)有的液壓舵機具有以下優(yōu)勢:

1)結(jié)構(gòu)更加緊湊，可靠性高，能耗低，維護性能好;

2)便于實現(xiàn)集成化，可與標準伺服控制兼容，實現(xiàn)高精度自動化控制;

3)具有良好的動態(tài)性能，輸出波動小，靜音效果好;

4)應(yīng)用潛力大，無液壓驅(qū)動，設(shè)備更環(huán)保，生存性更強。

根據(jù)船舶的使用工況，對圖1所示方案所涉及的關(guān)鍵器件及技術(shù)進行可行性研究，主要包括如何實現(xiàn)關(guān)于電磁兼容、集成性、高效率、動態(tài)性能、免維護性和過載性能等方面的需求等。

2 關(guān)鍵技術(shù)可行性分析

2.1 行星滾柱絲杠技術(shù)可行性分析

行星滾柱絲杠作為一種新型的直線傳動單元，其主要由行星滾柱、絲杠、螺母組成。在主螺紋絲杠周圍，按行星方式布置安裝了6～8個螺紋滾柱，通過行星滾柱將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為絲杠或螺母的直線運動，如圖2所示。

圖2 行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The Schematic diagram of planetary roller screw

行星滾珠絲杠與其他線性運動機構(gòu)對比如表1所示。通過比較可知，由于其獨特的結(jié)構(gòu)，行星滾柱絲杠具有更大的承載能力、更高的剛度和更長的使用壽命，并且在振動噪聲、可維護性和效率等方面明顯優(yōu)于其他線性運動機構(gòu)。

表1 行星滾柱絲杠與其他線性運動技術(shù)對比Tab.1 The technical comparison from the planetary roller screw and other linear motion

行星滾珠絲杠作為新型的直線運動單元，能夠很好地滿足船舶舵機的應(yīng)用要求。目前，國外有很多廠家可制造大推力的行星滾柱絲杠，國內(nèi)也能夠研制和生產(chǎn)小推力的行星滾柱絲杠。隨著國內(nèi)精加工技術(shù)的提高，大推力行星滾柱絲杠研制技術(shù)應(yīng)可突破。

2.2 電機及控制技術(shù)可行性分析

20世紀80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服電動機技術(shù)有了迅猛發(fā)展，國內(nèi)外著名電氣廠商相繼推出永磁交流伺服電動機及驅(qū)動器，使其成為當代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

根據(jù)電動舵機的工作特性，初步選用永磁交流伺服力矩電機，由于其低速大扭矩的特性，可以直接帶動低速負載，與傳統(tǒng)的電機和齒輪減速組合成的間接驅(qū)動相比，采用永磁交流伺服電機直接驅(qū)動的控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

1)電機工作的線性度好 (見圖3)。由于在其轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩幾乎恒定，可以獲得較好的控制效果，避免了傳動的波動性。

圖3 交流伺服電動機的特性曲線Fig.3 The characteristic curve of the AC servo motor

2)由于省掉了中間傳動機構(gòu)，能夠有效降低系統(tǒng)的振動噪聲，提高整體可靠性。此外，通過采用水冷技術(shù)、新永磁材料和集成化技術(shù)，能夠有效解決電機發(fā)熱問題，使其結(jié)構(gòu)緊湊，維護方便，提高其過載能力。

3)速度和位置的精度高。由于消除了齒輪間隙和彈性變形引起的誤差，而且可以與標準伺服系統(tǒng)兼容，通過各種不同的閉環(huán)控制模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動舵機的全面控制 (見圖4)。

圖4 伺服控制器原理圖Fig.4 The schematic diagram of the servo controller

目前，永磁交流伺服電機技術(shù)和伺服控制技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可以實現(xiàn)新型電動舵機的基本功能需求。

2.3 余度技術(shù)可行性分析

由于舵機對船舶安全航行的重要性，因此在新型電動舵機的設(shè)計中采用余度技術(shù)對于提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

在電動舵機傳動系統(tǒng)中，電機和控制部分是整個傳動系統(tǒng)可靠性相對較為薄弱的環(huán)節(jié)。因此，在電機和控制電路中引入余度設(shè)計，可有效提高整個舵機系統(tǒng)的可靠性。由于控制部分采用多通道，其余度技術(shù)較為成熟，在此主要對電機余度技術(shù)進行探討。

電機的余度技術(shù)主要是在繞組上進行考慮。在雙余度機電驅(qū)動系統(tǒng)中，電機繞組的結(jié)構(gòu)主要有串聯(lián)式結(jié)構(gòu)和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)2種形式。由于繞組串聯(lián)結(jié)構(gòu)既造成了電機體積增大，又會導致1個繞組故障時，產(chǎn)生相反的感應(yīng)電勢，使得電機的動態(tài)性能降低，因此一般采用并聯(lián)繞組的結(jié)構(gòu)。

并聯(lián)式雙余度電機只有1套定轉(zhuǎn)子，電機的2套定子槽內(nèi)設(shè)置2套繞組，互為備份。定子的繞組上有2套星型連接的集中式三相繞組，2套繞組相差30°電角度，2套定子繞組分別由2套逆變電路供電，若電機2套繞組的電流完全相同，則電動機的輸出轉(zhuǎn)矩為每套產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的2倍。這2套逆變器的電源及控制電路相互獨立，可以實現(xiàn)完全的雙余度控制。

此外，由于電機繞組的備份可以認為是采用了相似的余度技術(shù)，在一次故障發(fā)生時，類似條件下可能導致剩余余度也發(fā)生故障，因此，在高要求的系統(tǒng)中還可以在此基礎(chǔ)上考慮機械余度，以確保其高可靠性。

3 技術(shù)難點及研究方向

綜合考慮現(xiàn)有的技術(shù)條件，對于電動舵機下一步的發(fā)展還需要進行以下幾個方面的研究:

1)電動舵機的集成技術(shù)研究。通過研究力矩電機和行星滾柱絲杠的配合集成技術(shù)、電機水冷技術(shù)和免維護技術(shù)等，并充分考慮電磁兼容、振動沖擊等要求，進一步降低電動舵機的運行噪聲，提高其運行效率，減少布置空間需求。

2)電動舵機可靠性及故障診斷技術(shù)研究。通過對電動舵機運行的故障診斷技術(shù)進行研究，實現(xiàn)對電動舵機主要部件的故障進行預報，研究對各個關(guān)鍵設(shè)備進行維護的方法，進一步提高電動舵機的可靠性。

3)電動舵機控制技術(shù)研究。主要對電動舵機的速度、響應(yīng)性能以及操控性能進行研究。由于舵裝置在實際運行中的載荷無規(guī)律連續(xù)變動，使得電動舵機的負載變化較大，需要集成多種不同的閉環(huán)控制模塊，對伺服電動舵機進行全面控制。

4 結(jié)語

雖然電動舵機技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了較充分的應(yīng)用，但由于應(yīng)用場合不同，電動舵機在船舶上的應(yīng)用還存在較多的技術(shù)難點，目前還處于起步階段，需要進一步開展此方面的研究。本文充分考慮了當前的技術(shù)水平，提出的新型電動舵機方案能較好地滿足當前艦船上舵機的要求，并指明了需要進一步研究的重點和方向，為類似的傳動需求提供了新的機電解決方案，對加速提升機電傳動技術(shù)，促進機電傳動裝置在艦船上的發(fā)展應(yīng)用具有重要作用。

［1］沙南生，李軍.功率電傳機載一體化作動系統(tǒng)的研究［J］.北京航空航天大學學報，2004，30(9):909 －912.

［2］陸軍，張元國，王長路.電動舵機余度技術(shù)概述［J］.機械傳動，2010，34(3):92 －95.

［3］KNOP C，BLESS H.Electro-mechanical actuators in the superstructure of submarine［R］.UDT Europe，2009.

［4］韋振興.行星滾柱絲杠副剛度及效率的分析與研究［D］，武漢:華中科技大學，2011.