用于飞行器的高升力系统 |
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| 申请号 | CN201280027739.0 | 申请日 | 2012-04-05 | 公开(公告)号 | CN103582596A | 公开(公告)日 | 2014-02-12 |
| 申请人 | 空中客车德国运营有限责任公司; | 发明人 | 马库斯·克里斯特曼; 克里斯托夫·吉贝勒; 马丁·雷克西克; 比约恩·德尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种用于 飞行器 （400）的高升 力 系统（300），该高升力系统（300）以全电动的方式使飞行器的着陆 襟翼 （301a-301d）伸出和缩回。在此背景下，使用了全电动的驱动装置（200），该全电动的驱动装置（200）包括具有内部冗余的电动 马 达（201a），以此方式使得电动马达构造成容错电动马达。由此可以在电动马达中无联接 齿轮 单元的情况下运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于飞行器（400）的高升力系统（300），所述高升力系统包括全电动的驱动装置（200）， |
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| 说明书全文 | 用于飞行器的高升力系统[0001] 相关申请的引用 [0002] 本申请要求2011年4月7日提交的德国专利申请No.102011016336.0以及2011年4月7日提交的美国临时专利申请No.61/473,030的申请日的权益，上述申请的公开内容在此通过引用并入本文中。 技术领域背景技术[0004] 常规的高升力系统包括经由动力控制单元（PCU）驱动的前缘襟翼（缝翼）和后缘襟翼（襟翼）。这种动力控制单元通常由通过速度累加齿轮单元连接的两个液压马达构成。驱动扭矩经由传动轴系统传递到各个驱动站点。每个驱动站点由分支齿轮单元、站点力限制装置、以及行星齿轮组（旋转致动器）构成。驱动力从行星齿轮组经由杠杆臂引入到着陆襟翼中。因此，着陆襟翼沿着导轨行进到经由驾驶舱中的开关（襟翼控制杆）所先前指定的相对应的端部位置。 [0005] 同速度累加齿轮单元一样，扭矩累加的齿轮单元也可以用作联接齿轮单元。 [0006] 在此背景下，对于冗余，在两种情况下动力控制单元均由通过齿轮单元而互连的两个马达构成。在两个马达中的一个马达发生故障的情况下，高升力系统由余下的完好的马达来驱动。由于转速累加的齿轮单元，使得一个马达的失效可能导致高升力系统的缩回和伸出的时间加倍。 [0007] 此外，对于速度累加的联接齿轮单元，每个马达可能均需要制动器和致动单元。如果一个马达不能产生扭矩或者不能再产生足够的扭矩，则与其相关联的制动器可能必须被致动，这是由于不这样做，马达可能采取与预期运动相反的未限定转速。在具有扭矩累加联接齿轮单元的动力控制单元中，除了制动器之外还经常需要联接器。致动单元作为液压马达中的控制阀是已知的，并且作为电动马达中的马达控制电子装置（MCE）是已知的。 [0008] 此外，所需的冗余可能需要多个部件。将两个传动系连接的联接齿轮单元也可能是必需的，但这会导致附加的重量。如果存在故障，则高升力系统可能仅能够在降低的速度下继续使用。这必须通过转速累加解决方案——并且旨在在扭矩累加解决方案——中的齿轮单元来实现，从而保持部件重量尽可能地低。 [0009] 例如，可以使用用于高升力系统——联接齿轮单元在这种高升力系统中构造成速度累加齿轮单元——的马达。可以使用两个液压马达，并且这两个液压马达可以形成第一传动系和第二传动系。就转速而言，联接齿轮单元将两个传动系以速度累加的方式连接。 发明内容[0010] 可以将本发明的目的视为提供了一种用于高升力系统的改进的驱动装置。 [0013] 所公开的实施方式同等地适用于高升力系统、飞行器、以及电动马达的应用。换言之，在与高升力系统相关联的下文中公开的特征还能够在飞行器中执行并且能够在电动马达使用期间应用。 [0014] 本发明的实施方式提供了用于飞行器的包括全电动驱动装置的高升力系统。在此情况下，驱动装置包括驱动高升力系统的着陆襟翼的电动马达。电动马达还具有基于冗余绕组的内部冗余。 [0015] 在此实施方式中以及在任何其它实施方式中，这些绕组可以方便地构造成与绕组群中发生的故障相关联地基本上机械地、热力地、以及磁性地相互断开联接。 [0016] 用于高升力系统的这种冗余驱动的解决方案可以使得能够在没有联接齿轮单元的情况下运行。如果存在故障，则没有诸如着陆襟翼的缩回和伸出速度减小之类的动力损失。 [0017] 换言之，高升力系统驱动装置的电动马达具有含有冗余的相拓扑结构，从而使其成为容错电动马达。由于根据本发明的高升力系统构成用于飞行器的着陆襟翼的全电动内部冗余的驱动解决方案，并且由于电动马达的内部冗余而不需要联接齿轮单元，因此在电动马达中仅存在一个传动系。 [0018] 在此背景下，应当指出，根据本发明的高升力系统不必具有联接齿轮单元，而是仍然可以使用已知的减速齿轮单元。通过这种齿轮单元，电动马达的较高转速能够适用于着陆襟翼的驱动装置所期望的转速。然而，这种齿轮单元应当与联接齿轮单元区分开，根据本发明的高升力系统不需要联接齿轮单元。换言之，该驱动装置在电动马达中不包括齿轮单元。 [0019] 本发明的另一优点可以是：如果存在故障，则高升力系统能够在没有任何动力损失的情况下使用，这是由于在冗余部分失效的情况下电动马达的转速保持相同。因此，驾驶员座舱中的工作负荷可能不会增加，即便相群失效。并且，如以下将要公开的，如有需要扭矩可以以未减小的方式提供。 [0020] 在该实施方式以及任何其它实施方式中，术语“着陆襟翼”以及前缘襟翼、后缘襟翼以及缝翼通常应当理解为飞行器的部件，该部件被根据本发明的驱动装置驱动从而增加或减小升力、并且因此缩回和伸出。此外，下文所公开的任何实施方式可以包括这种类型的着陆襟翼。 [0021] 高升力系统的驱动装置的这种内部冗余的解决方案的优点是：如果发生了故障，则该故障不会对电动马达的转速产生影响，并且高升力系统能够以与常规的无故障的操作相同的速度缩回和伸出。这意味着，在飞行器的层面上，即便部件中出现故障，也不会损害动力或功能性。 [0022] 在这种用于高升力系统的驱动装置中，动力控制单元（PCU）由电动马达构成，其中电动马达具有基于相应的相拓扑结构的冗余。此外，用于锁定该系统的单个制动器对于根据本发明的高升力系统来说是足够的，这是由于仅有一根马达轴要被制动。在传动系中也不需要联接器。这节省了重量并且导致更低的维护成本。 [0023] 在此背景下，该实施方式中以及任何其它实施方式中的电动马达可以以已知的方式包括位于转子上的永磁体和位于定子上的不同线圈。线圈或相绕组可以构造成分散的或集中的。转子设定成通过单独的绕组或绕组群的相应致动而运动，这是由于转子跟随外部的旋转磁场。 [0025] 在本发明的另一实施方式中，内部冗余构造成m×n的相拓扑结构，电动马达的n相在每种情况下结合为相群。这产生电动马达中的m个子马达。此外，电动马达构造成使得全部的m个子马达在没有齿轮单元的情况下连接到电动马达的单根轴。 [0026] 例如，可以建立3×3拓扑结构、2×3拓扑结构、5×1拓扑结构、或6×1拓扑结构。然而，其它的拓扑结构也是可以的。 [0027] 在本发明的另一实施方式中，电动马达包括唯一的一个传动系。 [0028] 电动马达的各线圈内的冗余绕组产生m个子马达。因此，相比于现有技术，不必提供第二个单独的马达，并且同样地不必提供将这两个单独传动系的这两个单独的马达联接的联接齿轮单元。本发明避免了这种情况，并且公开了完全内部冗余的驱动解决方案。这降低了对故障的敏感性，这是由于没有第二马达或是联接齿轮单元。这节省了附加的重量和成本。就其扭矩而言，电动马达的m个子马达作用在电动马达的同一根轴上，而在m个子马达之间没有连接齿轮单元。 [0029] 由于仅存在一根轴，因此子马达以相同的转速操作。 [0030] 在本发明的另一实施方式中，单个电动马达的各子马达构造成使得子马达各自提供相同转速和/或相同扭矩。 [0032] 在本发明的另一实施方式中，m个子马达中的每个子马达均提供扭矩，并且电动马达构造成使得子马达的扭矩累加在一起以驱动着陆襟翼。 [0033] 如例如可以在图5和图6中看到的，每个子马达的各扭矩分别作用在相同的轴上，并且作为整体的结果，这些扭矩相累加以产生用于驱动高升力系统中的着陆襟翼的总扭矩。 [0034] 在本发明的另一实施方式中，电动马达构造成使得在子马达和/或相群失效的情况下电动马达的保持完好的其余子马达和/或相群可以提供预定的马达输出动力。 [0035] 在此背景下，预定的马达输出动力可以与用于操作高升力系统所需要的额定扭矩相对应。 [0036] 在本发明的另一实施方式中，高升力系统包括着陆襟翼，电动马达驱动着陆襟翼需要预定的额定扭矩。此外，电动马达构造成使得在子马达和/或相群失效的情况下用于驱动着陆襟翼的额定扭矩Mn可以由电动马达的保持完好的其余子马达和/或相群提供。 [0037] 换言之，m个子马达的绕组、磁路、以及控制单元调整为使得m-1个子马达来提供所需的额定扭矩。 [0038] 电动马达特别适用于短期扭矩峰值，取决于马达的类型和构型，该短期扭矩峰值可以是额定扭矩的三到五倍。 [0039] 在另一实施方式中，电动马达构造成具有多个冗余，以这种方式使得在k个子马达失效（限定为m＞k≥1）的情况下电动马达的其余m-k个子马达保持完好并且可以提供用于驱动着陆襟翼的额定扭矩。根据该实施方式，如果扭矩在运行的子马达之间均匀地分布，则由一个子马达提供的扭矩Mt达到Mt=Mn/（m-k）。由此，完全完好的电动马达构造成使得其可以提供m/（m-k）倍的预定额定扭矩。 [0040] 在另一实施方式中，电动马达具有3×3的相拓扑结构并且电动马达具有单冗余，并且因此三个子马达中的每个子马达均能够提供用于驱动着陆襟翼的预定额定扭矩的50%。 [0041] 换言之，这种类型的完全完好的电动马达提供了预定额定扭矩的150%。在子马达失效的情况下，两个剩余的子马达一起仍提供了能够将着陆襟翼以未减小的速度安全地且可靠地缩回和伸出所需的动力或额定扭矩。 [0042] 在本发明的另一实施方式中，电动马达具有2×3的相拓扑结构，电动马达具有单个内部冗余，并且因此两个子马达中的每个子马达均能够提供用于驱动着陆襟翼的全部的额定扭矩。 [0043] 换言之，该电动马达的尺寸设定成使得在完好状态下——在完好状态下两个子马达可靠地工作——提供两倍于用于可靠地驱动着陆襟翼所需的额定动力或额定扭矩。如果两个子马达中的一个子马达失效，则第二子马达保持完好并且通过自身而安全地且可靠地确保着陆襟翼伸出和缩回。这不会导致时间延迟，这是由于转速和额定扭矩二者均由余下的电动子马达来提供。 [0044] 在本发明的另一实施方式中，驱动装置包括用于电动马达的控制电子装置。在此情况下，控制电子装置构造成使得在子马达和/或相群失效的情况下在其余的完好的子马达和相群内引起电流增大。控制电子装置以控制电子装置不会引起扭矩降到额定扭矩之下的方式实施电流的增大。为此目的，高升力系统可以包括传感器电子器件，该传感器电子器件检测子马达的失效并且将信号传送到电动马达的控制电子装置以增大电流（补偿）。 [0045] 在另一实施方式中，还可以通过结合速度叠加和/或位置控制来间接地提供电流增大。为此目的，不必通过控制电子装置来检测故障，或者不必存在对于故障发生的具体反应。 [0046] 在本发明的另一实施方式中，高升力系统构造成仅电气地驱动着陆襟翼。 [0047] 换言之，在根据本发明的高升力系统中没有液压马达。同样没有例如在双重系统中的两个液压马达的组合、或是由双重系统中的液压马达和电动马达形成的混合式马达。 [0048] 在本发明的另一实施方式中，电动马达构造成使得在一个或多个子马达和/或相群失效的情况下电动马达的转速不会受到影响。 [0049] 由于各个子马达——通过电动马达的冗余绕组由内部冗余的驱动解决方案来提供——的根据本发明的布置，并且由于这些子马达全部构成共同的传动系并且未使用联接齿轮单元，因此如果子马达失效，则电动马达的各子马达的转速没有减小。同样地，根据以上公开的实施方式，如果在发生失效的情况下使额定扭矩保持恒定，则可以通过使用控制电子装置使电流增加或得以补偿。为此目的，高升力系统可以包括传感器电子器件，该传感器电子器件检测子马达的失效并且将信号传送到电动马达的控制电子装置以增大电流（补偿）。 [0050] 在本发明的另一实施方式中，驱动装置包括用于进行锁定的单个的内部冗余的制动器。 [0051] 原则上，可以为此目的而选用任何合适的现有技术的制动器。在其它实施方式中，制动器可以选自以下部件构成的组：液压制动器、电动制动器、弹簧致动的电气可释放制动器、弹簧致动的液压可释放制动器、永磁体致动的电气可释放制动器、具有磁体绕组并具有用于释放制动器的电子单元的弹簧致动的电气可释放制动器、以及这些制动器的任何组合。 [0052] 在有利的实施方式中，可以使用这样的制动器：制动器在没有任何外部作用的情况下由一个或多个弹簧或者一个或多个永磁体来致动，并能够由具有至少两个冗余绕组的内部冗余电磁体来电气地释放，以这种方式使得电子单元与每个绕组相关联并且能够通过使电流通过绕组来释放制动器。 [0053] 在此背景下，制动器的磁性部件以及携带通量的磁体本体在任何情况下仅需要简单的构型。这对于液压可释放制动器也同样适用。 [0054] 本发明的另一实施方式提供了包括根据任一前述实施方式的高升力系统的飞行器。 [0055] 另一实施方式提供了具有因冗余绕组而产生的内部冗余的电动马达作为用于高升力系统的驱动装置的应用。 [0056] 本发明的基本理念如下：构造一种就其布线而言是冗余的电动马达，从而产生多个独立的子马达。这些子马达相互独立地被致动。这种因内部冗余解决方案而具有多个子马达的电动马达不需要用于子马达的联接齿轮单元，而是提供了用于驱动飞行器的高升力系统的可靠的冗余解决方案。在该背景下，这种高升力系统的驱动装置即便在子马达失效的情况下仍然提供了相同的转速。 附图说明[0058] 图1是根据本发明的实施方式的高升力系统的动力控制单元的示意性二维视图。 [0059] 图2是根据本发明的实施方式的高升力系统的示意性二维视图。 [0060] 图3是包括根据本发明的实施方式的高升力系统的飞行器的示意性二维视图。 [0061] 图4和图5是根据本发明的实施方式的电动马达的示意性二维视图。 [0062] 附图中的视图为示意性的而非按比例的。 [0063] 在对附图的描述中，相似的附图标记用于相似或类似的元件。 具体实施方式[0064] 图1示出了本发明的实施方式。图1示出了全电动的内部冗余驱动装置200，该内部冗余驱动装置200在根据本发明的用于飞行器的高升力系统中使用。该驱动装置包括驱动高升力系统的着陆襟翼（未示出）的电动马达201a。在上下文中，电动马达201a的特征在于由冗余布线产生的内部冗余。 [0065] 还示出了内部冗余的制动器202；应当强调的是：锁定整个驱动系统仅需要单个制动器。还示出了将电动马达201a的各个子马达的相群致动的控制电子装置203a。在上下文中，例如在图4中示出的，各子马达还可以分别由相应的控制电子装置单独地控制。 [0066] 还示出了轴206，其中电动马达201a将全部的扭矩传递到轴206。还示出了减速齿轮单元209，电动马达201a的转速能够通过该减速齿轮单元209而适用于相应的应用。例如，350转/分钟（rpm）对于将着陆襟翼缩回和伸出是常规的。然而，其它不同的值也是可以的。此外，预设的额定扭矩可以为170牛·米（Nm）。然而，其它不同的值也是可以的。 此外，示出了传感器204和205，传感器204用于比较着陆襟翼在飞行器的右翼上和左翼上是否同等地伸出。相比之下，传感器205将数值传送到驾驶员座舱中的机务人员。此外，传感器单元208附接到电动马达201a。 [0067] 本发明的优点是：如果存在故障，则高升力系统能够在没有动力损失的情况下使用。因此，即便是相群失效，驾驶员座舱中的工作负荷也不会增加。 [0068] 图2示出了用于飞行器的、具有根据本发明的实施方式的全电动驱动装置200的高升力系统300。驱动装置具有电动马达201a，该电动马达201a驱动高升力系统的在此示出的四个着陆襟翼301a至301d。在此情况下，电动马达201a具有由于冗余绕组而产生的内部冗余，并且因此该电动马达201a为容错电动马达。根据本发明，能够在电动马达中没有联接齿轮单元的情况下运行。进一步地示出了内部冗余的制动器202。 [0069] 在图2中还示出了之前示出的两个传感器204和205。减速齿轮单元304示出为在电动马达201a的外部。由于高升力系统300的内部冗余驱动的解决方案，使得故障的发生不会影响电动马达的转速，以这种方式使得高升力系统能够以与无故障操作中的常规速度相同的速度缩回和伸出。这可以通过电动马达的线圈的冗余绕组而做到，以下在图5和图6中更详细地示出。借助控制电子装置（在该情况下未示出），如果子马达失效，则其余的马达的扭矩能够通过电流补偿而增加。 [0070] 图3示出了飞行器400，其中飞行器400包括具有全电动驱动装置200的高升力系统300。在此情况下，除了在图1和图2中示出并且在此情况下结合到飞行器400中的部件之外，还示出了已知的襟翼导轨401。在该飞行器中，图2的高升力系统300可以例如与图1的全电动内部冗余的驱动装置200结合。然而其它的组合方式也是可以的。图4和图5的马达中的一个马达也可以结合到飞行器400中。然而，也可以使用根据本发明的其它马达。 [0071] 图4示出了根据本发明的实施方式的高升力系统的电动马达201b。在此情况下，马达201b构造成具有3×3相拓扑结构的内部冗余电动马达。换言之，马达201b包括三个子马达，每个子马达具有三个绕组。3个单独的子马达由控制电子装置203b至203d彼此独立地致动。图5中还示出了轴206。示意性地示出的电流供应装置由附图标记500表示。换言之，该马达包括九个相并且由三个子马达构成。根据本发明，该马达可以用来驱动用于飞行器（400，在该情况下未示出）的高升力系统（300，在该情况下未示出）。这产生包括全电动驱动装置（200，在该情况下未示出）的高升力系统，其中该驱动装置包括使高升力系统的着陆襟翼（301a至301d，在该情况下未示出）驱动的电动马达（201b）。在此情况下，电动马达具有基于冗余绕组的内部冗余。该电动马达201b的优点为：如果存在故障，则高升力系统能够在没有任何动力损失的情况下使用，这是由于在冗余部分失效的情况下电动马达的转速也保持为相同。因此，即便相群失效，驾驶员座舱中的工作负荷也不会增加。同样，如之前所公开的，如有需要扭矩能够以不减小的方式提供。 [0072] 图5示出了电动马达201c的另一实施方式，其中电动马达201c具有6×1的相拓扑结构。示出了第一和第二控制电子装置203e和203f。然而，如通过图4中的示例所示出的，相群的单独地管理或控制也是可以的。还能够看到线圈600，并且线圈600位于定子的区域中。还示出了轴206。用于飞行器的高升力系统的这种冗余驱动的解决方案能够在没有联接齿轮单元的情况下进行。由此，可以有利的是：当在有故障的情况下缩回和伸出着陆襟翼时，能够没有动力损失或速度的减小。换言之，高升力系统驱动装置的电动马达201c具有含有冗余的相拓扑结构，从而使电动马达201c成为容错电动马达。由于根据本发明的高升力系统将电动马达201c构成为用于飞行器的着陆襟翼的全电动内部冗余的驱动解决方案，并且因电动马达的内部冗余而不需要联接齿轮单元，因此在电动马达中仅存在一个传动系。这节省了宝贵的重量。换言之，该驱动装置在电动马达201c中不包括齿轮单元。 [0073] 另外，应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且术语“一”或“一个”不排除多个。还应当注意，已经参照以上实施方式中的一个实施方式描述的特征或步骤还可以与以上公开的其它实施方式或扩展的特征或步骤相结合地使用。不应将权利要求中的附图标记视为是限制性的。 |
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