【技术领域】
[0001] 本
发明涉及一种电动舵机，特别是涉及一种基于J40空心杯电机的小模数多级变位齿轮减速电动舵机。【背景技术】
[0002] 该舵机是鱼雷控制系统的执行机构，其性能好坏直接影响鱼雷的性能。因此，控制总体对舵机的比性能、比功率要求很高。它的功能是执行控制系统发出的指令，即根据雷上
控制器输出的一定大小和极性的
信号，操纵鱼雷的舵翼，依靠鱼雷飞行中舵翼偏转产生的空
气动力及气动力矩，稳定和控制鱼雷，使鱼雷按设计的弹道飞行，直至命中目标。
[0003] 电动舵机由于使用方便，没有
泄漏，合乎弹载
能源单元化要求，随着
磁性材料和
电子元器件的发展，电动舵机在快速性、负载
刚度、温升等方面的改善，其应用越来越广泛。
[0004] 传统的电动舵机一般采用
铁心式
转子电机，滚珠螺旋、圆柱齿轮、谐波、少齿差行星、滚珠
丝杆、
涡轮蜗杆等高速比的减速机构，导电塑料/膜式电位计，舵机
电缆构成。
[0005] 在减速比、
跟踪速率、输出
扭矩不变的情况下，减速机构的体积很难做得很小，这需要设计人员反复推敲减速级数、减速比分配，合理设计齿数、模数，同时还要对齿轮组进行调质和氮化处理，并对氮化层厚度、电动舵机的
支撑方式、
滑动轴承与齿轮组的匹配性进行设计和试验，既要解决减速机构的体积问题，又要解决电动舵机累积寿命、噪音等问题。【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于空心杯电机的小模数齿轮减速电动舵机设计方法。
[0007] 本发明的技术方案如下：一种基于空心杯电机的小模数齿轮减速电动舵机设计方法，包括如下步骤：
[0008] 基于空心杯电机的小模数齿轮减速电动舵机设计方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1，构建舵系统控制原理
框图和系统仿真结构图；
[0010] 步骤2，确定舵电机和减速机构的主要指标；
[0011] 步骤3，设计减速比的分配及减速机构；
[0012] 步骤4，设计J40空心杯电机；
[0014] 优选的，所述步骤2包括：
[0015] 步骤21，设计空心杯电机；
[0016] 步骤22，设计减速机构减速比；
[0017] 步骤23，设计防辐射遏流电缆。
[0018] 本发明基于空心杯电机采用小模数齿轮减速，主要完成了额定输出扭矩≥40Nm、额定
角速率为115o/s±10o/s电动舵机的研制，包括电动舵机带宽的设计，小模数齿轮减速机构的设计，空心杯电机的设计，电动舵机的标定、测试技术以及电动舵机的装调、检测、各种试验等研究内容。目前该项目已完成工程样机的研制，初、正样产品已随全雷进行了所有试验，表现良好。【
附图说明】
[0019] 图1为舵系统控制原理框图；
[0020] 图2为系统仿真结构图。【具体实施方式】
[0021] 下面通过实施方式对本发明作进一步说明。
[0022] 请同时参阅图1和图2，舵系统、电动舵机数学模型的建立以及负载特性与动态特性的模拟仿真技术：电动舵机的设计不仅牵扯电动舵机自身参数的选择，而且牵扯舵机控制器控制参数的选择。因此，就要求设计人员不仅要掌握电动舵机自身的各项技术参数，还要掌握舵机控制器的控
制模型及参数。而电动舵机自身参数要依据用户提出的转矩指标、转速指标和额定
电流、带宽指标综合确定，同时还要兼顾舵机控制器控制参数的选择，几者要相互兼顾、互相补充。该电动舵机在设计时通过建立舵系统数学模型，调整电动舵机自身阻尼及电气参数以及舵机控制器的各项参数，很好地满足了电动舵机的负载特性和动态特性。
[0023] 小模数齿轮减速机构设计技术：该减速机构采用小模数
锥齿轮正交啮合的多级减速传动方案，齿轮的
精度等级均选用7级精度。为保证电动舵机回零精度≤0.2°的要求，该减速机构采用了消隙技术；为保证电动舵机额定输出扭矩≥40Nm的要求，对齿轮组进行了调质和氮化处理，并对氮化层厚度、电动舵机的支撑方式、
滑动轴承与齿轮组匹配性进行了设计和试验，解决了电动舵机累积寿命问题，电动舵机噪音问题。
[0024] 基于空心杯电机的小模数齿轮减速电动舵机设计方法，包括如下步骤：
[0025] 步骤1，构建舵系统控制原理框图和系统仿真结构图；
[0026] 构建舵系统的控制原理框图并对舵系统进行模拟仿真；通过不断优化和匹配舵机控制器与电动舵机的各项参数，解决了电系统的带宽问题。
[0027] 步骤2，确定舵电机和减速机构的主要指标；
[0028] 确定出舵电机主要技术指标和减速机构的减速方案以及减速模式，在此
基础上再求出减速机构的减速比范围，根据工程经验确定出最终的减速比。
[0029] 步骤3，设计减速比的分配及减速机构；
[0030] 由于电动舵机是在弹体内安装，因此电动舵机的体积就是一个主要指标，根据体积最小原则对减速比进行分配。通过减速机构中的齿轮、齿轮轴进行调质处理，以获得粒状索氏体组织,以便很好地发挥
钢材的强度、塑性和韧性,借此以达到较好的综合力学性能,从而使机械零件在服役期延长整机的使用寿命。通过对减速机构中的齿轮、齿轮轴表面进行渗氮处理，来提高齿轮、齿轮轴的
耐磨性。还需要对电动舵机的支撑方式、滑动轴承与齿轮组的匹配性进行研究和试验，来解决齿轮组传动时的噪音问题。该减速机构还采用了消隙技术，通过调整锥齿轮的啮合状况来达到刚性齿轮减速机构的传动精度。
[0031] 步骤4，设计J40空心杯电机；
[0032] 电动舵机的使用特点就要求舵电机具备快速响应能力，即机械时间常数要小。要减小电动舵机的机电时间常数就要提高舵电机的力矩系数，或减小电动舵机的
转动惯量。为此我们采用了高性能的钕铁
硼磁钢和空心杯技术，解决了电动舵机的快速响应问题。
[0033] 为了满足舵系统快速响应的要求，当
电压控制信号改变时，要求舵机输出转角变化能迅速跟上控制信号的改变。当减速器传动链各项参数一定的时候，就需要电舵机的动态过渡过程越短越好。而要缩短电舵机的动态过程就要增大电机的力矩系数或减小电机转子的转动惯量，为此我们采用了高性能的钕铁硼磁钢和空心杯技术，解决了电动舵机的快速响应问题。
[0034] 步骤5，设计防辐射遏流电缆。
[0035] 考虑到空心杯电机转子感性不足，导致电动舵机瞬间电流非常大，为遏流需在舵机电缆中串入电感；考虑到电动舵机额定电流较大拟采用双线供电，考虑到反馈电位计中间抽头要反馈信号，所以采用了双线冗余设计；为了消除信号线、动力线间的电容效应，采用了三绞、双绞技术；考虑到动力线强信号的对外干扰以及信号线弱信号的电磁防护，采用了防
辐射屏蔽技术；考虑到电动舵机与整弹地线的一致性，从电动舵机壳体接入地线经电缆与弹上地线贯通。
[0036] 所述步骤2包括：
[0037] 步骤21，设计空心杯电机；
[0038] 由舵机技术指标可知
[0039] 额定转矩T＝40Nm
[0040] 最大峰值转矩TMAX＝50Nm
[0041] 额定角速率Ω＝115°/s取2rad/s
[0042] 计算可得
[0044] P＝T·Ω
[0045] ＝40×2
[0046] ＝80W (1)
[0047] 舵机输出轴最大输出功率
[0048] PMAX＝TMAX·Ω
[0049] ＝50×2
[0050] ＝100W (2)
[0051] 减速机构拟采用4级齿轮减速，第一级为
锥齿轮传动效率按95％计算，采用
滚动轴承支撑传动效率按99％计算；二、三级为
直齿轮传动效率按96％计算，采用滑动轴承支撑传动效率按97％计算；末级为直齿轮传动效率按96％计算，采用滚动轴承支撑传动效率按99％计算。
[0052] 由此可见减速机构的传动效率为
[0053] η＝0.95×0.99×0.96×0.96×0.96×0.96×0.96×0.99
[0054] ＝0.759 (3)
[0055] 由(1)、(3)可得空心杯电机的额定输出功率为
[0056] PN＝P/η
[0057] ＝80/0.759
[0058] ＝105W
[0059] 考虑到安全系数，电机的额定功率按120W设计。
[0060] 步骤22，设计减速机构减速比。
[0061] 按空心杯电机额定扭矩0.17Nm计算，减速比i1＝40/0.17＝235
[0062] 按空心杯电机额定转速4800rpm计算，减速比i2＝(4800×360/60)/100＝288[0063] 减速机构的实际减速比i应i1≤i≤i2，综合考虑后确定减速比为250左右。
[0064] 本发明基于空心杯电机采用小模数齿轮减速，主要完成了额定输出扭矩≥40Nm、额定角速率为115°/s±10°/s电动舵机的研制，包括电动舵机带宽的设计，小模数齿轮减速机构的设计，空心杯电机的设计，电动舵机的标定、测试技术以及电动舵机的装调、检测、各种试验等研究内容。目前该项目已完成工程样机的研制，初、正样产品已随全雷进行了所有试验，表现良好。
[0065] 步骤23，设计防辐射遏流电缆：考虑到电动舵机动力线瞬间电流、额定电流均较大拟采用双线供电，考虑到空心杯电机转子感性不足，在舵机电缆中串入电感；考虑到反馈电位计中间抽头要反馈信号，所以采用了双线冗余设计；考虑到信号线、动力线各自间的电容效应，采用了绞线技术；考虑到动力线强信号的对外干扰以及信号线弱信号的电磁防护，采用了屏蔽技术；考虑到电动舵机与整弹地线的一致性，从电动舵机壳体接入地线经电缆与弹上地线导通。
[0066] 以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
