船用新型电动舵机可行性研究

谢俊超，肖 清，花 靖

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

0 引言

舵机作为保证船舶安全航行的重要设备，可靠性要求较高。液压舵机因其大功率和高可靠性，能够较好地满足相关动力和空间布置的要求，常用作船舶操舵系统的主舵机。然而液压舵机需要布置大量的液压管路和阀件，在效率、维护性、可控性和集成性等方面存在许多缺陷，影响其功能更好的发挥。

为了克服采用液压舵机带来的上述缺点，电动舵机重新引起了研究人员的重视。随着新型稀土永磁材料的出现，以及电机技术、控制技术和精密制造等技术的发展，电动舵机技术获得突破，并在航空航天领域得到广泛应用［1］。

船舶方面，国外海军对此技术高度重视，英国海军研制了用于水面舰船及潜艇舵面控制的电动舵机。该电动舵机采用折返式连接结构，体积小，布置方便。通过在23型护卫舰上进行试验和测试，证明其具有噪声低、可靠性高、维护简单、耗能少等优点。

基于电动舵机的上述优点以及电动传动技术的不断发展，未来舰船将有可能完全取消液压舵机，而采用新型电动舵机 (electro-mechanical actuator，EMA)作为舵面执行机构。

本文提出一种船用新型舵机方案，与传统液压舵机相比，能较好地满足提高能量利用率、降低操舵噪声、实现集成控制和降低维护费用等方面的需求。

1 新型电动舵机方案

电动舵机需要将电动机的旋转运动变为推杆的直线运动，达到和液压舵机相似的驱动效果。由于舵的转动速度较低，所需推力较大，采用不同形式的直线传动机构对整个电动舵机的工作可靠性有较大的影响。

早期的直线传动机构包括蜗轮蜗杆式、齿轮齿条式和螺母丝杆等，这些传动机构有一个共同的缺点，即无法长时间重载工作，此外还会附带产生振动噪声和温升等问题，严重制约了机电传动装置的发展。近年来，虽然出现了新型的直线电机，但因其推力较小，无法适用于重载的场合。行星滚柱丝杠作为一种新型的直线传动单元，有效地解决了目前机电传动技术发展的瓶颈，特别是其能够在高精度、重载工况下长时间连续工作，使得行星滚柱丝杠成为船舶舵机传动机构的理想选择。

考虑到船舶舵机的运行工况复杂，对工作可靠性要求较高，并且布置位置极其有限，根据舵机的选型设计要求，对电气和机械部分进行优化设计，并结合国内外机电传动先进技术，提出如图1所示采用力矩电机和行星滚柱丝杠结合的新型电动舵机方案。

图1 新型一体化电动舵机的典型部件Fig.1 The typical components of the new integrated marine electro-mechanical actuator

该新型一体化电动舵机将力矩电机和行星滚柱丝杠集成在一起，将转子设计成中空结构，转子由2个径向轴承和1个轴向轴承支撑，把行星滚柱安装在转子上，最终将电机的转动转化为丝杠的直线运动。这种结构能够大大减少舵机的体积和重量，容易实现高精度伺服控制，相对于现有的液压舵机具有以下优势:

1)结构更加紧凑，可靠性高，能耗低，维护性能好;

2)便于实现集成化，可与标准伺服控制兼容，实现高精度自动化控制;

3)具有良好的动态性能，输出波动小，静音效果好;

4)应用潜力大，无液压驱动，设备更环保，生存性更强。

根据船舶的使用工况，对图1所示方案所涉及的关键器件及技术进行可行性研究，主要包括如何实现关于电磁兼容、集成性、高效率、动态性能、免维护性和过载性能等方面的需求等。

2 关键技术可行性分析

2.1 行星滚柱丝杠技术可行性分析

行星滚柱丝杠作为一种新型的直线传动单元，其主要由行星滚柱、丝杠、螺母组成。在主螺纹丝杠周围，按行星方式布置安装了6～8个螺纹滚柱，通过行星滚柱将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动，如图2所示。

图2 行星滚柱丝杠结构示意图Fig.2 The Schematic diagram of planetary roller screw

行星滚珠丝杠与其他线性运动机构对比如表1所示。通过比较可知，由于其独特的结构，行星滚柱丝杠具有更大的承载能力、更高的刚度和更长的使用寿命，并且在振动噪声、可维护性和效率等方面明显优于其他线性运动机构。

表1 行星滚柱丝杠与其他线性运动技术对比Tab.1 The technical comparison from the planetary roller screw and other linear motion

行星滚珠丝杠作为新型的直线运动单元，能够很好地满足船舶舵机的应用要求。目前，国外有很多厂家可制造大推力的行星滚柱丝杠，国内也能够研制和生产小推力的行星滚柱丝杠。随着国内精加工技术的提高，大推力行星滚柱丝杠研制技术应可突破。

2.2 电机及控制技术可行性分析

20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，永磁交流伺服电动机技术有了迅猛发展，国内外著名电气厂商相继推出永磁交流伺服电动机及驱动器，使其成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。

根据电动舵机的工作特性，初步选用永磁交流伺服力矩电机，由于其低速大扭矩的特性，可以直接带动低速负载，与传统的电机和齿轮减速组合成的间接驱动相比，采用永磁交流伺服电机直接驱动的控制系统具有以下优点:

1)电机工作的线性度好 (见图3)。由于在其转速范围内，转矩几乎恒定，可以获得较好的控制效果，避免了传动的波动性。

图3 交流伺服电动机的特性曲线Fig.3 The characteristic curve of the AC servo motor

2)由于省掉了中间传动机构，能够有效降低系统的振动噪声，提高整体可靠性。此外，通过采用水冷技术、新永磁材料和集成化技术，能够有效解决电机发热问题，使其结构紧凑，维护方便，提高其过载能力。

3)速度和位置的精度高。由于消除了齿轮间隙和弹性变形引起的误差，而且可以与标准伺服系统兼容，通过各种不同的闭环控制模式，能够实现对电动舵机的全面控制 (见图4)。

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

目前，永磁交流伺服电机技术和伺服控制技术已经较为成熟，可以实现新型电动舵机的基本功能需求。

2.3 余度技术可行性分析

由于舵机对船舶安全航行的重要性，因此在新型电动舵机的设计中采用余度技术对于提高系统可靠性具有重要意义。

在电动舵机传动系统中，电机和控制部分是整个传动系统可靠性相对较为薄弱的环节。因此，在电机和控制电路中引入余度设计，可有效提高整个舵机系统的可靠性。由于控制部分采用多通道，其余度技术较为成熟，在此主要对电机余度技术进行探讨。

电机的余度技术主要是在绕组上进行考虑。在双余度机电驱动系统中，电机绕组的结构主要有串联式结构和并联式结构2种形式。由于绕组串联结构既造成了电机体积增大，又会导致1个绕组故障时，产生相反的感应电势，使得电机的动态性能降低，因此一般采用并联绕组的结构。

并联式双余度电机只有1套定转子，电机的2套定子槽内设置2套绕组，互为备份。定子的绕组上有2套星型连接的集中式三相绕组，2套绕组相差30°电角度，2套定子绕组分别由2套逆变电路供电，若电机2套绕组的电流完全相同，则电动机的输出转矩为每套产生转矩的2倍。这2套逆变器的电源及控制电路相互独立，可以实现完全的双余度控制。

此外，由于电机绕组的备份可以认为是采用了相似的余度技术，在一次故障发生时，类似条件下可能导致剩余余度也发生故障，因此，在高要求的系统中还可以在此基础上考虑机械余度，以确保其高可靠性。

3 技术难点及研究方向

综合考虑现有的技术条件，对于电动舵机下一步的发展还需要进行以下几个方面的研究:

1)电动舵机的集成技术研究。通过研究力矩电机和行星滚柱丝杠的配合集成技术、电机水冷技术和免维护技术等，并充分考虑电磁兼容、振动冲击等要求，进一步降低电动舵机的运行噪声，提高其运行效率，减少布置空间需求。

2)电动舵机可靠性及故障诊断技术研究。通过对电动舵机运行的故障诊断技术进行研究，实现对电动舵机主要部件的故障进行预报，研究对各个关键设备进行维护的方法，进一步提高电动舵机的可靠性。

3)电动舵机控制技术研究。主要对电动舵机的速度、响应性能以及操控性能进行研究。由于舵装置在实际运行中的载荷无规律连续变动，使得电动舵机的负载变化较大，需要集成多种不同的闭环控制模块，对伺服电动舵机进行全面控制。

4 结语

虽然电动舵机技术在航空航天领域已经得到了较充分的应用，但由于应用场合不同，电动舵机在船舶上的应用还存在较多的技术难点，目前还处于起步阶段，需要进一步开展此方面的研究。本文充分考虑了当前的技术水平，提出的新型电动舵机方案能较好地满足当前舰船上舵机的要求，并指明了需要进一步研究的重点和方向，为类似的传动需求提供了新的机电解决方案，对加速提升机电传动技术，促进机电传动装置在舰船上的发展应用具有重要作用。

［1］沙南生，李军.功率电传机载一体化作动系统的研究［J］.北京航空航天大学学报，2004，30(9):909 －912.

［2］陆军，张元国，王长路.电动舵机余度技术概述［J］.机械传动，2010，34(3):92 －95.

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

［4］韦振兴.行星滚柱丝杠副刚度及效率的分析与研究［D］，武汉:华中科技大学，2011.