一种集成一体式三余度电机泵
技术领域
本发明属于伺服作动领域，涉及一种集成一体式三余度电机泵。
背景技术
随着航天技术的高速发展，对火箭的可靠性要求越来越高，为了获得满意的可靠性，火箭的推力矢量控制执行机构采取余度设计是非常必要的，面对未来大功率的推力矢量控制执行机构的需要，以及全箭全电化的发展趋势，新型电静压伺服机构(Electro-Hydrostatic Actuators，EHA)是推力矢量控制执行机构的优选方案，目前，电静压伺服机构已经广泛应用于欧美国家航空运载器舵面控制。为了提高可靠性，电静压伺服机构一般采用两余度的设计方案，即相对独立的两套能源系统通过流量综合的方式驱动作动筒工作，能源系统采用电机通过联轴器拖动液压泵为伺服系统提供可控液压液压油，电静压伺服机构的传统余度方式的机械效率较低，且系统组成复杂、结构设计不够简洁。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种集成一体式三余度电机泵，用于为运载火箭推力矢量控制执行机构提供高可靠的能源，保证执行机构精确的位置控制。
本发明解决技术的方案是：
一种集成一体式三余度电机泵，包括壳体、3个泵组件、3个增压油箱组件、充气活门、充气活门外罩、特型布线板、电机驱动电连接器和旋变测试电连接器；其中，壳体为柱状结构；3个泵组件和3个增压油箱组件间隔呈环状均匀设置壳体的内部；3个泵组件和3个增压油箱组件的轴向均与壳体轴线平行；每个泵组件均包括柱塞泵组件和电机泵组件；柱塞泵组件和电机泵组件同轴设置；且3个泵组件中的柱塞泵组件均指向壳体的轴向内端；3个泵组件中的电机泵组件均指向壳体的轴向外端；充气活门同轴设置在壳体的轴向外端；充气活门外罩套装在充气活门的外部，实现对充气活门的密封；特型布线板为半圆盘状结构；特型布线板设置在充气活门外罩的外壁；电机驱动电连接器和旋变测试电连接器均固定设置在壳体的顶部。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述电机泵组件包括主轴、电机转子、电机定子绕组、主轴支撑端盖、旋变定子、旋变转子、电机定子引出电缆、旋变定子引出电缆；其中，主轴轴向水平放置；电机转子套装在主轴的外壁；电机定子绕组设置在电机转子的外壁；主轴支撑端盖设置在壳体的轴向外端；主轴的轴向一端指向壳体的轴向内端；主轴的轴向另一端伸出主轴支撑端盖；旋变转子套装在主轴伸出主轴支撑端盖部分的外壁；旋变定子套装在旋变转子的外壁；电机定子引出电缆一端与电机定子绕组连通，另一端伸出至特型布线板；旋变定子引出电缆一端与旋变定子连通，另一端伸出至特型布线板。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述柱塞泵组件包括泵转子支撑外罩、柱塞泵、卡盘、斜盘；其中，泵转子支撑外罩为中空壳体结构；泵转子支撑外罩设置在壳体轴向内端内部；且泵转子支撑外罩与主轴同轴设置；斜盘设置在泵转子支撑外罩轴向指向电机泵组件一端的内壁；卡盘与斜盘连接；柱塞泵套装在主轴的外壁；柱塞泵的轴向一端与卡盘连接；通过卡盘和斜盘实现对柱塞泵的轴向固定。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述增压油箱组件包括油箱堵塞、油箱活塞和油箱壳体；其中，油箱壳体为中空柱状腔体；油箱活塞设置在油箱壳体内；油箱堵塞设置在油箱壳体指向轴向外端的端面处。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述充气活门分别与3个油箱堵塞连通；通过充气活门向油箱壳体内部输入气体；推动油箱活塞沿油箱壳体轴向移动。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述泵转子支撑外罩轴向指向内端的端面上设置有2个油孔；2个油孔均与油箱壳体连通；实现油箱壳体内的油液流入泵转子支撑外罩内。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述电机定子引出电缆通过特型布线板引出至电机驱动电连接器；通过电机驱动电连接器与外部电机驱动机构对接；旋变定子引出电缆通过特型布线板引出至旋变测试电连接器；通过旋变测试电连接器与外部旋变采集电连接器对接。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述三余度电机泵的工作过程为：
外部电机驱动机构通过电机定子引出电缆为电机定子绕组上电；通过磁力矩驱动电机转子带动主轴旋转；主轴带动柱塞泵旋转；通过旋变定子和旋变转子实现对主轴旋转角度的测量；测量信号经过旋变定子引出电缆引出至外部旋变采集电连接器；实现对电机泵的系统的闭环控制。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，所述当其中1个泵组件故障时，另外2个泵组件实现冗余备份。
在上述的一种集成一体式三余度电机泵，通过充气活门向油箱壳体内部输入气体；推动油箱活塞；实现对油箱壳体内的油液增压排出。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过三套电机泵组件并联设计，达到了能源三余度的效果，当其中一组能源组件出现问题时，不影响另外一组能源组件的工作，保证系统功能的正常；
(2)本发明通过一个圆柱形壳体内并行布置三套电机泵组件，三套增压油箱组件，达到了三余度电机泵高度集成化的效果，集成度高，为电静压伺服系统的整机结构模块化布局提供保证；
(3)本发明通过电机转子与泵转子同一根轴布局，一根阶梯通轴上，左端采用花键内支撑方式与泵转子连接，中间阶梯与型腔突肩处的支撑轴承的内圈过盈配合固定，右端与电机的转子采用“滚花+过盈”形式配合，达到了电机和泵的高效传动效果，减少了动力传动的机械损失，提高了电机泵的总体效率；
(4)本发明通过三个独立的片状全对称式腰形配流盘，一面与泵的转子端面滑动配合，通过两个腰型槽完成转子的流量排出和吸入，另一面开有两个带端面密封槽且与两个腰型槽分别沟通的两个进出控制油口，达到了控制油口起到高低压控制和隔离的作用，液压接口简单，省略了外部管路，集成度高；
(5)本发明通过特型布线板，把强电电缆与旋变信号电缆双通道布局，将旋变电缆分布在下层空间，将强电电缆分布在上层空间内对应的通线槽内，整体实现电缆的分层布局，达到了三余度电机泵测试和控制电缆内部紧凑的走线布。
附图说明
图1为本发明三余度电机泵剖视图；
图2为本发明三余度电机泵外部示意图；
图3为本发明特型布线板示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
为了进一步提高电静压伺服机构的系统可靠性，本发明提出了一种三套电机泵组件并行独立提供能源的三余度电机泵的设计方案；为了降低作动系统组成的复杂度，使得伺服机构的结构设计更为简洁，本发明提出了一种三套电机泵组件以及三套增压油箱组件均布并行布置在一个圆柱体内的设计方案；为了进一步提高能源系统的传动效率，本发明提出了一种电机和泵同轴串联省略联轴器的设计方式。
一体式三余度电机泵，具体包括壳体1、3个泵组件、3个增压油箱组件、充气活门23、充气活门外罩24、特型布线板27、电机驱动电连接器33和旋变测试电连接器38；其中，壳体1为柱状结构；3个泵组件和3个增压油箱组件间隔呈环状均匀设置壳体1的内部；3个泵组件和3个增压油箱组件的轴向均与壳体1轴线平行；每个泵组件均包括柱塞泵组件和电机泵组件；柱塞泵组件和电机泵组件同轴设置；且3个泵组件中的柱塞泵组件均指向壳体1的轴向内端；3个泵组件中的电机泵组件均指向壳体1的轴向外端；充气活门23同轴设置在壳体1的轴向外端；充气活门外罩24套装在充气活门23的外部，实现对充气活门23的密封；充气活门23与壳体1螺纹固定连接；充气活门外罩24与壳体1螺纹固定连接；特型布线板27通过螺钉固定安装在圆柱壳体1一端端面上。特型布线板27为半圆盘状结构；特型布线板27设置在充气活门外罩24的外壁；如图2所示，电机驱动电连接器33和旋变测试电连接器38均固定设置在壳体1的顶部。电机驱动电连接器33通过法兰安装在圆柱壳体1顶端外表面凸起处，并由螺钉32固定；旋变测试电连接器38通过法兰安装在圆柱壳体1顶端外表面凸起处，并由螺37固定。
其中，电机泵组件包括主轴11、电机转子12、电机定子绕组13、主轴支撑端盖16、旋变定子18、旋变转子19、电机定子引出电缆21、旋变定子引出电缆22；其中，主轴11轴向水平放置；电机转子12套装在主轴11的外壁；电机定子绕组13设置在电机转子12的外壁；主轴支撑端盖16设置在壳体1的轴向外端；主轴11的轴向一端指向壳体1的轴向内端；主轴11的轴向另一端伸出主轴支撑端盖16；旋变转子19套装在主轴11伸出主轴支撑端盖16部分的外壁；旋变定子18套装在旋变转子19的外壁；电机定子引出电缆21一端与电机定子绕组13连通，另一端伸出至特型布线板27；旋变定子引出电缆22一端与旋变定子18连通，另一端伸出至特型布线板27。电机转子12与柱塞泵组件同一根轴布局，一根阶梯主轴11上，左端采用花键内支撑方式与柱塞泵组件7连接，中间阶梯与圆柱壳体1工字型腔突肩处的轴承10的内圈过盈配合固定，右端与电机转子12采用“滚花+过盈”形式配合，右端阶梯与圆柱壳体1工字型腔一端固定安装的主轴支撑端盖16内的轴承内圈过盈配合固定。
柱塞泵组件包括泵转子支撑外罩3、柱塞泵7、卡盘8、斜盘9；其中，泵转子支撑外罩3为中空壳体结构；泵转子支撑外罩3设置在壳体1轴向内端内部；且泵转子支撑外罩3与主轴11同轴设置；斜盘9设置在泵转子支撑外罩3轴向指向电机泵组件一端的内壁；卡盘8与斜盘9连接；柱塞泵7套装在主轴11的外壁；柱塞泵7的轴向一端与卡盘8连接；通过卡盘8和斜盘9实现对柱塞泵7的轴向固定。
增压油箱组件包括油箱堵塞29、油箱活塞35和油箱壳体30；其中，油箱壳体30为中空柱状腔体；油箱活塞35设置在油箱壳体30内；油箱堵塞29设置在油箱壳体30指向轴向外端的端面处。
充气活门23分别与3个油箱堵塞29连通；通过充气活门23向油箱壳体30内部输入气体；推动油箱活塞35沿油箱壳体30轴向移动。充气活门密封圈25，之中充气活门密封圈25安装在充气活门23上，并螺纹固定在圆柱壳体1一端面的中间，通过Y型孔径与权利要求9中所述的充气腔体沟通，充气活门23用于向充气腔体内冲入压缩气体，达到对增压油箱活塞35左侧液压油的增压作用。
泵转子支撑外罩3轴向指向内端的端面上设置有2个油孔36；2个油孔36均与油箱壳体30连通；实现油箱壳体30内的油液流入泵转子支撑外罩3内。作为电机泵组件对外的液压接口。
如图3所示，电机定子引出电缆21通过特型布线板27引出至电机驱动电连接器33；通过电机驱动电连接器33与外部电机驱动机构对接；旋变定子引出电缆22通过特型布线板27引出至旋变测试电连接器38；通过旋变测试电连接器38与外部旋变采集电连接器对接。电机驱动电连接器33与一个圆孔端面法兰连接，电机驱动电连接器33伸向圆孔端的外圆上开有高可靠冗余静密封径向沟槽结构，安装O型密封圈与圆孔的内表面形成密封，三套电机泵定子上的三相控制电缆与电机驱动电连接器33焊接；旋变测试电连接器38与一个圆孔端面法兰连接，旋变测试电连接器38伸向圆孔端的外圆上开有高可靠冗余静密封径向沟槽结构，安装O型密封圈与圆孔的内表面形成密封，三套旋变定子引出电缆22与旋变测试电连接器38焊接；
三余度电机泵的工作过程为：
外部电机驱动机构通过电机定子引出电缆21为电机定子绕组13上电；通过磁力矩驱动电机转子12带动主轴11旋转；主轴11带动柱塞泵7旋转；通过旋变定子18和旋变转子19实现对主轴11旋转角度的测量；测量信号经过旋变定子引出电缆22引出至外部旋变采集电连接器；实现对电机泵的系统的闭环控制。当其中1个泵组件故障时，另外2个泵组件实现冗余备份。工作过程中，通过充气活门23向油箱壳体30内部输入气体；推动油箱活塞35；实现对油箱壳体30内的油液增压排出。
工作原理：电机泵驱动控制器接通外部功率电源，同时，当接收转速指令时，通过驱动电缆，由电机驱动电连接器33，经过电机定子引出电缆21进入电机定子电枢，产生励磁进而电机泵主轴11转动，电机泵主轴11的转动角度通过安装在轴端的旋变组件采集，经过旋变定子引出电缆22到旋变采集电连接器37，由旋变采集信号进入电机的驱动控制器与指令信号进行比较，误差信号经过电机驱动模块和强电输出经过电机驱动电连接器进入电机定子电枢，构成电机泵的系统的闭环控制。
柱塞泵组件旋转并通过配流盘上的腰型槽形成吸/排油，通过配流盘上的两个端面密封接口构成对外的液压接口，液压输出无管路连接，提高了可靠性。电机和泵的同轴布局，转子共用主轴，提高了机械效率。集成一体式三余度电机泵的两端通过法兰形成对外机械接口，电机端安装密封堵盖，泵端安装分油过渡块，整个电机泵组件内部充满液压油，电机泵的圆柱壳体可以作为承力件使用。
本发明在一个圆柱体壳体1均布凹陷三个工字型腔，内嵌入三套电机泵组件，各套电机泵组件之间相互独立，一套电机泵组件出现故障时，不影响另外两套电机泵组件工作，构成电机泵的冗余，可靠性高；三套电机泵组件共用一个圆柱壳体1，对外的液压接口为具有端面密封的六个油口，对外的电气接口为两个固定在圆柱壳体1上的电机驱动电连接器33和旋变测试电连接器38，机械接口为两端法兰，结构简洁紧凑，安装应用灵活。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
