CN101213727A - 包括执行器和位置传感器的旋转单相电磁伺服执行器 - Google Patents

Abstract

该发明涉及旋转单相电磁伺服执行器，它包括旋转执行器以及转子角位移传感器，该旋转执行器被设计成沿有限行程移动运动部件，该旋转执行器包括2N磁极定子结构以及至少一个激励线圈，N等于1或2，上述定子结构由具有高磁导率的材料制造，该旋转执行器还包括一个转子，该转子具有铁磁磁轭和由2N对按交替方向进行轴向磁化的磁极构成的薄磁化部件，本发明的特征在于，该位置传感器具有和该磁轭被组合到一起的磁场发射器和相对于该定子结构固定的磁场接收器。

Description

包括执行器和位置传感器的旋转单相电磁伺服执行器

本发明涉及电磁伺服执行器，包括一个在有限角行程上产生持续扭矩的旋转单相执行器以及一个转子位置传感器，该旋转单相执行器包括一个转子和一个定子结构，该转子由铁磁材料磁轭和按交替方向磁化的2N对轴向磁化磁极构成，该定子结构分别包括2N个铁磁磁极和至少一个线圈。

执行器和传感器的这种结合的目的是为了在旋转方向上按照非限定方式移动内燃机的进气管阀。

在先有技术中已经知道将执行器和电磁传感器组合起来驱动阀门，特别是驱动机动车辆。所用的解决方案通常会导致带有多种缺点的解决方案：因为执行器和传感器部件两者的固有体积而导致相当大的总体尺寸，在执行器运行过程中存在来自传感器的信号扰动，传感器和阀门位置之间难以进行标定。

本发明的目的之一就是为熟悉该技术的人员提供新颖的解决方案来克服这些缺点。

为此，本发明的一个目的是提供包括新颖执行器加上传感器组件的电磁伺服执行器，其中该传感器按照简单的方式被组合到该执行器磁轭上，而由执行器产生的磁场对传感器则没有任何影响。

它的有利之处是，执行器的磁轭由具有高导磁率的铁磁材料制造，它生成磁性护罩并避免发动机对传感器信号产生任何影响。此外，或者说优选地，在该执行器的诸定子磁极的至少一个中心面上安装了磁敏探头即磁场接收器，在这个中心面上发动机磁场的影响为零。

在优选实施例中，所用的传感器就是专利FR2670286中所描述的类型。这类传感器能够在0高斯信号附近工作，对温度波动不敏感。它包括磁场发射器，其形状是位于两个集合磁路之间的环形磁铁，这两个集合磁路由对该环形磁铁进行局部闭合的两个铁磁弧形部件构成。这种0高斯定位的调节需要将传感器磁铁相对于该传感器定子进行标定。但是，也可以采用其他类型的传感器，本申请的目的之一就是允许按照不同的实施例来利用那些采用磁敏探头或感应传感器的各类传感器。

本发明的另一个目的也是允许利用数字型传感器，它只被用来探测行程的起点和/或终点。

在当前的技术阶段，已经知道能够采用正比持续扭矩来执行阀门移动的电磁执行器。专利公开FR2670629公布了针对这种目的的、带有转子的执行器，该转子具有2N对磁化磁极，由于将轴向挡块和磁铁对定子部件的轴向电磁力加以组合，所以它们产生和供电电流成正比的扭矩，并能够让转子自行对中。

但是，这个执行器的实施例不能够获得最佳利用效果，也无法进行工业生产。另外，这种执行器和角位置传感器的组合(出于安全的理由，在机动车辆的应用中，这通常是不可缺少的组合)的很大的总体尺寸对该组件的实际利用是严重的障碍。

所以，本发明的另一个方面是提供具有新颖结构的执行器，它能够获得强大的、正比于控制电流的持续扭矩，限制零件的数量，同时改善执行器在它的运行过程中的热性能，并使该伺服执行器能够在工业中获得应用。

最好，这些定子磁极以铸造材料采用所谓“冷锻法”制造，这样可以提供高铁磁性质。如此制造的定子磁极被机械插入由铁磁材料制造的底座板，这样可以提供最佳的磁性结合，而且当由磁轭和电动机磁化磁极构成的转子在定子磁极上方进行位移时，可以限制残余扭矩的出现。由于在制造时，在4个磁极中的每个磁极上做了一个肩台，同时采用了冷锻法，所以，磁极在底座上的排列就规定了挡块支架座，用于接受转子依靠的挡块。

根据优选实施例，如此形成的定子组件能够采用LCP(液晶聚合物)类型的热塑聚合物整体模铸。采用这种方法能够仅仅采用一次操作就以简单而低成本的方法制造出导向轴承和转子挡块的支座，并同时由于较容易释放供电线圈的、由于焦耳效应消耗的电功率而改善了热阻。

本发明的另一个目的是提供具有锁定和解锁系统的伺服执行器，该系统能够阻止对由执行器驱动的输出轴施加的任何外部机械作用而不会阻碍该部件在其两个旋转方向上移动的、由执行器驱动的运动。由于不再需要克服施加到被控旋转轴的外部反作用力，所以对给定的应用场合，这种“伺服执行器加锁定和解锁系统”的组合能够生成小尺寸的执行器。对大量的应用场合而言，这样能够节省空间，并无疑会节约成本，而且能够在多种不采用这种组合就无法应用的应用场合中使用这种执行器。

参考附图会使对本说明的理解变得更加容易。这些例图为：

—图1表示本发明所描述的、根据其优选实施例实现的伺服执行器的斜侧面视图；

—图2A和图2B表示根据该传感器的第一实施例的、不带有整体模铸组件的伺服执行器的单独视图；

—图3表示根据该传感器的第二实施例的、不带有整体模铸组件的伺服执行器的单独视图；

—图4表示根据该传感器的第三实施例的、不带有整体模铸组件的伺服执行器的单独视图；

—图5表示根据该传感器的第四实施例的、不带有整体模铸组件的伺服执行器的单独视图；

—图6表示要被固定到该整体模铸定子组件的伺服执行器的盖罩的单独视图；

—图7表示带有其LCP整体模制件的定子组件；

—图8表示定不带有其LCP整体模制件的定子组件；

—图9表示带有其LCP整体模铸定子组件、转子和它的轴向挡块的分解视图；

—图10表示水平的整体模铸定子组件的视图；

—图11表示在优选实施例中的滚珠挡块的单独视图，该滚珠挡块可以被用来提供执行器转子对定子部件的定位和自由旋转；

—图12表示不带有整体模制件的、根据本发明的第二实施例的伺服执行器的单独视图；

—图13表示图1所示的、与机械锁定和解锁系统相关联的伺服执行器的单独视图；

—图14表示图12所示的伺服执行器的变例，其中转子具有穿透轴；

—图15表示图12所示的伺服执行器的变例，采用传感器让执行器转子轴向上穿透。

图1表示优选实施例的伺服执行器1。它包括整体模铸的定子组件2和盖罩4，在组件2上可以安排一个或几个螺栓3以便将伺服执行器1固定到外部框架，盖罩4使电气接头5的组件组合成一个整体，接头5被用来驱动执行器和电磁传感器，而且生成来自该传感器的电气信号，举例来说，传感器可以包括霍尔(Hall)探头。将从盖罩4延伸的挖空扣脚6扣到上述整体模铸的定子组件2的突出抓爪7，盖罩4就能被整体连接到整体模铸的定子组件2。与盖罩4相反的一面具有在整体模铸定子组件2中构成的轴承8，执行器的轴(未画)穿过轴承延伸以便能固定要在旋转中进行定位和移动的外部部件。

图2A和图2B表示根据第一实施例的伺服执行器1，它包括执行器9和传感器21，图中既没有画整体模铸部件也没有画盖罩4。构成伺服执行器的执行器9包括第一定子组件10和转子13，定子组件10包括4个定子磁极11，它们沿执行器的轴向延伸并被固定到底座12，转子13包括一个轴向交替磁化的圆盘14，圆盘14具有由铁磁材料制造的4对磁极和一个磁轭15。这种磁轭15沿轴向延伸以便支承环形的第二磁铁16，它包括2对沿半径方向交替磁化的磁极。这第二磁铁16与磁轭15被组合到一起，并在相对于定子静止的第二定子组件17内旋转。该第二定子组件17由对第二环形磁铁16进行局部闭合的两个铁磁弧形部件18组成，在这两个铁磁弧形部件之间安装具有霍尔效应的磁敏探头19。作为优选，磁敏探头19按照如下方式定位：磁敏探头19最好被安装得能够使它的探测敏感元件位于至少一个定子磁极11的中心面20内，这里是没有任何磁感应的区域。铁磁弧形部件18在磁敏探头19的部位比较薄，这样能够聚集来自第二磁场16的磁通。所以，在磁敏探头19处收集到的磁通是磁轭15的位置的线性函数，故而也是由上述磁轭15通过穿透轴(43)驱动的外部零件的线性函数。

图3表示根据传感器21的第二实施例的伺服执行器1，图中没有画出任何整体模制件或盖罩4。执行器的磁轭15具有一个U形铁磁部件22，它的矫顽磁场力低于500奥斯特，具有残余的轴向磁性。在这个U形铁磁部件22的轴上安装一个霍尔探头24(譬如Melexis 90316型)，该轴线对应于诸定子磁极11的对称中心面20的交界线，探头24具有至少2个霍尔敏感元件。这种敏感元件按照两个垂直的方向检测U形铁磁部件22产生的感应。最好，但并非限定如此，这两个正交方向由诸定子磁极11的对称中心面20来确定。所得到的输出信号是U形铁磁部件22的旋转角的线性函数，而且，由于霍尔探头24的敏感元件紧挨这个执行器9的轴(这里是没有任何磁感应的区域)，所以该信号不受执行器9运行的干扰。

图4表示根据传感器21的第三实施例的伺服执行器1，图中没有画出任何整体模制件或盖罩4。执行器的磁轭15具有一个沿直径方向磁化的圆柱铁淦氧磁铁25。在这个圆柱铁淦氧磁铁25的轴上安装了一个霍尔探头24(譬如Melexis 90316型)，该轴线和诸定子磁极11的对称中心面的交界线相对应，探头24至少还包括2个霍尔敏感元件。这种敏感元件按照两个垂直的方向检测圆柱铁淦氧磁铁25产生的感应。最好，但并非限定如此，这两个正交方向由诸定子磁极11的对称中心面20确定。所得到的输出信号是圆柱铁淦氧磁铁25的旋转角的线性函数，而且，由于霍尔探头24的敏感元件紧挨这个执行器9的轴(这里是没有任何磁感应的区域)，所以该信号不受执行器9运行的干扰。

图5表示根据传感器21的第四实施例的伺服执行器1，图中没有画出任何整体模制件或盖罩4。执行器的磁轭15具有U形部件26，它由能够让磁铁27在U形部件26的槽28内进行定位的任何材料制造。在这个U形部件的轴上安装了一个霍尔探头24(譬如Melexis 90316型)，该轴线和诸定子磁极11的对称中心面的交界线相对应，探头24具有按照两个正交方向布置的至少2个霍尔敏感元件。最好，但并非限定如此，这两个正交方向由诸定子磁极11的对称中心面20确定。这种敏感元件检测由磁铁27产生的感应。所得到的输出信号是磁铁27的旋转角的线性函数，而且，由于霍尔探头24的敏感元件紧挨这个执行器9的轴(这里是没有任何磁感应的区域)，所以该信号不受执行器9运行的干扰。

图6表示根据传感器21的第一实施例的、对伺服执行器1加以封盖的盖罩4。它包含传感器21的定子组件以及用来测量图2A和图2B所示传感器21产生的磁通量的磁敏探头19。在这个实施例中，磁敏探头19是霍尔探头，它按照与转子13的位置成正比的方式接收固定于执行器9的转子13的磁轭上的第二传感器磁铁16所产生的磁通量。传感器21的定子组件和磁敏探头19相对于诸定子磁极11的位置由伺服执行器1的整体模铸件限定。第二传感器磁铁16按照和执行器9的轴向磁化圆盘14相对的方式被安装在磁轭15上，在和第二传感器磁铁16进行组合后，所形成的组件就能够以重复的方式生产伺服执行器1，它十分紧凑，而且能够测定转子13的绝对位置。所获得的盖罩4具有挖空扣脚6，它们的目的是提供盖罩4和整体模铸定子组件2的连接和维护。它也有两个电气连接元件29，它们的目的是提供整体模铸定子组件2的电气连接。这种电气连接元件29具有开槽动片(lamesfendues)的形状，这种形状能够在定子组件2和盖罩4的组装过程中提供对它们之间的定位误差不敏感的弹性连接。执行器9和传感器21的电气连接在盖罩4的电气连接组件5的位置上实现。采用外部连接器(未画)，就能够连接本发明的伺服执行器1。

图7表示整体模铸定子组件2。在优选实施例中，定子组件10的整体模制件以热塑材料制造，譬如LCP(液晶聚合物)。这种包围定子磁极11和供电线圈33的整体模制件一方面能够更容易地发散供电过程中在线圈33的部位上由于焦耳效应产生的热量，另一方面，不需要额外的步骤就能够生成用LCP制造的挡块支架31和轴承(图中未画)，其中支架31靠在定子磁极11的肩台48上，轴承在执行器9与盖罩4相对的那一面。另外，由于具有突出抓爪7和模制件上的槽30，所以整体模制件能够确保整体模铸定子组件2和盖罩4的机械连接，盖罩4的挖空扣脚扣在突出抓爪上，槽30的目的则是容纳粘合软膏以保证整体模铸定子组件2和盖罩4的接触。电气连接在十字形电气连接区域23的部位实现，它允许盖罩4的两个电气连接元件29以开槽动片的形式进行弹性连接。最终，整体模制件具有抗震功能，这样就能在应用中保护伺服执行器1在组件运行过程中不受外部震动的影响。

图8表示执行器的诸定子磁极11的单独视图，它们被机械插入由铁磁材料制造的底座12。在4个定子磁极11中，每个磁极在其头部位置上具有一个极靴32，它能够增加有用的角行程并能够达到接近80°的值。4个定子磁极11及极靴32和转子的磁化磁极的关联能够在最佳数量的磁极上获得扭矩系数。在优选实施例中，定子磁极11借助所谓“冷锻”方法获得，这样仅仅采用一次操作就能够获得定子磁极。为了提供良好的磁通量传导，诸定子磁极11被机械插入铁磁材料制造的底座12。诸定子磁极11在它们的头部位置上所具有的平坦特性由底座12的背面提供，诸定子磁极的基部在该处并不平坦。由于机械插入操作，所获得的磁性结合最佳并能够不产生任何静磁残余扭矩，而且，还能够在诸定子磁极11之间提供较好的磁感应通量传导而不会使执行器9的无电流扭矩失真。有利的方面是，这种定子磁极11具有肩台48，它们被用来作为执行器9的转子13的挡块支架31的支座。用来产生供执行器9使用的磁通量的供电线圈33被安装在每个定子磁极11上。在图8中，只画了一个这样的线圈33。

图9表示本发明提供的电磁执行器9的整体模铸定子组件2、轴向挡块34和转子13的分解视图。轴向挡块34停留在由整体模铸定子组件2构成的挡块支架31上。借助于轴43的引导，执行器的转子13与轴向挡块34接触，执行器的转子13由铁磁材料制造的磁轭15和轴向磁化圆盘14构成，圆盘14具有4对在交替方向上磁化的磁极，而该轴则和在整体模铸定子组件2中生成的、与盖罩4相对的一面的轴承8被固定在一起。通过这个优选实施例，转子13对诸定子磁极11的磁引力与由在整体模铸定子组件2中分别制造的轴向挡块34和轴承8所构成的轴向和径向导向相关，该磁引力至少提供了转子13相对于诸定子磁极11表面的自行对中和平行。在整体模铸定子组件2的背面，可以安装一个或几个螺栓3，它们带有螺纹，能够将伺服执行器固定到外部元件(譬如车辆的进气阀)。螺栓3的形状和数量不受限制，譬如可以如图10所示配置2个螺栓3。这些螺栓3可以与导向元件35相关联以便在对伺服执行器1进行固定之前先为它定位。这些导向元件35和固定元件通常被拧到底座12或定子磁极11底部，因为执行器9的背面没有任何整体模制件，为的是在应用中能够更好地发散执行器在运行过程中由于焦耳效应产生的热量。执行器的定位还由于底座12部位上的扁平锁定装置36而变得更加容易。

图11表示本发明中能够以非限定方式加以使用的滚珠止推轴承34。最好，这种滚珠止推轴承34包括3个简单的组件：由两个法兰37构成的组件夹着在两个法兰37之间滑动的滚珠38的组件，而法兰本身又被保持在滚珠轴承外壳39之内，该外壳通常用塑料制造，确保提供滚珠止推轴承34的内聚力。所以，两个法兰都能够独立地彼此相对滑动。这个滚珠止推轴承34被放置在整体模铸定子组件2上，它支承转子13，提供它的自身对中并使它在被放到整体模铸定子组件2上时能够转动，同时将摩擦限制到最小。

图12表示根据本发明的技术并根据执行器9的第二实施例的伺服执行器2，对它可以应用本申请所描述的执行器9的实施细节。于是，这个执行器9画出了由磁轭15构成的转子13，具有两对磁极的磁铁40在磁轭上则被做成一个整体。这个转子位于滚珠止推轴承34上，而轴承本身又位于由两个铁磁磁极49和一个供电线圈42构成的定子部件41之上。在这个非限定性的示例中，对所用的这类传感器而言，轴43的上部是U形的，制造它的材料具有低于500奥斯特的矫顽场力并具有残余轴向磁性，正如图3中传感器21的第二实施例所示。

在图13中，本申请中所公布的伺服执行器1与锁定和解锁系统44相结合，在这里，系统44是一个机械系统，其功能是阻止施加在输出轴上的外部机械作用。所以，它拥有位于执行器9的转子13之下的机械锁45，这包括两个彼此相对移动的不同部件，它的功能是锁定任何外部作用而不妨碍由执行器驱动的运动。增加了这种锁定/解锁系统44就能够减小执行器尺寸来适应给定的总体尺寸，这是因为，对于施加到由固定连接到转子13上的轴43驱动的部件上的外部负载，它不再敏感。这种系统由机械组件构成，但是，这个实施例不是限定性的，也可以用其他性质(电磁的、液压的以及气动的)的组件构造。

图14表示图12的伺服执行器1的另一种形式，其中转子13的轴43穿过它的支架通向执行器9的背面，以便在执行器9背面移动部件。为此，执行器的线圈42在物理上被分成两个，以便使它们能够给出足以让轴43穿过执行器9的空间。因为轴43的出口端不需要位于转子13的顶部，故而这种结构能够将传感器21以很大自由度置于转子13的顶部。所以，可以考虑利用与本发明所述相同的任何类型的传感器21而不存在限制。

图15表示图12的伺服执行器1的另一种形式，其中传感器21包括沿直径方向磁化的、与轴43组合到一起的园柱磁场发射器50，在它的附近，以固定方式安装一个磁场接收器51，该接收器包括两个能够测量该发射磁场的切向及径向分量或者切向及轴向分量的磁敏部件。所以，磁场接收器51包括能将这两个分量加以复合从而确定轴43的旋转角的处理电路。在这种结构中，传感器21的磁场接收器51相对于轴43移动，而轴43能够向外突出指向执行器9的顶部，而且能够被固定到要被移动的部件。

在需要回弹返回系统来使要被控制的部件返回初始位置的灵敏应用场合中，这种锁定/解锁系统44还能够将该回弹返回系统一分为二，从而分离执行器需要克服的、对抗弹簧去移动要被移动的部件的机械扭矩。图13表示这种配备了返回系统的伺服执行器1，该图画出了具有扭转弹簧形式的、位于执行器之下的第一回弹返回部件46，它将它的返回力矩施加到由执行器9控制的轴43。具有扭转弹簧形式的第二回弹返回部件47位于执行器9的转子13的部位，它将它的返回力矩施加到转子13。所以，当锁45被锁定时，执行器只需克服第二回弹返回部件47的力来对要被控制的部件进行定位。当该锁被解锁时，两个回弹返回部件46和47的两个扭矩被加到一起来对要被移动到其初始位置的部件进行复位。这样就能够减小伺服执行器1的尺寸，并将它应用到没有这个锁定/解锁系统44就无法适用的应用场合。

Claims (22)

1.一种单相电磁伺服执行器，包括旋转执行器以及转子角位移传感器，该旋转执行器被设计成沿有限行程移动运动部件，该旋转执行器包括2N个磁极的定子结构以及至少一个激励线圈，N等于1或2，上述定子结构由具有高磁导率的材料制造，该旋转执行器还包括一个转子，该转子具有铁磁磁轭和由2N对在交替方向上轴向磁化的磁极构成的薄磁化部件，其特征在于，该位置传感器具有与该磁轭被组合到一起的磁场发射器和相对于该定子结构固定的磁场接收器。

2.根据权利要求1的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该固定接收器靠近上述发射器，并位于这些磁极中的至少一个磁极的对称中心面。

3.根据权利要求1或2的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场发射器是环形磁铁。

4.根据权利要求3的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场接收器是磁敏霍尔探头。

5.根据权利要求4的单相电磁伺服执行器，其特征在于，上述磁敏探头位于由两个对该环形磁铁进行局部闭合的铁磁弧形部件形成的两个集合磁路之间。

6.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场接收器是一类测量两个平面分量的探头，其位于由所述磁极的对称中心面的交界线所形成的轴线上。

7.根据权利要求1的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场发射器是按直径方向磁化的圆柱磁铁，该磁场接收器是由测量所发射磁场的切向及径向分量或者切向及轴向分量的两个磁敏元件构成。

8.根据权利要求7的单相电磁伺服执行器，其特征在于，它包括用于执行所述两个分量的复合以便确定该转子的旋转角的处理电路。

9.根据权利要求6的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场发射器是U形铁磁部件，其矫顽磁场强度低于500奥斯特。

10.根据权利要求6的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场发射器是其中放置磁铁的、具有良好机械特性的U形部件。

11.根据权利要求6的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该磁场发射器是按照直径方向极化的磁铁。

12.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，它包括借助于延伸该盖罩的与该箱体的突出抓爪配合的至少一个挖空扣脚而相扣连接的盖罩和箱体。

13.根据权利要求12的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该箱体在其前面区域设置有槽，用于容纳接合物，譬如确保与该盖罩内表面相结合的粘合剂。

14.根据权利要求12或13的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该盖罩包括一个用于该伺服执行器的外部电气连接的连接器，上述连接器在该盖罩内部具有用来和该箱体的定子组件中的一个或多个线圈进行电气互连的装置。

15.根据权利要求14的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该传感器提供的上述附加装置包括开槽动片。

16.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该定子结构的磁极头部是密封的。

17.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，这些定子磁极被机械插入具有开孔的底座，其截面基本对应于磁极底部的截面。

18.根据权利要求12的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该定子结构至少以热塑材料局部整体模铸，该模制件包括供轴承使用的内挡块、供和该转子组成一体的轴使用的导向环、外边上的至少一个突出抓爪、一个轴导向轴承以及一个用来充填结合填充剂的槽。

19.根据权利要求18的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该执行器的与该盖罩相反的一面不是整体模铸的，这样可以露出具有连接装置(螺栓，最好是盲螺纹)的、用于固定到外部支架的磁极固定底座。

20.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，它包括由两个钢法兰和一个含有滚珠的塑料轴承外壳构成的挡块。

21.根据上述权利要求之一的单相电磁伺服执行器，其特征在于，它包括用于该驱动轴的、由该执行器转子加以控制的锁定和解锁设备。

22.根据权利要求1的单相电磁伺服执行器，其特征在于，该位置传感器是检测该运动部件的一个或多个极端移动位置的数字传感器。

Images