CN101310429B - 线性致动器 - Google Patents

Abstract

一种线性致动器包括围绕电枢芯部布置的永磁体环形件，用于在与电枢相关地同心布置的线圈通电时在管状定子中轴向地运动。定子具有从线圈径向向内并且在每个线圈之下朝着彼此延伸的部分，其限定了线圈和电枢之间的间隔。环形件具有基本上径向地磁化的结构并且线圈构造用于单相电输出。在一个实施例中，两对间隔开的环形件布置在芯部上，其中最外环形件的轴向长度是内部环形件轴向长度的一半。

Description

线性致动器

技术领域

本发明涉及线性致动器并且更具体但非专门地涉及用于车辆齿轮箱的变速机构(比如机械式自动齿轮变速器)中的线性致动器。

背景技术

车辆的传统多速齿轮变速器是众所周知的，通常包括多个可根据需要由车辆驾驶员经由变速杆进行选择的齿轮对。档位选择通常通过“导轨”进行，该导轨可从空档位置轴向地移动以使松开的齿轮经由同步毂啮合至轴。典型地，三个双作用导轨设置于具有五个前进档位和一个倒退档位的变速器中。

自动车辆变速器通常依靠于多个行星齿轮组，其特定部件保持固定以提供期望的扭矩路径。通常提供液压致动的制动带和/或多片式离合器。高压液压流体经由被油泵驱动的变速器供应，并且档位选择经由控制器和具有众多滑阀的阀块来进行。这种自动变速器比相应的手动变速器低效，相当重要的原因是泵的动力要求。传统的自动变速器还很庞大，并且可在安装空间受限之处引起困难。因此车辆的自动变速比手动变速具有更少的速度档位。

最近，已经开发了机械式自动变速器，其中离合器啮合和档位变化在一个或多个致动器的控制之下。尤其，这种变速器可基本上与手动变速相同，但是具有可操作来移动传统拨叉导轨(shift rail)的控制器和致动器。

已经提出了液压致动器，并且因为其能获得较高的力密度，从而其是非常适合的。这种致动器易于理解并且依靠成熟的技术。需要的泵能安装于不同的位置中，因此能克服空间的约束。然而，总能量消耗仍然很高；由于泵由变速器连续地驱动，就存在着残留动力损耗，并且附带了内部和外部泄漏的风险。

因此就需要用于移动变速器变速叉轴(transmission selector rail)的可选装置，优选地在处于被动(非移动)状态时具有较低的总体动力消耗，较高的力密度，和/或零或最小的动力消耗。

发明内容

根据本发明，提供一种线性致动器，其包括定子和在所述定子内可电动操作地移动的磁体电枢，电枢包括芯部和以相反的磁极性围绕芯部布置的永磁体环或环形件，定子具有多个与所述永磁体环形件相关布置的线圈，其中电枢可在所述线圈通电时在定子的轴向上移动。

术语“环形件”或“环”不应当认为限制于圆形横截面的物体。永磁体环形件或环优选地是圆形横截面，但是也可以是非圆形横截面，举例来说，五边形、六边形或八边形。电枢的永磁体结构优选地是管状的。

将理解到电枢和定子之间存在轴向间隙，以使电枢能相对于定子移动。然而，在优选的实施例中，定子限定又一气隙，例如其中线圈在定子体内与电枢径向地间隔开。

优选地，定子包括磁性材料部分，其从线圈径向向内地延伸，例如，在每个线圈的任意一侧上。更优选地，定子包括在每个线圈之下朝着彼此轴向地延伸的磁性材料的相对突起。

在优选实施例中，定子包括在线圈之下朝着彼此延伸且由气隙分开的轴向相对末端。末端能是矩形横截面或者可包含例如锥形结构。突起，并且尤其是末端，能构造来提高线圈和移动磁体电枢之间的磁链，以便提高线性致动器的效率和动态响应。

线性致动器优选地是管状构造。线圈优选地布置为与永磁体环或环形件同心。在优选的实施例中，线性致动器构造用于将单相电力输入至线圈，线圈优选地以相反的极性彼此连接。

每个永磁体环或环形件优选地包括基本上径向地磁化的结构。每个环或环形件可由一组例如围绕管状芯部的周边、首尾相连地布置的弧形永磁体形成。

在一个优选的实施例中，每个线圈定位于所述定子中的环形凹陷中，凹陷限定了线圈和电枢之间的气隙。凹陷可呈所述定子体内的半闭合槽的形式。

线圈优选地是磁性材料，比如软钢或钴铁，但是也可包括用于磁环或环形件的塑料载体、或固定结构，所述环或环形件围绕所述固定结构布置以相对其轴向运动。

永磁体环或环形件优选地彼此径向地间隔开。在第一实施例中，芯部上提供了一对轴向地间隔开的环形件。这些环形件优选地具有相同的外部尺寸。在另一个实施例中，四个环形件以轴向地间隔开的方式提供，优选地其中内部环形件的轴向长度是外部环形件轴向长度的两倍。优选地分开的线圈与每个永磁体环或环形件同心相关地提供。线圈的数量优选地对应于环或环形件的数量。

优选地定子包括管状(优选地圆柱形)壳体。在一个优选的实施例中，壳体包括封闭的装配端帽，优选地为非磁性材料，比如铝，由此电枢的端部可滑动地伸出。这些电枢端部在优选的实施例中是圆柱形的并且具有相同的直径。在端帽和电枢之间可提供密封以防止碎屑进入定子内部。

电枢端部优选地在定子的轴向上延伸，优选地与定子同心。电枢优选地可旋转地支撑于轴承上，例如在设置于定子壳体的端帽中的衬套中。

电枢可单独作用或双重作用并且可与一个或多个输出元件或设备相结合或配合，比如活塞、输出杆、液压或气压管路或其它这种力传递设备。

根据本发明的另一个方面，提供了一种线性致动器，其包括定子和在所述定子内可电动操作地移动的磁体电枢，电枢包括其上布置有相反极性磁体环形件的芯部，定子具有与所述环形件相关地布置的多个线圈，其中电枢可在所述线圈通电时在定子的轴向上移动。

本发明的电机线性致动器理想地适合在汽车变速器的变速应用中使用。当然，应当理解到本发明的线性致动器还适合在多种其它线性驱动应用中使用，而不限于汽车技术。不过，本发明的电机线性致动器特别适合于在其中可利用空间最小化的高温环境中控制阀和致动器，比如在引擎和汽车变速器中。本发明的线性致动器能用于控制例如可变涡轮致动器或废气门阀。

根据本发明的又一方面，提供了一种用来控制自动变速器的设备，该设备包括用来致动至少一个变速杆轴(selector shaft)的致动器，该致动器可滑动地安装至线性电机致动器。

致动器优选地连接以直接作用在自动变速器的拨叉导轨上。

致动器优选地包含电磁体和永磁体中的至少一个，并且优选地是管状横截面的线性电机致动器。可选地，管状线性电机致动器能是非圆形横截面，举例来说正方形或椭圆形或三角形。

优选地，致动器包括安装在形成致动器芯部的汽车齿轮箱的变速杆轴上的永磁体。

优选地，致动器至少包含包括铁素体类型磁体、钕铁硼磁体或钐钴磁体的永磁体。

附图说明

本发明的其它方面和特点从所附权利要求和下面相对于附图以非限制性示例的方式给出的对本发明优选实施例的描述之中将变得很明显，在附图中：

图1是两极线性致动器的示意性局部横截透视图；

图2是通过图1所示电枢的一部分的示意性横截视图，示出了永磁体的径向磁性的方向；

图3是类似于图2的视图，示出了由永磁体产生的磁场；

图4是通过用于车辆变速器中的又一线性致动器的一部分的示意性横截视图；

图5示出了图4所示致动器的通电线圈和电枢之间的磁链的示例；

图6是类似于图1的视图，示出了四级线性致动器；

图7是类似于图2的视图，示出了图6所示电枢上的永磁体的径向磁性；

图8是类似于图7的视图，示出了由图6所示电枢上的永磁体所产生的磁场；并且

图9示出了图6所示致动器的通电线圈和电枢之间的磁链。

具体实施方式

首先参照图1，线性致动器总体上用100表示。致动器100包括同心地安装在定子体120内的可电动操作地移动的磁体电枢110。电枢110在其通电时可沿着定子120的轴向移动，如同下面将要更详细地描述的。

电枢110呈实心软钢材料的管状芯部112的形式(不过也能使用任何其它磁性材料，例如钴铁)。两个相同尺寸的永磁体环形件114设置于芯部112上。环形件114布置为利用呈塑料环形式的非磁性隔件(未示出)彼此间隔开。

在这个实施例中，每个环形件114由四个NdFeB材料的90度弧段组成。弧段的端部116互相邻接以形成围绕芯部112的连续的轴环或环。这样，可认为电枢110包括围绕所述芯部112的管状永磁体结构。

每个弧段具有基本上径向地磁化的结构。而且，环形件114以彼此相反的磁极布置，如能在图2中看到的，其中箭头指示径向磁性的大致方向。由环形件114提供的磁场的示例在图3中示出，并且电枢110的对称和旋转轴线用X指示。

在可选实施例中，优选地使用三个120度的弧段、八个45度的弧段或任何其它数量的适合尺寸的弧段以在所述芯部112上形成管状永磁体结构。还可优选地使用单体式管，例如由线通过腐蚀或挤压而制成的单体式管。

再参照图1，能看到定子体120呈圆柱形管的形式。定子体120由磁性材料(优选地与电枢芯部112相同的材料)制成的外部部件122以及磁性材料(优选地与电枢芯部112相同的材料)制成的内部部件124所形成。

内部部件124限定了多个用于定位相应电磁感应线圈128的环形凹槽或凹陷126。每个线圈128缠绕在塑料线轴130上并且利用灌封混合物固定在其线轴上。在这个实施例中，每个线圈定位为与所述磁性环形件114中相应的一个相关，与电枢110同心。

应当注意到线圈128在定位于定子体120上之前，能在没有线轴的情况下预先缠绕并且封装在一起以利于结构整体性。绕组还能直接缠绕到定子体120上。

应当理解到这个实施例的线圈128有利地构造用于单相电力输入，即，两个金属丝从致动器100延伸用于结合至外部单相电源。线圈可串联或并联地连接在一起。

单相致动器相比多相致动器而言具有控制和操作更简单的好处，例如，它们能利用相对简单的算法来操作，它们要求较少的开关(MOSFET等)并且它们不需要与多相设备的控制相关的位置反馈解决方案。

定子体120优选地包括限位挡块，用来限制电枢110的轴向位移。例如，限位挡块可采取用于将电枢110包围在定子体120内的端盖的形式。

线圈128布置于定子体120中，并且在每个线圈128和电枢110之间具有明显限定的气隙132。气隙132主要由定子体120的内部部件124限定，其中线圈128还在电枢112的径向上间隔开。

在这个实施例中，凹陷126的侧壁包括在它们相应的线圈128之下朝着彼此延伸的轴向相对的突起或末端134。这些末端134间隔开宽度间隙d。末端134具有根部厚度为T和端部厚度为t(其小于根部厚度T)的锥形横截面。每个末端134终止于轴向面对的肩部136。

在可选实施例中，末端能为矩形横截面，其中每个齿的厚度例如沿着其轴向长度是一致的。

末端134的优点在于它们为线圈128相对于电枢110的径向位置提供了方便的隔件和定位件。如能看到的，在这个实施例中，线轴130支撑于末端134上。

具有在相应线圈128之下轴向地延伸的一部分的定子120的使用也是有利的，因为其在线圈通电时增大了永磁体的线圈磁链。这样，可以理解，定子的构造(尤其是轴向地延伸的末端)能因此被改变来提高致动器100的效率，其中线圈磁链的增大能例如降低驱动电枢110所需的能量输入。增大末端134的轴向长度也提高致动器100所能提供的每单元力的电流。

然而，还重要的是维持末端134之间的间隔d以在零功率状况期间在定子体120内提供凸极力(saliency force)。定子体能构造来确保存在着足够的凸极以在例如电枢110的驱动运动之后将电枢保持在其轴向行程的末端。应当注意到凸极的大小与齿末端尺寸成反比，所以末端134的轴向长度的降低增大了设备止端处的凸极力。通过控制齿末端尺寸，能调节致动器100的凸极特性。还能包括棘爪以将电枢临时保持在沿着其行程的优选停止位置中的一个或多个处，作为凸极力的替代方案或与之相结合。

为了组装致动器100，定子体120的内部部件124定位于外部部件122的内侧，并且每个线圈128预先缠绕在其相应线轴130上并且定位于内部部件124中的相应凹陷里。线圈128因此被夹持在定子体120的内部和外部部件之间。

然后电枢110定位于定子体120的孔径中并且由限位挡块装置(例如安装至定子体120的端部的盖帽)限制其在定子体120内的轴向运动。两个来自线圈128的绕组端子优选地延伸通过形成于定子体120中的通道，用来结合至外部电源。

致动器100特别适合于在车辆变速器场合中使用，例如直接用作于机械式自动变速器或者双离合器变速器中的变速导轨上，以便于齿轮选择。

图4中示出了一个示例(其还可适合于一般的致动器应用)，其中定子体120包括相对的端帽140，其将芯部112包围在定子体120内。端帽140优选的为非磁性材料，比如铝。

芯部112同心地安装在管状杆142上，管状杆142延伸穿过所述端帽140并且延伸到所述端帽140之外，以用作致动器100的往复运动输出元件，例如用于至少一个外部机构或设备的线性致动。杆142可旋转地支撑于端帽140中的轴承144(例如塑料轴衬)中。电枢110的转动轴线表示为X。

输出杆142被简单地支撑，并且电枢110可在不影响性能的情况下在其轴承144中旋转。在杆142和轴承144之间可提供密封，以防止或有效地阻碍碎屑进入定子体120内，尤其是磁性金属屑颗粒等，不过轴承144自身也可提供这个功能。

在图4示出的实施例中，电枢110限于在定子体120内的短行程应用，例如16mm(±8mm行程，在空档中心位置周围)。

为了与用于齿轮箱应用的已知液压致动系统相竞争，定子体120的尺寸在这个优选实施例中限制为100mm轴向长度×100mm直径。

现在将描述用于驱动变速导轨的致动器100的操作方法，其中输出杆142的远端布置为与变速导轨相关联，并且其中线圈绕组128的端子连接至单相电源。

在第一非驱动状态下，电枢110静止于端帽140之间的中心位置，其中齿轮箱布置于空档状况。

为了将变速器从其空档状况移动入传动状态，电压施加于相位绕组端子之间，这引起电流在相位绕组128中流动。将理解到，电流上升时间由相位时间常数(其由相位感应系数和电阻来确定)支配。相位绕组中的电流在与电枢中的永久磁场链接的定子体120中产生磁场。电枢110中的永久磁场于是试图与定子磁场对齐，引起电枢110的轴向移动以便实现这个目的。图5中示出了线圈128和电枢110之间磁链的示例，并且线圈128通电且电枢110被移动至其止端之一，例如如图5中看到的从右至左。

为了释放齿轮的啮合，相反极性的电压施加于相位绕组端子之间，这引起电流以相反的方向在相位绕组中流动。电流上升时间再次由相位时间常数支配。相位电流于是在定子体120中产生极性与在从空档至齿轮的描述中所述极性相反的磁场。定子磁场于是链接至电枢磁场，并且在电枢磁场试图与定子磁场对齐时，引起电枢以相反的轴向方向移动，举例来说，如图4和5所示的从右至左。

除非“释放”电流受到控制，否则电枢将移动至其相对的止端位置，其优选地代表可选的齿轮啮合位置。然而，电流能被控制以便使电枢停止在空档位置(不稳定平衡的点)。此外，能在例如定子体120上提供机械式棘爪，以确保当空档位置已经建立并且相位电流下落至零时防止电枢110移动。

如上所述，电枢运动的效率和动态响应通过相对的末端134得到提高。定子的构造的优点在于其为线圈周围的磁场提供了物理路径，而不是例如在已知“气隙”绕组的情况下直接在线圈两侧。

定子能构造为使得如上所述的凸极效应能在相位绕组中不存在电流的情况下将电枢的位置维持在其端部行程位置。因此，致动器100是特别有利的，因为电枢甚至在线圈处于非驱动状态时也能仍然保持在其端部行程位置。

应当理解到凸极特性能通过改变定子上的邻近线圈的部分的轮廓而变化。

在某些应用中，优选地避免使用在线圈128之下轴向地伸出的末端134，并且替代地仅依靠于每个凹陷处于线圈径向向内的侧壁的一部分，例如作为开口槽，以提供凸极效应和线圈磁链效应。

图4中已经示出单相、移动磁体电枢提供高输出力密度，并且上述种类的短行程应用，例如距静止位置(rest position)5-15mm，具有基本上恒定的致动器力一位移特性。

图6示出了一个可选的致动器200，利用很多与图1至5中所使用的相同的参考数字来标识相同或类似的部件。在这个实施例中，致动器包括四个与永磁体环形件114同心的线圈128，其中环形件轴向地彼此隔开并且互相以相反的磁极性布置。如能看到的，内部的环形件114的轴向长度是外部的环形件114轴向长度的两倍。

通过将线圈128和相关环形件114的数量从两个增加至四个，移动量的大小以及定子体直径能减小，同时基本上维持与图1至5所示两极致动器相同的轴向推力特性，用于固定轴向长度和峰值力的需求。

在这个四极实施例中，线圈128还构造用于单相电力输入并且可串联地反相连接，也就是第一线圈顺时针缠绕并且相邻线圈128逆时针缠绕，或者并联连接。再次，两个金属丝从致动器200延伸用来结合至外部单相电源。

图7示出了永磁体径向磁性的方向，而图8是由永磁体提供的磁场的示例。

图9类似于图5并且示出了定子线圈128和电枢110之间的磁链，并且电枢110从右至左移动。

本发明的电机线性致动器为液压或电动液压致动器提供了可选方案，并且具有好处，比如提高效率和动态响应，以及提供简化并且因此更耐用的组件。

上述管状线圈布置是有利的，因为它们没有端部绕组并且因而端部漏出通量大约为零，其原因是每个线圈与定子体内的电枢同心，并且没有以主要的轴线方向缠绕在定子上。通过以上述方式与管状电枢同心地布置线圈，所感应的磁场基本上包含于致动器体内并且能最小化杂散的泄漏。这是很重要的考虑事项，如果要求致动器在包含大量含铁金属屑的环境中操作时，比如在车辆变速器中或其附近。还优选地，电枢芯部的轴向运动限制于定子内，例如使用非磁性端帽作为限位挡块。

上述种类的致动器特别适合于短行程应用，例如在中心位置附近5至10mm的区域内。它们提供了高的输出力密度并且，更重要地，例如与螺线管高度非线性的力位移特性相比，显示了这种短行程在两个行进方向上基本上恒定的致动器力位移特性。因此，优选实施例的致动器显示了更加受控的力输出。

探测绕组(search winding)能缠绕在同一线轴上或共同缠绕于每个线圈的匝之中。通过监测探测线圈上由于电枢在定子芯部内运动所感应的电压，能预测电枢的操作位置。

上述致动器的电枢芯部和定子优选地是实心结构，而不是层压结构。这减少了不然的话由于时间变化磁场和电枢运动所感应的涡电流，并且涡电流将降低致动器的动态响应和效率。

致动器优选地提供有电子驱动器，其包括作为能量存储器的缓冲电容器，用来在电枢移动过程期间(例如从空档至止端或输出位置)将能量提供至线圈128。电容器能在移动之间缓慢地充电以补充其存储能量。这样，电容器能是额定的以便为电枢的多个连续轴向移动提供能量，因此其在使用期间不能完全地放电。这在变速应用中是特别有用的，其中平均移动持续时间很短并且移动之间的时间较大。其还降低了通过相关车辆线束所要求的上游峰值电流负荷。

Claims (7)

1.一种用于汽车变速器的单相线性致动器，所述单相线性致动器用来致动变速器中的至少一个变速杆轴，所述变速杆轴可从空档位置沿第一轴向方向移动至第一齿轮啮合位置，并可从空档位置沿第二轴向方向移动至第二齿轮啮合位置，所述单相线性致动器包括安装在管状定子内的径向磁化的移动磁体电枢，所述电枢包括芯部和多个彼此间隔开并且以彼此相反的磁极性围绕所述芯部布置的径向磁化的永磁体环形件，定子具有多个环形凹陷以及安装在每个凹陷中的线圈，定子具有在线圈和电枢之间限定固定气隙的部分，其中每个线圈定位为与所述径向磁化的永磁体环形件中相应的一个同心地相关，并且所述线圈以彼此相反的磁极性连接并形成构造用于单相电力输入的单相线圈，以使得径向磁化的移动磁体电枢能在所述单相线圈通电时在定子内轴向地移动，其中定子包括非磁性端帽，

并且其中，在第一非驱动状态下，电枢静止于端帽之间的中心位置，并且变速杆轴处于所述空档位置使得齿轮箱处于空档状况，其中，为了将变速器从其空档状况移动入传动状态，利用第一极性的电压为单相线圈通电，从而引起电枢从中心位置到第一或第二定子位置的轴向移动，由此所述轴到达相应的第一或第二齿轮啮合位置，并且在施加相反极性的电压情况下，电枢被控制回到其中心位置。

2.根据权利要求1的单相线性致动器，其中，电枢具有至少一个在定子的轴向上延伸并且可滑动地伸出穿过相应端帽的输出端。

3.根据权利要求1或2的单相线性致动器，其中电枢构造用于从静止位置在5-15mm范围内的短行程位移。

4.根据权利要求1或2的单相线性致动器，其中定子包括内部部件和外部部件，并且其中内部部件限定了用于所述线圈的凹陷。

5.根据权利要求1或2的单相线性致动器，其中电枢芯部由实心磁性材料构成，定子的内部和外部部件由与电枢芯部相同的实心磁性材料构成。

6.根据权利要求1或2的单相线性致动器，其中定子包括在每个线圈下面朝向彼此轴向地延伸并且由气隙间隔开的磁性材料的相对突起，它们构造来提高线圈和移动磁体电枢之间的磁链，以提高线性致动器的效率和动态响应。

7.根据权利要求1或2的单相线性致动器，其中每个永磁体环形件由一组围绕芯部周边、首尾相连地布置的弧形永磁体形成。

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