CN101432955B - 杆致动器 - Google Patents

Abstract

一种杆致动器，具体用于自动辅助驾驶，包括：定子和转子，其中定子具有中空圆柱形，并且至少部分由软磁材料形成。在定子中，数个沟槽沿定子圆周以一定间距形成，沟槽内分别设置有一个定子线圈。该定子面对转子的数个永磁环，两者间由工作气隙分隔，永磁环朝向定子交替地按照磁性定向。永磁环在转子工作/运动方向上的尺寸大致相当于定子线圈两个相邻的沟槽的中心的距离。转子的永磁环遥对工作气隙的一侧设置在转子管处，所述管连接至杆件。杆件相对定子可移动，并且构成杆致动器的至少部分磁回路。另外，杆件被构造为在其一端承受致动力，转子施加的电动输出叠加在该致动力上，在杆件另一端该叠加过的致动力被传送。

Description

杆致动器

技术领域

本发明涉及到一种根据权利要求1导言部分的杆驱动器。

背景技术

由专利WO/2000/001059A1(siemens AG)可获知一种包括主要部分和次要部分的同步线性电动机。次要部分包括由永磁体形成的电极，并且沿运动方向观察时该次要部分长于主要部分。主要部分包括主要的局部沟槽，用于容纳单相或多相线圈并且承载磁效应部件，该磁效应部件在线性电动机运动方向上导致磁力的变化。

客车和卡车的传动系统及底盘比舒适性设备的领域有着更高的关于电驱动的需求。然而，不同应用的具体情况每每不同。对于传动致动器，也就是自动化的电动致动驱动器或者是手动施加操作力的辅助设备，需要适中的输出表现。因为通常的致动功能涉及的作用时间大致在50毫秒至500毫秒之间，所以能量的需求小。在自动辅助驾驶的领域，涉及到抗温度和抗振动的需求通常相对高一些。就传动致动器而言，这是因为附接点通常是最接近内燃机或者其排气装置的。在客车中也越来越多使用的汽油聚集料中，相比较奥托发动机而言，这两个因素甚至更加关键。与舒适性设备的领域相反，传动系统和底盘所要求的服务寿命明显更长。电操作的座椅调节器比在每一个转换过程都处于活动中的传动致动器显著地更少处于活动中。涉及商用车辆的传动致动器的要求在大约500万个转换过程的范围内。类似的数值也适用于主动方向盘或者是辅助方向盘。另外，已知组件的生产是非常高投入的，并且需要相对大的结构空间。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在权利要求1导言中限定的型号的杆致动器，该杆致动器在保证通用型使用的同时实现小的结构空间和足够的能量密度。

该目的由权利要求1的特征解决。

本发明的杆致动器尤其适合于作为手动或自动传动的辅助设备。本发明认为这样的结构适合于满足恶劣的环境要求，该环境要求由传动装置和底盘处的机械振动和冲击荷载引起，并且可因为高温和/或大的温度变化而增长。同时，在提供经济上吸引人的实施例的同时，本发明的杆驱动器在空间日益狭小的情况下提供了足够高的能量密度以及适合于该情况的结构形状。

具体来说，本发明涉及到一种低要求的涉及到径向结构形状的杆致动器。这样的杆致动器可以作为自动推进部分中的辅助驾驶设备来使用。电致动器在传动系统和底盘以及舒适性设备的领域中日渐重要。作为液压子系统的替代，电致动器还在成本，系统集成以及适用于不同情况和要求的功能性和可能性上提供了相当可观的优点。尤其，本发明涉及到一种作为传动装置致动器使用的杆致动器，该致动器用于手动操作的传动装置和离合器，用于差分以及用于自动传动系统。另外，本发明的杆致动器可用于底盘(例如主动底盘或主动方向盘以及伺服方向盘)以及驾员舒适装置(例如座椅调节)。

从属权利要求项涉及到本发明有利的进一步的改进。

优选的，杆致动器包括定子和转子，其中定子具有圆柱形中空形状，并且至少部分由软磁材料制成。定子中，多个沟槽沿着圆周以相互间的一定间距形成。定子线圈设置在每一个沟槽内。该定子面对转子的数个永磁环，由工作气隙分隔，永磁环相对于定子交替地按磁性定向。永磁环沿定子工作/移动方向的大致尺寸对应于两个相邻的定子线圈之间的中间距离。转子的永磁环设置在遥对工作气隙一侧的转子管上，所述转子管和杆件连接。该杆件可相对于定子移动，并且形成杆致动器的磁回路的至少一部分。进一步，该杆件适合于在其一端承受致动力，并且在其另一端传送该致动力，所述力和转子施加的电动机输出相叠加。

本发明优选地基于将杆致动器设计成环绕杆件的线性电动机的理念，其中，一方面该杆件用于引导外力，例如将手动引起的外力引导至下游侧组件。另一方面，该杆件用作线性电动机的磁回路。于是，该杆件具有双重价值和双重功能，作为其结果，整个的组件可被构造的非常小。另外，通过将线性电动机施加至杆件的运动或力叠加到杆件从外界承受的运动或力上，，外部手动引起的力或者线性电动机引起的运动可以合适的方式被放大。

在本发明优选的实施例中，杆件被设置在定子的内部与定子同轴。进一步，该杆件可滑动地支撑在定子内的内壁处。

定子可包括薄壁的支撑管，该管从转子管的前端伸出，并且被支撑在固定部件。该固定部件是例如一种组件，来自杆件的移动/力可被引入其中。

优选地，杆件设置在定子内，并且至少一端从定子伸出。这种情况下，线性电动机表现为一种内部电动机。作为可选项，在本发明的范围内还可能将该结构“颠倒”，从而杆件本身作为管，同时线性电动机被设置在其内部。

定子线圈被设置在定子内部，从而他们的中心轴向轴线和电动机的工作/运动方向成一直线。

优选地，定子由大致圆盘形(例如板形的)的软铁构件制成。然而，也可能通过挤压铁粉末来生产定子，粉末的颗粒通过塑胶相互连接(但是电绝缘的)。

在本发明的一个实施例中，转子管在两端面侧都闭合。这种情况下，可以在转子管的一个端面侧设置转子管和杆件之间的刚性连接，例如通过焊接、挤压或类似。在转子管的另一个端面侧可设置开口，定子的支撑管通过该开口沿操作/运动方向滑动地伸出。杆件可滑动地包容在该支撑管中，沿操作/运动方向滑动地安装。

根据本发明，定子可包括至少两组定子线圈，该线圈被提供给具有相位差的电流。在此，定子线圈的组，根据其组数，沿着定子在转子的操作/运动方向上偏移，从而分别地至少一组定子线圈大致和转子的永磁环对齐。

定子至少部分为永磁模制物，由金属粉末压制和/或烧结制成。

为了检测在杆件一端承受的致动力和/或杆件相对于定子的位移或位置，并将反映该检测到的力/距离的信号传送至电子控制单元，杆件承载有力传感器和/或距离传感器。

优选地，电子控制单元被构造或被编程成基于力/距离信号产生用于定子线圈的驱动信号，从而依据在杆件一端受到的量并根据在杆件另一端的放大方程提供相应的输出量。

优选地，电子控制装置包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器的输入端连接至DC电源，输出端连接至缓冲电容，从而杆致动器工作时产生的需求峰值对于直流电源基本无影响。于是，可以继续考虑车辆的车载电源系统，该系统日益增多地使用，面对非常可变的能量要求，电压下降以及电流高峰。因此，本发明提供了一种当地电储存器，该电储存器和分散化的电控制结合在一起，作为解决这些问题的有效方法。

基本上，以上描述的线性致动器的其他可能的应用也是可想到的，这些已包含在本发明中。

当考虑到结构空间关系时，本发明在车辆传动装置中的杆致动器或者转换辅助装置的使用决定性地取决于在传动装置处的集成能力。因为在商用车辆中转换和选择运动是明显分开的，于是不产生转换和选择运动的叠加，从而可能在传动装置的外壳固定本发明的转换辅助装置(杆致动器)。

与此相反，转换和选择运动主要在先进的客车和轻型卡车的传送装置中叠加。这意味着在传送转制控制杆的受力点可以在空间上变化。

在使用外部转换组件时，这点通过传动装置外壳的固定支撑点(例如转换缆绳连接)和传动装置控制杆的铰接点之间的铰接而得以补偿。

对于传动装置的外部转换力辅助装置的固定组件的情况，同样的接合将不得不被集成至传动装置，位于开关的支撑点之前。这一点在考虑到结构空间的时候相当成问题。

因此，为了有利地使用在移动装置处可提供的位于外部转换区域内的结构空间，本发明的杆致动器的进一步优选的实施例提供了将杆致动器或者转换辅助装置以铰接的方式连接在传动装置外壳处。

进一步，在本发明范围内进行的测试已经证明了由驱动器提供的转换力的放大通常是与预定的特征对应成比例进行。

为了增强转换的方便性，当传动装置比工作温度冷时，将驱动器施加的转换力放大将是有利的。

因此，进一步优选的实施例提供了集成在电子控制器内的温度传感器。于是，可以足够精确地检测引擎舱内的温度，并且根据引擎舱内的温度相应地调整力放大的特性，并从而针对不同的温度产生不同的特性。

附图说明

进一步的特征、性质、优点和可能的变化在以下的描述中通过参照附图得以解释。在此，仅有一幅图以全透视图图示性地显示本发明的杆致动器的实施例。

具体实施方式

图中显示了电动杆致动器10的一个实施例。该杆致动器10包括大致成中空圆柱形的定子12以及转子14。定子12包括相对薄壁的支撑管16，大致成圆盘形的环状软铁构件18并排地附接在该支撑管16的外壳。相邻的圆盘形软铁构件18被设置成数个沟槽20在定子12的内部沿定子的圆周以一定间距形成。在相邻的两个软铁构件18之间的一个沟槽20中，分别容置有一个定子线圈22。定子12的软铁构件18是软磁模制物，该软磁模制物既可以覆盖压缩和/或烧结的金属粉末也可以由压缩和/或烧结的金属粉末制成。在显示的实施例中，定子12包括定子线圈22中的两组24和26，用于产生线性电动机的双相结构。定子线圈22具有中心轴向轴线，该轴线和转子14的工作/运动方向A成一直线。

转子14在共圆心地环绕定子12的同时形成工作气隙28。转子14包括一序列的数个永磁环N，S，相对于定子12交替地按磁性定向，具体地朝向容纳在定子线圈22之间的软铁构件18。转子14的永磁环N，S遥对工作气隙28的一侧被设置在转子管30的内壁上。永磁环N，S在转子14的工作/运动方向A上的大致尺寸x相当于两个相邻定子线圈22的间距或者其两个沟槽20的间距。

因为本实施例涉及到双相持续通电的线性电动机，定子线圈22的两组24、26彼此间按照x/2的间距被间隔装置48分隔。相应地，为了使转子14相对于定子12在工作/运动方向A上脱位，定子线圈22的两组24、26被赋予π/2相位差的电流。

转子管30在其两端面侧32、34都是封闭的。在一个端面侧32(图中左侧)，转子管30连接固定至转子14的杆件38。在转子管30的端面侧32处，通过将环绕杆件38的领口部分36焊接至杆件38，可获得刚性的连接。在转子管30的另一端面侧34(图中右侧)，设置有包含滑动刷44的开口42，定子12的支撑管16通过该开口42突出。转子管30相对于定子12的支撑管16可以在工作/运动方向A上移动。转子14的杆件38设置在定子12的支撑管16的内部，与定子12同轴，并且可滑动地容纳在支撑管16的内壁。于是，转子14的杆件38可相对于定子12运动。为了保持磁损失最小，杆件38和定子12的支撑管16的内壁之间的环形空隙被设置成最小尺寸，但不影响杆件38相对于定子12的运动性。

另外，转子14的杆件38以及定子12的支撑管16和软铁构件18的尺寸被设置成杆件38构成杆致动器10的磁回路的一部分。换句话说，考虑到磁通量，定子12的支撑管16和软铁构件18可以被设置尺寸，从而杆件38大致构成杆致动器10的磁回路的一部分。因为该杆件已经因为机械强度/刚度的原因而具有明确的直径，考虑到磁通量的传导性，定子12的支撑管16和软铁构件18可相应地设置成小尺寸。

在被焊接到转子管30的杆件38的末端，凸缘50同样也被焊接到杆件38用于受力。凸缘50具有封闭的孔52用于接合杆件38的末端，压电力传感器58被安置在孔52的底部54和杆件38的末端表面56之间。通过凸缘50或者任何可比较的组件，杆件38被构造为在其一端承受致动力F，并且将放大的致动力F→+V→传送至其另一端，其中V→是是由转子14施加的电动力或者输出，该力V→叠加在致动力F→上。定子12的支撑管16在转子管30的端面侧34从转子管30伸出，并且适合于支撑在固定部件上，例如通过螺栓凸缘60支撑在传动装置或者任何其他的组件上。杆件38设置在定子12的支撑管16内，并且延伸超出螺栓凸缘60到某组件(未具体显示)内，以便当杆件38被手动和/或电动地操作时在该组件内实施致动的功能。压电力传感器58检测到在杆件一侧的凸缘50处承受的相对于定子12的致动力，并传送反映该检测到的力的信号至电子控制单元ECU。

电子控制单元ECU包括A/D转换器，为了微控制器的进一步处理，该A/D转换器依照适合于处理器的方式转换来自压电力传感器58的信号，所述微控制器被构造并被编程成基于力/距离信号产生用于定子线圈22的驱动信号。这样，线性致动器10提供了叠加力V→。以这种方式，依据在杆件38末端受到的力F→的值，在杆件38的另一端相应的输出值F→+V→根据在微控制器内实现的放大功能被提供。

最终，电子控制单元ECU包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器的输入端连接至DC电源，例如车辆的车载电源元件。缓冲电容C连接至DC/DC转换器的输出端，从而，杆致动器工作时产生的需求峰值对于直流电源基本上无影响。

以上解释的实施例尤其适合于在一种大约40毫米直径和大约100毫米长度的相对狭小的结构空间内实现一种冲击，该冲击距离为大致+/-25毫米，最大力为大致250牛顿，力的梯度为25牛/毫秒。此处，工作温度为大约-30℃至+130℃，短时的温度峰值选取在大约-40℃至大约150℃而不会引起任何功能上的明显限制。

以上解释了一种所发明的线性致动器，该致动器具有双相工作的结构。然而，在本发明的范围内也可以设计三相或更多相的线性致动器结构。为此，进一步的定子系统和相关的线圈不得不依据期望的电驱动电源的相位偏移而在几何上沿着电动机的磁体偏移地放置。在永磁激励电动机情况下，当杆件38被手动移动时，静力(即电机不带电时永磁体产生的力)与相位数量不直接成比例。换句话说，当相数增加时静力下降。为了提供尽可能无影响的线性致动器，推荐使用双相或多相的系统。

显然，对于技术人员来说，以上所描述的不同实施例的单个方面或者特征可以相互组合并且形成任何子项组合。

参考标记：

10杆致动器

12定子

14转子

16支撑管

18软铁杆件

20沟槽

22定子线圈

24，26定子线圈组

28工作气隙

30转子管

32，34端面侧

36端面侧32的领部

38杆件

40

42开口

44滑动刷

46

48间隔装置

50凸缘

52封闭孔

54底部

56端面侧

58压电力传感器

60螺栓凸缘

N，S永磁体

F致动力

V电动力

Claims (17)

1.一种杆致动器(10)，该致动器包括：

定子(12)，该定子具有至少一个定子线圈(22)，并附接至固定部件；

转子(14)，该转子具有至少一个永磁体(N，S)，并环绕定子(12)和相对于定子(12)轴向可移动地被支撑；

杆件(38)，该杆件连接至转子(14)；

其特征在于，

所述杆件(38)设置在定子(12)的支撑管(16)内，并且杆件(38)的两端从定子(12)的支撑管(16)伸出，用于传送杆件一端受到的致动力(F)以及由转子(14)施加并叠加到致动力(F)上的电动力(V)。

2.根据权利要求1所述的杆致动器，其特征在于，转子(14)相对于定子被转动地支撑。

3.根据权利要求1所述的杆致动器，其特征在于，

定子(12)具有中空圆柱形，并且至少部分地由软磁材料制成，

在定子(12)内沿圆周形成多个间隔的沟槽(20)，定子线圈(22)分别设置在沟槽内，

被工作气隙(28)分隔的定子(12)面对转子的多个永磁环(N，S)，该永磁环朝向定子(12)交替地分别按照磁性定向，

永磁环(N，S)在转子(14)的操作/工作方向(A)上的尺寸大致对应于定子线圈(22)的两个相邻沟槽的中心距，

转子(14)的永磁环(N，S)的遥对工作气隙(28)的一侧被设置在转子管(30)处，所述转子管(30)连接至杆件(38)，其中杆件(38)可相对定子(12)移动，并且

形成杆致动器的磁回路的至少一部分。

4.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，杆件(3)相对于定子(12)同轴地设置在定子(12)的内部，并且杆件(38)在定子(12)的内壁上可滑动。 

5.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，定子(12)包括支撑管(16)，该支撑管从转子管(30)的端面侧伸出，并且被装配在固定部件上用于被支撑。

6.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，定子线圈(22)具有与转子(14)的工作/运动方向成一直线的中心轴向轴线。

7.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，定子(12)由大致圆盘形的软铁构件(18)形成。

8.根据权利要求3所述的杆致动器，其中，转子管(30)在其两端面侧(32，34)闭合，其中在一个端面侧(34)转子管(30)和杆件(38)刚性连接，在另一端面侧(36)设有开口(42)，定子(12)的支撑管(16)沿工作/运动方向可移动地从该开口伸出。

9.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，定子(12)包括定子线圈(22)的至少两组线圈(24，26)，该两组线圈被供应相位偏移电流，其中定子线圈(22)的线圈组(24，26)根据其数量沿着定子(12)在转子(14)的工作/运动方向上偏移，从而至少一组定子线圈(22)与转子(14)的永磁环(N，S)对齐。

10.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，定子(12)至少部分地为软磁模制物。

11.根据权利要求10所述的杆致动器，其中，定子(12)至少部分地由压缩和/或烧结金属粉末制成。

12.根据权利要求1所述的杆致动器，其中，杆件(38)承载有力和/或距离传感器(58)以便检测在杆件一端承受的致动力，和/或检测杆件(38)相对于定子(12)的位移或位置，并把指示所检测到的力或距离的信号传送至电子控制单元(ECU)。

13.根据权利要求12所述的杆致动器，其中，电子控制单元(ECU)被构造或被编程成基于力/距离信号产生用于定子线圈(22)的驱动信号，从而可以根据在杆件(38)一端处承受的量和在杆件(38)另一端处的放大功能得到相应的输出量。

14.根据权利要求12所述的杆致动器，其中，电子控制单元(ECU)包括DC/DC转换器，DC/DC转换器的输入端连接至直流电源 且其输出端连接至缓冲电容(C)，从而使得杆致动器(10)工作中出现的峰值需求对于直流电源基本无影响。

15.根据权利要求12所述的杆致动器，其特征在于，在电子控制单元(ECU)内集成引擎舱温度传感器。

16.根据权利要求1所述的杆致动器，其特征在于，杆致动器(10)铰接在固定部件上。

17.根据权利要求1所述的杆致动器，其特征在于，所述杆致动器用于自动辅助驾驶。 

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