CN103797289A - 紧凑型计量装置 - Google Patents

Abstract

一种计量装置，包括：-设有适于在关闭位置与开放位置之间移动的活门（3）的阀体（1）；-具有与活门连接的第一端以及与凸轮元件（7）连接的第二端的传动轴（5）；-包括定子组件（11）和围绕旋转轴（15）旋转的转子组件（13）的旋转电致动器（9），转子组件（13）包括：磁轭（17）、磁轭支承转子磁体（19）。转子组件（13）另外包括固定在磁轭（17）上的滚轮（21），滚轮（21）相对于旋转轴（15）偏心，并且定位成在凸轮元件（7）中活动，以便把转子组件（13）的旋转运动转换为传动轴（5）的运动。

Description

紧凑型计量装置

技术领域

本发明涉及一种计量装置，该装置包括装有活门的阀体，所述活门适于在关闭位置与开放位置之间移动，具有与活门连接的第一端和与凸轮元件连接的第二端的传动轴，以及旋转电致动器，该旋转电致动器包括定子组件和围绕旋转轴旋转的转子组件，转子组件包括支承转子磁体的磁轭。

背景技术

现在所有汽车热马达都装有不同性质的流体计量系统，以便优化机械效率或减少污染排放。这些计量阀通常从直流马达或转矩马达型致动器进行电控制。

由于收集器的刷的磨损和用于使有效力矩倍减的齿轮磨损，基于使用与机械减速器相关联的直流马达的计量阀提供的可靠性水平不高。相反，由于使用小尺寸马达，这些方法的好处是成本相当低。它们构成EGR（即排气再循环）阀市场的主要部分。它们的主要缺点是，一方面缺乏可靠性，另一方面由于结合了运动链而体积庞大，其结果是难以结合在马达上的不紧凑的阀。

特别地已知专利EP1091112A2和EP1526271A1，所述文献提出一种气体再循环阀，该阀包括与机械减速器结合的直流马达和凸轮运动转换系统。由于减速器的减速比大，这些方法具有施加在阀上的力最大的优点。相反，阀整体体积大，因此使得结合到马达周围很复杂。另外，使用电刷的马达以及减速器齿轮的磨损不可避免，这就使阀的性能随时间降低，因此不能达到非常高的寿命。这些方案因其低成本而是有意义的，但不能令人满意地满足可靠性和紧凑性的要求。另外，马达周围的环境越来越封闭，因此热和振动条件越来越严酷。

由于没有减速器和此类马达的简单结构，以使用转矩马达为基础的计量阀的优点是卓越的可靠性。由于没有机械减速器的凸轮直接驱动，该方案的紧凑性略好于直流马达的方案。相反地，这些使用稀土磁体的方案的价格一般更高。专利DE102007036286A1在图1-3中公开了一种方法，其中转矩马达包括驱动凸轮的控制轴，该凸轮与和平移活动阀相连的滚轮协作。此类结构仍导致阀的庞大的体积，这是因为电致动器偏离计量阀的对称轴。致动器相对阀的所述轴的定位约束限制了整个阀的紧凑性。

另外，所述方案导致组装顺序复杂，并且凸轮与致动器的所述轴的连接很昂贵。

实际上，转子的磁体只在不超过接近220度的极限温度条件下保持它的磁性。由于该原因，可以使凸轮与转子轴连接的焊接应借助激光射线类型的低强度源以非常局部的方式进行。该技术只有在二个零件之间的直径调整是非常好的条件下是可靠的，这导致非常严格的加工误差，因此相关的成本很高。

另外，滚轮在阀的轴上的就位通过受驱至支架中的销进行，以平衡滚轮在阀上的力。该安装很难实现，并产生复杂的自动安装过程。

另外，使用结合至转矩马达的旋转位置传感器，以控制阀的位置。该方案特别令人满意，因为它不能了解阀的准确位置，而只知道凸轮的角度位置。在这种情况下，滚轮凸轮的转换角度间隙使得阀的位置读数的准确性失效，且不能执行计量的最佳控制。

人们公知存在德国专利DE102009003882A1，该专利描述可以使磁场源在阀的杆定位并且在转矩马达的下部插入磁敏元件以直接检测阀的位置的概念。该概念在原理上似乎是有意义的，但在工业方面是不现实的，因为，一方面，支撑磁场源的阀的所述轴应由不锈钢构成，以承受该介质的温度和腐蚀性环境，这种等级的钢是非磁性的，且对磁场源产生的感应（强度）水平非常不利；另一方面，因为磁敏元件通过包覆模制而制成在定子中的软电缆电连接，而没有相关的过滤电子部件，并且没有保证传感器良好运行的定位元件。

最后，该阀的构造保留了具有与阀的所述轴垂直安装的非常长的管形电致动器的缺点，这使得阀不对称，因此对其结合到汽车马达上不利。

除了上述使用平移活动阀的计量阀的例子外，还在现有技术中得到许多使用旋转活动和堵塞柱形管的阀板的计量阀。特别注意到存在德国专利EP1526272B1，该专利描述了一种气体再循环阀，该阀基于电致动器、具有可以驱动旋转阀板的凸轮的旋转系统相结合，以便计量气体。此方案描述了一种安装在电致动器的控制机构与计量系统之间的单运动装置，目的是在动作行程开始时给阀板提供最大力矩。此方案对前面提到的计量系统的整体体积庞大的问题没有带来特别的好处。

人们还知道欧洲专利EP1526272，该专利描述一种排气再循环的阀，该阀包括旋转传动装置、可被致动在开放位置与关闭位置之间旋转的阀元件和将旋转运动传递给阀元件的凸轮元件。

此方案不能令人满意，因为它使用由与马达轴相联接的杠杆支承的滚轮。当磨损产生尺寸缺陷时，这导致间隙和悬突，所述间隙和悬突不能保证位置的重复性。

人们还已知专利WO89/01105，该专利描述一种电动控制的EGR阀，该阀包括相对于阀座基本为轴向地活动并与旋转轴偏心地定位的阀杆。阀杆支承蘑菇形阀，以便关闭阀座。第一轴相对旋转轴偏心地定位，并与阀杆的一端连接。电动控制致动器，如转矩马达，用于使第一轴围绕所述轴旋转，以使得阀杆移动。

人们还知道专利EP1319879，该专利提出一种直接动作电减压阀，该阀具有被电马达进行交替运动的杆。

在具有电控制装置的阀的直接动作中，只要交替运动杆是竖直的，第一通道和第二通道被转换。形成凸轮机构，以使偏心凸轮的交替旋转运动转换为交替竖直运动，所述偏心凸轮通过电马达40进行交替旋转运动。

人们还知道专利DE10336976，该专利描述一种包括二部分外壳的阀。

外壳的第一部分具有通道和阀座。外壳的第二部分包括伺服装置和阀杆。

发明内容

要求保护的本发明的特征是转子组件包括滚轮。

转子组件由以下部分限定：

1.磁轭

2.（磁轭）支承的转子磁体。

因此滚轮是支承转子磁体的磁轭的结合的部分。

此实施方式的优点是避免与联接在马达轴上的杠杆的传动有关的问题。现有技术的这些方案具有不同的缺点：由于杠杆在马达轴上的联接处可能产生间隙，从而丧失位置精度和其重复性；组装和调节问题；球止动件与定子轴承之间的距离增加；滚轮/凸轮运动装置产生径向应力。

本发明可以减少悬突，并减少引起的应力。因此本发明还导致更好的坚固性。

因此可以形成体积减小以及良好的可靠性和寿命并且制造成本尽可能降低的计量阀。

为了解决上述一个或多个缺点，计量装置包括：

-设有适于在关闭位置与开放位置之间移动的活门的阀体；

-具有与活门连接的第一端以及与凸轮元件连接的第二端的传动轴；

-包括定子组件和围绕旋转轴旋转的转子组件的旋转电致动器，转子组件包括：

·磁轭

·（磁轭支承的）转子磁体。

转子组件另外包括滚轮，所述滚轮直接固定在磁轭上并与旋转轴偏心，定位成在凸轮元件中活动，以便把转子组件的旋转运动转换为传动轴的运动。

本发明的目标的方案可以简化阀的结构，并提高滚轮与马达磁体之间的角度位置的精度。条件是马达磁体直接与磁轭连接，尤其是在马达磁体可以在已经包括滚轮的磁轭上磁化，（换句话说，磁化过程中，马达磁体的磁力线直接相对滚轮标定，并且不再取决于“轴/附加杠杆/组装操作”运动链。因此定位精度更高。

本发明还可减少元件数量，因此通过避免某些附加元件来降低成本。密封罩可以简单、有效地保护滚轮/凸轮动力装置。

尤其是，滚轮直接固定在磁轭上明显减少了球止动件与定子轴承之间的距离，并且减小滚轮/凸轮运动系统产生的径向应力。悬突最小，因此导致的应力也最小。因此有更好的坚固性。

有利的是，计量装置的基础是电致动器与计量阀结合，并提出运动转换动力系统的不同结合，同时保留大批量制造的简单性。

可单独或组合使用的特征或特殊实施例为：

-永磁体固定在凸轮元件上，永磁体与固定在定子组件上的磁敏元件协作，以形成位置传感器，因此提供可以控制阀的实际位置的位置传感器的简单方案；

-凸轮元件由铁磁材料形成；

-位置传感器以线性方式运行；

-磁敏元件通过刚性导体结构固定在定子组件上；

-所述装置另外包括回位弹簧，所述回位弹簧的第一端固定在定子组件上，第二端在从转子组件的旋转轴的偏心点处固定在转子组件上；

-滚轮围绕固定在磁轭上的突起旋转活动，磁轭、转子组件的轴和突起形成为单一金属元件；

-活门和传动轴以平移运动移动；则凸轮元件可以包括与传动轴相交的滚动道和/或与传动轴垂直的滚动道；或者

-活门和传动轴以围绕传动轴的纵轴的旋转运动移动，则凸轮元件可以包括可以改变转子组件角度行程的滚动道。

在本发明的第二方面，组装上述计量装置的方法包括：

-将传动轴和凸轮元件固定在一起，然后整体组装在阀体中；

-将滚轮固定在磁轭上；然后

-使滚轮面对凸轮元件；然后

-使电致动器压靠并固定在阀体上。

在此方法的一特殊实施例中，在将转子磁体固定在磁轭上后使转子磁体磁化。

因此，有利的是，转矩马达的安装方向与计量阀反向，以便不操作致动器的转子的中心轴，而是直接操作磁轭的运动作为致动器的输出机构，该磁轭支承与和要操作的阀连接的凸轮元件协作的滚轮。这在紧凑性方面具有重要意义，因为电致动器的高度明显降低，且计量系统在紧凑性方面获得改进。另外，这样可以保证阀的完全密封，这是因为转矩马达的定子完全包覆模制在后部，并且不再和已知方案中一样包括附加的盖子。实际上，塑料盖子可能具有与定子的连接缺陷，因此导致湿气侵入到致动器前部。在必要情况下，可以安装密封垫。

附图说明

阅读下面只作为例子并参照以下附图进行的描述可以更好地了解本发明：

-图1-3为根据现有技术的计量装置的示意图；

-图4为第一实施例的正面立体图；

-图5为第一实施例的俯视立体图；

-图6为第一实施例的第一运行方式的立面图和相关的应力的曲线图；

-图7为第一实施例的第二运行方式的立面图和相关的应力的曲线图；

-图8是第一实施例的侧视图；

-图9是第二实施例的正面立体图；

-图10是第三实施例的正面立体图；以及

-图11是第三实施例的正面立体剖面图。

在描述和附图中，相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。

具体实施方式

参照图4、5示出第一实施例，其中阀的运动是线性的。

计量装置包括阀体1，阀体1设有适于在关闭位置与开放位置之间移动的活门3（图中活门在关闭位置）。

传动轴5具有与活门3连接的第一端，以及与凸轮元件7连接的第二端。

旋转致动器9包括定子组件11和围绕旋转轴15旋转的转子组件13。

转子组件13包括支承转子磁体19的磁轭17。

所述装置还包括固定在磁轭17上的滚轮21。滚轮21相对于旋转轴15偏心，并定位成在凸轮元件7中活动。特别是，滚轮21在凸轮元件7的滚动道22中移动。

凸轮元件7由铁磁材料形成，并且支承磁场发射器23，通过与电致动器9的定子11相连的磁敏元件25检测磁场，磁场发射器23和磁敏元件25形成位置传感器。

把马达磁体19的运动传递给活门3的运动链减到最小，并且可以减小致动器的高度，因此得到紧凑并容易结合的计量阀。此方案还可减少部件的数量，因此降低计量装置的制造成本。

在转子磁体19处产生的传动力矩传递给滚轮21，而不经过引导轴15，因此摆脱轴15的扭曲，在现有技术的方案中，该扭曲导致运动链中的精度损失，因此损失活门3的定位精度。

磁场发射器23固定在铁磁材料形成的凸轮元件7上。这样可以在磁敏元件25处达到相当高的磁感应水平，以保证位置传感器对外界磁干扰的不灵敏度。另外，磁敏元件25通过刚性导电结构固定在定子组件11上。经过编程以便在线性模式运行的位置传感器可以沿活门3的整个行程准确控制活门的位置，因此准确调节计量装置的流量。

塑料包覆成型定子11的后部封闭，并且前部具有容纳密封垫的凹槽27，使电致动器9和计量阀的阀体1之间的连接完全密封。

因为基于在刚性轴或突起29的上的传统装配，将滚轮21固定在磁轭17上的操作比已知方法简单得多。另外，磁轭17、旋转轴15和突起29可以形成为单一金属元件。

传动轴5和凸轮元件7组成的整体可以毫无困难地独立组装，然后安装在阀体1中，然后通过调节活门3的位置焊接活门3。

通过滚轮21在磁轭17上的准确定位以及转子磁体19固定在磁轭17上促进了致动器的电行程和机械行程的角度设定。另外要指出的是，可以在磁体19固定在磁轭17上后使磁体磁化，以改进多极转换相对滚轮21的角度方向，并优化计量装置的精度。

最后，该实施例可以把电致动器9简单地组装在计量装置上。实际上，只需使滚轮21面对凸轮7的滚动道22，然后将致动器9压靠并固定在阀体1上。

要指出的是，根据滚轮21从转子角度行程出发时处于上象限或下象限，并且根据凸轮7的轮廓形状，可以在阀的所述轴5上产生力的曲线，该力的曲线在移动过程中根据计量装置的应用需要无区别地增加或减少。

图6示出装有与凸轮元件7协作的滚轮21的磁轭17。滚动道22是直的，并且滚动轴线与传动轴相交，更特别的是与传动轴垂直。滚轮21和凸轮元件7在右上象限运行，以便在行程开始得到最大力，如图6中的力61所示，该力传递给与活门3相连的传动轴5。

图7示出装有与上图所示的凸轮元件7协作的滚轮21的磁轭17，但是它在右下象限运行，在行程结束时得到最大力，如图中的力71所示，该力传递给与活门3相连的传动轴5。

图8示出所述装置的侧视图，并且可以与图3所示的现有技术的计量装置的径向尺寸比较。尺寸L2表示在上述实施例情况下马达后表面与计量阀的对称轴之间测量的径向尺寸。该尺寸比现有技术的已知方法的尺寸L1减少40%。电致动器9的偏移量明显减少一方面导致阀更紧凑，并且容易结合到汽车马达上，另一方面具有更好的防振性，因为马达的重心靠近支撑马达的阀体的中心。

图9是第二实施例的立体图，它与图1A和1B的方案的不同在于加入在参考位置的回位弹簧81，该弹簧与磁轭17处产生的力矩重叠。回位弹簧附接在与定子11或阀体1连接的固定点83与在转子组件13的旋转轴15的偏心点固定在转子组件13或凸轮元件7上的活动点85之间，使所述弹簧81的动作线YY在活门3的移动过程中相对磁轭17的旋转轴15活动。弹簧81相对磁轭17的旋转轴15的杠杆臂l在活门3的移动过程中变化，使回位力矩具有非线性特征。

该非线性力矩可以保证返回参考位置（例如关闭阀）的功能，并且在阀的另一极端位置具有较小的回位力矩（例如在开放位置），以便于以较弱的电流保持该第二位置。该优点另一方面可以减少在电池上提取的电流消耗，但也保护马达防止环境温度下聚集在线圈内的焦耳效应引起过热。

当阀体1受到外部冷却时，也可通过使用良好的导热材料组成的固定元件87改进电致动器9的线圈处产生的热的热耗散，固定元件87用于将电致动器9固定在阀体1上。相反，当阀体的温度高时，最好使电致动器9与它压靠的阀体1热绝缘，这时最好通过非金属耳状物实现电致动器9的固定。

图10是计量装置的第三实施例的立体图，其中活门3被驱动在管形阀体1中旋转运动，以调节气体流量。电致动器9包括磁盘19和磁轭17构成的转子13，磁轭17通过滚轮21把旋转运动传递给凸轮元件7，凸轮元件7围绕支承活门3的轴5旋转活动，使活门3的旋转可以对在阀体1内流动的流体进行计量。

该通过旋转活门的计量阀的特征在于高度结合的传动动力装置，并且可以通过优化致动器加运动装置的整体高度提高阀的整体紧凑性。凸轮元件7——所述凸轮元件7的滚动道剖面可以是曲线——旋转活动，并且通过图11的轮毂91附接在阀的所述轴5上。凸轮元件7的滚动道形状选择成放大传动轴的旋转角度，根据考虑的应用，或者增加角度幅度，或者增加力矩。

附接在凸轮元件7上的永磁体23与和定子11相连的磁敏元件25起作用。这样产生的旋转位置传感器可以知道活门3的角度位置，并因此调节计量装置的流量。

已经在图中和前面的描述中展示并详细描述了本发明。这应看作是示意性的，并作为例子给出，而不是将本发明只限于所述描述。许多实施变型都是可以的。

例如，也可在具有旋转活门的装置中使用回位弹簧。

Claims (14)

1.一种计量装置，包括：

-设有适于在关闭位置与开放位置之间移动的活门（3）的阀体（1）；

-具有与所述活门连接的第一端和与凸轮元件（7）连接的第二端的传动轴（5）；

-包括定子组件（11）和围绕旋转轴（15）旋转的转子组件（13）的旋转电致动器（9），所述转子组件（13）包括：

·磁轭（17）

·所述磁轭支承的转子磁体（19）；

其特征在于，所述转子组件（13）另外包括滚轮（21），所述滚轮（21）直接固定至所述磁轭（17）、相对于所述旋转轴（15）偏心、并且定位成在所述凸轮元件（7）中活动，以便把所述转子组件（13）的旋转运动转换为所述传动轴（5）的运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述凸轮元件（7）上固定有永磁体（23），所述永磁体（23）与固定至所述定子组件（11）的磁敏元件（25）协作以形成位置传感器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述凸轮元件（7）由铁磁材料制成。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述位置传感器以线性方式运行。

5.根据权利要求2、3或4之一所述的装置，其特征在于，所述磁敏元件（25）通过刚性导电结构固定至所述定子组件（11）。

6.根据上述权利要求之任一项所述的装置，其特征在于，所述装置另外包括回位弹簧（81），所述回位弹簧（81）的第一端固定至所述定子组件（11），第二端在相对于所述转子组件的旋转轴（15）偏心的点处固定至所述转子组件（13）。

7.根据上述权利要求之任一项所述的装置，其特征在于，所述滚轮围绕固定至所述磁轭的突起旋转活动，所述磁轭、所述转子组件的轴和所述突起形成为单一金属元件。

8.根据上述权利要求之任一项所述的装置，其特征在于，所述活门和所述传动轴以平移运动的方式移动。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述凸轮元件包括与所述传动轴相交的滚动道。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述滚动道与所述传动轴垂直。

11.根据权利要求1-7之任一项所述的装置，其特征在于，所述活门和所述传动轴以围绕所述传动轴的纵向轴旋转运动的方式移动。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述凸轮元件包括能够改变所述传动轴的角度行程的滚动道。（通过磁性设计来固定转子部分的行程，只有所述滚轮/凸轮转换器的下游机构的行程能够被改变）

13.根据上述权利要求之任一项所述的计量装置的组装方法，其特征在于：

-将所述传动轴和所述凸轮元件固定在一起，然后整体组装在所述阀体中；

-将所述滚轮固定至所述磁轭；然后

-使所述滚轮面对所述凸轮元件；然后

-使所述电致动器压靠并固定至所述阀体。

14.根据权利要求13所述的组装方法，其特征在于，在所述转子磁体固定至所述磁轭之后使所述转子磁体磁化。

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