CN103814508B - 包括致动器以及结合于致动器的磁轭内的传感器的紧凑型定位组件 - Google Patents

Abstract

一种定位组件(14)，其包括位置传感器和磁性致动器，所述致动器包括由支承至少一个供电线圈(7a，7b)的至少一个铁磁定子(10)构成的定子组件，以及相对于定子组件活动的磁轭(3)，所述致动器具有围绕经过所述磁轭(3)的所谓的主轴线(6)的旋转或周期性几何形状，所述传感器具有与所述磁轭(3)联结的至少一个永磁体(2)以及相对于磁体(2)固定且能测量所述磁体(2)发射的磁场的幅值或方向的至少一个磁敏探头(1)。磁轭(3)具有包括所述致动器的主轴线(6)的内部的凹部(18)，且磁体(2)被设置在凹部(18)内部且与磁轭(3)联结。

Description

包括致动器以及结合于致动器的磁轭内的传感器的紧凑型定 位组件

技术领域

本发明涉一种电磁组件，所述电磁组件用于实现线性或旋转定位且包括电致动器和位置传感器，其中，位置传感器全部被结合在致动器的体积内且至少部分地对致动器生成的磁场不敏感。

背景技术

在电定位组件领域中，使用磁性位置传感器来检测致动器的活动元件的位置是已被熟知的现有技术。在大部分情况下，借助连接于致动器上的一种装置来实现对位置的检测，例如，文献FR288737提出使用一种带有连接在致动器的磁轭上的永磁体的传感器，其构造成允许传感器对致动器所生成的磁场不敏感。该类型的装置允许可靠的模拟检测(识别相对于固定定子部分的活动部分的位置)，但其具有一个重要的缺点，该缺点是其相对较大的体积会导致致动器体积增大。即便经常提出紧凑型的实施方式，并保证对致动器本身所产生磁场的抗干扰性，由此构成的致动器-传感器组件依然是两个不同子组件的组合体，其总体积是子组件的体积之和。此外，在大部分致动器的情况下，仅可以利用自然地作为磁性屏蔽体起作用的机械构造，例如文献FR288737所述。这种解决方法不仅因此体积过大，另一方面由此堆叠在其致动器上的传感器也需要屏蔽致动器所必须的额外铁磁零件，才能使来自致动器的磁场对传感器影响最小。

同样，已知文献FR2791487，其提出通过产生额外的磁隙来将磁敏探头结合在磁路内。由此使传感器的结合在体积方面最优化，但这样会有损于致动器生成的力或力矩。实际上，对于带有活动磁体的致动器，在固定或活动的铁磁部分中引入磁隙，会因在行程上形成非恒定磁阻分量(也就是无电流)而导致所生成力的形式的改变。这种非恒定的力会在某些用途中产生问题。此外，引入这种额外的磁隙也会成比例地减小应力，因为其会导致在由此被改变的磁路内更大的电势损失。最后，由于由线圈产生的磁通也经过测量磁隙，探头的信号会极度地依赖电流且因此需要要求掌握电流量才能执行恰当的矫正。

在一些应用中，致动器要求的性能使得所有可支配体积都被用于其尺寸设定，从而不再允许在其端部或周边有地方安装传感器。

因而存在不同的解决方法来获得结合的位置检测，当线圈随位置变化时，可尤其通过测量线圈电感实现。然而，这种技术一方面需要一种特别敏感且难以调节的电子控制装置，另一方面，其无法在带有所谓“成比例”活动磁体的致动器上实现，因为其电感不会或很少根据位置改变。在这种情况下，因此需要借助设置在致动器体积外部的补充传感器。

还已知专利US20050098153，其在旋转定位致动器的范围内，提出将磁性传感器结合在活动的磁轭内部。如果其体积因此相对于具有关联的外部传感器的方案的体积更小，但致动器的非对称性却使传感器对于致动器发射的磁场非常敏感。

日本专利申请JP2001/214858描述了一种致动器，其包括线性发动机以及用于检测驱动对象的位置的检测装置。该致动器包括位于致动器对称轴外部的检测元件，从而仅能通过使用设置在检测元件周围的大的屏蔽体，才能达到对致动器磁场的不敏感。

专利申请US2007/0176497描述了一种旋转致动系统，其包括控制系统和线性旋转致动器，该线性旋转致动器具有活动插棒式铁心与相关联的线圈。线圈可以通电，从而与相关联的磁体相互作用，用来执行活塞相应的运动，包括旋转和/或线性运动。网络界面使旋转-线性致动系统的控制系统从结合的网络接收控制信息更方便。控制系统可基于控制信息来操控用于激励线圈的放大器。

专利申请EP0076726描述了斯特林循环式低温制冷仪器，其包括位于容纳工作流体的主体外壳内的交替活动体。机械传动装置被联结在所述主体上，用于使主体在所述外壳内交替运动，从而可选择性地扩张和压缩所述工作流体。所述外壳上的非接触式轴承装置可被致动，以将所述主体定位在所述外壳的中心。

发明内容

本发明通过提出一种紧凑型定位组件来解决上述主要缺点，该组件尤其包括被结合在致动器内部且对后者所发射的磁场不具有敏感性的位置传感器。

特别地，本发明旨在改进对致动器活动部分的位置的检测，该致动器具有相对于定位组件的中心轴线、即所谓的主轴线对称或周期性的几何形状，无论致动器为旋转还是线性都是如此。

本发明还特别地涉及一种定位组件，其包括位置传感器和磁性致动器，所述致动器包括由支承至少一个供电线圈的至少一个铁磁定子构成的定子组件，以及相对于定子组件活动的磁轭，所述致动器具有围绕经过所述磁轭的所谓的主轴线的旋转对称或周期性的几何形状，所述传感器具有与所述磁轭联结的至少一个永磁体以及相对于磁体固定且能测量所述磁体发射的磁场的幅值和方向的至少一个磁敏探头，其特征在于，所述磁轭具有包括所述致动器的所述主轴线的内部的凹部，且在于，所述磁体被设置在凹部的内部且与磁轭联结。

根据一优选的实施方式，磁敏探头在凹部内被设置在主轴线附近，带有取向为垂直于所述主轴线的至少一个检测轴。

在一优选的实施方式中，电磁致动器是包括一个或多个设置在活动磁轭上的活动磁体的致动器。

在第二实施方式中，电磁致动器是不带磁体的可变磁阻的致动器。

在另一第二实施方式中，电磁致动器是可变磁阻与永磁体的混合致动器。

在一特别的实施方式中，传感器磁体具有根据移动方向，强度可变或方向可变的磁性。

在另一特别的实施方式中，传感器磁体为多极，具有n个不同的磁化方向。

在另一特别的实施方式中，传感器磁体为单极，即具有唯一的磁化方向，且具有根据移动方向不变的几何形状或根据移动方向可变的几何形状。

在一替代的实施方式中，传感器磁体由剩磁钢(acier rémanent)构成，具有如申请文献FR2882432所描述的矫顽磁场。

在一特别的实施方式中，磁敏元件是对由传感器的磁体发射的磁场的幅值敏感的霍尔探头。

在另一特别的实施方式中，磁敏元件是对由传感器的磁体发射的磁场方向敏感的霍尔探头。

在另一实施方式中，磁敏元件是一种磁阻探头。

优选地，所述传感器磁体全部位于磁轭的凹部内，不在磁轭上方构成凸起。

在一替代的实施方式中，所述磁敏探头由一支撑件支承，该支撑件被作为所述磁轭的机械引导件且可以充当磁屏蔽体。

有利地，在第一实施方式中，通过将至少一个磁敏元件定位在主轴线上可保证传感器对致动器所生成磁场的不敏感性。实际上，致动器的轴对称或周期性确保由致动器生成的所有磁场在理论上处于相切于其对称轴的方向。因此，通过将至少一个磁敏元件定位在该轴上且使其敏感轴取向为垂直于该主轴线时，可确保传感器的不敏感性。

依然有利地，在第二实施方式中，传感器对致动器所生成磁场的不敏感性由完全围绕磁敏元件的磁轭的构造保证，由此能有利于磁屏蔽，而无需额外的零件。当检测到磁场方向(而非其幅值)时，这一点尤其必要，因为需要至少两个垂直的敏感轴。如果使一个分量对外部磁场不敏感，第二分量就需要屏蔽体。该项功能自然通过磁轭来保证实现，但根据所要求的几何形状和性能使其形状优化也十分必要。

由本发明限定的传感器，既可用于线性传感器，也可用于旋转传感器，其中，通过相同的实施方式可获得其紧凑性及对致动器所发射磁场的不敏感性。

本发明公开了将传感器紧凑结合在致动器内而无需改变后者体积的一般性原理。在此没有以穷举的方式公开致动器和磁性传感器的各种技术，而是可在公知的且详细的当前已知的技术经验上，由本领域技术人员来选择并根据本发明进行结合。

附图说明

本发明的其它特征和优点将在阅读以下详细实施示例，并参考附图后体现出来，附图分别是：

-图1，根据第一实施方式，包括带活动磁体的致动器的线性型定位组件的剖面视图，

-图2，图1的位置的传感器的细节的剖面视图，

-图3，图1和图2上所展示的定位组件的四分之三视图，

-图4a和4b，根据第二实施方式，包括带活动磁体的致动器的线性型定位组件，

-图5a和图5b，旋转型定位组件，

-图6a和图6b，根据第三实施方式，包括带活动磁体和可变磁阻的混合致动器的线性型定位组件，

-图7a和图7b，根据第四实施方式，包括带活动磁体和可变磁阻的混合致动器的线性型定位组件，

-图8a和图8b，示出同一致动器的两个剖面图。

具体实施方式

图1示出本发明的第一实施方式，其中，致动器带有活动磁体4a、4b且具有所谓“成比例”的性能。实际上，在致动器的行程上所生成的力保持恒定，且与电线圈7a和7b内注入的电流成比例，正如申请文献FR2682542所描述的。

该致动器包括由串联或并联连接的两个线圈7a、7b构成的固定定子组件，以及由外部的铁磁管8、中央的铁磁极9a和侧边的两个铁磁极9b、9c构成的铁磁定子10。

致动器也包括相对于定子组件的活动组件，由铁磁轭3形成，联结在输出轴16上的两个永磁体4a、4b被固定在该铁磁轭上，以用来沿主轴线6移动任意一外部构件。所构成的致动器因此具有围绕主轴线6的轴对称性，且更好地，磁体4a、4b呈径向磁化，即沿来自主轴线6的辐射径向方向发生磁化。当线圈7a、7b被供电时，定子的电极9a、9b、9c被极化，从而使磁体4a、4b被吸引到优选的位置，在该位置上磁场被对齐。由于形成在定子和活动部分上的不同磁极的形状和尺寸，对于给定的供电电流，在通常能达到几毫米——在此为接近5mm——的确定的行程上所获得的力保持恒定。

根据本发明的传感器，其独立视图可在图2上可见，被安装在磁轭3的内部在该磁轭的凹部18内，且由联结至磁轭3的传感器的磁体2和相对于致动器的定子组件固定的磁敏探头1构成。优选但非局限性地，该探头1被安设在对称轴线(即，主轴线6)附近，从而能摆脱致动器所生成的磁场。实际上，由于该致动器的轴对称性，由线圈7a、7b和磁体4a、4b生成的磁场在理论上在垂直于对称轴线(即，主轴线6)的各个方向上都为零。因此可使用该特性，从而将探头的至少一个磁敏元件1设置在对称轴线(即，主轴线6)之上或靠近对称轴线(即，主轴线6)，从而使其磁敏方向垂直于轴线(即，主轴线6)，由此仅对传感器磁体2所生成磁场的幅值或方向敏感。在该实施方式中，传感器磁体2呈径向磁化的两个环状，在其线性移动过程中，所述两个环不会阻挡致动器的轴的自由旋转，但磁体的这种实施方式并非限制性的。

然而，对致动器的固有的不敏感的该位置，并不是在所有的实施方式中被要求，此时磁轭3，如图1所示，其尺寸被设定成可允许实现有效的磁屏蔽，从而确保探头1对来自致动器的磁场具有抗扰性。磁轭的尺寸(厚度、高度……)由此根据传感器用途及所要求的精确度水平被探头1的所接受的干扰磁场的最小水平决定。

磁敏探头1靠近致动器的旋转轴及在磁轭3上方部分上的定位允许使用该磁轭3的通常对磁通无用的一部分，因为比起磁通流入致动器的主截面，其对应于相对较小的截面，该截面根据高度，远离致动器的中心，该致动器中可能的磁饱和度更明显。因此，传感器在位于磁轭内的致动器中心的定位，对带电流的致动器的性能几乎没有影响。仅有伴有最强电流的性能——这种情况下，磁饱和度非常明显——可被改变，但附图的该情况仅对应于致动器的偶尔使用，这不符合其连续运行的模式。

图3示出定位组件的全视图，其中，可注意到致动器11围绕对称轴线(即，主轴线6)的旋转几何形。在该实施示例中，在定位组件的上方部分可见电连接器12，允许定位组件14的致动器和传感器15之间的连接。该定位组件14可以借助穿孔固定元件13被固定在外部支撑件上。未显示在该图3上的输出轴16因此被连接在所述构件上，以用于在定位组件14的底部移动。

图4a以外部视图示出第二实施方式的定位组件14，而图4b以剖面图示出该同一定位组件14，包括内部和所有构成元件的细节。该致动器的行程比图1-图3的致动器行程更大，接近15mm。

在图4b的该视图上，同样存在致动器11的相同结构，其定子组件由三个磁极9a、9b和9c和两个电线圈7a、7b构成，且其活动组件具有能支承两个磁体4a、4b的磁轭3，该磁轭能沿主轴线6移动输出轴16，以用来根据目标应用而致动外部构件。由此构成的致动组件具有围绕主轴线6的旋转对称性。

在凹入的磁轭3内部设有位置传感器，该位置传感器包括联结磁轭3的平行六面体磁体2以及定位于定位组件14的对称轴线(即，主轴线6)上的霍尔探头型磁敏探头1。由于被定位在该主轴线6上，探头3具有取向为沿着垂直于旋转轴6的方向的敏感轴中的至少一个，从而对致动器所生成的磁场不敏感，且能仅检测由传感器磁体2生产的磁场幅值或方向。该探头1由元件17支承，该元件能确保引导磁轭3，甚至避免该磁轭阻碍旋转，该元件17因此具有双重功能，允许使由此构成的定位组件14保持紧凑性。

图5a示出根据旋转实施方式的定位组件14，而图5b示出经过组件14的主轴线6的横剖面的同一组件。根据申请文献FR2670629的信息，致动器部分由4个相同的铁磁极9构成，每个铁磁极支承一电线圈7，由此构成的定子组件被固定在铁磁基体5上。在由此构成的被磁隙分开的该定子组件上，活动组件相对于定子组件在垂直于主轴线6的平面上旋转定位。该活动组件由磁轭3构成，磁轭支承由4个磁化扇区构成的磁化圆盘4。由此构成的致动器具有围绕主轴线6的90°周期性。

检测部分由传感器磁体2保证，该传感器磁体在磁轭内实现的凹部18中与磁轭3联结。磁敏探头1被定位在相对于传感器磁体2固定的主轴线6上或靠近该主轴线。致动器的周期性保证，在主轴线6的任意一点，与该主轴线6正交的磁场理论上为零，从而保证探头2对致动器所发射磁场的不敏感方向。

图6a示出根据另一线性实施方式的定位组件14，而图6b示出沿经过主轴线6的剖面的同一组件。在该实施方式中，由支承两个磁体4a、4b的活动铁磁轭3构成的致动器具有凸出的几何形状，但具有围绕主轴线6的180°周期性。实际上，由于围绕主轴线6的这一周期性，磁体4a正好对应磁体4b，且在定子方面，铁磁定子10a和线圈7a正好对应铁磁定子10b和线圈7b。由此，由致动器(磁体和线圈)生成的磁场在与主轴线6正交的方向上，在该主轴线6上理论上为零。更好地，该特征可被用来在致动器的凹部18磁轭3内安装与该磁轭3联结的传感器磁体2以及定位在主轴线6附近的磁敏探头1，从而使其敏感轴的至少一个沿正交方向位于主轴线6上。以该种方式，可保证探头1对致动器磁场的不敏感性。

在图6a和图6b上，致动器为混合类型，其将磁体4a、4b嵌入磁轭3中，并根据主轴线6生成成比例得到的轴向力分力，以及根据电流生成平方得到的分力，如提出该结构的申请文献FR2774824中所解释的。

图7a和7b，分别是定位组件14的另一实施方式的全视图和剖面图，除了致动器功能，其具有与图4a和4b的定位组件14相同的特征。致动器以带有可变磁阻和磁体的混合型致动器实现，在原理上相似于已经在图6a和6b的凸出型的致动器中的描述。磁轭3因此支承嵌入所述磁轭3内的磁体4，且定子部分由围绕主轴线6的唯一的旋转线圈7构成。

图8a和图8b示出同一致动器的两个剖面图，其中活动磁轭3处于两个不同的位置。其涉及带有通常被称为“螺线管”的可变磁阻的致动器，该致动器由局部呈锥形的铁磁定子10和电线圈7构成。由于磁阻的变化，当电流流经线圈7时，磁轭3被吸引至致动器底部，如图8b所示。当电流不再流经线圈内，磁轭3因此处于如图8a所示的一高位，其例如被弹簧(此处未示出)拉回，该弹簧在“螺线管”的轴上施加恢复力。致动器呈围绕主轴线6对称的几何形状，在主轴线上，磁敏探头1相对于定子10保持固定且至少敏感轴之一处于与主轴线6正交的方向。因为轴对称性，探头1的该敏感轴不会接收电线圈7所生成的任何磁场。传感器磁体2与磁轭3联结且因此根据磁轭3相对于定子10的位置而在探头1的对面移动。

Claims (11)

1.一种定位组件(14)，包括位置传感器和磁性致动器，所述磁性致动器包括由支承至少一个供电线圈(7)的至少一个铁磁定子(10)构成的定子组件、以及能够相对于所述定子组件活动的磁轭(3)，所述磁性致动器具有围绕经过所述磁轭(3)的主轴线(6)旋转对称的几何形状或周期性的几何形状，所述位置传感器具有与所述磁轭(3)联结的至少一个永磁体(2)以及相对于所述永磁体(2)固定且能测量所述永磁体(2)发射的磁场的幅值或方向的至少一个磁敏探头(1)，

其特征在于，所述位置传感器结合在所述磁性致动器的内部，所述磁轭(3)具有内部的凹部(18)和壁，所述凹部包括所述磁性致动器的所述主轴线(6)，所述壁限定所述磁轭的内周壁，并且，所述永磁体(2)和所述磁敏探头被设置在所述凹部(18)内部，并且所述永磁体与所述磁轭(3)的所述内周壁联结，所述磁敏探头(1)在所述凹部(18)内被设置在所述主轴线(6)上，带有取向为垂直于所述主轴线(6)的至少一个检测轴，以便对所述磁性致动器所产生的磁场不敏感。

2.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁性致动器是包括设置在所述磁轭(3)上的至少一个活动磁体(4)的致动器。

3.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁性致动器是不带磁体的可变磁阻致动器。

4.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁性致动器是带有永磁体(4)的具有可变磁阻的混合致动器。

5.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁敏探头(1)是对由所述位置传感器的所述永磁体(2)发射的磁场的幅值敏感的霍尔探头或磁阻探头。

6.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁敏探头(1)是对由所述位置传感器的所述永磁体(2)发射的磁场的方向敏感的霍尔探头。

7.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述位置传感器的所述永磁体(2)全部位于所述磁轭(3)的所述凹部(18)内。

8.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述磁敏探头(1)由支撑件支承，所述支撑件用作为所述磁轭(3)的机械引导件。

9.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述位置传感器的所述永磁体(2)具有根据移动方向而在强度或方向方面可变的磁性。

10.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述位置传感器的所述永磁体为单极，即具有唯一的磁性方向，且具有沿移动方向不变的几何形状或沿移动方向可变的几何形状。

11.根据权利要求1所述的定位组件，其特征在于，所述位置传感器的所述永磁体由剩磁钢制成。