CN103872840A - 线性执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性执行器，包括具有第一端部和第二端部的壳体（12），第一端盖（14）设置于壳体的第一端部，第二端盖（16）设置于壳体的第二端部，定子设置在壳体内，线性执行器（10）还包括与定子相互作用的转子，转子包括杯状永磁体（36）和固定设置在永磁体（36）上的螺纹轴（44），螺纹轴包括螺纹端和与螺纹端相对的远端；轴承（28）位于杯状永磁体（36）内且设置在所述轴承座（24）的端部以支撑螺纹轴（44）；压力球体（42）毗邻设置于螺纹轴（44）的远端；推力轴承（54）包括与所述压力球体接触的凹接触面；弹簧（52）设置于第二端盖（16）并将所述推力轴承（54）轴向压向所述压力球体。

Description

线性执行器

技术领域

本发明涉及一种线性执行器，特别是涉及一种线性执行器的转子的悬挂系统。

背景技术

线性执行器一般包括做旋转运动的步进电机。步进电机通过螺纹配合将旋转运动转化为直线运动。线性执行器作为常用的定位设备借助其可靠性高、制造简单和低成本的特点在车辆工程上得到广泛使用，如汽车前灯调节系统等。

线性执行器沿其转子的轴线方向对负载施力。转子通过固定设置的推力轴承支撑，以克服轴向负载给与的反作用力。一般来说，推力轴承直接固定设置于马达壳体的壁上或形成于壁上的一部分。轴的端部呈圆形或者嵌入一钢球以和推力盘之间的摩擦达到最小。

用作汽车前灯的调节器时，线性执行器不得不经受轴向和径向的振动和较大的温差变化（-40℃～+120℃）。线性定位的精度应该精确，稳定性要求很高（<0.1mm）。动力反馈约为10-20mm/s。在保持模式下，线性执行器在没有受到驱动下（无电流）但仍能保持与动力负载相称的轴向力。

根据属性，步进电机随着每一步运动来进行加速或减速。马达动力性越强（需要高强度反馈时），扭矩变化就越高。同时减震不好的定子-转子系统根据本征频率围绕平衡点振动。这些特点造成的震颤和噪音导致不稳定性（共振）。

上述问题需要精确的执行器设计来解决。这样的设计需要较高的机械稳定性、较低的轴向跳动和较好的机械振动衰减。

EP1363382阐述了一个线性执行器，包括与转子同轴设置的球轴承。转子设置在两个半永磁体之间。这个设计突出解决了转子相对定子的精确径向定位的问题。它也一定程度上解决了轴在径向受力时的弯曲问题。然而，线性输出的精度受到球轴承的轴向间隙的限制。还有，转子磁铁的分离增加了永磁体和定子极点之间角度误差的风险。

DE102009000975A1阐述了一个线性执行器，包括与转子同轴设置的球轴承。转子的一部分由管形磁铁组成。这个设计同样解决了转子相对定子的精确径向定位的问题。然而，受制于支撑轴承上的间隙的转子的间隙无法得到控制。这样转子的轴向定位无法得到完全控制。

US3161447阐述了一种旋转轴的轴承设置。旋转轴作为推力轴承承受轴向载荷并调整吸收任何轴向间隙。这种设计原理减少了轴向间隙，但它不允许同轴的线性输出。径向定位通过简单的套筒轴承解决，这对径向公差要求较高，并增加了径向载荷的摩擦。

US7682045阐述了一种直线执行器，其中转子在轴向和径向都受到马达侧的轴承支撑，线性输出端设置在马达另一侧。轴承包括固定设置在转子上并嵌入壳体上形成的空腔内的球体。一个轴向锁止件通过弹簧向球体施压，其接触点实质上为单点接触。这样形成显著的缺点是整个旋转件仅在轴的端点形成支持。这样，定子和转子之间的空隙无法满足径向精度的要求。径向负载和组装精度会造成轴系弯曲，这将导致噪音、振动甚至阻碍转子转动。该发明仅是减少轴承摩擦，没有提供设定温度变化以外情况下的可控的、连续的既有摩擦力。

摩擦力在标准轴承中的润滑选择极大依赖于温度，尤其对于低温，在阻尼目的下很难形成连续地摩擦力制动。

电机中转子的振动减幅能够通过附加惯性盘的有损联接方式解决（如US4800306中使用的弹性材料或US4049985中的滞磁应用）。这样设计的缺点在于：零件多，体积大，重量大，成本高，由于高惯性造成动力反馈降低。

减幅可以通过智能电子元件驱动来实现，但是，成本会显著提高。很多使用者宁愿使用简单低成本的电子元件，从而需要耐用而通用的执行器。

这样，有待于研发一种高机械稳定性的线性执行器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中震颤和噪音大，摩擦力制动不连续，定子和转子之间公差配合要求高和轴系易弯曲的缺陷。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种线性执行器，包括具有第一端部和第二端部的壳体，第一端盖设置于壳体的第一端部，第二端盖设置于壳体的第二端部，定子设置在壳体内，线性执行器还包括：与定子相互作用的转子，所述转子包括空杯状永磁体和固定设置在永磁体上的螺纹轴，螺纹轴包括螺纹端和远端；输出轴，与螺纹轴的螺纹端同轴设置并螺纹连接，并穿过所述第一端盖；轴承座，固定设置于所述壳体上并具有一端部伸入空杯状永磁体；轴承，在所述空杯状永磁体内设置在所述轴承座的端部以支撑所述螺纹轴；压力球体，毗邻设置于所述螺纹轴的远端；推力轴承，包括与所述压力球体接触的凹接触面；弹簧，设置于所述第二端盖并将所述推力轴承轴向压向所述压力球体。

较佳地，弹簧对所述推力轴承施加的推力与施加于所述输出轴的预期载荷相等。

较佳地，所述转子还包括固定设置在螺纹轴远端的联轴器，联轴器设有容纳所述压力球体的通孔。

较佳地，轴承设置在所述联轴器和肩部之间，所述肩部设置在所述螺纹轴的螺纹端和远端之间。

较佳地，所述推力轴承的凹接触面与所述压力球体形成摩擦接触。

较佳地，所述推力轴承的凹接触面包括与转子轴线同轴的圆环状表面。

较佳地，所述轴承为球轴承、滚柱轴承或滚针轴承。

较佳地，所述定子包括两个线轴缠绕线圈。

较佳地，所述第一端盖包括非圆形的孔，所述输出轴穿过所述第一端盖并包括与所述非圆形的孔相对应的横截面。

较佳地，所述轴承座包括在轴承上的注塑形成的塑料件。

较佳地，所述轴承压力装配于螺纹轴的远端。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：该执行器形成连续的摩擦扭矩，外部负载对定子的影响非常微弱，马达稳定性高，结构简单，成本低。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例下的线性执行器结构示意图。

图2为图1所示线性执行器的剖视图。

图3为图2的部分放大示意图。

图4为根据本发明一个实施例下的线性执行器端部示意图。

具体实施方式

本发明将通过实施例的方式结合附图予以阐述。在附图中，各个图中相同的结构、元件和部件使用相同的标号。附图中元件的尺寸和特点仅是作为方便阐述的目的，并不表示实际尺寸和比例关系。

附图中阐述了线性执行器10，包括旋转步进电机。步进电机通过螺纹连接50驱动线性输出轴20。图1示出了组装后的线性执行器，其中执行器包括筒状壳体12。筒状壳体上的第一端部设置输出端盖14，筒状壳体上的第二端部设置输入端盖16。输出轴20穿过输出端盖14并包括圆形端部22。

图2的剖视示意图示出执行器10的内部结构。步进电机包括定子和转子。定子包括两个定子线圈30。定子线圈30较佳地为线轴缠绕线圈（线圈缠绕于绝缘线架上），设置在极板32上。极板32和壳体12皆由导磁材料制成，共同形成马达的磁通路。可选地，附加的制动板34可以设置在两线圈30之间以在马达不通电时增加马达的制动扭矩或保持扭矩。制动板34和定子极32朝向转子设置并与转子相互作用。转子包括杯状永磁体36。如通常工艺中，杯状永磁体36包括多个与定子磁极相互作用的永久磁极。转子磁体36固定设置在转轴上。转轴包括转子联轴器38和固定设置在联轴器38上的螺纹轴44。螺纹轴44较佳地通过压入配合的方式装入转子联轴器上的通孔40。

单转子轴承28固定设置在螺纹轴44上，并沿轴向夹在螺纹轴44的肩部46和联轴器38之间。轴承28受到轴承座24的支撑。轴承座24形成输出端盖14的一部分并向转子磁体36的杯状内部空间延伸使得轴承28大部分设置在转子磁体36的内部。这样，当转子受到单轴承的支撑时，并不形成完全的悬臂支撑。理想状态下，轴承的位置应大致处在包括螺纹轴的转子的平衡点，这样转子相比完全的悬臂支撑减小了径向偏移的风险。轴承28上的压力随之减小，这样轴承的寿命相应延长。轴承28较佳地为球轴承，但是滚珠轴承、滚针轴承或滚珠和滚针结合的轴承同样适用。较佳地，轴承座24为直接在轴承28上注塑形成的塑性注塑件。

螺纹轴44通过螺纹连接50与输出轴20连接。螺纹轴44包括形成于轴的外表面上的螺纹48，较佳地形成于肩部46远离轴承28和联轴器38的一端的自由表面。输出轴包括轴孔23以容纳螺纹轴的螺纹端。至少一部分轴孔设置内螺纹与螺纹轴的螺纹啮合，如螺帽和螺栓啮合那样，形成螺纹连接50。输出轴20能够通过输出端盖14轴向滑出，但受到螺纹轴44旋转的限制。这样当螺纹轴44旋转，螺纹连接驱动输出轴沿着螺纹轴的轴向运动。轴承座24上可以形成一或多个轴向延伸槽26，用于接受形成于输出轴20上外表面的凸起部27以组成止转系统。延伸槽26允许凸起部27沿着槽轴向运动，同时防止输出轴旋转运动。

锁止件21呈径向环形突起状设置在输出轴沿长度方向的某个位置，以限制输出轴的运动范围。根据图2所示的收缩位置，锁止件21抵住轴承座24以防止输出轴进一步向内运动。在全部伸出位置，锁止件21抵住输出端盖14的内端面（该内端面毗邻为输出轴设置的孔15），以防止输出轴进一步向外运动。

为支撑转子与负载之间形成的反作用力，球体42，较佳地为钢球，压入转子联轴器38上的通孔40并与螺纹轴44毗连。球体从通孔伸出并与推力轴承54接触。为避免或最小化端部间隙（转子在轴向上的自由移动），推力轴承54悬空设置并受到弹簧52的抵顶为转子提供轴向预压力。该预压力较佳地与输出轴上预期的最大轴向负载大致相等，使得转子总是被压向轴承28，除非过载情况。这样就消除了轴承在承载时的轴向间隙。同时，当执行器10没有通电时，为增加转子的保持力，推力轴承54的接触面不是平面，而是与球体的接触面为非点接触的较大接触面，较佳地是个圆环形表面，与转子同轴。这通过形成于推力轴承54上的摩擦环56与球体42的接触来实现。推力表面上的摩擦力能够通过改变接触面的面积、改变球体42和推力轴承54表面的位置以及改变推力轴承表面的材料来进行调整以改变保持力。推力轴承产生的保持力补充了由其它措施产生的保持力，如齿槽力矩(COGGING TORQUE)、定子极板产生的磁制动扭矩和定子的两个线圈30之间设置的磁制动盘34产生的磁制动扭矩。定子极板与磁制动盘34与转子磁体产生的磁场相互作用以在执行器10没有通电时保持转子静止。

由前文所述可以理解，一个轴向力通过预压力弹簧52，借助推力盘54和具有预定摩擦接触的球体42施加在螺纹轴44上。该预定的轴向力消除了轴承28的轴向跳动，大约为执行器10设计的最大轴向负载（如20N）。

同时，推力盘54和球体42之间产生连续地摩擦扭矩。摩擦接触区域为环状。摩擦扭矩的大小从而可以被容易地设定。调整机械摩擦从而达到合适的缓冲。加上定子和转子之间的磁制动，最终的合成扭矩形成所需的（非激振）保持扭矩。

执行器安装法兰18和输出轴20之间的（轴向和径向的）力仅通过法兰18-轴承座24-轴承28-螺纹轴44-输出轴20之间传递。这些力不施加于转子或定子。转子通过弹簧52轴向预载安装但几乎不受外部负载的影响。同理，外部负载对定子的影响非常微弱。这样，马达的稳定性（定子和转子之间的气隙）不受外部负载环境的影响。

主要的球轴承28设置在转子内部，与马达高度同轴，这意味着径向偏移的风险降低，从而转子和定子之间的公差能够容易处理。

在操作中，转子通过定子电磁驱动，通过转子联轴器38与螺纹轴44连接。带有嵌件注塑轴承座24的轴承28压力装配在螺纹轴44上。轴承座24固定安装在定子和执行器法兰18之间。输出轴20不可旋转但借助螺纹轴的旋转做直线运动。

图3示出轴向预压力的设置细节。球体42同轴安装在转子联轴器38的通孔40内。预压力弹簧52将推力轴承54压向球体。推力轴承54包括形成于推力轴承一部分的摩擦环56，摩擦环56形成接触面与球体表面形成摩擦接触。摩擦接触区域就成为环状。此种设置相对于现有的推力轴承设置形成更大的摩擦接触。现有技术中，球体（通常为高硬度材料，例如钢）被压向推力轴承的平坦表面（通常也是钢），在球体和推力轴承之间形成低摩擦的点接触。本发明中，推力轴承的摩擦力有意设计为很高以增加马达未使用时的保持力或静摩擦力。

图4示出执行器10的输出端盖14，即为毗邻输出轴的端盖，以阐述防止输出轴相随转子转动的另一可代替方式。输出轴20通过端盖14的孔15。端盖14具有非圆形形状，同时输出轴也具有一形状，使得输出轴无法在孔内旋转。较佳地，孔的形状和输出轴滑过孔的部分形状是任意的，并不要求它们一致，只要使输出轴能够滑过孔但不会在孔内沿轴线58发生旋转即可。

图4还示出安装法兰18，其形成于输出端盖14的一部分。安装法兰包括两个孔19以通过螺钉将线性执行器固定于机器或按照执行器10用途所需的安装平面上。

本发明申请的说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”和“具有”及其它变化均作为排它性使用，用以对所阐述物体进行详细说明但并不排除其它附加的物件。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

例如，转子的球体能够替换为联轴器轴的圆形端部。同样，当单轴承被阐述为球轴承时，同样可以替换为滚珠轴承、滚针轴承或其组合。同样也可以是轴承的组合。

Claims (11)

1.一种线性执行器（10），包括具有第一端部和第二端部的壳体（12），第一端盖（14）设置于壳体的第一端部，第二端盖（16）设置于壳体的第二端部，定子设置在壳体内，其特征在于，线性执行器（10）还包括：

与定子相互作用的转子，所述转子包括杯状永磁体（36）和固定设置在永磁体（36）上的螺纹轴（44），所述螺纹轴包括螺纹端和与螺纹端相对的远端；

输出轴（20），与所述螺纹轴（44）的螺纹端同轴设置并螺纹连接，并穿过所述第一端盖（14）；

轴承座（24），固定设置于所述壳体（12）内并具有一端部，所述端部伸入杯状永磁体（36）内；

轴承（28），在所述杯状永磁体（36）内并设置在所述轴承座（24）的端部以支撑所述螺纹轴（44）；

球体（42），毗邻设置于所述螺纹轴（44）的远端；

推力轴承（54），包括与所述球体接触的凹接触面；和

弹簧（52），设置于所述第二端盖（16）并将所述推力轴承（54）轴向压向所述球体（42）。

2.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述弹簧（52）对所述推力轴承施加的推力与施加于所述输出轴的预期载荷相等。

3.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述转子还包括固定设置在螺纹轴远端的联轴器（38），所述联轴器设有容纳所述球体（42）的通孔（40）。

4.如权利要求3所述的线性执行器，其中轴承（28）设置在所述联轴器（38）和一肩部（46）之间，所述肩部设置在所述螺纹轴的螺纹端和远端之间。

5.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述推力轴承的凹接触面与所述球体形成摩擦接触。

6.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述推力轴承的凹接触面包括与转子轴线同轴的圆环状表面。

7.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述轴承（28）为球轴承、滚柱轴承或滚针轴承。

8.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述定子包括两个线轴缠绕线圈（30）。

9.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述第一端盖（14）包括非圆形的孔（15），所述输出轴（20）穿过所述第一端盖并包括与所述非圆形的孔（15）相对应的横截面。

10.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述轴承座（24）包括在轴承（28）上通过一体注塑成形的方式形成的塑料件。

11.如权利要求1所述的线性执行器，其中所述轴承（28）通过压入的方式装配于螺纹轴（44）的远端。

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