CN110088432A - 电磁致动器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转电磁致动器(2)，其包括用于向其转子(4)施加扭矩的偏置组件(30)。这种致动器可以用于操作内燃发动机的提升气门。偏置组件可在(a)第一构型和(b)第二构型之间切换，在第一构型中，所述偏置组件在转子的旋转范围的至少一部分上对所述转子施加扭矩，其中所施加的扭矩根据扭矩轮廓随转子的旋转位置而变化，在第二构型中，所述偏置组件在转子的旋转范围内基本上不对所述转子施加扭矩。

Description

电磁致动器及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种电磁致动器。更具体地，本发明涉及一种旋转电磁致动器，其具有可相对于定子旋转的转子，并且包括用于向转子施加扭矩的偏置组件。这种致动器可以被用于操作例如内燃发动机的提升气门。

背景技术

WO 2004/097184描述了一种旋转电磁致动器，其可以用于打开和关闭内燃发动机的气门。在一个示例中，弹性悬臂弹簧臂与随转子旋转的偏心表面的外周接触。臂通过转子旋转的一部分上变形，并且从而存储应变能量，该应变能量随后用于加速转子的旋转。

发明内容

本发明提供了一种电磁致动器，包括：

定子；

转子，其可相对于所述定子在所述转子的旋转范围内旋转；以及

偏置组件，用于向所述转子施加扭矩，

其中所述偏置组件可在以下构型之间切换：

(a)第一构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围的至少一部分上对所述转子施加扭矩，其中所施加的扭矩根据扭矩轮廓随所述转子的旋转位置而变化；以及

(b)第二构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围内并不或基本上不对所述转子施加扭矩。

发明人意识到，在包括偏置组件的电磁致动器的一些应用中，可能有益的是能够选择性地有效去除偏置效应(出于实际目的)或完全将其去除。

例如，在致动器用于操作内燃发动机的气门的应用中，转子的每个循环(其可以是转子的完全旋转或者转子在其旋转范围内来回旋转)可以对应于气门事件，即相关联的气门的打开和关闭。可以期望的是将电磁致动器的操作特性从一个气门事件或致动器循环到下一个气门事件或致动器循环地加以修改。利用本披露的致动器，取决于发动机的操作条件，偏置组件的影响可以从一个或多个循环中完全去除。

例如，在高能量的气门事件期间(即，当需要快速高提升的事件时)，可以优选的是利用偏置组件的全部益处及其提供的能量再循环来最小化能量消耗。相反，在更温和、更慢的气门事件期间，可以优选的是与偏置组件解除接合。本发明有助于这一点。

在一些实施例中，转子的旋转范围可以是全旋转的一部分，转子可控制为在该部分上来回振荡。可替换地，转子的旋转范围可以是全旋转，这使得转子能够在相同方向上连续旋转和/或在两个端点之间振荡。

在优选的实施例中，转子的动能在转子旋转的一部分内被转换成存储在偏置组件中的势能，并且然后在转子旋转的另一部分期间该势能随后被传递回转子，以便加速转子的旋转。

偏置组件可以例如机械地、液压地或气动地实施。优选地，所述偏置组件是机械组件，并且包括弹性机械部件。该部件可以用于产生偏置力，该偏置力由偏置组件对转子施加。

转子可以联接到偏置组件，使得在转子在其旋转范围的至少一部分上旋转时，弹性机械部件的一部分被移动或偏转。约束构件可以用于约束弹性机械部件的一部分的移动(使其变形并在转子上施加扭矩)或不提供约束(使得部件不变形并且因此不在转子上施加扭矩)。以这种方式，可操作约束构件来控制扭矩是否由偏置组件施加在转子上。约束构件可以直接接触弹性机械部件。

在一些实施例中，所述转子限定凸轮表面，并且所述偏置组件包括与所述凸轮表面接合的凸轮从动件，并且所述偏置组件对所述转子所施加的扭矩的大小取决于所述凸轮从动件被所述凸轮表面所移位的大小。优选地，所述弹性机械部件的第一部分形成或联接到所述凸轮从动件，并响应于所述凸轮从动件的移动而移动。在进一步的实施例中，所述弹性机械部件的第二部分在所述偏置组件的第一构型中比在所述第二构型中更受约束。

应当理解的是，偏置组件的弹性机械部件可以采取各种形式，诸如弹簧或弹性材料块。

在一些实施方式中，所述弹性机械部件是可枢转地安装的板簧。在这种构型中，弹簧的与枢轴间隔开的部分在转子的旋转范围的至少一部分内偏转。

凸轮从动件可以被朝向弹性机械部件推动。弹性部件进而可以被朝向约束构件推动。这是为了避免当偏置组件没有通过凸轮从动件在转子上施加扭矩时零件的颤动。例如，每个推动力可以由诸如弹簧的弹性元件产生。两个推动力可以由作用在凸轮从动件上的相同弹性元件产生。

在进一步的实施例中，所述弹性机械部件的所述第二部分的移动可通过减小约束构件的接合表面和所述弹性机械部件之间的距离(即，当弹性部件处于其未偏转或最小偏转位置时，接合表面和弹性部件之间的距离)来约束。例如，所述约束构件可以是可旋转构件，当所述偏置组件在其第一构型和第二构型之间移动时，所述可旋转构件相应地在其第一取向和第二取向之间旋转，其中当所述可旋转构件从其第一取向移动到其第二取向时，所述约束构件的接合表面在朝向所述弹性机械部件的方向上移动。

本发明进一步提供了与本文描述的致动器组合的控制机构，其中所述控制机构包括：

控制器，其可在第一与第二控制器位置之间移动；以及

所述控制器与所述偏置组件之间的联接器，

其中所述联接器被布置成使得当所述控制器处于所述第一控制器位置时，所述联接器将所述约束构件朝向其第一取向推动。

可以优选的是在控制器与偏置组件之间具有弹性的推动联接器，而不是刚性联接布置。在一些情况下，在控制器从其第二位置切换到其第一位置时，约束构件可能未能移动到其第一取向(例如，偏置组件的弹性部件可能阻碍约束构件这样做)。在控制器与偏置组件之间使用弹性联接器或“空转”联接器使得控制器能够移动，从而使得联接器将约束构件朝向其第一构型推动。

因此，即使所述约束构件最初未能移动到其第一取向，所述控制器也可以能从其第二控制器位置移动到其第一控制器位置。

在一些实施例中，所述联接器包括弹性部件，即使所述约束构件最初未能移动到其第一取向，所述弹性部件也能够使所述控制器从其第二控制器位置移动到其第一控制器位置。

即使约束构件最初未能移动到其第一构型，联接器也可以能适应控制器从其第二位置到其第一位置的移动，并且然后随着并且当约束构件能够移动到其第一构型时，联接器也能够将约束构件移动到其第一取向。联接器可以对约束构件施加朝向其第一取向的偏置力。

在一些实施例中，所述控制器可以包括可旋转地安装的可旋转控制器构件和/或所述约束构件可以是可旋转地安装的。在这种构型中，弹性部件可以是例如扭转弹簧。

可以与本文所述的多个致动器组合提供本文所述的控制机构。这种组合可以包括多个联接器，每个联接器设置在所述控制器和所述致动器中的相应一个致动器的偏置组件之间，其中每个联接器被布置成使得当所述控制器处于所述第一控制器位置时，所述联接器朝向其第一取向推动所述致动器中的相应一个致动器的约束构件。在一些应用中，一组致动器可能不被控制为同时操作，而是被异相致动。这可能是致动器与例如内燃发动机的不同气缸相关联的情况。在一些操作配置下，用于相同气缸的气门的致动器可能有共用的控制器，但异相操作。在本发明的实施例中，控制器和每个偏置组件之间的联接器能够适应这一点。在每个联接器在每个约束构件上施加推动力时，它们能够将切换动作传送给若干偏置组件，每个组件只有在能够切换时才会切换。例如，可以仅当偏置组件在相关联的转子上没有施加(或施加最小的)扭矩时，切换才会发生。

本发明进一步提供了一种内燃发动机，包括至少一个气缸和如本文所述的致动器，所述至少一个气缸具有至少一个气门，其中所述致动器布置成致动所述至少一个气门。在进一步的实施例中，发动机可以包括多个气缸以及控制机构与如本文所述的致动器的组合，每个气缸具有至少一个气门，其中所述致动器中的每一个致动器布置成致动相应的气门。

在一些实施方式中，一个控制器可以联接到多个致动器的偏置组件，使得单个控制器能够切换多个致动器，其中联接器适应致动器的异相操作，使得每个致动器仅在其能够切换时切换。

在其他实施方式中，每个致动器可以具有其自己的联接器和控制器，其中每个控制器可独立于其他控制器而移动。以这样的方式，每个致动器的偏置组件可以由独立于其他控制器的它自己的相应控制器来切换。

在进一步的实施例中，发动机可以包括多个气缸，每个气缸具有至少两个气门，每个气缸的一个气门属于第一组气门，并且每个气缸的第二气门属于第二组气门。每组气门可以具有相关联的控制器，其中在控制器和相应组的每一个气门之间提供了联接器，其中与每组气门相关联的控制器可独立于另一控制器而移动。例如，内燃发动机可以具有与每个气缸相关联的一对进气门(或一对排气门)。每对气门中的一个气门可以被指定为主气门，并且另一个气门被指定为副气门。这些主气门可以形成带有它们自己的控制器的第一组气门，并且这些第二副气门形成第二组也带有它们自己的控制器。在发动机的一些操作模式中，可以期望的是主气门以不同于副气门的方式操作，并且这种构型有助于实现这一点。例如，在一种模式中，第一组的偏置组件可以处于它们的第一构型，而第二组的偏置组件可以处于它们的第二构型(或者反之亦然)。

另外，本发明提供了一种操作电磁致动器的方法，所述电磁致动器包括：

定子；

转子，其可相对于所述定子在所述转子的旋转范围内旋转；以及

偏置组件，用于向所述转子施加扭矩，

该方法包括在以下各构型之间切换所述偏置组件的步骤：

(a)第一构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围的至少一部分上对所述转子施加扭矩，其中所施加的扭矩根据扭矩轮廓随所述转子的旋转位置而变化；以及

(b)第二构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围内并不或基本上不对所述转子施加扭矩。

附图说明

现在将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是一对旋转电磁致动器的透视前视图，这些致动器中的一个致动器体现了本发明；

图2是根据本发明实施例的包括一组致动器的内燃发动机的一部分的平面图；

图3和图4分别是图2所示组件的端视图和侧视图，其中致动器的偏置组件处于其第一激活构型，其中图3是沿图4中标记的线A-A的截面端视图；

图5和图6分别是图2所示组件的端视图和侧视图，其中致动器的偏置组件处于其第二停用构型，其中图5是沿图6中标记的线B-B的截面端视图；

图7是图1所示的一对致动器的透视后视图；

图8是图3所示组件一端的放大透视图；

图9是图2所示组件沿线C-C的横截面端视图；

图10是根据本发明另一实施例的内燃发动机的一部分的平面图；并且

图11是图10所示组件的一部分的透视端视图。

具体实施方式

图1示出了体现本发明的旋转电磁致动器2。它包括可旋转地安装在定子6中的转子4。在所示的实施例中，定子6与第二致动器8共用。定子包括八个线圈10，它们围绕转子相对于转子的旋转轴线12均匀地周向间隔开。在致动器的操作中，通过选择性地给定子绕组通电，磁产生的扭矩被施加在转子上。为了清楚起见，图中省略了致动器8的转子。

凸轮表面14形成在转子上。辊形式的凸轮从动件16与凸轮表面接合。凸轮从动件16可旋转地安装在臂18的一端处。臂的另一端可旋转地安装在轴20上。轴20由转子4的支承壳体支撑。为了清楚起见，在图1中省略了这个支承壳体。轴20的暴露部分压配合到支承壳体中的孔中。

凸轮从动件16被偏置组件30推动成与凸轮表面14接合。该组件包括板簧32。板簧在第一端34处可枢转地安装在定子6上。板簧的第二相反端36抵靠凸轮从动件臂18，将其向下朝向凸轮表面14推动。板簧、凸轮从动件和凸轮表面被布置成使得偏置组件能够在转子上施加力，该力作用于转子轴线的一侧(而不是朝向转子轴线作用)使得其产生绕该轴线的扭矩。

本申请人提交的共同未决的英国专利申请中披露了优选的凸轮表面构型。

偏置组件还包括锁定圆柱体40形式的约束构件。锁定圆柱体40在使用中通过图1中未示出的装置安装成用于绕其中心纵向轴线42旋转。当锁定圆柱体如图1所示定向时，其圆柱形周向表面44与板簧32的趋向第一端34定位的一部分的上表面接合，并且因此限制板簧的向上移动。锁定圆柱体的周向表面还包括平坦的平面部分46，其在平行于锁定圆柱体的旋转轴线42并垂直于包含该轴线的平面的平面中延伸。

偏置组件30可在其中板簧响应于凸轮表面14和凸轮从动件16之间的相互作用的向上移动受到约束构件40所约束的构型(如图1所示)和第二构型之间切换，在该第二构型中板簧的向上移动在其第二端36响应于凸轮表面14和凸轮从动件16之间的相互作用而移动时不受约束。将参考图2至图8进一步详细描述这一点。

图2示出了用于紧固到致动器壳体的组件的平面图，该致动器壳体又紧固到内燃发动机的气缸盖上。它包括支撑框架50，该支撑框架承载用于控制两组偏置组件的两个控制机构，每个偏置组件与相应的旋转致动器相关联。

控制机构中的每一者包括可旋转轴52、54形式的控制器。每个轴通过各自的联接器56和58联接到一组四个致动器。更具体地，联接器包括连接在每个轴和每个致动器偏置组件的约束构件之间的扭簧。每个轴可由连接到相应曲柄臂60、62的相应致动器(未示出)来旋转。

图3和图4示出了处于其激活构型的控制机构，并且图5和图6示出了处于其停用构型的控制机构。

在激活构型中，从图3中可以看出，锁定圆柱体40的周向表面44与板簧32的上表面接触。这对应于图1所示的取向。板簧在与约束构件接触的位置处的向上移动被锁定圆柱体阻碍。因此，当板簧的远端36被凸轮从动件臂18向上推动时，板簧因此变形并将对臂18施加弹性偏置力。它还将以机械应变能量的形式储存能量。然后，随着并且当板簧的端部36被允许向下移动时，该能量将被传递回转子，这导致凸轮从动件16对转子施加加速扭矩。

在图5和图6所示的停用构型中，锁定圆柱体40已经被相关联的切换轴52旋转。圆柱体已经旋转成使得其平面46面向板簧。结果，当板簧处于其非偏转位置时，锁定圆柱体的邻近板簧的表面与板簧间隔开。当板簧的远端36然后被凸轮从动件臂18向上移位时，该移动(至少最初)不受锁定圆柱体40的限制。板簧能够绕枢轴64向上枢转到图5所示的位置。因此，远端64的向上移动不会使板簧变形，并且因此它不会对凸轮从动件臂18或进而对转子4施加偏置力。因此，在该构型中，偏置组件30对转子的旋转没有实质性影响。

在图7所示的优选构型中，凸轮从动件臂18和板簧32被螺旋弹簧48向上偏置。弹簧可以使得凸轮从动件臂、板簧和锁定圆柱体保持彼此接触，以避免松动零件可能会产生噪音和零件磨损的颤动。弹簧的一端47可以通过与支承壳体(图中未示出)接合而保持在固定位置，而另一端49可以联接到凸轮从动件臂的远端。

在图8和图9中更清楚地可见在每个切换轴52、54与相关联的锁定圆柱体之间存在的联接器的构型。图9示出了与切换轴52相关联的联接器。扭簧56的一端70连接到安装在切换轴52上的臂72。扭簧的另一端74位于锁定圆柱体40中的径向孔中。在图9中，切换轴52处于其激活构型。当在图9所示的方向上观察时，轴的顺时针旋转已经移动了臂72，移位了扭簧56的相关联的端部70，并导致弹簧对锁定圆柱体40施加偏置力，该偏置力推动柱体在逆时针方向上旋转。这将锁定圆柱体朝向图3所示的取向推动。

当切换轴随后从图9所示的方向逆时针旋转时，这进而使扭簧56的相关联的端部70移位成产生偏置力从而朝向图5所示的构型推动锁定圆柱体顺时针旋转。

当板簧的远端36已经被凸轮从动件臂18向上偏转时，可以看出板簧可以阻止或阻碍锁定圆柱体从一个取向到另一取向的旋转。因此，锁定圆柱体于是不能立即对切换轴的切换做出响应。然而，切换轴的移动通过扭簧56的变形来适应，该变形将机械应变能量存储在扭簧中。随着并且当板簧然后向下移动时，扭簧施加到锁定圆柱体上的偏置力于是将锁定圆柱体旋转到其其他的取向。

图10和图11示出了图2所示的构型的改进实施例。在该实施例中，每个锁定圆柱体具有其自己的切换轴80。每个切换轴进而具有其自己的致动器82，以用于选择性地切换相应的轴。在这种构型中，每个偏置组件可以独立于其他偏置组件从一种构型切换到另一构型，以对多个致动器操作提供更大的灵活性。

Claims (21)

1.一种电磁致动器，包括：

定子；

转子，其可相对于所述定子在所述转子的旋转范围内旋转；以及

偏置组件，用于向所述转子施加扭矩，

其中所述偏置组件可在以下构型之间切换：

(a)第一构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围的至少一部分上对所述转子施加扭矩，其中所施加的扭矩根据扭矩轮廓随所述转子的旋转位置而变化；以及

(b)第二构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围内基本上不对所述转子施加扭矩。

2.如权利要求1所述的致动器，其中所述偏置组件是机械组件，并且包括弹性机械部件。

3.如权利要求2所述的致动器，其中所述偏置组件包括约束构件，并且在所述偏置组件的第一构型中，所述约束构件处于第一取向并且约束所述弹性机械部件的一部分的移动，并且在所述第二构型中，所述约束构件处于第二取向并且在所述转子在其旋转范围内旋转时不约束所述弹性部件的移动。

4.如权利要求2或3所述的致动器，其中所述转子限定凸轮表面，并且所述偏置组件包括与所述凸轮表面接合的凸轮从动件，并且所述偏置组件对所述转子所施加的扭矩的大小取决于所述凸轮从动件被所述凸轮表面所移位的大小。

5.如权利要求4所述的致动器，其中所述弹性机械部件的第一部分形成或联接到所述凸轮从动件，并响应于所述凸轮从动件的移动而移动。

6.如权利要求5所述的致动器，其中所述弹性机械部件的第二部分在所述偏置组件的第一构型中比在所述第二构型中更受约束。

7.如权利要求6所述的致动器，其中所述弹性机械部件是可枢转地安装的板簧。

8.如权利要求6或7所述的致动器，其中所述弹性机械部件的所述第二部分的移动可通过减小所述约束构件的接合表面和所述弹性机械部件之间的距离来约束。

9.如权利要求3所述的致动器或如权利要求4至8中任一项当从属于权利要求3时所述的致动器，其中所述约束构件是可旋转构件，当所述偏置组件在其第一构型和第二构型之间移动时，所述可旋转构件相应地在其第一取向和第二取向之间旋转，其中当所述可旋转构件从其第一取向移动到其第二取向时，所述约束构件的接合表面在朝向所述弹性机械部件的方向上移动。

10.一种与任一前述权利要求所述致动器组合的控制机构，其中所述控制机构包括：

控制器，其可在第一与第二控制器位置之间移动；以及

所述控制器与所述偏置组件之间的联接器，

其中所述联接器被布置成使得当所述控制器处于所述第一控制器位置时，所述联接器将所述约束构件朝向其第一取向推动。

11.如权利要求10所述的组合，其中即使所述约束构件最初未能移动到其第一取向，所述控制器也能够从其第二控制器位置移动到其第一控制器位置。

12.如权利要求11所述的组合，其中所述联接器包括弹性部件，即使所述约束构件最初未能移动到其第一取向，所述弹性部件也能够使所述控制器从其第二控制器位置移动到其第一控制器位置。

13.如权利要求10至12中任一项所述的组合，其中所述控制器包括可旋转地安装的可旋转控制器构件和/或所述约束构件是可旋转地安装的。

14.如权利要求13所述的组合，其中所述弹性部件是扭簧。

15.如权利要求10至14中任一项所述的组合，包括多个如权利要求1至9中任一项所述的致动器，其中所述组合包括多个联接器，每个联接器设置在所述控制器和所述致动器中的相应一个致动器的偏置组件之间，

其中每个联接器被布置成使得当所述控制器处于所述第一控制器位置时，所述联接器朝向其第一取向推动所述致动器中的相应一个致动器的约束构件。

16.一种内燃发动机，包括至少一个气缸和权利要求1至9中任一项所述的致动器，所述至少一个气缸具有至少一个气门，其中所述致动器被布置成致动所述至少一个气门。

17.如权利要求16所述的发动机，包括多个气缸以及权利要求10至15中任一项所述的组合，每个气缸具有至少一个气门，其中所述致动器中的每一个致动器布置成致动相应的气门。

18.如权利要求17所述的发动机，包括：

多个气缸，每个气缸具有至少一个气门；

权利要求10至14中任一项所述的多个组合，每个组合的致动器联接到相应的气门；

其中每个组合的控制器可独立于其它控制器而移动。

19.如权利要求17所述的发动机，包括：

多个气缸，每个气缸具有至少两个气门，每个气缸的一个气门属于第一组气门，并且每个气缸的第二气门属于第二组气门；

权利要求15所述的第一和第二组合，其中所述第一组合的每个致动器被布置成致动所述第一组气门中的相应一个气门，并且所述第二组合的每个致动器被布置成致动所述第二组气门中的相应一个气门；并且

其中每个控制器的控制器可独立于另一控制器而移动。

20.一种操作电磁致动器的方法，所述电磁致动器包括：

定子；

转子，其可相对于所述定子在所述转子的旋转范围内旋转；以及

偏置组件，用于向所述转子施加扭矩，

该方法包括在以下各构型之间切换所述偏置组件的步骤：

(a)第一构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围的至少一部分上对所述转子施加扭矩，其中所施加的扭矩根据扭矩轮廓随所述转子的旋转位置而变化；以及

(b)第二构型，其中所述偏置组件在所述转子的旋转范围内基本上不对所述转子施加扭矩。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述致动器被布置成致动内燃发动机中的气缸的气门。