CN111557072A - 具有开环控制直接驱动的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有由两个止挡件限制的行程的无刷式旋转致动器，该旋转致动器包括：绕线定子(14、15)和磁性筒形转子(21)，磁性筒形转子(21)刚性地附接至轴(7)，轴(7)具有刚性地附接至控制构件(9)的第一端部，其特征在于，所述轴的第二端部刚性地附接至用作止挡件的行程限制部件(23)，所述行程限制部件(23)具有弯曲的弹性梁形状(50、51、52、53)，并且致动器以开环方式被电控制。本发明还涉及一种用于通过由这样的致动器驱动的杆来控制内燃发动机的气门的升程值的控制系统。

Description

具有开环控制直接驱动的致动器
发明领域
本发明涉及具有使控制构件沿着有限的角行程移动的直接驱动的电动致动器的领域。这种致动器例如可以用于驱动内燃发动机的凸轮轴的运动。
现有技术
专利EP1897211公开了一种单相电磁伺服致动器，该单相电磁伺服致动器包括被设计成使可移动构件沿着有限的行程移动的旋转致动器，该旋转致动器包括：2N极定子结构和至少一个励磁线圈，N等于1或2，所述定子结构由具有高磁导率的材料制成，以及转子，转子具有磁轭和薄的磁化部分，薄的磁化部分包括交替方向上的2N对轴向磁化极和转子角位置传感器。这些伺服致动器通常用于闭环中，即，通过由位置传感器提供的反馈而引起运动的连续控制，以确保精确定位。
现有技术的缺点
现有技术的这种解决方案的缺点在于，当转子的运动通过固体止挡件停止时会产生强烈的冲击。当止挡件太硬时，冲击可能造成反弹并且因此至少暂时性地造成不稳定的定位，并且由于反复的冲击也可能导致这些止挡件的断裂。为此，现有技术的解决方案经常使用位置传感器和闭环控制(具有用于连续反馈和连续运动校正的位置传感器)以使运动在运动结束时变慢，从而保护止挡件。然而，该解决方案使产品复杂化并且表现出巨大的成本。
本发明提供的解决方案
本发明的目的是通过提出一种下述致动器来解决这种所提及的缺点：该致动器以开环方式控制(即，没有来自位置传感器的连续反馈的控制)，在行程结束时限制冲击，同时确保高可靠性、鲁棒性和更长的使用寿命。
为此，本发明在其最一般意义上涉及一种具有由两个止挡件限制的行程的无刷式旋转致动器，该致动器包括卷线定子和磁性筒形转子，该磁性筒形转子刚性地附接至轴，该轴具有刚性地附接至控制构件的第一端部，其特征在于，所述轴的第二端部刚性地附接至用作止挡件的行程限制部件，所述行程限制部件具有弯曲的弹性梁形状，并且所述致动器以开环方式被电控制。
优选地，所述控制构件还具有弯曲的弹性梁形状。
有利地，所述梁由断裂应力与弹性模量之间的比值大于0.020且夏比缺口冲击强度大于20kJ/m2的材料制成。
梁和具有有利于粘弹性阻尼的机械特性的材料的这种组合确保了设备在开环控制中较长的使用寿命，在开环控制中，位置或速度不被连续控制，以在从致动器行程的一端移动至另一端时使冲击速度最小化。
被选择用于行程限制部件和控制构件的材料优选但不限于未填充的热塑性材料，并且所述梁是对称的，以允许从行程的一端至另一端的相同的阻尼。同样地，在开环控制中，例如在停止控制电压时，致动器可以在预定位置中接纳机械运动复位弹簧。
具体地，行程限制部件优选地具有：
·带有所述转子的至少两个接合垫，所述至少两个接合垫在纵向上接合在设置于所述转子的轭部的表面上的互补的壳体中，
·至少两个行程限制垫，所述至少两个行程限制垫在转子的所述接合垫的相反的侧部上轴向延伸，并且能够在两个行程限制止挡件之间移动，
·用于锚固弹簧的螺旋端部的装置，所述弹簧的相反的端部刚性地附接至所述致动器的壳体，
·所述部件的相对于转子轴的中心元件，
·能够弹性变形的区域，该区域将接合垫连接至连续的行程限制垫。
根据不互相排斥的变型：
-带有所述转子的所述接合垫中的每个接合垫垂直于径向臂延伸，
-所述行程限制垫中的每个行程限制垫在与所述接合垫的方向相反的方向上垂直于径向臂延伸，
-所述行程限制垫中的每个行程限制垫垂直于能够弹性变形的径向臂延伸，
-所述能够弹性变形的径向臂包括由径向槽分开的托架，
-所述径向臂延伸至中间环形区域，并且通过径向延伸的发夹形桥接件连接，
-所述径向臂和所述发夹形桥接件在第一横向平面中延伸，该第一横向平面相对于与由臂形成的所述中心元件相对应的第二平面偏移，所述臂连接用于使转子轴通过的环形中央区域，所述臂的相反端部连接至径向臂与所述桥接件中的一个桥接件之间的接合点，
-致动器包括环形磁体，该环形磁体围绕所述轴与所述接合点之间的内部区域，所述接合点在径向臂与所述桥接件中的一个桥接件之间，
-转子轴的前端部刚性地附接至联接叉状件，
-转子轴的前端部具有用于接纳黄铜环的带滚花的构型，热塑性部件被包覆成型到所述环上，以形成控制构件。
致动器替代性地包括位置传感器，该位置传感器设计成提供与转子的位置有关的反馈以确定致动状态。位置传感器通常是数字传感器，该数字传感器提供开/关反馈以确定是否已经执行致动，即，转子是否已经沿其行程移动。
该致动器的应用通常是但不限于经由控制构件对刚性地附接至机动车辆的凸轮轴的杆进行驱动。
因此，本发明还涉及一种用于控制包括凸轮轴的内燃发动机的气门的升程值的控制系统，其特征在于，所述凸轮轴的运动由无刷式旋转致动器驱动的杆来确保，该致动器具有由两个止挡件限制的行程，该致动器包括绕线定子和磁性筒形转子，该磁性筒形转子刚性地附接至轴，该轴具有刚性地附接至控制构件的第一端部，其中，所述轴的第二端部刚性地附接至用作止挡件的行程限制部件，其特征在于，所述行程限制部件具有弯曲的弹性梁形状，所述致动器以开环方式被电控制。
本发明的非限制性实施方式的详细描述
在参照附图阅读以下本发明的非限制性实施方式的详细描述时，将更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的致动器的沿着纵向平面的剖视图，
-图2是致动器在没有盖的情况下的俯视图，
-图3是致动器盖的仰视图，
-图4是行程限制部件的立体图，
-图5是致动器的详细视图。
致动器的总体描述
图1至图3图示了致动器的总体结构。
致动器包括大致筒形壳体(1)，壳体(1)在后端部处由盖(2)封闭。壳体(1)在其前部部分处具有固定凸耳(3、4)。壳体(1)在其前部部分处由前端部(5)封闭，前端部(5)穿过有用于使轴(7)通过的中央通道(6)。轴(7)由插入到通道(6)中的轴承(8)导引。唇形密封件(18)密封通道(6)。
该轴(7)在其第一端部处驱动控制构件(9)，该控制构件(9)的细节在图5中示出，控制构件(9)具有径向延伸的臂(10)，臂(10)通过在垂直于臂(10)的平面中延伸的叉状件(11)而延伸。臂(10)通过金属环(12)连接至轴(7)，金属环(12)包覆成型到臂(10)中并且与轴(7)的带滚花的端部配合。臂(10)和叉状件(11)优选地具有机械梁功能，当致动器的转子在开/关操作中到达行程终点时，机械梁功能有助于阻尼运动。将选择用于该控制构件的材料，以优化机械强度以及该阻尼功能，并且用于该控制构件的材料例如将是未填充的热塑性材料。
例如，所使用的材料是TW341，其中，拉伸弹性模量为1000MPa，断裂应力为55MPA、夏比缺口冲击强度为35kJ/m2。
致动器以已知的方式包括由基板(13)形成的定子，基板(13)包括铁磁片的板堆叠，其中，磁极件(14、15)以筒形部分的形式被驱动，磁极件(14、15)各自由电线的线圈(16、17)围绕。
在定子的中心，致动器在中央位置中具有管(19)，管(19)围绕轴(7)并且在其后端部处支承轴向球轴承(20)，轴向球轴承(20)支承转子(21)，转子(21)以已知的方式具有磁轭，磁轭承载永磁体，永磁体结合线圈(16、17)的作用用于致动。
当绕线定子供应有电流时，该组件导致转子(21)在第一方向上的角位移。弹簧(22)确保转子(21)在相反的角度方向上的角位移(返回)，直到转子(21)返回至原始位置为止。
刚性地附接至转子(21)并定位在轴(7)的第二端部处的行程限制部件(23)限制其在由弹簧(22)控制的静置位置与由定子的电流供应控制的工作位置之间的运动。
刚性地附接至转子(21)的环形永磁体(24)提供磁场，磁场通过定位在轴(7)的延伸部中的磁敏探针(25)检测。
该磁敏探针(25)安装在固定于盖(2)上的印刷电路板(26)上。
指定的是，使用由环形磁体(24)和磁敏探针(25)形成的位置传感器，以大致确定转子的位置(例如，知道转子是否进行运动)，但是该位置传感器不用于致动器的闭环控制。
图2更详细示出的是，弹簧(22)的一个端部固定在设置于壳体(1)上的凹口(27)中。另一端部(28)接合在叉状件(29)中，叉状件(29)在行程限制部件(23)上延伸。
行程限制部件(23)具有包括弧形部段的行程限制垫(30、31)，行程限制垫(30、31)分别垂直于叉状的径向托架(32、33)延伸。弹簧(22)容纳在由所述行程限制垫(23、24)的内表面限定的壳的内部。
行程限制垫(30、31)在形成于盖的内部的两个固定止挡件(34、35；36、37)之间移动。
在图3中，连接器(41)相对于盖(2)径向地延伸。夹(38、39、40)确保盖(2)固定至壳体(1)，而无需工具。
行程限制部件的详细说明
(图4)
行程限制部件(23)包括注射塑料部分。它相对于穿过两个行程限制垫(30、31)的中间纵向平面A具有第一对称性，并且相对于穿过两个接合垫(42、43)以及转子(21)的中间纵向平面B具有第二对称性。
这两个接合垫(42、43)分别垂直于臂(44、45)延伸，并且接合在设置于转子(21)的后表面上的互补的腔中。
这些臂(44、45)不与部件(23)的中心连结，而是从与转子(21)的半径相对应的端部延伸至中间半径(46、47)。
类似地，臂(32、33)不与部件(23)的中心连结，而是从与转子(21)的半径对应的端部延伸至中间半径(48、49)。
对结合垫(42、43)进行支承的臂(44、45)的后端部通过呈销(50至53)的形式的桥接件(50、51、52、53)连接至对行程限制垫(30、31)进行支承的邻近的臂(32、33)的后端部。
这些桥接件(50、51、52、53)径向延伸并限定弯曲端部，弯曲端部通过由径向槽(54至57)隔开的两个臂延伸。这样的槽(54至57)在角度上最接近的限制垫的一侧略微加宽。这些桥接件(50、51、52、53)形成弯曲的机械梁，因此提供了粘弹性变形，使得当行程限制垫(30、31)与止挡件(34、35或36、37)接触时，可以吸收冲击并消散其能量。优选地，通过在该行程限制部件(23)与控制构件(9)之间累积的阻尼性能的组合，显著提高致动器在应用中的服务期限和使用寿命。
该部件(23)的内部是具有中央通道(58)的构型，中央通道(58)由四个分开的臂(59至62)限定，所述四个分开的臂(59至62)连接至桥接件(50、51、52、53)与臂(32、33、44、45)之间的接合区域。
该构型在相对于由桥接件(50、51、52、53)和臂(32、33、44、45)限定的平面轴向地偏移的平面中。
为了允许弹簧预加载荷的最佳调节，止挡件限制部件具有若干叉状件(29、63至66)。弹簧的可移动端部可以接合在这些叉状件(29、63至66)中的任何一个叉状件中。

Claims (18)

1.一种具有由两个止挡件限制的行程的无刷式旋转致动器，所述致动器包括绕线定子(14、15)和磁性筒形转子(21)，所述磁性筒形转子(21)刚性地附接至轴(7)，所述轴(7)具有刚性地附接至控制构件(9)的第一端部，其特征在于，所述轴的第二端部刚性地附接至用作止挡件的行程限制部件(23)，所述行程限制部件(23)具有弯曲的弹性梁形状(50、51、52、53)，并且所述致动器以开环方式被电控制。
2.根据权利要求1所述的旋转致动器，其特征在于，所述控制构件(9)具有弯曲的弹性梁形状。
3.根据权利要求2所述的旋转致动器，其特征在于，所述行程限制部件和所述控制构件的所述弹性梁由断裂应力与弹性模量之间的比值大于0.020且夏比缺口冲击强度大于20kJ/m2的材料制成。
4.根据权利要求3所述的旋转致动器，其特征在于，用于所述行程限制部件(23)和所述控制构件(9)中的任一者/两者的材料是未填充的热塑性材料。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的旋转致动器，其特征在于，所述梁是对称的，以允许从行程的一端至另一端的相同的阻尼。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转致动器，其特征在于，所述旋转致动器包括用于在开环控制中使运动返回至预定位置的机械弹簧。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转致动器，其特征在于，所述行程限制部件(23)具有：
·带有所述转子(21)的至少两个接合垫(42、43)，所述至少两个接合垫(42、43)在纵向上接合在设置于所述转子(21)的轭部的表面上的互补的壳体中；
·至少两个行程限制垫(30、31)，所述至少两个行程限制垫(30、31)在所述转子的所述接合垫(42、43)的相反的侧部上轴向延伸，并且能够在两个行程限制止挡件(34至37)之间移动；
·用于锚固弹簧(22)的螺旋端部的装置，所述弹簧(22)的相反的端部刚性地附接至所述致动器的壳体(1)；
·所述部件的相对于转子轴(22)的中心元件(58)；
·所述部件(23)具有将接合垫(42、43)连接至连续的行程限制垫(30、31)的能够弹性变形的区域(50至53)。
8.根据前一权利要求所述的旋转致动器，其特征在于，所述接合垫(42、43)中的每个接合垫垂直于径向臂延伸。
9.根据权利要求7所述的旋转致动器，其特征在于，所述行程限制垫(30、31)中的每个行程限制垫在与所述接合垫的方向相反的方向上垂直于径向臂(32、33)延伸。
10.根据前一权利要求所述的旋转致动器，其特征在于，所述行程限制垫(30、31)中的每个行程限制垫垂直于能够弹性变形的径向臂(32、33)延伸。
11.根据前一权利要求所述的旋转致动器，其特征在于，所述能够弹性变形的径向臂(32、33)包括由径向槽分开的托架。
12.根据权利要求8和9所述的旋转致动器，其特征在于，所述径向臂延伸至中间环形区域，并且通过径向延伸的发夹形桥接件(50至53)连接。
13.根据前一权利要求所述的旋转致动器，其特征在于，所述径向臂和所述发夹形桥接件(50至53)在第一横向平面中延伸，所述第一横向平面相对于与由臂形成的所述中心元件(58)相对应的第二平面偏移，所述臂连接用于使所述转子轴通过的环形中央区域，所述臂的相反端部连接至径向臂与所述桥接件中的一个桥接件之间的接合点。
14.根据前一权利要求所述的旋转致动器，其特征在于，所述旋转致动器包括环形磁体(24)，所述环形磁体(24)围绕所述轴与所述接合点之间的内部区域，所述接合点在径向臂与所述桥接件中的一个桥接件之间。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转致动器，其特征在于，所述控制构件(9)呈联接叉状件的形式。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转致动器，其特征在于，所述转子轴的前端部具有用于接纳黄铜环(12)的带滚花的构型，热塑性部件(10)被包覆成型到所述环(12)上，以形成所述控制构件(9)。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的旋转致动器，其特征在于，所述旋转致动器包括位置传感器，所述位置传感器设计成提供与所述转子的位置有关的反馈以确定致动状态。
18.一种用于控制包括凸轮轴的内燃发动机的气门的升程值的控制系统，其特征在于，所述凸轮轴的运动通过由无刷式旋转致动器驱动的杆来确保，所述致动器具有由两个止挡件限制的行程，所述致动器包括绕线定子(14、15)和磁性筒形转子(21)，所述磁性筒形转子(21)刚性地附接至轴(7)，所述轴(7)具有刚性地附接至控制构件(9)的第一端部，其中，所述轴的第二端部刚性地附接至用作止挡件的行程限制部件(23)，所述行程限制部件(23)具有弯曲的弹性梁形状(50、51、52、53)，其中，所述致动器以开环方式被电控制。
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