CN112134435A - 一种无刷直驱直线伺服执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刷直驱直线伺服执行器，包括定子、动子和外壳，所述定子是一对电枢，镜像布置于动子两侧，所述外壳一体覆封定子，并在动子处形成动子腔，所述动子有一输出端伸出外壳，并能沿输出端方向直线运动。所述动子一侧布置有位移信号发射器，该侧外壳外布置的罩盖内有信号接收器，用于探测动子发射器位移信号。本发明执行器具有高可靠性、高精度、低成本的特点。

Description

一种无刷直驱直线伺服执行器

技术领域

本发明涉及一种无刷直驱直线伺服执行器，属于无刷电机领域，特别是涉及一种电枢定子一体覆封、动磁钢、带位置反馈的无刷直驱直线伺服执行器。

背景技术

在内燃机进排气应用领域，排放法规的不断升级要求进一步精确、快速、可靠的控制油耗和燃烧排放，比如采用废气再循环阀、电控可调的涡轮增压技术等来调节控制发动机。而这些调节功能需要使用能够耐受高温、震动、腐蚀，且高精度、高可靠性、高寿命的执行器。同时，大规模批量应用领域对制造成本又很敏感，由于旋转类电机应用广泛，制造成本低，直线运动通常优选旋转电机通过机械结构转换获得。

在已披露的专利US9322365B2中，为了控制发动机的废气再循环阀，有刷旋转电机首先通过一个二级齿轮进行放大，然后又通过一个偏心凸轮机构将旋转运动转换为直线运动。这类机械结构的转换，虽然可以用小功率的电机产生足够行程的线性推力，成本低廉。但对于废气再循环阀苛刻应用环境，以上技术方案存在较多的缺陷，比如机械转换结构需要高的加工精度，不管是齿轮精度还是齿轮装配相对位置精度，以及凸轮机构精度。已披露的专利US9614413B2就是为了进一步优化解决相关问题。同时考虑到使用温度变差，机械部件之间必须留有一定间隙避免卡死，考虑机械放大倍数，微小的间隙在输出端都会放大为更大倍数的运动误差；高频次长期工作后运动件进一步磨损，精度进一步降低。同时其位移传感器需要单独布置在输出端，考虑周围信号干扰，布置难度大，精度难于保证。机械部件还要承受高温、载荷冲击等，往往是产品失效的源头。使得系统寿命和可靠性大大降低。出于成本考量，通常这类方案采用的是有刷电机，由于碳刷存在磨损，其寿命受制于碳刷寿命，很难满足高可靠性内燃机应用要求。

以上方案如果使用无刷电机，如已披露的专利US7323835B2，通过一个螺杆结构将电机旋转运动转换为线性运动。虽然可以消除碳刷寿命限制，但由于需要电子换相和控制，执行器电子部分成本大大增加。所述专利就是通过优化霍尔传感器的布置来尽量降低电子部分的成本。对于内燃机高温应用环境，电子可靠性随着温度增加而大大降低，一旦突破125℃的器件等级，电子部件成本进一步增加。为确保输出端位移精度，通常还要在输出端额外增加一个位移传感器，这不但增加了电子布置难度，同时又增加了成本。而且所述专利方案同样无法避免前述机械转换结构的缺陷。

在另一个本申请人已披露的专利中（专利号CN 104377843 B），公布了一种无刷直驱旋转扭矩执行器，可以通过凸轮板结构将旋转运动转换为直线输出（参见专利CN203822497 U）。这种无刷直驱扭矩旋转执行器由于是有限转角，可以实现有刷电机一样的控制方式，无需电子换相，同时内部直接集成旋转位置传感器，从而可以满足高温、高可靠性应用，驱动控制器成本低。但还是无法脱离机械转换机构。机械结构精度、可靠性问题还是存在。仍旧不是最理想的解决方案。

虽然无刷直驱直线电机领域已有不同的专业人员进行了探索，但尚无满足上述苛刻应用领域的技术。比如最早期披露的专利US4195277，这里通过一个电枢定子单侧布置一垂直于运动方向充磁的磁钢，或两组相对布置的电枢定子中间布置一垂直于运动方向充磁的磁钢来实现动磁钢结构的线性运动。但这样的结构输出效率低，缺乏具体工业应用价值。进一步的，已披露的专利CN101451520B公开了一种两组多极绕组组成的电枢相对布置的定子，中间布置有至少一对磁钢组成的动子结构，这样的设计用于压缩机应用，在交流电流作用下，动子往复运动实现空气的压缩。这样的结构，机构复杂、体积大、制造成本高，对于苛刻的应用环境条件无法保证可靠性和寿命，电机也无法实现行程位移反馈控制。因而无法满足上述高可靠性、高精度、低成本的应用需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有定子电枢一体覆封结构、动磁钢、带行程位移反馈的无刷直驱直线伺服执行器。具体结构如下： 一种无刷直驱直线伺服执行器，包括定子、动子和外壳，所述定子是一对电枢，镜像布置于动子两侧，所述外壳一体覆封定子，并在动子处形成动子腔，所述动子有一输出端伸出外壳，并能沿输出端方向直线运动。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述动子在动子腔内能沿外壳内壁滑动，与外壳滑动接触的一侧布置有位移信号发射器，该侧外壳外还设有一罩盖，所述外壳与罩盖连接，罩盖内布置有与位移信号发射器匹配的接收器，所述发射器和接收器均布置于定子电枢的镜像对称中心面上。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述外壳与罩盖连接，是指外壳与罩盖卡扣连接。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述外壳与外罩连接处还设有密封槽，密封槽内布置有密封件。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述动子包括框架和固定于框架内的磁钢，所述动子输出端自框架延伸形成，框架能沿外壳内壁滑动。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述动子框架与外壳内壁接触面之间设有衬套，所述衬套为耐磨耐载荷材料。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述动子框架上设有沉孔，所述磁钢定位布置于所述沉孔内，所述动子框架沉孔区域为软磁材料。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述动子输出端与外壳接触面之间设有衬套。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述定子电枢包括一个具有至少3个定子极的铁芯和环绕至少一个定子极的骨架，所述骨架内绕有线圈，所述一对电枢的线圈首尾相连。

在上述技术方案的基础上，进一步的，所述外壳在动子输出端对侧开有安装口，所述安装口上设有匹配的封盖。

本发明的有益效果是：所述执行器定子由一对电枢较动子镜像对称布置，所述动子所承受的垂直于镜像对称中心面的力被平衡，只承受动子移动方向的推拉力。且区别于一般动子电枢、外壳机械装配结构，误差累积叠加后动子与定子之间空气间隙变差大。本发明定子电枢通过外壳一体覆封，所形成的动子腔与定子极之间由模具定位成型，位置精度非常高，动子在外壳内摩檫力极小，大大降低滑动面磨损，从而增加滑动系统寿命和可靠性，同时增加系统实际有效输出。当动子框架与外壳内壁接触面之间，以及动子输出端与外壳接触面之间设有衬套，所述衬套为耐磨耐载荷材料，可以进一步提高系统承载能力，降低摩擦力。

所述执行器定子通过外壳一体覆封，定子电枢线圈产生的热量可以通过完全包覆的一体覆封外壳导热，散热性能大大增强，可靠性和寿命增加。

所述发射器和接收器均布置于定子镜像对称中心面，定子电枢以及动子磁钢在此位置产生的磁场在沿着镜像对称中心面且垂直于运动方向的磁场分量几乎为零，当接收器以此分量进行探测的时候完全不受执行器磁场干扰。同时动子为直驱运动，没有任何机械转换间隙，不存在机械转换误差，可以实现任何位置无极位移控制。以上确保所述执行器长期运行的高精度。

所述执行器定子通过外壳一体覆封，部件成型精度高，结构简洁紧凑，整体部件数量少，加工装配简单可靠，在有限行程范围内不需要复杂的电子驱动器，可以像普通有刷执行器一样控制。因此整体生产制造和使用成本低。特别适用于大批量应用。

附图说明

图1是本发明第一实施例执行器等轴侧视图。

图2是本发明第一实施例执行器俯视图。

图3是本发明第一实施例执行器左视图。

图4是本发明第一实施例执行器定子B-B平面剖面图。

图5是本发明第一实施例执行器B-B平面剖面图。

图6是本发明第一实施例执行器C-C平面剖面图。

图7是本发明第一实施例执行器A-A平面剖面图。

图8是本发明第二实施例执行器俯视图（无封盖、无动子）。

图9是本发明第三实施例执行器动子正视图。

图10是本发明第三实施例执行器动子D-D剖面图。

图中标号说明：

1-定子；2-动子；3-罩盖；4-封盖；5-空气间隙；6-密封件；10-铁芯；101-定子极；102-定子极靴；11-骨架；12-铜线；13-外壳；131-动子腔；132-输出孔；133-抓爪；134-密封槽；14-动子衬套；15-输出端衬套；16-镜像对称面； 21-动子框架；22-磁钢；23-输出端；24-发射器；31-接插件；311-PCB固定柱；312-卡扣；32-接收器；33-PCB板。

具体实施方式

图1是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器等轴侧视图。具体实施方式如下：所述执行器包括定子1（本图不可视）、动子2、罩盖3、封盖4和外壳13。所述定子1包括一对电枢并通过外壳13一体覆封，所述外壳13材料可以是塑料或其他可以覆封固化材料，在外壳13内成型有动子腔131，所述动子2自外壳13上的安装口装入所述动子腔131内，并由封盖4闭合动子腔131。所述动子腔131对所述动子2相对限位，并确保其在动子腔131内沿Z轴方向上下移动。所述外壳13侧面布置有一罩盖3。

图2是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器俯视图，图3是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器左视图。

图4是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器定子B-B平面剖面图。具体实施方式如下：所述执行器定子1包括一对相对于镜像对称中心面16镜像布置的电枢，所述电枢包括铁芯10、骨架11、铜线12，所述骨架11套装于铁芯10的3个定子极101的中间极上，所述铜线12缠绕于骨架11绕线槽内。所述两组电枢的铜线12可以首尾相连形成单相，当通过电流时，使得以镜像对称中心面16相对布置的定子极101产生N、S相反的励磁磁场。所述定子极靴102设计有倒角，且中间极靴与两侧极靴倒角设计不同，所述倒角设计兼顾磁路设计需要，确保输出性能，同时最大化降低定子铁芯10的重量，提供铜线12最大的绕线空间，保证更高的槽满率。

图5是本发明第一实施例的无刷直驱直线伺服执行器B-B平面剖面图。具体实施方式如下：两组电枢通过外壳13一体覆封，形成坚固的一体结构，外壳13内形成动子腔131和用于伸出输出端23的输出孔132，动子2两侧与动子腔131配合，确保动子2安装定位于定子1的镜像对称中心面16上，从而使得动子2与两侧定子极靴102之间具有均匀的空气间隙5。动子2包括动子框架21、磁钢22，动子框架21延伸形成输出端23，通过输出孔132伸出执行器，用于与被驱动机构连接。所述磁钢22具有两对垂直于镜像对称中心面16且N、S交替的磁极。封盖4在将动子2装入定子1后封闭动子腔131。

图6是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器C-C平面剖面图，所述执行器定子1包括两组相对于镜像对称中心面16镜像布置的电枢。所述电枢包括铁芯10、骨架11、铜线12。所述电枢通过外壳13一体覆封，形成坚固的一体结构，并形成动子腔131。所述动子2与所述动子腔131配合，确保所述动子2定位安装于所述定子1的镜像对称中心面16上。从而使得所述动子2与两侧定子10端面之间具有均匀的空气间隙5。所述动子2的一侧布置有位移信号发射器24，且所述发射器24的中心位于镜像对称中心面16上。布置有所述发射器24一侧的外壳13侧面安装有罩盖3，外壳13在该侧面外形成罩盖接口用于与罩盖连接。所述罩盖3内部布置有PCB板33，所述PCB板33通过所述罩盖3上的PCB固定柱311定位。所述PCB板33上布置有接收器32，所述接收器32中心布置在镜像对称中心面16上，与内部发射器24相对。动子2相对定子1运动时，所述接收器32接收动子2上的发射器24发出的变化信号，从而计算和输出动子2相对定子1的精确位移量。所述罩盖3外部有一接插件31，用于与外部进行电气连接。所述定子1与罩盖3配合位置有多个抓爪133，所述罩盖3与定子1抓爪133配合位置有多个卡扣312，以实现定子1与罩盖3的安装配合。所述定子1与罩盖3配合部位同时有密封槽134，所述密封槽134内填充密封件6，比如密封圈或胶，以实现罩盖内部密封。

图7是本发明第一实施例无刷直驱直线伺服执行器A-A平面剖面图，动子2相对定子1可沿Z轴方向上下移动，外壳13对应动子2输出机构开口有输出孔132。所述动子2与罩盖3相对的一侧侧面布置有发射器24。所述发射器24中心布置在镜像对称中心面16上。当动子2在行程中心位置时（如图位置），接收器32布置在所述发射器24正上方。

以上本发明第一实施例的无刷直驱直线伺服执行器，动子2与定子1之间的磁场力在垂直于所述定子镜像对称中心面16上的分量大小相等，方向相反。因而，动子2理论上不承受任何垂直于所述定子镜像对称中心面16的力，只承受动子移动方向的推拉力。且区别于一般动子电枢、外壳机械装配结构，误差累积叠加后动子与定子之间空气间隙变差大。本发明定子电枢通过外壳13一体覆封，所形成的动子腔131与定子极靴102之间由模具定位成型，位置精度非常高，因而动子2在定子腔131内摩擦力极小。大大降低滑动面磨损，从而增加滑动系统寿命和可靠性，同时增加系统实际有效输出。

发射器24布置在镜像对称中心面16上，定子电枢以及动子磁钢22在此位置产生的磁场在沿着镜像对称中心面16且垂直于运动方向的磁场分量几乎为零，当接收器32以此分量进行探测的时候完全不受执行器磁场干扰。同时动子2为直驱运动，没有任何机械转换间隙，不存在机械转换误差，可以实现任何位置无极位移控制。可以长期确保所述执行器运行的高精度。

所述执行器定子通过外壳一体覆封，定子电枢线圈产生的热量可以通过完全包覆的一体覆封外壳13导热，散热性能大大增强，可靠性和寿命增加。

所述执行器定子通过外壳13一体覆封，部件成型精度高，结构简洁紧凑，整体部件数量少，加工装配简单可靠，在有限行程范围内不需要复杂的电子驱动器，可以像普通有刷执行器一样控制。因此整体生产制造和使用成本低。特别适用于大批量应用。

图8是本发明第二实施例无刷直驱直线伺服执行器动子结构俯视图（无封盖、无动子）。具体实施方式如下：第二实施例相对第一实施例主要区别是，外壳13的动子腔131侧面布置有衬套14，输出孔132内侧布置有输出端衬套15。所述衬套14和15为耐磨耐载荷材料，这样的布置可以进一步增加承载能力和耐磨性能，从而进一步降低实际摩檫力，提高系统可靠性。

图9图10分别是本发明第三实施例执行器动子正视图及D-D剖面图，具体实施方式如下：本发明第三实施例动子整体结构与第一、第二实施例相似，其区别特征是，动子框架21两侧用于布置磁钢22的位置为沉孔，框架21中央不贯穿，至少2片磁钢分别贴于框架两侧沉孔内，并形成N、S交替的磁场。所述动子框架21沉孔区域为软磁材料。这样的布置方案不但可以大大增强动子结构机械强度，同时有效定位磁钢，确保部件位置精度。同时在必要的机械空间内减少磁钢的使用数量。降低成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明无刷直驱直线伺服执行器并不限定于上述的实施方式，也不因此限制本发明的专利范围。凡是在以上发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的结构衍生变换，直接或间接运用在其他技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：包括定子、动子和外壳，所述定子是一对电枢，镜像布置于动子两侧，所述外壳一体覆封定子，并在动子处形成动子腔，所述动子有一输出端伸出外壳，并能沿输出端方向直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述动子在动子腔内能沿外壳内壁滑动，与外壳滑动接触的一侧布置有位移信号发射器，该侧外壳外还设有一罩盖，所述外壳与罩盖连接，罩盖内布置有与位移信号发射器匹配的接收器，所述发射器和接收器均布置于定子电枢的镜像对称中心面上。

3.根据权利要求2所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述外壳与罩盖连接，是指外壳与罩盖卡扣连接。

4.根据权利要求3所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于，所述外壳与罩盖连接处还设有密封槽，密封槽内布置有密封件。

5.根据权利要求4所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述动子包括框架和固定于框架内的磁钢，所述动子输出端自框架延伸形成，框架能沿外壳内壁滑动。

6.根据权利要求5所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述动子框架与外壳内壁接触面之间设有衬套。

7.根据权利要求5所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述动子框架上设有沉孔，所述磁钢定位布置于所述沉孔内，所述动子框架沉孔区域为软磁材料。

8.根据权利要求1至7任一所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述动子输出端与外壳接触面之间设有衬套。

9.根据权利要求1至7任一所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述定子电枢包括一个具有至少3个定子极的铁芯和环绕至少一个定子极的骨架，所述骨架内绕有线圈，所述一对电枢的线圈首尾相连。

10.根据权利要求1至7任一所述的一种无刷直驱直线执行器，其特征在于：所述外壳在动子输出端对侧开有安装口，所述安装口上设有匹配的封盖。

Images