CN1235406A - 一电力转矩电动机中破冰用的转矩放大器 - Google Patents

一电力转矩电动机中破冰用的转矩放大器 Download PDF

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Abstract

一种对电力转矩电动机系统的输出转矩进行放大的方法。由转矩电动机输出的转矩从一正常工作转矩被放大到一个足够克服冰及其它障碍物的放大转矩。包括:将一个在顺时针方向和反时针方向之一的转矩施加到转子上,从而使连接到进气节气门阀板上的输出轴扭曲。然后使施加到该转子上的转矩反向。以一个等于该机械系统的自然频率的选定频率连续地重复上述转矩施加步骤,该电动机和节气门阀板为该机械系统的零部件。

Description

一电力转矩电动机中破冰用的转矩放大器
本发明涉及分转速型电动机或通常所谓的转矩电动机。这种类型的电动机典型地都提供有转子一定数量的角位移或转动,该数量基于施加的电信号,例如转子角位移与施加的电压或流过该电动机绕组的电流大小成正比。但是,在有利地利用特定振动来确保理想移动方面,本发明可有更广的应用。
转矩电动机在各种控制系统中已经得到广泛的应用,此时希望该转矩电动机使一轴或一部件旋转到一具体位置,或响应一电控信号将一特定量的转矩施加到一轴上。具体地说,在汽车工业,已利用一转矩电动机并借助于一电信号来控制一内燃机空气进气节流阀的位置,而不是由使用者使一个连接到该节流阀上的机械节流联动装置产生运动来控制。对发动机节流阀实行电控的呼声在某些机动车中已经越来越高,此时希望能提供巡航控制和/或根据车辆遇到的极端驾驶情况或紧急情况越过使用者而引入节流位置控制机构。例如,在车辆中采用防抱死制动系统或牵引控制系统时,希望在某些情况下使该电控系统也参与确定该节流阀位置,而不是由使用者引入加速器踏板进行控制。因此,对电阀控制的要求越来越高,而机械联接的使用逐渐减少。
在某些机动车运行条件下,有可能在一机动车节气门电控装置的节气门或阀上及周围结冰。在这种情况下,节气门响应于由转矩电动机施加的转矩而产生的运动受到了阻止。当然,在这种情况下车辆不可能进行安全并有效的运行。用以前的纯机械式节气门位置控制联接,车辆的操作者可简单地通过对加速踏板施加逐步增大的力来克服结冰。除了结冰之外,由于在车辆电子节流组件中采用紧密配合的制造公差,因此在从属转矩电动机的控制下,脏物或其它碎片可能堵塞该节气门并阻止其运动。
因此,为了解决这些问题,一种带有能输出一足够高的输出转矩从而能毫无困难地克服结冰和其它障碍的转矩电动机已经被使用。然而,不幸的是,按照电动机成本及空间布置要求,采用大的,高输出转矩的电动机是不合算的。例如,(在不结冰或没有其它障碍的)“正常”条件下,电控节气门工作所要求的工作转矩是这些前述电动机的输出转矩的约25%,即基于使“结冰破裂”的要求而不是典型的操作要求选择前述电动机用于电控节气门控制。
如上所述,人们已经迫切希望开发出一种能用于电控节气门控制系统或其它机械系统中的转矩电动机及其控制方法,其允许根据从电动机中输出的正常工作所要求的输出转矩,而不是根据清除结冰或其它障碍所要求的输出转矩选择一转矩电动机。采用这样的电动机,而不是大的高输出转矩的电动机可降低制造成本和电动机的空间布置要求,并且利于用作大体积的机动车部件及其它使用场合。
根据本发明的第一方面的内容,其提供了一种将由一机械系统的电力转矩电动机输出的输出转矩进行放大的方法。该转矩从一正常的工作转矩放大到一足够克服阻止该转矩电动机一转子运动的障碍的放大转矩。该主题方法包括:将一顺时针方向和一反时针方向之一的转矩施加到该转矩电动机的转子上。然后,使施加到该转子上的转矩反向以致于可使顺时针反向和反时针反向之另一个其它转矩施加到该转子上。前述的转矩施加步骤按一选定的频率不断地反复进行,该频率等于该机械系统的自然频率,该电动机为该机械系统的一部分。这样,就可将施加到该转子上的转矩借助共振放大到一个足够克服结冰或其它障碍的水平。
根据本发明的另一方面的内容,可提供一种克服阻止连接到一机械系统中的一电力转矩电动机转子上的节气门的运动的方法并包括放大电动机的工作转矩。该方法包括:在第一和第二相对的方向,按一选定的频率相继地将转矩施加到该转子上,从而使该转子依该机械系统的自然频率振动,直到该电动机的输出转矩被放大到可克服障碍为止。
根据本发明的再一方面的内容,其提供一种转矩电动机系统,该系统包括:一个带有一组磁极片的定子,一个在该组定子磁极片的每一个上绕制的并由导电材料制成的绕组及一个由可透磁材料制成的并设置于可相对该定子转动的且包括多个由永久磁性材料构成的磁极的转子。当对各绕组进行选定励磁时,电磁感应转矩作用到所述转子上,使所述转子和连接到所述转子上的所述机械系统的各零部件随所述转子一起旋转。设置一个依微处理器为基础的控制系统,用于根据一储存的控制程序对各个所述绕组的励磁进行选择。该控制系统对各个绕组进行如此的励磁选择,以致于转矩是按一个大约等于该机械系统的自然频率的转矩放大频率相继按第一和第二相对的方向施加到所述转子上的。
本发明的优点之一归功于:提供了一种对一转矩电动机的转矩输出进行放大,从而克服阻碍连接到该转矩电动机转子上并与之一起旋转的一元件的运动的障碍的方法。
据发现,本发明的另一优点归功于:提供了一种对车辆电子节气门控制系统的一转矩电动机进行控制,从而克服结冰或其他可阻碍一个连接与该转矩电动机转子连接并一起转动的节气门的运动的障碍的方法。
本发明的再一优点是:它可以在电子节气门控制装置中和在上述的为了克服对连接到该转子上的零部件的障碍而要求使用更大、更贵的电动机的其它应用场合中使用更小、更便宜的转矩电动机。
本发明的其它优点及有利的地方可在阅读和理解下述说明书后,对本技术领域的普通技术人员来说,可变得更清楚明显。
本发明可具有这样的形式,即依某些部分和这些部分的布置,某些步骤和这些步骤的布置出现的形式,此处对优化实施例进行了说明。各个附图只是为了说明本发明的各实施例,但并不能认为是对本发明的限制。
图1是用于在一电子节气门控制系统中对一节气门进行控制这种类型的转矩电动机的横剖视图;
图2是沿图1中2-2线剖开的剖视图;
图3是一机动车内燃机空气进气系统和相关的电子节气门控制系统的简化视图;
图4是图3所示电子节气门控制系统的示意图,示出了节气门被冰或其它障碍物卡住的情况。
图1和2表示用于控制用在一车辆电子节气门控制系统中的节气门的位置这种形式合适的转矩电动机10。本发明将参照该电动机10被说明,但本技术领域的普通技术人员可以认识到本发明并不局限于任何具体的转矩电动机,并且根据本发明也可使用其它各种类型的转矩电动机。另一种合适的转矩电动机见共同转让的和共同未决的美国专利申请题为“Torque Motor and Drive Circuit”,由David Turner以美国特快邮件同时提交的。
电动机10包括一个在其中设置一个图中示出为一球轴承的第一轴承14的基件12。一定子件16具有四个电极片18、20、22、24,并且该定子件16的一端相对该基件12呈悬架结构布置。一夹紧件或星形夹紧盖26具有一在图中整体以28示出的并安装于其中的第二轴承。该盖件26相对定子16的自由端对齐并由螺栓32固定。一输出轴34通过轴承14、28支承并从该些轴承处朝外延伸。该输出轴邻接轴承28的端部借助于诸如金属变形或焊接方法固定连接到一个大致杯形转子38的封闭端部36上,该转子套在该定子16上。这样,该输出轴34就与该转子一起旋转。
该定子16具有一个由诸如导磁线之类的连续导电材料绕由标号40、42、44、46表示的定子电极片的每一个绕制而成的绕组。多个永久磁铁沿该转子筒38的内圆周布置,标号为48、50、52、54。每个磁铁的磁极对着径向方向。在优化布置中,该些磁极由四个离散的磁铁形成的。
继续参见图1和2,一个具有大致杯形结构的外壳或盖56装纳于该转子上方,并由任何适当的方法附着到该基件12上。一电插孔58设置于该基件12上并包括一对由标号60表示并示出的接电销。应该懂得这些接电销每一个都分别连接到绕组40-46的每一组的一端。此外,流过绕组40-46的电流由一个通过该插孔58可操作地连接到该电动机上的电控系统62控制。如下面将要进一步详细说明的那样,该控制系统62控制着流过绕组40-46的电流,从而控制该转子与该定子的相对位置。
所示出的电动机10能产生一个总长度为80mm,总直径为62mm的最大旋转弧度“Π/4”,并由规格为20gauge(0.79mm)的导磁线绕在每一个定子磁极片上60圈。该电动机10在两个方向,即“顺时针方向”或“反时针方向”旋转的能力对实行本发明的功能是必要的。已经发现:在定子电极片18-24和磁极片46-52的内圆周之间沿径向存在大约0.5-1.0mm的空气间隙是令人满意的。对于一台具有一个长度为60mm的电动机来说,空气间隙为0.75mm被证明是令人满意的。较好的是,该定子绕组是由铜导磁线绕制的;但应该懂得如果需要也可以使用铝或其它材料。还应该懂得该转矩电动机10也可由定子和绕组导线的大小与绕组的匝数形成的其它组合构成,并且该电动机除所列出的特定尺寸之外也可以由其它的尺寸大小和结构形式构成。
参见图3和5,一内燃机E用的一节气门电控系统被示意性的示出了,并包括空/燃进气通道或支管I。空气通过一空气滤清器A进入该进气支管I。空气进入并流过该进气支管I的流动由一节气门阀T控制。该节气门阀T可选择完全阻止空气流或旋转一不同的量从而可允许对流入内燃机E中的空气流作出选择。一个燃油喷射器F可选择地将汽油或其它燃料喷入该内燃机E中的用于燃烧的空气流中。
该节气门阀T的转角位置由转矩电动机10控制。更具体地说,电动机10的输出轴34与该节气门阀T连接,所以该阀板一起旋转并与电动机10的转子38一起旋转。本技术领域的普通技术人员可认识到:如果该节气门阀T由冰或类似物堵住了,则车辆操纵者不能控制该节气门阀的位置,及该内燃机E的输出。
节气门阀T由冰或其它障碍物卡住时的情况按一机械系统S示意性地示出于图4中。该转矩电动机的惯量Jm通过该个具有一个长度L和直径D可选择的轴34连接到该被卡住的阀板T上。该机械系统具有一个自然频率,该自然频率可按传统方法确定,如下述:
Jm=转矩电动机惯量
D=轴直径
L=轴长度
G=轴材料模量 L JG = k
轴的弹簧常数在此由k给出。 f = 1 2 π k j
自然频率由上式给出。
这是通过合适的电动机线圈励磁为产生共振条件而施加到转子38上的振荡转矩的频率。在上述转矩电动机10情况下,自然频率计算为0.91Hz。
根据本发明为了对该电动机10的输出转矩进行放大,迫切希望使该电动机以该机械系统S的自然频率振动,从而形成共振条件。具体地,当阀板T被卡住时,该控制器62利用本发明的转矩放大方法使该些绕组40-46励磁,从而将一个第一顺时针转矩或反时针转矩施加到该转子38上。由于该节气门阀板T被卡住不能运动,因此轴34被扭曲或“扭弯”成一弹簧形。然后,该控制器62使绕组40-46励磁,从而反方向的转矩被施加到该转子38上。其结果是,该轴34又在反方向产生扭曲。如果以该机械系统S的自然频率F反复不断地进行这样的运行,如果假定不存在衰减,则该电动机10的轴34的输出转矩将可能达到无穷大。但实际中,轴承14、周围环境、电磁力及轴的磁滞现象会产生衰减。但这些都显示出对使转矩放大到足够克服节气门阀板T的冰及其它障碍物的目的不存在显著的作用。例如采用本发明所述的方法,可将由电动机10正常工作输出的转矩放大5-10倍。
尽管上述参见所示的优化实施例对本发明进行了说明,但应该懂得:本发明可被修改和变形,并且本发明只由下述各个权利要求限定。

Claims (11)

1.一种对由一机械系统的一电力转矩电动机输出的的输出转矩从正常工作的转矩放大到一个足够克服阻碍该转矩电动机转子运动的障碍物的放大转矩的方法,其包括:
(a)将一个顺时针和反时针方向之一的转矩施加到该转矩电动机的转子上;
(b)使施加到该转子上的转矩的方向反向,以致于使顺时针和反时针方向之另一个的转矩被施加到该转子上;
(c)以一个等于该个包括该转矩电动机的机械系统的自然频率的选定频率不断地重复步骤(a)和(b)。
2.如权利要求1所述放大转矩电动机转矩输出的方法,其特征在于,还包括:在步骤(a)之前,确定该个包括转矩电动机的机械系统的自然频率。
3.如权利要求1所述方法,其特征在于,步骤(c)包括使步骤(a)和(b)相继地重复直到该转矩电动机的放大输出转矩比该转矩电动机的正常工作转矩大至少5倍时为止。
4.如权利要求3所述方法,其特征在于,步骤(c)包括使步骤(a)和(b)相继地重复直到放大输出转矩处于比正常的工作转矩大大约5倍-大约10倍的范围内为止。
5.如权利要求3所述方法,其特征在于,步骤(c)包括使步骤(a)和(b)以一大约0.91赫兹的选定频率相继地重复。
6.借助于对所述电动机的输出转矩进行放大来克服阻止一个连接到一机械系统中的电力转矩电动机转子上的节气门阀板的工作运动的障碍物的方法,所述方法包括:
以一选定的频率将转矩在第一方向和第二方向连续地施加到所述转子上,从而使该转子以该机械系统的自然频率振动,直到由该转矩电动机输出的转矩被放大到可克服该障碍物为止。
7.如权利要求6所述方法,其特征在于,该转矩电动机的工作转矩被放大的倍数处于大约5倍-10倍的范围内。
8.如权利要求6所述方法,其特征在于,该选定的频率为大约0.91赫次。
9.一种转矩电动机系统,其包括:
一个包括多个电极片的定子;
一个由导电材料绕多个定子电极片的每一个上绕制而成的绕组;
一个由可透磁的材料制成的并设置于可相对该定子转动的且包括各个由永久磁性材料构成的磁极的转子,所以当对各绕组进行选定励磁时,电磁感应转矩作用到所述转子上,使所述转子旋转并使连接到所述转子上的所述机械系统的各零部件随所述转子一起旋转;及
一个控制系统,用于根据一储存的控制程序对各个所述绕组进行选择励磁,所述控制系统对各个绕组进行如此的励磁选择,以致于该转矩以一个大约等于该机械系统的自然频率的转矩放大频率在第一和第二相对的方向连续地作用到所述转子上。
10.如权利要求9所述转矩电动机系统,其特征在于,该转矩放大频率为大约0.91赫兹。
11.如权利要求9所述转矩电动机系统,其特征在于,所述机械系统包括一个由一输出轴连接到一所述转子并与之一起旋转的空气流量节流控制板。
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