一電力轉矩電動機中破冰用的轉矩放大器的製作方法
2023-09-15 01:32:25 6
專利名稱：一電力轉矩電動機中破冰用的轉矩放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及分轉速型電動機或通常所謂的轉矩電動機。這種類型的電動機典型地都提供有轉子一定數量的角位移或轉動，該數量基於施加的電信號，例如轉子角位移與施加的電壓或流過該電動機繞組的電流大小成正比。但是，在有利地利用特定振動來確保理想移動方面，本發明可有更廣的應用。
轉矩電動機在各種控制系統中已經得到廣泛的應用，此時希望該轉矩電動機使一軸或一部件旋轉到一具體位置，或響應一電控信號將一特定量的轉矩施加到一軸上。具體地說，在汽車工業，已利用一轉矩電動機並藉助於一電信號來控制一內燃機空氣進氣節流閥的位置，而不是由使用者使一個連接到該節流閥上的機械節流聯動裝置產生運動來控制。對發動機節流閥實行電控的呼聲在某些機動車中已經越來越高，此時希望能提供巡航控制和/或根據車輛遇到的極端駕駛情況或緊急情況越過使用者而引入節流位置控制機構。例如，在車輛中採用防抱死制動系統或牽引控制系統時，希望在某些情況下使該電控系統也參與確定該節流閥位置，而不是由使用者引入加速器踏板進行控制。因此，對電閥控制的要求越來越高，而機械聯接的使用逐漸減少。
在某些機動車運行條件下，有可能在一機動車節氣門電控裝置的節氣門或閥上及周圍結冰。在這種情況下，節氣門響應於由轉矩電動機施加的轉矩而產生的運動受到了阻止。當然，在這種情況下車輛不可能進行安全並有效的運行。用以前的純機械式節氣門位置控制聯接，車輛的操作者可簡單地通過對加速踏板施加逐步增大的力來克服結冰。除了結冰之外，由於在車輛電子節流組件中採用緊密配合的製造公差，因此在從屬轉矩電動機的控制下，髒物或其它碎片可能堵塞該節氣門並阻止其運動。
因此，為了解決這些問題，一種帶有能輸出一足夠高的輸出轉矩從而能毫無困難地克服結冰和其它障礙的轉矩電動機已經被使用。然而，不幸的是，按照電動機成本及空間布置要求，採用大的，高輸出轉矩的電動機是不合算的。例如，(在不結冰或沒有其它障礙的)「正常」條件下，電控節氣門工作所要求的工作轉矩是這些前述電動機的輸出轉矩的約25％，即基於使「結冰破裂」的要求而不是典型的操作要求選擇前述電動機用於電控節氣門控制。
如上所述，人們已經迫切希望開發出一種能用於電控節氣門控制系統或其它機械系統中的轉矩電動機及其控制方法，其允許根據從電動機中輸出的正常工作所要求的輸出轉矩，而不是根據清除結冰或其它障礙所要求的輸出轉矩選擇一轉矩電動機。採用這樣的電動機，而不是大的高輸出轉矩的電動機可降低製造成本和電動機的空間布置要求，並且利於用作大體積的機動車部件及其它使用場合。
根據本發明的第一方面的內容，其提供了一種將由一機械系統的電力轉矩電動機輸出的輸出轉矩進行放大的方法。該轉矩從一正常的工作轉矩放大到一足夠克服阻止該轉矩電動機一轉子運動的障礙的放大轉矩。該主題方法包括將一順時針方向和一反時針方向之一的轉矩施加到該轉矩電動機的轉子上。然後，使施加到該轉子上的轉矩反向以致於可使順時針反向和反時針反向之另一個其它轉矩施加到該轉子上。前述的轉矩施加步驟按一選定的頻率不斷地反覆進行，該頻率等於該機械系統的自然頻率，該電動機為該機械系統的一部分。這樣，就可將施加到該轉子上的轉矩藉助共振放大到一個足夠克服結冰或其它障礙的水平。
根據本發明的另一方面的內容，可提供一種克服阻止連接到一機械系統中的一電力轉矩電動機轉子上的節氣門的運動的方法並包括放大電動機的工作轉矩。該方法包括在第一和第二相對的方向，按一選定的頻率相繼地將轉矩施加到該轉子上，從而使該轉子依該機械系統的自然頻率振動，直到該電動機的輸出轉矩被放大到可克服障礙為止。
根據本發明的再一方面的內容，其提供一種轉矩電動機系統，該系統包括一個帶有一組磁極片的定子，一個在該組定子磁極片的每一個上繞制的並由導電材料製成的繞組及一個由可透磁材料製成的並設置於可相對該定子轉動的且包括多個由永久磁性材料構成的磁極的轉子。當對各繞組進行選定勵磁時，電磁感應轉矩作用到所述轉子上，使所述轉子和連接到所述轉子上的所述機械系統的各零部件隨所述轉子一起旋轉。設置一個依微處理器為基礎的控制系統，用於根據一儲存的控制程序對各個所述繞組的勵磁進行選擇。該控制系統對各個繞組進行如此的勵磁選擇，以致於轉矩是按一個大約等於該機械系統的自然頻率的轉矩放大頻率相繼按第一和第二相對的方向施加到所述轉子上的。
本發明的優點之一歸功於提供了一種對一轉矩電動機的轉矩輸出進行放大，從而克服阻礙連接到該轉矩電動機轉子上並與之一起旋轉的一元件的運動的障礙的方法。
據發現，本發明的另一優點歸功於提供了一種對車輛電子節氣門控制系統的一轉矩電動機進行控制，從而克服結冰或其他可阻礙一個連接與該轉矩電動機轉子連接並一起轉動的節氣門的運動的障礙的方法。
本發明的再一優點是它可以在電子節氣門控制裝置中和在上述的為了克服對連接到該轉子上的零部件的障礙而要求使用更大、更貴的電動機的其它應用場合中使用更小、更便宜的轉矩電動機。
本發明的其它優點及有利的地方可在閱讀和理解下述說明書後，對本技術領域的普通技術人員來說，可變得更清楚明顯。
本發明可具有這樣的形式，即依某些部分和這些部分的布置，某些步驟和這些步驟的布置出現的形式，此處對優化實施例進行了說明。各個附圖只是為了說明本發明的各實施例，但並不能認為是對本發明的限制。
圖1是用於在一電子節氣門控制系統中對一節氣門進行控制這種類型的轉矩電動機的橫剖視圖；圖2是沿圖1中2-2線剖開的剖視圖；圖3是一機動車內燃機空氣進氣系統和相關的電子節氣門控制系統的簡化視圖；圖4是圖3所示電子節氣門控制系統的示意圖，示出了節氣門被冰或其它障礙物卡住的情況。
圖1和2表示用於控制用在一車輛電子節氣門控制系統中的節氣門的位置這種形式合適的轉矩電動機10。本發明將參照該電動機10被說明，但本技術領域的普通技術人員可以認識到本發明並不局限於任何具體的轉矩電動機，並且根據本發明也可使用其它各種類型的轉矩電動機。另一種合適的轉矩電動機見共同轉讓的和共同未決的美國專利申請題為「Torque Motor and Drive Circuit」，由David Turner以美國特快郵件同時提交的。
電動機10包括一個在其中設置一個圖中示出為一球軸承的第一軸承14的基件12。一定子件16具有四個電極片18、20、22、24，並且該定子件16的一端相對該基件12呈懸架結構布置。一夾緊件或星形夾緊蓋26具有一在圖中整體以28示出的並安裝於其中的第二軸承。該蓋件26相對定子16的自由端對齊並由螺栓32固定。一輸出軸34通過軸承14、28支承並從該些軸承處朝外延伸。該輸出軸鄰接軸承28的端部藉助於諸如金屬變形或焊接方法固定連接到一個大致杯形轉子38的封閉端部36上，該轉子套在該定子16上。這樣，該輸出軸34就與該轉子一起旋轉。
該定子16具有一個由諸如導磁線之類的連續導電材料繞由標號40、42、44、46表示的定子電極片的每一個繞制而成的繞組。多個永久磁鐵沿該轉子筒38的內圓周布置，標號為48、50、52、54。每個磁鐵的磁極對著徑向方向。在優化布置中，該些磁極由四個離散的磁鐵形成的。
繼續參見圖1和2，一個具有大致杯形結構的外殼或蓋56裝納於該轉子上方，並由任何適當的方法附著到該基件12上。一電插孔58設置於該基件12上並包括一對由標號60表示並示出的接電銷。應該懂得這些接電銷每一個都分別連接到繞組40-46的每一組的一端。此外，流過繞組40-46的電流由一個通過該插孔58可操作地連接到該電動機上的電控系統62控制。如下面將要進一步詳細說明的那樣，該控制系統62控制著流過繞組40-46的電流，從而控制該轉子與該定子的相對位置。
所示出的電動機10能產生一個總長度為80mm，總直徑為62mm的最大旋轉弧度「Π/4」，並由規格為20gauge(0.79mm)的導磁線繞在每一個定子磁極片上60圈。該電動機10在兩個方向，即「順時針方向」或「反時針方向」旋轉的能力對實行本發明的功能是必要的。已經發現在定子電極片18-24和磁極片46-52的內圓周之間沿徑向存在大約0.5-1.0mm的空氣間隙是令人滿意的。對於一臺具有一個長度為60mm的電動機來說，空氣間隙為0.75mm被證明是令人滿意的。較好的是，該定子繞組是由銅導磁線繞制的；但應該懂得如果需要也可以使用鋁或其它材料。還應該懂得該轉矩電動機10也可由定子和繞組導線的大小與繞組的匝數形成的其它組合構成，並且該電動機除所列出的特定尺寸之外也可以由其它的尺寸大小和結構形式構成。
參見圖3和5，一內燃機E用的一節氣門電控系統被示意性的示出了，並包括空/燃進氣通道或支管I。空氣通過一空氣濾清器A進入該進氣支管I。空氣進入並流過該進氣支管I的流動由一節氣門閥T控制。該節氣門閥T可選擇完全阻止空氣流或旋轉一不同的量從而可允許對流入內燃機E中的空氣流作出選擇。一個燃油噴射器F可選擇地將汽油或其它燃料噴入該內燃機E中的用於燃燒的空氣流中。
該節氣門閥T的轉角位置由轉矩電動機10控制。更具體地說，電動機10的輸出軸34與該節氣門閥T連接，所以該閥板一起旋轉並與電動機10的轉子38一起旋轉。本技術領域的普通技術人員可認識到如果該節氣門閥T由冰或類似物堵住了，則車輛操縱者不能控制該節氣門閥的位置，及該內燃機E的輸出。
節氣門閥T由冰或其它障礙物卡住時的情況按一機械系統S示意性地示出於圖4中。該轉矩電動機的慣量Jm通過該個具有一個長度L和直徑D可選擇的軸34連接到該被卡住的閥板T上。該機械系統具有一個自然頻率，該自然頻率可按傳統方法確定，如下述Jm=轉矩電動機慣量D=軸直徑L=軸長度G=軸材料模量LJG=k]]>軸的彈簧常數在此由k給出。f=12kj]]>自然頻率由上式給出。
這是通過合適的電動機線圈勵磁為產生共振條件而施加到轉子38上的振蕩轉矩的頻率。在上述轉矩電動機10情況下，自然頻率計算為0.91Hz。
根據本發明為了對該電動機10的輸出轉矩進行放大，迫切希望使該電動機以該機械系統S的自然頻率振動，從而形成共振條件。具體地，當閥板T被卡住時，該控制器62利用本發明的轉矩放大方法使該些繞組40-46勵磁，從而將一個第一順時針轉矩或反時針轉矩施加到該轉子38上。由於該節氣門閥板T被卡住不能運動，因此軸34被扭曲或「扭彎」成一彈簧形。然後，該控制器62使繞組40-46勵磁，從而反方向的轉矩被施加到該轉子38上。其結果是，該軸34又在反方向產生扭曲。如果以該機械系統S的自然頻率F反覆不斷地進行這樣的運行，如果假定不存在衰減，則該電動機10的軸34的輸出轉矩將可能達到無窮大。但實際中，軸承14、周圍環境、電磁力及軸的磁滯現象會產生衰減。但這些都顯示出對使轉矩放大到足夠克服節氣門閥板T的冰及其它障礙物的目的不存在顯著的作用。例如採用本發明所述的方法，可將由電動機10正常工作輸出的轉矩放大5-10倍。
儘管上述參見所示的優化實施例對本發明進行了說明，但應該懂得本發明可被修改和變形，並且本發明只由下述各個權利要求限定。
權利要求
1．一種對由一機械系統的一電力轉矩電動機輸出的的輸出轉矩從正常工作的轉矩放大到一個足夠克服阻礙該轉矩電動機轉子運動的障礙物的放大轉矩的方法，其包括(a)將一個順時針和反時針方向之一的轉矩施加到該轉矩電動機的轉子上；(b)使施加到該轉子上的轉矩的方向反向，以致於使順時針和反時針方向之另一個的轉矩被施加到該轉子上；(c)以一個等於該個包括該轉矩電動機的機械系統的自然頻率的選定頻率不斷地重複步驟(a)和(b)。
2．如權利要求1所述放大轉矩電動機轉矩輸出的方法，其特徵在於，還包括在步驟(a)之前，確定該個包括轉矩電動機的機械系統的自然頻率。
3．如權利要求1所述方法，其特徵在於，步驟(c)包括使步驟(a)和(b)相繼地重複直到該轉矩電動機的放大輸出轉矩比該轉矩電動機的正常工作轉矩大至少5倍時為止。
4．如權利要求3所述方法，其特徵在於，步驟(c)包括使步驟(a)和(b)相繼地重複直到放大輸出轉矩處於比正常的工作轉矩大大約5倍-大約10倍的範圍內為止。
5．如權利要求3所述方法，其特徵在於，步驟(c)包括使步驟(a)和(b)以一大約0.91赫茲的選定頻率相繼地重複。
6．藉助於對所述電動機的輸出轉矩進行放大來克服阻止一個連接到一機械系統中的電力轉矩電動機轉子上的節氣門閥板的工作運動的障礙物的方法，所述方法包括以一選定的頻率將轉矩在第一方向和第二方向連續地施加到所述轉子上，從而使該轉子以該機械系統的自然頻率振動，直到由該轉矩電動機輸出的轉矩被放大到可克服該障礙物為止。
7．如權利要求6所述方法，其特徵在於，該轉矩電動機的工作轉矩被放大的倍數處於大約5倍-10倍的範圍內。
8．如權利要求6所述方法，其特徵在於，該選定的頻率為大約0.91赫次。
9．一種轉矩電動機系統，其包括一個包括多個電極片的定子；一個由導電材料繞多個定子電極片的每一個上繞制而成的繞組；一個由可透磁的材料製成的並設置於可相對該定子轉動的且包括各個由永久磁性材料構成的磁極的轉子，所以當對各繞組進行選定勵磁時，電磁感應轉矩作用到所述轉子上，使所述轉子旋轉並使連接到所述轉子上的所述機械系統的各零部件隨所述轉子一起旋轉；及一個控制系統，用於根據一儲存的控制程序對各個所述繞組進行選擇勵磁，所述控制系統對各個繞組進行如此的勵磁選擇，以致於該轉矩以一個大約等於該機械系統的自然頻率的轉矩放大頻率在第一和第二相對的方向連續地作用到所述轉子上。
10．如權利要求9所述轉矩電動機系統，其特徵在於，該轉矩放大頻率為大約0.91赫茲。
11．如權利要求9所述轉矩電動機系統，其特徵在於，所述機械系統包括一個由一輸出軸連接到一所述轉子並與之一起旋轉的空氣流量節流控制板。
全文摘要
一種對電力轉矩電動機系統的輸出轉矩進行放大的方法。由轉矩電動機輸出的轉矩從一正常工作轉矩被放大到一個足夠克服冰及其它障礙物的放大轉矩。包括:將一個在順時針方向和反時針方向之一的轉矩施加到轉子上,從而使連接到進氣節氣門閥板上的輸出軸扭曲。然後使施加到該轉子上的轉矩反向。以一個等於該機械系統的自然頻率的選定頻率連續地重複上述轉矩施加步驟,該電動機和節氣門閥板為該機械系統的零部件。
文檔編號B06B1/04GK1235406SQ9910639
公開日1999年11月17日 申請日期1999年5月12日 優先權日1998年5月12日
發明者D·圖爾納 申請人:易通公司