專利名稱：一電力轉(zhuǎn)矩電動機中破冰用的轉(zhuǎn)矩放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分轉(zhuǎn)速型電動機或通常所謂的轉(zhuǎn)矩電動機。這種類型的電動機典型地都提供有轉(zhuǎn)子一定數(shù)量的角位移或轉(zhuǎn)動，該數(shù)量基于施加的電信號，例如轉(zhuǎn)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(fā)明可有更廣的應(yīng)用。
轉(zhuǎn)矩電動機在各種控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，此時希望該轉(zhuǎn)矩電動機使一軸或一部件旋轉(zhuǎn)到一具體位置，或響應(yīng)一電控信號將一特定量的轉(zhuǎn)矩施加到一軸上。具體地說，在汽車工業(yè)，已利用一轉(zhuǎn)矩電動機并借助于一電信號來控制一內(nèi)燃機空氣進氣節(jié)流閥的位置，而不是由使用者使一個連接到該節(jié)流閥上的機械節(jié)流聯(lián)動裝置產(chǎn)生運動來控制。對發(fā)動機節(jié)流閥實行電控的呼聲在某些機動車中已經(jīng)越來越高，此時希望能提供巡航控制和/或根據(jù)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(jié)流位置控制機構(gòu)。例如，在車輛中采用防抱死制動系統(tǒng)或牽引控制系統(tǒng)時，希望在某些情況下使該電控系統(tǒng)也參與確定該節(jié)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(lián)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(jié)氣門電控裝置的節(jié)氣門或閥上及周圍結(jié)冰。在這種情況下，節(jié)氣門響應(yīng)于由轉(zhuǎn)矩電動機施加的轉(zhuǎn)矩而產(chǎn)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并有效的運行。用以前的純機械式節(jié)氣門位置控制聯(lián)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(jié)冰。除了結(jié)冰之外，由于在車輛電子節(jié)流組件中采用緊密配合的制造公差，因此在從屬轉(zhuǎn)矩電動機的控制下，臟物或其它碎片可能堵塞該節(jié)氣門并阻止其運動。
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(zhuǎn)矩從而能毫無困難地克服結(jié)冰和其它障礙的轉(zhuǎn)矩電動機已經(jīng)被使用。然而，不幸的是，按照電動機成本及空間布置要求，采用大的，高輸出轉(zhuǎn)矩的電動機是不合算的。例如，(在不結(jié)冰或沒有其它障礙的)“正?！睏l件下，電控節(jié)氣門工作所要求的工作轉(zhuǎn)矩是這些前述電動機的輸出轉(zhuǎn)矩的約25％，即基于使“結(jié)冰破裂”的要求而不是典型的操作要求選擇前述電動機用于電控節(jié)氣門控制。
如上所述，人們已經(jīng)迫切希望開發(fā)出一種能用于電控節(jié)氣門控制系統(tǒng)或其它機械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩電動機及其控制方法，其允許根據(jù)從電動機中輸出的正常工作所要求的輸出轉(zhuǎn)矩，而不是根據(jù)清除結(jié)冰或其它障礙所要求的輸出轉(zhuǎn)矩選擇一轉(zhuǎn)矩電動機。采用這樣的電動機，而不是大的高輸出轉(zhuǎn)矩的電動機可降低制造成本和電動機的空間布置要求，并且利于用作大體積的機動車部件及其它使用場合。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的內(nèi)容，其提供了一種將由一機械系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)矩電動機輸出的輸出轉(zhuǎn)矩進行放大的方法。該轉(zhuǎn)矩從一正常的工作轉(zhuǎn)矩放大到一足夠克服阻止該轉(zhuǎn)矩電動機一轉(zhuǎn)子運動的障礙的放大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩施加到該轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)子上。然后，使施加到該轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩反向以致于可使順時針反向和反時針反向之另一個其它轉(zhuǎn)矩施加到該轉(zhuǎn)子上。前述的轉(zhuǎn)矩施加步驟按一選定的頻率不斷地反復(fù)進行，該頻率等于該機械系統(tǒng)的自然頻率，該電動機為該機械系統(tǒng)的一部分。這樣，就可將施加到該轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩借助共振放大到一個足夠克服結(jié)冰或其它障礙的水平。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面的內(nèi)容，可提供一種克服阻止連接到一機械系統(tǒng)中的一電力轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)子上的節(jié)氣門的運動的方法并包括放大電動機的工作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩施加到該轉(zhuǎn)子上，從而使該轉(zhuǎn)子依該機械系統(tǒng)的自然頻率振動，直到該電動機的輸出轉(zhuǎn)矩被放大到可克服障礙為止。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面的內(nèi)容，其提供一種轉(zhuǎn)矩電動機系統(tǒng)，該系統(tǒng)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并由導(dǎo)電材料制成的繞組及一個由可透磁材料制成的并設(shè)置于可相對該定子轉(zhuǎn)動的且包括多個由永久磁性材料構(gòu)成的磁極的轉(zhuǎn)子。當對各繞組進行選定勵磁時，電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩作用到所述轉(zhuǎn)子上，使所述轉(zhuǎn)子和連接到所述轉(zhuǎn)子上的所述機械系統(tǒng)的各零部件隨所述轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。設(shè)置一個依微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，用于根據(jù)一儲存的控制程序?qū)Ω鱾€所述繞組的勵磁進行選擇。該控制系統(tǒng)對各個繞組進行如此的勵磁選擇，以致于轉(zhuǎn)矩是按一個大約等于該機械系統(tǒng)的自然頻率的轉(zhuǎn)矩放大頻率相繼按第一和第二相對的方向施加到所述轉(zhuǎn)子上的。
本發(fā)明的優(yōu)點之一歸功于提供了一種對一轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)矩輸出進行放大，從而克服阻礙連接到該轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)子上并與之一起旋轉(zhuǎn)的一元件的運動的障礙的方法。
據(jù)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的另一優(yōu)點歸功于提供了一種對車輛電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的一轉(zhuǎn)矩電動機進行控制，從而克服結(jié)冰或其他可阻礙一個連接與該轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)子連接并一起轉(zhuǎn)動的節(jié)氣門的運動的障礙的方法。
本發(fā)明的再一優(yōu)點是它可以在電子節(jié)氣門控制裝置中和在上述的為了克服對連接到該轉(zhuǎn)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(yīng)用場合中使用更小、更便宜的轉(zhuǎn)矩電動機。
本發(fā)明的其它優(yōu)點及有利的地方可在閱讀和理解下述說明書后，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可變得更清楚明顯。
本發(fā)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(xiàn)的形式，此處對優(yōu)化實施例進行了說明。各個附圖只是為了說明本發(fā)明的各實施例，但并不能認為是對本發(fā)明的限制。


圖1是用于在一電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中對一節(jié)氣門進行控制這種類型的轉(zhuǎn)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(nèi)燃機空氣進氣系統(tǒng)和相關(guān)的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的簡化視圖；圖4是圖3所示電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的示意圖，示出了節(jié)氣門被冰或其它障礙物卡住的情況。
圖1和2表示用于控制用在一車輛電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)中的節(jié)氣門的位置這種形式合適的轉(zhuǎn)矩電動機10。本發(fā)明將參照該電動機10被說明，但本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認識到本發(fā)明并不局限于任何具體的轉(zhuǎn)矩電動機，并且根據(jù)本發(fā)明也可使用其它各種類型的轉(zhuǎn)矩電動機。另一種合適的轉(zhuǎn)矩電動機見共同轉(zhuǎn)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(shè)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，并且該定子件16的一端相對該基件12呈懸架結(jié)構(gòu)布置。一夾緊件或星形夾緊蓋26具有一在圖中整體以28示出的并安裝于其中的第二軸承。該蓋件26相對定子16的自由端對齊并由螺栓32固定。一輸出軸34通過軸承14、28支承并從該些軸承處朝外延伸。該輸出軸鄰接軸承28的端部借助于諸如金屬變形或焊接方法固定連接到一個大致杯形轉(zhuǎn)子38的封閉端部36上，該轉(zhuǎn)子套在該定子16上。這樣，該輸出軸34就與該轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。
該定子16具有一個由諸如導(dǎo)磁線之類的連續(xù)導(dǎo)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(zhuǎn)子筒38的內(nèi)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(yōu)化布置中，該些磁極由四個離散的磁鐵形成的。
繼續(xù)參見圖1和2，一個具有大致杯形結(jié)構(gòu)的外殼或蓋56裝納于該轉(zhuǎn)子上方，并由任何適當?shù)姆椒ǜ街皆摶?2上。一電插孔58設(shè)置于該基件12上并包括一對由標號60表示并示出的接電銷。應(yīng)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(tǒng)62控制。如下面將要進一步詳細說明的那樣，該控制系統(tǒng)62控制著流過繞組40-46的電流，從而控制該轉(zhuǎn)子與該定子的相對位置。
所示出的電動機10能產(chǎn)生一個總長度為80mm，總直徑為62mm的最大旋轉(zhuǎn)弧度“Π/4”，并由規(guī)格為20gauge(0.79mm)的導(dǎo)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(zhuǎn)的能力對實行本發(fā)明的功能是必要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在定子電極片18-24和磁極片46-52的內(nèi)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。對于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(dǎo)磁線繞制的；但應(yīng)該懂得如果需要也可以使用鋁或其它材料。還應(yīng)該懂得該轉(zhuǎn)矩電動機10也可由定子和繞組導(dǎo)線的大小與繞組的匝數(shù)形成的其它組合構(gòu)成，并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(jié)構(gòu)形式構(gòu)成。
參見圖3和5，一內(nèi)燃機E用的一節(jié)氣門電控系統(tǒng)被示意性的示出了，并包括空/燃進氣通道或支管I?？諝馔ㄟ^一空氣濾清器A進入該進氣支管I?？諝膺M入并流過該進氣支管I的流動由一節(jié)氣門閥T控制。該節(jié)氣門閥T可選擇完全阻止空氣流或旋轉(zhuǎn)一不同的量從而可允許對流入內(nèi)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(nèi)燃機E中的用于燃燒的空氣流中。
該節(jié)氣門閥T的轉(zhuǎn)角位置由轉(zhuǎn)矩電動機10控制。更具體地說，電動機10的輸出軸34與該節(jié)氣門閥T連接，所以該閥板一起旋轉(zhuǎn)并與電動機10的轉(zhuǎn)子38一起旋轉(zhuǎn)。本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可認識到如果該節(jié)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(jié)氣門閥的位置，及該內(nèi)燃機E的輸出。
節(jié)氣門閥T由冰或其它障礙物卡住時的情況按一機械系統(tǒng)S示意性地示出于圖4中。該轉(zhuǎn)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(tǒng)具有一個自然頻率，該自然頻率可按傳統(tǒng)方法確定，如下述Jm=轉(zhuǎn)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(shù)在此由k給出。f=12πkj]]>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(chǎn)生共振條件而施加到轉(zhuǎn)子38上的振蕩轉(zhuǎn)矩的頻率。在上述轉(zhuǎn)矩電動機10情況下，自然頻率計算為0.91Hz。
根據(jù)本發(fā)明為了對該電動機10的輸出轉(zhuǎn)矩進行放大，迫切希望使該電動機以該機械系統(tǒng)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(fā)明的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩或反時針轉(zhuǎn)矩施加到該轉(zhuǎn)子38上。由于該節(jié)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。然后，該控制器62使繞組40-46勵磁，從而反方向的轉(zhuǎn)矩被施加到該轉(zhuǎn)子38上。其結(jié)果是，該軸34又在反方向產(chǎn)生扭曲。如果以該機械系統(tǒng)S的自然頻率F反復(fù)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(zhuǎn)矩將可能達到無窮大。但實際中，軸承14、周圍環(huán)境、電磁力及軸的磁滯現(xiàn)象會產(chǎn)生衰減。但這些都顯示出對使轉(zhuǎn)矩放大到足夠克服節(jié)氣門閥板T的冰及其它障礙物的目的不存在顯著的作用。例如采用本發(fā)明所述的方法，可將由電動機10正常工作輸出的轉(zhuǎn)矩放大5-10倍。
盡管上述參見所示的優(yōu)化實施例對本發(fā)明進行了說明，但應(yīng)該懂得本發(fā)明可被修改和變形，并且本發(fā)明只由下述各個權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1．一種對由一機械系統(tǒng)的一電力轉(zhuǎn)矩電動機輸出的的輸出轉(zhuǎn)矩從正常工作的轉(zhuǎn)矩放大到一個足夠克服阻礙該轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)子運動的障礙物的放大轉(zhuǎn)矩的方法，其包括(a)將一個順時針和反時針方向之一的轉(zhuǎn)矩施加到該轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)子上；(b)使施加到該轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩的方向反向，以致于使順時針和反時針方向之另一個的轉(zhuǎn)矩被施加到該轉(zhuǎn)子上；(c)以一個等于該個包括該轉(zhuǎn)矩電動機的機械系統(tǒng)的自然頻率的選定頻率不斷地重復(fù)步驟(a)和(b)。
2．如權(quán)利要求1所述放大轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)矩輸出的方法，其特征在于，還包括在步驟(a)之前，確定該個包括轉(zhuǎn)矩電動機的機械系統(tǒng)的自然頻率。
3．如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟(c)包括使步驟(a)和(b)相繼地重復(fù)直到該轉(zhuǎn)矩電動機的放大輸出轉(zhuǎn)矩比該轉(zhuǎn)矩電動機的正常工作轉(zhuǎn)矩大至少5倍時為止。
4．如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，步驟(c)包括使步驟(a)和(b)相繼地重復(fù)直到放大輸出轉(zhuǎn)矩處于比正常的工作轉(zhuǎn)矩大大約5倍-大約10倍的范圍內(nèi)為止。
5．如權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，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復(fù)。
6．借助于對所述電動機的輸出轉(zhuǎn)矩進行放大來克服阻止一個連接到一機械系統(tǒng)中的電力轉(zhuǎn)矩電動機轉(zhuǎn)子上的節(jié)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(zhuǎn)矩在第一方向和第二方向連續(xù)地施加到所述轉(zhuǎn)子上，從而使該轉(zhuǎn)子以該機械系統(tǒng)的自然頻率振動，直到由該轉(zhuǎn)矩電動機輸出的轉(zhuǎn)矩被放大到可克服該障礙物為止。
7．如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)矩電動機的工作轉(zhuǎn)矩被放大的倍數(shù)處于大約5倍-10倍的范圍內(nèi)。
8．如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，該選定的頻率為大約0.91赫次。
9．一種轉(zhuǎn)矩電動機系統(tǒng)，其包括一個包括多個電極片的定子；一個由導(dǎo)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制成的并設(shè)置于可相對該定子轉(zhuǎn)動的且包括各個由永久磁性材料構(gòu)成的磁極的轉(zhuǎn)子，所以當對各繞組進行選定勵磁時，電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩作用到所述轉(zhuǎn)子上，使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并使連接到所述轉(zhuǎn)子上的所述機械系統(tǒng)的各零部件隨所述轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)；及一個控制系統(tǒng)，用于根據(jù)一儲存的控制程序?qū)Ω鱾€所述繞組進行選擇勵磁，所述控制系統(tǒng)對各個繞組進行如此的勵磁選擇，以致于該轉(zhuǎn)矩以一個大約等于該機械系統(tǒng)的自然頻率的轉(zhuǎn)矩放大頻率在第一和第二相對的方向連續(xù)地作用到所述轉(zhuǎn)子上。
10．如權(quán)利要求9所述轉(zhuǎn)矩電動機系統(tǒng)，其特征在于，該轉(zhuǎn)矩放大頻率為大約0.91赫茲。
11．如權(quán)利要求9所述轉(zhuǎn)矩電動機系統(tǒng)，其特征在于，所述機械系統(tǒng)包括一個由一輸出軸連接到一所述轉(zhuǎn)子并與之一起旋轉(zhuǎn)的空氣流量節(jié)流控制板。
全文摘要
一種對電力轉(zhuǎn)矩電動機系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩進行放大的方法。由轉(zhuǎn)矩電動機輸出的轉(zhuǎn)矩從一正常工作轉(zhuǎn)矩被放大到一個足夠克服冰及其它障礙物的放大轉(zhuǎn)矩。包括:將一個在順時針方向和反時針方向之一的轉(zhuǎn)矩施加到轉(zhuǎn)子上,從而使連接到進氣節(jié)氣門閥板上的輸出軸扭曲。然后使施加到該轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩反向。以一個等于該機械系統(tǒng)的自然頻率的選定頻率連續(xù)地重復(fù)上述轉(zhuǎn)矩施加步驟,該電動機和節(jié)氣門閥板為該機械系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日1998年5月12日
發(fā)明者D·圖爾納 申請人:易通公司