CN101802430A - 电磁致动器 - Google Patents

Abstract

电磁致动器(100；200)、电磁致动器的部件、使用该电磁致动器的离合器以及与其相关的用于改进电磁致动器操作的方法及制造方法。本公开的电磁致动器的实施方式包括，壳体(112；212)和磁通垫圈(106；206)相对于轴(108；208)的构型有助于减小由其中包含的电线圈(102；202)所产生的磁通的行进路径。该更直接的磁路则提供更短的磁通环路，与其它构型相比，这有助于产生更大的相对磁力(例如，更强的离合器致动力)。

Description

电磁致动器

技术领域

电磁致动器利用电磁-机械原理使电能和机械能相互转换。在日常生活中所用的多数产品中可找到电磁致动器。示例包括CD播放器、照相机、洗衣机、加热和冷却系统、加工设备、汽车、船舶、飞行器以及多数医疗设备。

技术背景

通常，致动器的输出为机械功。这种致动器的示例包括汽车中的风扇和/或泵的控制中所用的致动器。这类致动器的输入为电，其中利用磁通可释放地接合并操作机械部件(例如，风扇叶片)。期望的是最小化电功率输入量和/或最小化电驱动致动器中的电功率损耗。为此，持续需求在致动器的机械和电操作要求方面提供更大效率的致动器设计。

附图说明

这里的图提供对本公开的示例性实施方式的说明。这些图不必须按照比例。

图1示出根据本公开的电磁致动器组件的一个实施方式的剖视图。

图2示出根据本公开用在离合器组件中的电磁致动器组件的一个实施方式的剖视图。

图3示出包括根据本公开的电磁致动器组件的离合器组件的一个实施方式。

具体实施方式

本公开的实施方式包括电磁致动器、电磁致动器的部件、使用电磁致动器的离合器以及与其相关的用于改进电磁致动器操作的方法及制造方法。本领域技术人员将清楚，本公开的各种实施方式的以下说明仅为说明之目的而提供，并不用于限制本公开，本公开由所附权利要求及其等同物限定。

如这里所述，本公开的电磁致动器的实施方式包括用于产生磁通的电线圈、定位在电线圈附近的旋转轴承、位于旋转轴承与电线圈之间的磁通垫圈、安装至旋转轴承并定位在电线圈的环形开口及磁通垫圈的孔中的轴，其中轴在环形开口和孔中在轴承上旋转。所述电磁致动器还包括连接至轴并从轴径向延伸的环以及连接至该环的壳体，其中该壳体围绕电线圈的第一端的至少一部分从该环径向延伸，以平行于电线圈的外表面延伸过电线圈的第二端以及磁通垫圈的第二边缘的至少一部分。

在本公开中所述的实施方式中，壳体和磁通垫圈相对于轴的构型有助于减小由其中包含的电线圈所产生的磁通的行进路径。在一个实施方式中，与提供磁路的其它构型相比，本公开的磁通的行进路径减小。例如，与其它构型相比，本公开的磁通的路径中的角部数量减小，从而在电线圈周围提供更直接的磁路(例如，较小的相对路径)。该更直接的磁路则提供更短的磁通环路，与其它构型相比，这产生更大的相对磁力(例如，更强的离合器致动力)，从而与现有技术的致动器相比产生更大的电效率。

图1提供根据本公开的电磁致动器100的实施方式的剖视图。本公开的电磁致动器100的实施方式可与机动车辆的流体离合器一起使用，其中流体离合器可用于在一个或多个传感器的控制下与冷却扇接合。其它实施方式也是可行的。

电磁致动器100包括电线圈102、旋转轴承104、磁通垫圈106、轴108、环110以及壳体112。在一个实施方式中，电线圈102包括缠绕有磁线116的线轴114。应理解，磁线116连接至电力能源，从而可由电线圈102产生磁通。

电线圈102包括限定环形开口120的内表面118。电线圈102还包括第一端122和第二端124，其中环形开口120沿着电线圈102的纵向轴线126在第一端122与第二端124之间延伸。电线圈102还包括第一端122与第二端124之间的外表面128。

在一个实施方式中，磁通垫圈106可定位在旋转轴承104与电线圈102的第二端124附近并位于该旋转轴承104与该电线圈102的第二端124之间。磁通垫圈106可相对于电线圈102静止定位。换言之，磁通垫圈106保持静止，并且不会相对于电线圈102旋转。如所示，磁通垫圈106从限定贯通磁通垫圈106的孔132的第一边缘130延伸至与电线圈102的外表面128相邻的第二边缘134。在一个实施方式中，第二边缘134以及电线圈102的外表面128在公共平面中对准。

在另外的实施方式中，磁通垫圈106的第一边缘130和第二边缘134可延伸过电线圈102的相应内表面118和外表面128。另选的是，第一边缘130和/或第二边缘134中的一个或二个可与电线圈102的相应内表面118和/或外表面128对准。此外，第一边缘130和/或第二边缘134中的一个或二个可定位在电线圈102的内表面118和/或外表面128之间。这些构型的各种组合也是可行的。

如所示，磁通垫圈106可在第一边缘130和第二边缘134之间具有均匀厚度。另选的是，磁通垫圈可具有在两个边缘130、134之间均匀变化或不均匀变化的厚度。此外，磁通垫圈106可由铁磁材料形成以引导磁通。这类材料的实施例包括但不限于低碳冷轧钢、低碳快削钢、400系列不锈钢和/或软磁铁合成物。其它类型的磁性材料也是可行的。

在另选实施方式中，磁通垫圈106可由两层或更多层材料形成，其中一层为铁磁材料。例如，磁通垫圈106可具有多层构造，该构造包括由铁磁材料形成的从第一边缘130延伸至第二边缘134的至少一个层。形成所述多层构造所用的其它层可包括如无磁性不锈钢的非铁磁材料。

在另外的实施方式中，磁通垫圈106可具有平面构型。换言之，磁通垫圈106可以是平坦的。另选的是，磁通垫圈106可具有凸形构型或凹形构型。其它形状也是可行的。

旋转轴承104示出为安装在电磁致动器100上的轴承垫块(bearing spacer)136与轴108之间，其中轴108安装至轴承104并由轴承104支撑。旋转轴承104可在电线圈102的环形开口和磁通垫圈106的孔132中旋转的同时支撑并引导轴108。如所示，旋转轴承104邻近电线圈102的第二端124与磁通垫圈106定位，这里所述的磁通垫圈106定位于旋转轴承104与电线圈102的第二端124之间。

电磁致动器100还包括连接至轴108并从其径向延伸的环110。在一个实施方式中，环110具有使轴108与壳体112分开的环形构型。在一个实施方式中，环110可由使电线圈102产生的磁通转向的无磁性材料形成。这类材料的实施例包括但不限于300系列不锈钢、黄铜、铜和/或铝。其它类型的无磁性材料也是可行的。

在当前实施方式中，壳体112连接至环110。如所示，壳体112沿着电线圈102的第一端122的至少一部分并绕该至少一部分从环110径向延伸。在一个实施方式中，环110和壳体112保持距电线圈102预定距离138。例如，壳体112可包括与电线圈102的外表面间隔开预定距离138的第一表面140。类似地，环110包括也与电线圈102的外表面间隔开预定距离138的内表面142(与第一表面140对准)。在一个实施方式中，允许壳体112和环110与电线圈102的第一端122相距均匀距离。

如所示，壳体112的第一表面140邻近电线圈102纵向延伸，其中第一表面140保持与轴108相距均匀距离，并与电线圈102相距预定距离138。在一个实施方式中，第一表面140延伸线圈102的环形开口120和磁通垫圈106的孔132的至少整个长度。

如所示，壳体112位于电线圈102和轴承104外。壳体112的第一表面140平行于电线圈102的外表面128延伸过电线圈102的第二端124以及磁通垫圈106的第二边缘134的至少一部分。换言之，壳体112的第一表面140沿着环形开口120以及磁通垫圈的孔132的至少整个长度延伸。在一个实施方式中，壳体112的第一表面140延伸过电线圈102的外表面128以及磁通垫圈106的第二边缘134。

轴108包括第一端144和第二端146。如所示，轴108可以可旋转地安装至第一端144与第二端146之间的旋转轴承104。其它构型也是可行的(例如，轴承104位于第一端144处)。在一个实施方式中，轴108可在第一端144处连接至音轮148，其中音轮148与磁体150和感测/控制电子器件152相互作用，以感测轴108的旋转。在当前实施方式中，壳体112、环110以及轴108一起相对于磁通垫圈106旋转。

电磁致动器100除其其它结构之外还可包括包覆成型体(overmolded body)154、导线156以及线罩158。在一个实施方式中，包覆成型体154可利用热塑性和热固性聚合物(作为例示而非限制)由成型过程形成。这样的成型过程的实施例主要可包括树脂传递成型、压缩成型、传递成型以及注射成型。

热塑性聚合物的实施例包括诸如聚乙烯和聚丙烯之类的聚烯烃，诸如涤纶、聚对苯二甲酸乙二酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯之类的聚酯，诸如聚氯乙烯(PVC)之类的乙烯基卤素聚合物、诸如乙基醋酸乙烯(EVA)之类的乙酸乙烯酯，聚氨酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚氨基甲酸脂(pellethane)，诸如尼龙4、尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11、尼龙12和聚己内酰胺之类的聚酰胺，芳香聚酰胺(例如，KEVLAR)，嵌段聚碳酸酯聚氨酯，人造纤维，诸如聚四氟乙烯(PTFE或TFE)或膨体聚四氟乙烯(ePTFE)、乙烯一三氟氯乙烯聚合物(ECTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)或者聚偏氟乙烯(PVDF)之类的含氟聚合物。

用在这里时，热固化材料包括一旦在热和压力的作用下成形从而形成交联聚合物基体就不能通过进一步加热加压重新处理的那些聚合材料。如这里所提供的，热固化材料可由热固化母体的聚合作用和交联形成。这样的热固化母体可包括一种或多种液体树脂热固化母体。在这里所述的实施方式中，液体树脂热固化母体可从以下选择：不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、酚醛树脂、硅、醇酸树脂、烯丙基、乙烯基醚、呋喃、聚酰亚胺、氰酸酯、双马来酰亚胺、聚丁二烯和聚醚酰胺。如应理解的，热固化母体可通过热、压力、催化剂和/或紫外光激发的聚合反应而形成热固化材料。

如应理解的，本公开的实施方式中所用的热固化材料可主要包括非导电加强材料和/或诸如非导电填料、纤维、固化剂、抑制剂、催化剂以及增韧剂(例如，弹性体)之类的添加剂，以实现物理、机械和/或热性质的期望组合。

非导电加强材料可包括纺织和/或无纺纤维材料、微粒材料和高强度介质材料。非导电加强材料的实施例可包括但不限于包括玻璃纤维变体在内的玻璃纤维、合成纤维、天然纤维以及陶瓷纤维。

非导电填料包括添加至热固化材料的基体以改变其物理、机械、热或电性质的材料。这样的填料主要包括但不限于非导电有机材料和无机材料、粘土、硅酸盐、云母、滑石、石棉、橡胶、细粉和纸。

在另外的实施方式中，液体树脂热固化母体可包括以(美国)俄亥俄州Dayton市的Kurz-Kasch公司的商标名称“Luxolene”出售的聚合材料。

壳体112还包括第二表面160，其包括紧固结构162。在一个实施方式中，紧固结构162可以是壳体112的成形为螺纹164的第二表面160。在一个实施方式中，紧固结构162可用于将电磁致动器100连接至离合器。

如这里所述，多数现代车辆包括发动机以及用于控制与发动机冷却扇相关的粘性流体离合器的电磁致动器。在通常操作中，离合器设计成与风扇和发动机连接和断开。当离合器被致动时，旋转力通过离合器从发动机传递给风扇。这样，冷却扇由发动机机械驱动。通常，旋转力由发动机内的水泵皮带轮产生。当离合器被退动时，风扇从发动机断开。因此，没有旋转力从发动机传递给风扇。电磁致动器用于致动和退动离合器。

图2提供包括本公开的电磁致动器200的离合器270的剖视图。如所示，离合器270包括离合器支架272，致动器200可安装至该离合器支架272。在一个实施方式中，致动器200利用壳体212的外表面上的螺纹264安装至离合器支架272。将致动器200连接至离合器270的其它方式也是可行的。

如所示，电线圈202环绕轴208。当向致动器200施加电流时，线圈202接收该电流而产生磁通274。磁通274接着以径向环绕线圈202的环路流动。磁通274包括磁力线，这些磁力线共同构成磁场。该磁场形成为沿着轴208的轴线的螺旋管(toroidal)状形状或甜甜圈(doughnut)状形状。

在一个实施方式中，壳体212和轴208形成磁路的一部分，以指引并引导由电线圈202产生的磁通274。如所示，壳体212和轴208的磁路相对于彼此基本均匀。换言之，壳体212和轴208提供磁通垫圈206与线圈202的第一端222之间的最直接的磁路(即，基本笔直)。例如，磁通274以平行路径行进，沿着电线圈202的全长穿过轴208和壳体212。

在一些实施方式中，环210的无磁性性质可防止磁通274在轴208与壳体212之间直接流动。在一个实施方式中，环210可致使磁通274从线圈202径向偏转，以穿过致动器200与位于离合器270内的弹簧加载电枢板278之间的间隙276。在所示的实施方式中，弹簧加载电枢板270示出为以未激活状态定位在轴208、环210以及壳体212的界面附近而形成间隙276。

当向致动器200施加电流时，磁通274穿过间隙276施加磁力以拉动电枢板278与轴280、环210和/或壳体212接触。在该激活状态，随着电枢板278与致动器200接触，间隙276减小。一旦接触，电枢板278就会引起利用磁通274产生的机械/流体运动的传递。这样，致动器200致动离合器270。

如所示，磁通274在密切靠近电线圈202的路径中行进。例如，磁通274从轴208的第一端222经过轴208的长度延伸至轴208的第二端224。接着，磁通274被引导通过壳体212与磁通垫圈206之间的第一气隙280。磁通274穿过磁通垫圈206并穿过轴208与磁通垫圈206之间的第二气隙282。

接着，磁通274平行于轴208中的磁通而沿着壳体212行进。然后，磁通274经过壳体212至电枢板278，然后绕环210返回轴208。与另选方法相比，本公开的磁路的实施方式相对较短。例如，由壳体212、轴208、磁通垫圈206和环210提供的磁路保持非常靠近线圈202并与其相距均匀距离。结果，与其它电磁致动器设计相比，当前实施方式提供非常短的磁路，若不是尽可能短的话。由于该较短磁路，与其它方法相比，改进了离合器致动力的强度以及致动器200的整体电效率。

当不向致动器200施加动力时，电枢板278返回弹簧加载的未激活位置。在弹簧加载的未激活位置，电枢板278限制流体流动以及离合器270内的连接。这样，离合器270被退动。

图3提供其中本公开的离合器370安装在汽车392的发动机390中的实施方式。如所示，离合器370连接至发动机冷却扇394，其中本公开的致动器可用于连接和断开发动机390的冷却扇394。当离合器370被致动时，旋转力通过离合器370从发动机390传递至冷却扇394。

尽管以上已示出并详细描述了本公开，但是本领域技术人员会清楚在不背离被本公开的精神和范围的情况下可进行多种变化和修改。因此，在上述说明和附图中所阐述的仅以例示方式提供而不作为限制。本公开的实际范围理应由所附权利要求以及这些权利要求享有权利的等同物的完整范围限定。

此外，本领域技术人员通过阅读并理解本公开会理解，这里所述的公开的其它变型可包含在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种电磁致动器，该电磁致动器包括：

电线圈，该电线圈具有第一端和第二端、在所述第一端和第二端之间限定环形开口的内表面以及在所述第一端和第二端之间的外表面；

邻近所述电线圈的第二端的旋转轴承；

在所述旋转轴承和所述电线圈的第二端之间的磁通垫圈，其中该磁通垫圈从限定孔的第一边缘延伸至邻近所述电线圈的外表面的第二边缘；

轴，该轴安装至所述旋转轴承并定位在所述电线圈的所述环形开口和所述磁通垫圈的所述孔中，其中该轴在所述环形开口和所述孔中在所述轴承上旋转；

连接至所述轴并从所述轴径向延伸的环；以及

连接至所述环的壳体，其中该壳体绕所述第一端的至少一部分从所述环径向延伸，与所述电线圈的外表面平行地延伸过所述环形磁线圈的所述第二端以及所述磁通垫圈的第二边缘的至少一部分。

2.按照权利要求1所述的电磁致动器，其特征在于，所述磁通垫圈的第一边缘延伸过所述电线圈的内表面。

3.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述磁通垫圈相对于所述电线圈保持静止。

4.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述磁通垫圈是平坦的。

5.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述磁通垫圈具有均匀厚度。

6.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述壳体延伸过所述电线圈的外表面以及所述磁通垫圈的第二边缘。

7.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述壳体包括邻近所述电线圈纵向延伸的第一表面，其中所述第一表面保持与所述轴相距均匀距离。

8.按照权利要求1或2所述的电磁致动器，其特征在于，所述壳体和所述磁通垫圈由铁磁材料形成以引导磁通，并且所述环由使所述磁通转向的无磁性材料形成。

9.一种离合器，该离合器包括：

电磁致动器，该电磁致动器包括：

具有内表面并限定环形开口的电线圈；

邻近所述电线圈的旋转轴承；

具有限定孔的第一边缘的磁通垫圈，该磁通垫圈静止定位在所述旋转轴承与所述电线圈之间；

由所述旋转轴承支撑的轴，其中该轴在所述磁线圈的环形开口与所述磁通垫圈的孔中旋转；

连接至所述轴并从所述轴径向延伸的环；以及

具有内表面的壳体，其中该壳体连接至所述环并且所述内表面定位成距所述电线圈均匀距离，其中所述内表面延伸所述环形开口和所述磁通垫圈的孔的至少整个长度；以及

可释放地连接至所述电磁致动器的所述轴的电枢板。

10.按照权利要求9所述的离合器，其特征在于，所述壳体和所述轴形成磁路以引导由所述电线圈产生的磁通，所述壳体和所述轴的磁路是基本均匀的。

11.按照权利要求9所述的离合器，其特征在于，所述电磁致动器的壳体相对于所述磁通垫圈旋转。

12.按照权利要求9至11中任一项所述的离合器，其特征在于，所述电磁致动器包括所述壳体与所述磁通垫圈之间的第一气隙以及所述轴与所述磁通垫圈之间的第二气隙。

13.按照权利要求9至11中任一项所述的离合器，其特征在于，所述壳体延伸过所述电线圈和所述磁通垫圈。

14.按照权利要求9至11中任一项所述的离合器，其特征在于，所述壳体包括外表面，该外表面限定用于与离合器壳体接合的螺纹。

15.一种方法，该方法包括：

利用电线圈产生磁通；

引导所述磁通穿过电磁致动器的轴和壳体，其中所述磁通以平行路径行进，沿着所述电线圈的全长度穿过所述轴和所述壳体；以及

从所述轴和所述壳体引导磁通穿过磁通垫圈的两侧上的第一气隙和第二气隙。

16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，该方法包括将所述磁通垫圈静止定位在旋转轴承和所述电线圈之间。

17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，该方法包括使所述壳体延伸过所述电线圈和所述磁通垫圈。

18.按照权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括将所述壳体物理地连接至所述轴。

19.按照权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括将无磁性环定位在所述壳体与所述轴之间。

20.按照权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，该方法包括将所述壳体安装至一离合器。

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