CN102714443A - 旋转单相电磁执行机构 - Google Patents

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Abstract

一种单相的旋转电磁执行机构，包括沿着共同的中心轴线位于面对面隔开的位置上的第一和第二定子总成，它允许磁化的盘状磁体转子不受任何磁吸引力的影响绕公共轴线旋转，而磁吸引力通常往往会使盘状磁体在纵向上沿轴线移动，或者位于能产生所需的纵向吸引力的位置上。整个总成由一条环形带维持在工作位置，该带提供面向内的唇部，定子总成支承在所述唇部的每一侧上，并且所述唇部确定了盘片的磁性气隙间隔。加上位于带的唇部内的角位置传感器，本发明可以用作伺服执行机构，角位置传感器使用该执行机构的转子作磁场辐射体、磁场接收器和其触点。

Description

旋转单相电磁执行机构
优先权请求
本申请是PCT申请，要求享有2009年11月4日提交的、名称为“旋转单相电磁执行机构”、序列号为12/612,627的美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及电磁执行机构和伺服执行机构。
背景技术
有限角度的无刷直流旋转执行机构众所周知且有市售。一种这样的执行机构公开在1996年4月30日公布的美国专利5,512,871中。另一种公开在2001年11月6日公布的美国专利6,313,553中。
现有的并且由上述参考文献介绍的这些执行机构在市场上被称为“扭矩马达”，它包括附着于磁体上的铁磁性轭，磁体包括旋转件。为了充分地加固旋转件以便操作，并且为了封闭附着的磁体的磁路，轭被认为是必需的。但轭的存在导致具有高转动惯量的结构，降低了动力性能，并且具有单侧定子结构，而单侧定子结构在旋转件上产生不平衡的磁力，该磁力将旋转件引向定子。
这种执行机构的一个缺点是大约20%以上的功耗被用于克服它自己的惯性，降低了动力性能。根据应用的负载循环，这种浪费的功耗值甚至可能更高。
第二个缺点是由于不平衡的设计，转子磁体具有朝向定子结构的磁引力，这导致要使用昂贵的止推滚球轴承来执行轴向停止功能，但仍允许必需的转子旋转自由度。当用在某些应用中时，这种轴向吸引力的一部分用于抵抗振动，但在任何情况下，转子旋转都要受摩擦扭矩的影响，因此用于产生旋转和输出扭矩的一些磁力被浪费掉了。
第三个缺点是电磁通量泄漏。通过看图1和图2中的现有技术的结构，显然可以理解这一点，其中4个线圈和定子极（stator poles）必须彼此靠得很近。即使转子轭和磁极之间有小的磁气隙，但是当在产生高扭矩所必需的强电流下出现磁饱和时，大部分线圈通量不是通过磁体——这会产生扭矩，而是自己闭合在相邻的线圈上。
第四个缺点是在伺服应用中，该执行机构的磁体不能用于激活位置传感器接收器，而是需要有单独的第二磁体附着于轭上，这增加了旋转件的成本和重量。
第五个缺点是由于定子和线圈的结构和组装需要有物理空间，因此现有技术的4磁极单侧执行机构的实际的有用冲程约为75度，相比之下，理论冲程为90度，这在大多数应用中都是期望的。在尺寸相同的实际执行机构中使用现有技术的2磁极结构可以产生90度的有用冲程，但是扭矩会降低50%，这使得这种执行机构在许多应用中不符合要求且不可用。并且，增加执行机构的尺寸以获得所需要的扭矩还会使得执行机构因结果尺寸、重量和成本的原因而不符合要求。
发明内容
除非上下文注明，否则以下定义适用于描述本发明，并且这对马达设计领域的专家来说是已知的和可以理解的：
术语"定子"意指一块或者多块高导磁性的铁磁结构，它被限定于直线或者旋转运动。
术语"主动定子"意指具有磁极并且适合容纳励磁线圈绕线以产生磁通量的“定子”。
术语"被动定子"意指提供磁通路径但不包括任何励磁线圈绕线的"定子"。例如，"被动定子"可以是高导磁性的铁磁性板。
术语"定子电路"意指"主动定子"加上放在磁极上的励磁线圈。
术语"定子总成"意指包覆模制的（overmolded）"定子电路"或者包覆模制的"被动定子"。
术语"气隙"或者"磁气隙"用符号E表示，意指在无转子的情况下沿轴向隔开的定子之间的距离。
术语"磁极对"意指磁体的南北磁极。
术语"多极"意指已经被磁化为具有一个以上磁极对的磁体。
术语"转子"或者"转子磁体"或者"盘状磁体转子"意指沿轴向磁化的多极盘状磁体，具有由径向分界线或者转移线限定的磁极对。
术语"应用"意指所述执行机构连接于其上且由该执行机构操纵的设备。
术语"二磁极结构"或者"二磁极执行机构"等意指转子的一侧上至少有一个单个二磁极主动定子且转子具有两个磁极对的实施方式。
术语"四磁极结构"或者"四磁极执行机构"等意指转子的一侧上至少有一个单个四磁极主动定子且转子具有四个磁极对的实施方式。
术语"惯性总成"意指有助于计算惯性以便计算品质因数AK的所有执行机构部件。
在一个实施方式中，本发明涉及一种电磁执行机构，包括旋转的单相执行机构，在被称为有用冲程的有限的角行程上，该执行机构可以产生基本恒定的转矩和与电流成正比的扭矩，所述的有用冲程通常在60度和110度之间。该执行机构包括若干定子和一个转子，定子包括2个或者4个沿轴向隔开又彼此面对的磁极，它们的间距形成一个气隙，转子由该气隙中的2个或者4个磁极对的磁化的多极盘状磁体组成。下面描述其他特征和实施方式。
在另一个实施方式中，转子的一侧有一个主动定子，转子的另一侧有一个被动定子。
无论是旋转的还是直线的，与本发明有关的应用的行程的端点被机械连接到执行机构的有用冲程的合适的起点和端点上。执行机构的旋转也可以被内部限位块限制为其有用冲程。对执行机构的应用使用其输出扭矩以提供直接旋转，或者可以使用旋转变直线机构，例如凸轮和随动件，或者曲柄和滑动器，以将旋转扭矩转换为线性运动力。
本发明用与现有技术的执行机构基本相当的尺寸，在其有用冲程上产生恒定的扭矩和与电流成正比的扭矩，且具有相等的或者较高的扭矩以及更快的动态响应时间。在一个实施方式中，在90°的有用冲程上可以利用与电流成比例的90°的恒定扭矩。在其他实施方式中，可以利用具有恒定扭矩的较短冲程。
本发明在控制各种自动应用中有特殊的应用，例如空气调节和废气再循环阀，以及涡轮增压器叶轮和废气门。
本发明基于如下认识，即使用转子另一侧上的定子比在现有技术中用相等的尺寸和空间能够实现更大的动力效应，并且避免现有技术中碰到的问题。根据本发明的原理，取消了轭，而不是将旋转磁铁固定到铁磁性轭上。使用了两个静止的在转子任一侧上面对面的高导磁性铁磁性定子总成。在盘状磁体转子每一侧上使用定子总成消除了现有技术中使用的铁磁性轭。
当至少一个定子总成被励磁时，执行机构的扭矩由于定子总成与转子磁场相互作用的影响而实现。在一个实施方式中，定子总成相同；但是如下所述，具有不同定子总成的实施方式也是有用的。
本发明利用了沿轴向隔开的面对面的定子总成的最接近的表面之间的气隙E，气隙中的盘状磁体转子限定了盘状磁体转子任一侧上的间距e1和e2。在一个实施方式中，e1=e2。但是，如在下面的描述中会看到的那样，有时具有不相等的间距也是有益的，因此e1≠e2。
在诸如本发明的磁结构中，当没有电流作用在定子的励磁线圈上时并且当线圈励磁时，有"静态的"轴向磁力将转子磁体吸引到每一侧的定子上。当电流被施加于线圈时，线圈被励磁，从而产生磁场，并且该磁场与转子磁体磁场的相互作用产生使轴旋转和驱动应用的扭矩。
转子磁体和每一侧上的相邻定子总成之间的轴向力的管理是本发明的特点。作用于转子磁体和定子总成之间的静态的轴向磁力由转子每一侧上使用的定子总成的类型和/或转子在气隙E中的轴向位置确定。在一些诸如自动应用之类的应用中，可能需要将轴向的"预载"力引导到轴上，以帮助抵消轴向振动。在本发明中引入这样的偏置力容易实现，要么通过使转子位置稍微靠近一个定子总成，要么通过使用两个略有不同的定子总成，从而施加不平衡的轴向力，以使转子偏向一个定子总成。引入这样的偏置力不会降低本发明的输出扭矩。
在本发明的实施方式中，定子总成在转子每一侧上的位置由非磁性的环形包覆带（wrapping belt）来提供，该带具有面向内的唇部，它可以是连续的或者不连续的，具有等于磁性气隙E的宽度。唇部具有支承面，定子总成坐在该支承面上，从而使执行机构容易组装，并且导致高尺寸精度以及低生产成本。因此磁性气隙E由带的面向内的唇部的宽度限定。
在一个备选实施方式中，转子一侧上的定子总成可以是合适的高导磁性铁磁性板极（被动定子），在选择其厚度时要能闭合磁路。如果使用高导磁性的铁磁性板极，那么该执行机构的扭矩，与由转子每一侧上具有主动定子的实施方式提供的扭矩相比，会减小，因为板极上没有用于产生额外磁通量的线圈
如上所述，定子电路同样被包覆模制在非磁性材料中，以制造定子总成，并且由上述的非磁性环形包覆带与转子和轴组装和连接在一起。
但是，在另一个实施方式中，为了产生集成的定子总成，第一定子电路的包覆模制还结合在定子电路的基础侧上，通常与用来连接和隔开其他定子总成的带的正常包覆模制的部分一起模压。带和唇部支承面与安装凸耳一起通常与定子电路的磁极面侧上的包覆模制一起模压，以限定集成的定子总成。可以有2个、3个或者4个安装凸耳，作为总的模制品的部件以及带的可能需要的其他特征，分别间隔180°、120°或者90°。在该实施方式中，在将转子和轴组装到集成的定子总成里之后，单独包覆模制的第二定子总成坐在带的唇部的支承面上，以限定磁性气隙E，再次允许简化组装、高尺寸精度和低生产成本。
非磁性包覆带和起间隔作用的唇部可以包含嵌入的转子位置传感器接收器，该传感器的位置紧邻执行机构的磁性气隙E，以利用执行机构转子的磁通量接收变化的磁场信息。在该实施方式中，执行机构的转子磁体或者具有非圆形横截面，例如椭圆形的，以便提供变化的气隙，进而为传感器提供变化的磁场，或者在其边缘上具有特殊的磁化模式（magnetization pattern）。该实施方式消除了将第二辐射体磁体和传感器接收器定位在执行机构的轴的一端的需要，以及与之相关的成本和空间损失。
考虑到上述内容，下面提供根据本发明的具有两个主动定子的两极旋转执行机构的基本描述。通过应用马达设计领域的技术人员公知的洛伦兹力定律的原理，提高执行机构的输出扭矩。转子磁体沿轴向贯穿其厚度被磁化。磁化用磁化头来实现。各定子极用铜的或者铝的磁导线沿相反的绕线方向缠绕，因此当励磁时，在每个定子总成中会感应出不同极性的磁极。定子总成位于转子的沿轴向隔开并且相互面对的每一侧上，从而限定出转子位于其中的气隙。当激励时，转子每一侧上的定子总成的面对面的磁极具有相反的极性，并且每个转子磁体的磁极会面对极性相反的定子极。由励磁线圈产生的磁力线与转子磁体的磁力线相互作用，产生执行机构的输出扭矩。
采用两磁极设计，本发明具有180度的总冲程，并且在该总冲程内有90度扭矩是恒定的并且与外加电流成比例。这是用于控制各应用的有效面积区域，诸如自动空气调节阀、废气再循环阀、自动的可变几何形状涡轮增压器和废气门。
本发明也可以在4磁极结构中实施，其中至少一个定子总成上的4个磁极具有交变极性，且在交变极性的转子中有4个磁极对。采用4磁极设计，总冲程将是90度，其中有50度的期间具有有用的、恒定扭矩且与外加电流成比例。
与现有技术的利用铁磁性轭的设计相比，转子磁体具有低惯性，同时还具有足以抵抗冲击和振动力的高强度。在转子每一侧上使用定子总成提供了集中的与转子相互作用的磁力线，提供了高输出扭矩。因此，本发明的动力性能优于现有技术的设计，并且能更加精确地控制应用该发明的应用，并且具有更大的扭矩。
本发明的其他实施方式提供了带形的装置，该装置具有唇部，以确定气隙距离。
下面描述本发明的其他特征和实施方式。
附图说明
图1是现有技术的执行机构的说明性的横截面图。
图2是现有技术的定子、磁极和线圈结构的视图。
图3展示了本发明的典型执行机构的透视图。
图4是本发明的典型部件的分解图。
图5是本发明的典型定子结构的透视图。
图6是本发明的典型定子电路的透视图。
图7是本发明的包覆模制的典型定子总成的透视图。
图8是通过图3的8-8的横截面视图。
图9是定子结构的从图5的箭头A看到的示意性的侧视图。
图10a是作为磁辐射体的非圆形转子磁体的视图，该磁辐射体具有位于带内以确定转子角度位置的传感器接收器。
图10b是示意图，展示了沿周围部分具有变化的磁化强度的转子的一部分，该转子作为磁辐射体，传感器接收器位于耦合带内，以确定转子的角度位置。
图11是耦合带的透视图。
图12是定子耦合带的局部透视图。
图13是本发明的一个实施方式的分解透视图，其中旋转位置接收器安装到罩子上的印刷电路板或者引线框上，而磁场辐射体安装到轴上。
图14a和14b展示了本发明的2极实施方式的操作，其中图14a表示处于与定子极的中部成-45°的预备位置，而图14b表示当线圈励磁时，处于与定子极的中部成+45°的最终位置。
图15是本发明的2极实施方式的扭矩曲线图。
图16a-16c展示了本发明的4极实施方式的视图，其中16a是透视图；16b表示处于与定子极的中部成-25°的预备位置；16c表示当线圈励磁时，处于与定子极的中部成+25°的最终位置。
图17是本发明的4极实施方式的扭矩曲线图。
图18a-18c是本发明的使用2个不对称的定子结构的实施方式的视图，其中图18a是组装好的装置的透视图；18b是图18a的一个不对称的定子结构的透视图，而图18c是图18a的另一个不对称的定子结构的透视图。
图19是转子一侧上有主动定子而其另一侧上有单板极形式的被动定子从而闭合磁路的实施方式的视图。
图20是执行机构用旋转方式直接驱动空气调节阀的实施方式的视图。
图21是集成的定子总成实施方式的视图，其中一个定子的包覆模制通常与耦合带一起模压。
图22是起间隔作用的唇的不连续的实施方式的局部视图。
具体实施方式
图1是从第5,512,871号美国专利的图6获得的说明性的现有技术执行机构的横截面图。该执行机构包括胶粘到铁磁性轭112上的磁化的盘片102，从而构成活动装置100，活动装置100连接到联结轴110上。静止部件108包括静止的定子总成。必须用止推滚球轴承104来限制活动装置100向静止的定子总成108作轴向移动。应当注意轭随磁化盘片旋转，从而引起与现有技术，例如1996年4月30日公布的美国专利5,512,871和美国专利6,313,553，有关的上述问题，出于所有目的，上述美国专利的内容被整体并入此处。
图2是现有技术的定子电路的视图，展示了被机械压入定子基座200内的定子极206。四个定子极206中的每一个在其头部的高度处都具有极靴202，以便达到最大的角行程，尽可能接近90°的理论行程，就现有技术的该执行机构而言，理论行程只有约75度。对执行机构来说，用于产生磁通量的供电线圈204位于四个定子极206的每一个中。当在产生高扭矩所需的强电流下出现磁饱和时，大部分线圈204的通量不通过磁体——这会产生扭矩，而是自己闭合在相邻的线圈204上。
图3表示符合本发明原理的一个实施方式中的执行机构10的全视图。该执行机构包括第一和第二类似包覆模制的定子总成12和耦合带14以及在图4中进一步描述的其他部件。
图4是本发明10的一个典型实施方式的的分解图。该执行机构包括第一和第二包覆模制的定子总成12、耦合带14和磁化盘状转子16。盘式转子1通过联轴节20固定到轴18上，从而使其旋转作用到轴上。转子16位于两个定子总成12之间由耦合带14通过面向内的唇部22和支承面24和26限定的气隙内，如图8、11和12所示。两个定子总成12倚靠着的第一和第二支承面24和26限定了气隙E。在一个实施方式中，耦合带14被设置成刚性足够大的环形带，这在下面会更清楚。它具有挖空的凸耳28，凸耳带有与夹子啮合的开口，这会在下面叙述。定子总成12从相反的方向定位在带内，并且如图所示固定在相应的支承面24和26上，在某种意义上，它限定了盘状磁体转子16的磁性气隙E，转子16设置成与支承面24和26相对。尺寸e1和e2是从定子极端面36（见图5）到转子的面向表面的距离。在典型的实施方式中，盘状磁体转子16位于磁性气隙E的中心，与定子总成等距，即e1等于e2。不难理解轴18相对于定子总成12沿轴向被固定，并且转子16也沿轴向被固定并耦合到轴18上，以便当组装该装置时，转子16处于磁性气隙E内轴向上的固定位置。在典型的应用中，由于由相等间距形成的磁力对称且转子每一侧上的有沿轴向对称的相同的定子总成，因此转子16不受任何净轴向力的作用。但是，在本发明的某些特定的应用中，例如当有振动环境时，可能有利的是引导转子16上的轴向力抵抗沿一个方向的振动，从而帮助将该应用的负载保持在其轴向位置。为了抵抗沿一个方向的振动，轴18上的盘状磁体转子16的位置可以沿轴向朝着任一个定子总成12调节，从而在转子16上形成所需的轴向力，但输出扭矩不减。另一种在转子16感生轴向力的装置参照图18a-18c描述如下。调节转子上的轴向力既可以在2极结构中实现，又可以在4极结构中实现。
应当注意的是，在本发明打算应用的应用中，高动态响应能力是重要的需求，以便在尽可能短的时间内，为该应用定位。该执行机构的用于产生所需扭矩和将该应用定位到其指定位置的能力的量度由品质因数提供，在这里，品质因数AK如此定义，即它等于马达斜率除以马达惯性Jm的比值，并且其绝对数值等于或者大于约1,000，其中马达斜率等于马达常数Km的平方。
AK=马达斜率/马达惯性=马达常数2/马达惯性≥1,000
Km描述了马达基于输入的电能产生输出扭矩的能力，它是用于比较不同马达的固有的品质因数。Km与输出扭矩（T）与输入功率（W）的平方根成正比，即Km=T/W1/2。如图4所示，Jm是转子16的惯性和轴18的惯性和联轴节20的惯性之和。马达常数Km，马达斜率，马达惯性Jm，扭矩T和输入功率W是马达设计领域的技术人员公知的术语和品质因数。
这里描述的2极结构的典型执行机构1可以按照表1所列的参数来造，以提供至少等于1,000的质因数AK。在所给的实施例中：
AK=(1.73x10-1)2/1.85x10-5=1,618
表1
扭矩马达比较   现有技术   本发明
无效功率剩磁   (T)   1.2   1.2
扭矩常数=Kt   (Nm/A)   0.243
终端电阻   (Ω)   1.98
马达常数=Km峰值   (Nm/W1/2)   1.50E-01   1.73E-01
Rth   ℃/W   2.50
连续扭矩25℃和12V   (Nm)   1.221
连续扭矩130℃和12V   (Nm)   0.430
峰值扭矩130℃和12V   (Nm)   0.906
冲程   (°)   75   ＞90
电时间常数   (ms)   9.5   4.3
惯性   (kg.m2)   6.50E-05   1.85E-05
机械时间常数   (ms)   2.9   ＜1
直径   (mm)   60   60
总高度   (mm)   50   72
总重量   (g)   640   550
磁体重量   (g)   46   50
压铁定子   (g)   340   360
压铁转子   (g)   140   0
铜重量（所有线圈）   (g)   60   80
图5是本发明的定子结构30的视图，它可以有利地通过烧结粉末金属工艺来制造。在这个典型方案中，定子结构30具有两个极32和一个基座34。极32具有端面36。定子结构30限定了U形的结构。
图6是本发明的2极结构的定子电路40的视图，图中显示了线圈42，其缠绕在模制的线轴44上并且结尾于插脚46从而形成电连接通路。线轴44安装在定子结构30的磁极32上。
图7是本发明的用于2极结构的包覆模制的定子总成12的视图。在该视图中，可见定子极的端面36和线圈连接46。
包覆模制的材料44可以是液晶聚合物（LCP）型（商业上的例子是Zenite）或者热塑性聚酰胺型（商业上已知的例子是Stanyl和Zytel）的热塑性聚合物。包覆模制的44可以借助伸出的夹持器或者夹子50形式的紧固元件提供包覆模制的定子总成12与带14或者罩48（图13）的机械连接，在耦合带14上挖空的耳朵52（图11）形式的或者在罩48上挖空的耳朵54（图13）形式的配套的紧固元件被紧固到夹持器或者夹子50形式的紧固件元件上。当配套的紧固件将各部分保持在一起时，是唇部22（图11和12）限定气隙E的精确尺寸。气隙E是面对面的定子极端面之间的距离，或者转子一侧上的定子极端面和另一侧上的被动定子之间的距离，下面会对此进行更详细的描述。在该实施方式中，因为包覆模制与定子极端面共平面，尺寸E由唇部22的宽度决定，唇部22具有支承在定子总成的包覆模制上的支承面24和26。在任何结构中，唇部的宽度可以调节，以确保尺寸E是磁极端面之间的或者磁极端面和被动定子之间的距离，这视情况而定。应该指出的是，除了定子总成12与耦合带14机械连接之外，定子总成12和转子16之间有磁性轴向力，这有助于将执行机构10保持在一起，尤其是促使定子总成12牢牢地坐在唇部的22的支承面24和26上。
图8是通过图7的8-8的横截面视图。在该视图中，通过定子极36的横截面明显是U形。磁性气隙E由唇部两侧24和26与包覆模制的定子总成12的啮合确定。磁通电路FC有效地流过定子。
图9是定子结构30的沿着图3的箭头A的示意图，显示了U形横截面并定义了主要尺寸D和H。尺寸D是两磁极36之间的间距，约为磁气隙E的2到5倍，优选约为磁气隙E的4倍，它提供了足够的间距，以防止励磁线圈之间的电磁通量泄漏。尺寸H是定子极36高于基座34的高度，它小于约8倍的磁气隙E，优选约等于或者小于6倍的磁气隙E，它允许励磁线圈有足够的供本发明操作的铜体积。
还要指出的是，现有技术的旋转执行机构同时还可能安装有角位置传感器。这类结构常常被称为伺服执行机构。这样的传感器需要额外的安装在旋转轭上的磁体和固定到执行机构罩子上的传感器接收器。根据本发明的原理的执行机构的特征是没有这个额外的磁体。传感器接收器位于带14内的某一位置，与磁化的盘状磁体转子16成能量耦合关系，这在下面再讨论。
图10a是非圆形磁体转子56的视图，非圆形磁体转子充当磁辐射体，以便让传感器接收器58确定转子的角度位置。传感器58安装在带14中。使用非圆形的（例如椭圆形的）转子会使转子16和传感器接收器58之间的距离产生变化，借此随之变化的磁场强度信息被用于确定角位置信息。该非圆形结构被显示为尺寸D1大于尺寸D2。
图10b是另一种为传感器58提供变化磁通信号的方式。在该实施方式中，每个磁极的一部分60N和60S利用渐进地或者离散地变化的磁场强度被磁化成磁辐射体，因此传感器58接收变化的磁通量作变化信号，虚线示意性地描绘了这种变化。
图11和12是带14的视图。带材可以是热塑性聚酯，例如杜邦Crastin PBT。中心唇部22与定子总成12隔开，以固定如图8所示的磁气隙E。挖空的凸耳52用于夹到定子总成20的夹持器50上。
与定子电路线圈插脚46的电连接在区域62中进行。如果传感器接收器58安装在带14上，那么区域62也可以用作它的电连接。唇部24显示为连续的元件，但只要有足够的部分表面24和26以保持气隙E，它也可以是不连续的。这一点显示在图22中，其中唇部段64是间隔的。
图13是本发明10的另一个实施方式的分解图，其中角位置接收器58安装到罩子48上的印刷电路板或者引线框66上，而磁场辐射体68安装到轴18的端部上。挖空的凸耳54夹到夹持器50上，从而将罩48机械固定到定子总成20上。
下面来描述该执行机构的操作。
图14a和14b表示处于2极结构的各操作位置的定子36a和36b的磁极以及转子16的两个磁极对70的示意图。转子16中的磁极对的分界线或者转换线显示在72处。在图14a中，转子16相对于定子36a和36b处于预备位置，在该起始状态下，定子没有励磁。该预备位置与磁极36a的中心名义上成-45°。由于它连接到该用户应用的一个极限位置，例如空气阀"完全开启"，因此转子16处于其有用冲程的一端。如图8所示，为操作该执行机构，定子36a和36b会被分别励磁成N极和S极，而定子36c和36d会被分别励磁成S极和N极。这会使转子沿箭头R的方向旋转。这会使轴18旋转，从而使该用户应用工作。图14b表示转子16在旋转到其有用冲程的另一端之后的位置，与磁极36a的中心名义上成+45°的最终位置，这是该应用的另一个极限位置，例如空气阀"完全闭合"。如果从线圈中除去电流，可以使用机械部件，例如弹簧，使执行机构回到第一预备位置。通常，应用的装备会提供复位弹簧，不过该执行机构也可以自带复位弹簧。
图15是根据本发明的2极旋转执行机构的曲线图，即转子每一侧上有2个定子极且转子有2个磁极对。在该曲线图中，90°的有用冲程有基本恒定的扭矩，扭矩与外加电流成正比，并且在本领域中被作为恒定的扭矩执行机构。
图16a-16c展示了本发明的4磁极结构74；即转子78每一侧上的每个定子总成76a和76b上有4个定子极且转子78有4个磁极对。虽然这幅图中没有显示带14，但是在安装时它会限定气隙空间E。图16b表示4磁极结构的名义上与定子极的中心成-25°的开始位置，而图16c表示名义上与定子极的中心成+25°最终位置。通常4磁极结构具有约50到65度的恒定扭矩的有用冲程。
图17是根据本发明的4磁极旋转执行机构的曲线图。在该曲线图中，描绘了50°的恒定扭矩的有用冲程。
图18a-18c表示本发明的不对称的实施方式80。在通过比较图18b和18c所示的不对称的实施方式中，转子16一侧上的定子极82大于另一侧上的定子极84。这导致转子40上的轴向引力朝较大的定子极，这对于对抗来自该用户应用的振动是有用的。虽然显示的是2极结构，但是不对称同样可以在4磁极结构中实施。
图19表示本发明的另一个实施方式90，其中转子16具有位于气隙E一侧上的定子总成12和位于另一侧上例如带有铁磁性板极96的被动定子总成94。该实施方式提供了成本较低但扭矩也较低的执行机构。被动定子可以构造成任何形式，它具有与主动定子总成的端面相对的表面。例如，可以使用没有线圈的2磁极定子。不难理解，对于被动定子，气隙尺寸E是主动定子极的端面和被动定子的相对表面之间的距离。这显示在图19中，其中定子总成12位于转子16的一侧上，而被动总成94位于另一侧上，用板极96充当被动定子。该执行机构可以固定到如下类型的操作装置上，在此类操作装置中，该设备直接驱动该应用转动或者将轴的旋转转换成线性运动。图20示意性地表示被固定到如下类型的操作装置100上的执行机构10，其中，操作部分102与止动机构106一起被轴104的旋转直接带动旋转。这有开关式蝶形空气阀为例。
任何一类设备，无论是旋转的还是直线的，都可以与本发明的伺服执行机构方案一起使用，其中该设备的旋转或者直线运动的量以及转子的旋转量由传感器感测，并且由控制***给出命令，以改变转子以及所伺服的设备的旋转位置。
使用执行机构的输出扭矩的旋转控制应用的实施例是空气或者废气再循环（EGR）控制阀、涡轮增压器的可变几何形状的叶片或者废气门控制、或者利用"蝶形阀"结构的节流阀。
旋转变线性运动可以借助"曲柄和滑套（slider）"机构或者借助用随动滚柱产生线性运动和力的旋转凸轮来实现。枢轴型废气再循环阀和可变几何形状涡轮增压器是可以利用本发明的自动应用的实施例。
这些应用通常具有"起始"位置，该位置不用电力作用在执行机构即可维持，以及冲程的电源端位置，在该位置处，应用处于其最大值。本发明会被控制为处于冲程上的任何位置，并且会根据命令沿着冲程快速往复运动。"失效保护（fail safe）"的复位弹簧常常被加入到该应用中，以便万一有电源故障并且当电源被故意关闭时，使执行机构回复到其起始位置。在缺少复位弹簧的情况下，如果不施加电力，执行机构可以将它的行程末端位置保持在任一端。
图21展示了本发明的集成的方案，其中定子总成的包覆模制44通常与带14一起模压，以产生一个集成部件110，即带和定子总成作为一个集成结构。在该实施方式中，轴、转子和相对的定子总成被方便地组装成集成部件110。这能简化组装，并且在确定气隙空间E时能消除一个尺寸公差变化。
图22展示带14的实施方式，其中唇部是不连续的，这通过间隔的唇部段64来表示。
提出典型和优选实施方式的上述详细说明是为了根据法律要求举例说明和公开。不打算穷举，也不打算将本发明限制到上述的精确形式，而只是打算能让本领域的其他技术人员理解本发明可以如何适用于特殊的使用或者实施。改进和改变的可能性对于本领域的熟练技术人员来说是显而易见的。不打算通过典型实施方式的描述来限制，这可能包括公差、特征尺寸、特定的工作条件、工程条件、等等，并且在各设备之间这可能有所变化，或者随目前工艺水平的改变而变化，并且其中也不应该有限制的暗示。已经根据当前的技术现状进行了公开，而且考虑到了技术进步，并且未来的适应性的变化可能考虑到的这些进步，即符合那时的技术现状。本发明的范围打算由撰写得合适的和等效的权利要求书来限定。以单数形式引用权利要求中的元件不打算意味着"一个和唯一一个"，除非明确地如此陈述。此外，该公开中没有一个元件、部件，也没有一个方法或者工艺步骤打算献给公众，无论该元件、部件或者步骤是否被明确地列举在权利要求书中。在这里，权利要求中的元件不应根据美国法典第35章第112条第六段来解释，除非该元件明确地使用短语"用于…的装置"，并且方法或者工艺步骤在这里不应根据那些规定来解释，除非该步骤或该等步骤明确使用短语"包括用于...的步骤"来叙述。

Claims (22)

1.一种旋转电磁执行机构，包括：
定子部分，包括；
两个定子，转子每一侧上有一个，至少其中一个定子是主动定子，主动定子具有2N个定子极，N等于1或者2，两个定子沿轴向隔开预定距离，该预定距离限定气隙尺寸E；
惯性总成，包括；
限定轴线的轴；
盘状磁体转子，该转子不具有安装在轴上以使轴旋转的高导磁率的磁性材料的轭，转子磁体沿轴向被磁化出2N个交变极性的磁极对；
该转子处于所述气隙中，并且与每个定子隔开预定距离；
借此，磁路被限定在两个定子之间，通过定子极和转子，并且转子磁场和定子磁场之间的相互作用会导致产生由所述轴提供的扭矩。
2.权利要求1的执行机构，其中电能到机械能的高效率的转换和惯性非常低的惯性总成共同提供了如下所述的品质因数AK：
AK=马达斜率/马达惯性=马达常数2/马达惯性≥1,000
其中马达常数（Km）与输出扭矩（T）和输入功率（W）的平方根的比值成正比，即，Km=T/W1/2，而马达惯性等于惯性总成。
3.权利要求1的执行机构，其中定子被并入定子总成，并且还包括非磁性的带，该带具有面向内的唇部，该唇部具有隔开预定距离的第一和第二限定空间的边缘表面，第一和第二限定空间的边缘表面与转子每一侧上的定子总成接触，从而在定子之间限定出尺寸为E的轴向气隙。
4.权利要求3的执行机构，还包括位于定子总成上和带上的配套的连接元件，用于将带连接到定子总成上。
5.权利要求3的执行机构，其中唇部是连续的。
6.权利要求3的执行机构，其中唇部是不连续的。
7.权利要求4的执行机构，其中配套元件是位于带上的凸耳和位于定子总成上的啮合夹。
8.权利要求3的执行机构，其中夹与凸耳的啮合使定子总成偏置到靠着唇部的边缘表面。
9.权利要求1的执行机构，其中定子部分包括位于转子一侧的主动定子和位于转子另一侧的被动定子。
10.权利要求1的执行机构，其中定子部分包括位于转子每一侧上的主动定子结构。
11.权利要求1的执行机构，其中每个主动定子结构包括2个隔开的磁极的U形横截面。
12.权利要求1的执行机构，其中主动定子结构的两个定子极间隔的径向距离D约为气隙尺寸的2到5倍。
13.权利要求12的执行机构，其中距离D约为气隙尺寸的4倍。
14.权利要求1的执行机构，其中主动定子结构的两个定子极的高度H等于或者小于约8倍的气隙尺寸。
15.权利要求14的执行机构，其中高度H等于或者小于约6倍的气隙尺寸。
16.权利要求1的执行机构，其中转子是非圆形的，或者具有特殊变化的磁性，并且磁性位置传感器接收器安装到转子一旋转就能因到转子距离的变化或者由特殊变化的磁性引起的变化而感受到磁通量变化的位置。
17.权利要求1的执行机构，其中转子一侧上的主动定子的各磁极具有比转子另一侧上的相对的主动定子极的端面更大的表面积，借此，转子在沿轴向朝着表面积更大的定子极面的方向具有更大的力。
18.权利要求1的执行机构，其中在该气隙中，转子离一个定子比离第二定子更近，借此，转子在沿轴向朝着离它更近的定子的方向具有更大的力。
19.一种旋转电磁执行机构，包括：
具有非磁性带的集成的定子总成，该带包括唇部，该唇部具有支承面，用于在距集成的定子总成预定距离处接收第二定子总成，并且该带具有紧固件；
连接到带上的第二定子，第二定子由配套的紧固件固定到带上的紧固件上，并且支承在所述支承面上，从而在集成的定子总成和第二定子之间限定出预定尺寸为E的气隙；
贯穿集成的定子总成和第二定子总成以限定出旋转轴线的轴；
固定到轴上的盘状磁体转子，它具有2N个磁极对，该转子在轴向上沿交替方向被磁化，从而定子一励磁，转子就旋转。
20.权利要求19的执行机构，其中转子是非圆形的，或者具有特殊变化的磁性，并且磁性位置传感器接收器安装到转子一旋转就能因到转子距离的变化或者由特殊变化的磁性引起的变化而感受到磁通量变化的位置。
21.一种控制***，包括：
旋转电磁执行机构，该电磁执行机构包括：
定子部分，定子部分包括；
两个定子，转子每一侧上有一个，至少其中一个定子是主动定子，主动定子具有2N个定子极，N等于1或者2，两个定子沿轴向隔开预定距离，该预定距离限定气隙尺寸E；
惯性总成，该惯性总成包括；
限定轴线的轴；
盘状磁体转子，该转子不具有安装在轴上以使轴旋转的高导磁率的磁性材料的轭，转子磁体沿轴向被磁化出2N个交变极性的磁极对；
该转子处于气隙E中，并且与每个定子隔开预定的距离；
借此，磁路被限定在两个定子之间，通过定子极和转子，并且转子磁场和定子总成磁场之间的相互作用会导致产生由所述轴提供的扭矩；
以及连接到执行机构的轴上的应用，该应用具有限位块，用于在执行机构的预定的恒定扭矩范围内限制执行机构的旋转。
22.权利要求21的执行机构，其中转子是非圆形的，或者具有特殊变化的磁性，并且磁性位置传感器接收器安装到转子一旋转就能因到转子距离的变化或者由特殊变化的磁性引起的变化而感受到磁通量变化的位置。
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