CN110529646B - 一种比例调节电控执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种比例调节电控执行器，包括电机(1)、信号齿轮件(6)、第一霍尔传感器(12)、第二霍尔传感器(13)和磁环(15)，在信号齿轮件(6)上固定安装永磁体(7)，磁环(15)通过径向充磁形成至少1组N、S；电机(1)的输出轴与磁环(15)固定连接，第一霍尔传感器(12)、第二霍尔传感器(13)分别布置于磁环(15)和信号齿轮件(6)的下方，且第一霍尔传感器(12)采集磁环(15)旋转时的N、S切换信号，第二霍尔传感器(13)采集永磁体(7)的位置信号。本发明可实现无接触式的高精度位置检测，有利于延长比例调节电控执行器的工作寿命，具有可靠性高、无噪音、制造难度低等突出优点。

Description

一种比例调节电控执行器

技术领域

本发明涉及电控执行器结构设计领域，尤其是涉及驱动电子水阀的一种比例调节电控执行器。

背景技术

对于新能源车，三电***、乘员舱等功能区对温度范围有明确需求，换热介质根据需求实时在不同回路间循环流通，通过介质流过时的热交换，可使各功能区处于目标温度范围内。对于燃油车，发动机、变速箱和乘员腔等功能区对温度范围同样有明确需求。

电子水阀作为一种控制介质流向或流量的装置，被安装于各循环回路之间。电控执行器作为动力输出机构，向电子水阀输出驱动力矩，帮助其实现工作模式的切换。

但是，现有电子水阀的电控执行器在实际使用中，主要是存在如下不足之处：

1、电控执行器只能对两端的两个极限位置进行检测和控制，不能识别或停止在中间位置，因此，其无法实现比例调节。与此对应，由其驱动的电子水阀也仅存在开、关或换向功能，无法多管口同时打开，无法实现比例调节，不能对介质进行精准的流量控制。

2、电控执行器对于位置信号的采集，使用接触式原理(如电位器)，参与接触摩擦的零件有过度变形、磨损、接触不良等风险，进而造成信号偏差或丢失，同时产生噪音。

3、电控执行器在信号采集时所产生的误差直接计入总控制误差中，造成电控执行器的控制精度降低。

4、电控执行器的底壳、上盖等零件的接连部位无特殊保护设计，导致产品防护性能低或制造复杂，产品适用范围受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种比例调节电控执行器，提高比例调节电控执行器的工作寿命。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种比例调节电控执行器，包括电机、信号齿轮件、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和磁环，所述的信号齿轮件上固定安装永磁体，所述的磁环通过径向充磁形成至少1组N、S；所述电机的输出轴与磁环固定连接，所述的第一霍尔传感器、第二霍尔传感器分别布置于磁环和信号齿轮件的下方，且第一霍尔传感器采集磁环旋转时的N、S切换信号，第二霍尔传感器采集永磁体的位置信号。

优选地，还包括第三霍尔传感器，所述的第三霍尔传感器布置于信号齿轮件的下方，且第三霍尔传感器采集永磁体的位置信号。

优选地，所述的磁环上形成安装通孔，所述电机的输出轴与磁环上的安装通孔之间形成过盈配合结构。

优选地，所述的磁环通过径向充磁形成3组或者4组N、S。

优选地，所述磁环上的N、S环磁环圆周方向交错均匀排列。

优选地，所述的电机固定安装在机体内腔中，所述的机体包括上盖和底壳，所述的上盖与底壳之间固定连接成中空腔体结构，在上盖上装配簧片，所述的簧片将电机压紧。

优选地，所述的信号齿轮件与输出齿轮件之间形成减速传动结构，在上盖上固定安装油封，所述油封为中空环形结构，且油封与输出齿轮件上的滚道密封部之间套接而形成动密封结构。

优选地，所述的上盖上形成簧片安放槽，所述的簧片与簧片安放槽之间形成固定连接结构。

优选地，所述的底壳为中空腔体结构，在底壳的中空腔内形成定位台，所述的定位台支撑并定位电路连接板，所述的第一霍尔传感器、第二霍尔传感器固定安装在电路连接板上。

优选地，所述的信号齿轮件上形成永磁体安装孔，所述的永磁体与永磁体安装孔之间形成过盈配合结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：当电机驱动磁环旋转运动时，通过第一霍尔传感器采集磁环旋转时的N、S切换信号，与此同时，信号齿轮件带动永磁体同步运动，并通过第二霍尔传感器采集永磁体的位置信号；当相同的采集误差产生时，由于比例调节电控执行器自身具备一定的减速比，磁环旋转过的角度除以该减速比即为比例调节电控执行器旋转角度的分辨率，且采集误差也按该减速比成倍缩小，由此实现了无接触式的高精度位置检测，不仅可靠性高，而且无噪音，制造难度低，有利于延长比例调节电控执行器的工作寿命。

附图说明

图1为本发明一种比例调节电控执行器的***示意图。

图2为本发明一种比例调节电控执行器的传动原理示意图。

图3为图1或者图2中的上盖的结构示意图。

图4为图1或者图2中的传动齿轮件的结构示意图。

图5为图1或者图2中的信号齿轮件的结构示意图。

图6为图1或者图2中的底壳的结构示意图。

图7为图1或者图2中的输出齿轮件的结构示意图。

图8为图1或者图2中的磁环的磁极示意图(2组N、S)。

图9为图1或者图2中的磁环的磁极示意图(3组N、S)。

图10为图1或者图2中的磁环的磁极示意图(4组N、S)。

图11为永磁体、霍尔传感器、磁环之间的相对位置示意图。

图12为信号齿轮件、永磁体与霍尔传感器工作关系示意图。

图中部品标记名称：1-电机，2-上盖，3-油封，4-蜗杆，5-传动齿轮件，6-信号齿轮件，7-永磁体，8-底壳，9-输出齿轮件，10-主控制器，11-电路连接板，12-第一霍尔传感器，13-第二霍尔传感器，14-第三霍尔传感器，15-磁环，16-簧片，21-簧片安放槽，22-焊接槽，23-阶梯孔，24-转轴限位孔，25-定位孔，51-传动大齿圈，52-传动小齿圈，53-中心孔，61-信号小齿圈，62-信号大齿圈，63-永磁体安装孔，64-限位孔，81-焊接线，82-固定销，83-定位台，84-定位销，91-输出齿圈，92-扭矩输出连接槽，93-滚道密封部，94-支撑杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示的比例调节电控执行器，主要包括机体、电机1、传动齿轮件5、信号齿轮件6、输出齿轮件9、电路连接板11、第一霍尔传感器12、第二霍尔传感器13和磁环15，所述的机体包括上盖2和底壳8，所述的上盖2与底壳8之间固定连接成中空腔体结构，其中，所述上盖2的具体结构如图3所示，在上盖2上分别形成焊接槽22、转轴限位孔24和定位孔25，所述的底壳8为如图6所示的中空腔体结构，在底壳8上分别形成焊接线81、固定销82、定位台83和定位销84，所述的定位销84与上盖2上的定位孔25相互配合，以对底壳8与上盖2之间的相对位置进行定位；所述的焊接线81与上盖2上的焊接槽22相配合，并通过超声波焊接或者振动摩擦焊或者激光焊等方式而使底壳8与上盖2之间固定连接成中空腔体结构；所述的定位台83位于底壳8的中空腔内，且定位台83支撑并定位电路连接板11；通常，所述的固定销82在穿过电路连接板11上对应的定位孔后，再通过热变形进行铆接固定，当然，也可以采用螺钉使电路连接板11与底壳8之间形成可拆卸的固定连接结构；所述的第一霍尔传感器12、第二霍尔传感器13固定安装在电路连接板11上。

所述传动齿轮件5的具体结构如图4所示，在传动齿轮件5上分别形成传动大齿圈51、传动小齿圈52和中心孔53；所述信号齿轮件6的具体结构如图5所示，在信号齿轮件6上分别形成信号小齿圈61、信号大齿圈62、永磁体安装孔63和限位孔64；所述输出齿轮件9的具体结构如图7所示，在输出齿轮件9上分别形成输出齿圈91、扭矩输出连接槽92以及滚道密封部93和支撑杆94，所述的扭矩输出连接槽92通常采用花形槽，作为比例调节电控执行器的扭矩输出结构，所述的支撑杆94与底壳8上对应的装配孔形成间隙配合。

所述的磁环15通过径向充磁形成至少1组N、S，如图8所示，所述的磁环15通过径向充磁形成两对极，即磁环15具备2组极性N、S，通常，该2组极性N、S沿磁环15圆周方向上按90°交错均匀排列。如图9所示，所述的磁环15通过径向充磁形成三对极，即磁环15具备3组极性N、S，通常，该3组极性N、S沿磁环15圆周方向上按60°交错均匀排列。如图10所示，所述的磁环15通过径向充磁形成四对极，即磁环15具备4组极性N、S，通常，该4组极性N、S沿磁环15圆周方向上按45°交错均匀排列。

所述的底壳8内腔中形成电机安装腔，如图6所示，所述的电机1安装于该电机安装腔内，从而使电机1能够被固定安装在机体内腔中。通常，可以在上盖2上形成簧片安放槽21，如图3所示，通过簧片安放槽21与簧片16之间形成固定连接结构，以实现在上盖2上装配簧片16。当比例调节电控执行器装配完成后，可以利用簧片16将电机1压紧，使电机1得以稳固在底壳8上的电机安装腔内，提高了电机1的工作稳定性。所述电机1的输出轴可以先在其连接部滚花，再将蜗杆4、磁环15与电机1的输出轴形成固定连接结构。通常，所述的蜗杆4、磁环15上分别形成安装通孔，所述电机1的输出轴与蜗杆4、磁环15上的安装通孔之间形成过盈配合结构，使蜗杆4、磁环15可跟随电机1的输出轴同步旋转。

所述的传动齿轮件5通过齿轮定位针与底壳8连接，所述齿轮定位针的一端以嵌件形式被注塑固定在底壳8上、另一端则与上盖2上对应的转轴限位孔24配合，在传动齿轮件5上设置中心孔53，该中心孔53与齿轮定位针之间形成间隙配合，传动齿轮件5在工作时以该齿轮定位针为中心旋转。其中，所述的转轴限位孔24主要用于限制转轴的偏斜，以避免齿轮中心距变化而导致卡滞。

所述的信号齿轮件6通过齿轮定位针与底壳8连接，所述齿轮定位针的一端以嵌件形式被注塑固定在底壳8上、另一端则与上盖2上对应的转轴限位孔24配合，信号齿轮件6上的限位孔64与齿轮定位针之间形成间隙配合，信号齿轮件6在工作时以该齿轮定位针为中心旋转。在信号齿轮件6上固定安装永磁体7，通常，所述的永磁体7与信号齿轮件6上的永磁体安装孔63之间形成过盈配合结构。所述的永磁体7设置2个，该2个永磁体7通常为圆柱体结构，并进行轴向充磁；永磁体7向周边空间持续发散磁场，磁场强度按相对于永磁体7的位置不同而不同。

所述的蜗杆4与传动齿轮件5上的传动大齿圈51之间形成啮合传动结构，以进行减速增力，将动力传递给传动齿轮件5。所述传动齿轮件5上的传动小齿圈52与信号齿轮件6上的信号大齿圈62之间形成啮合传动结构，所述信号齿轮件6上的信号小齿圈61与输出齿轮件9上的输出齿圈91之间形成啮合传动结构，以使信号齿轮件6与输出齿轮件9之间形成减速传动结构，实现减速增力，并将动力传递给输出齿轮件9，如图1、图2所示。

如图1、图11所示，在电路连接板11上固定安装第一霍尔传感器12、第二霍尔传感器13和第三霍尔传感器14，所述的第一霍尔传感器12、第二霍尔传感器13分别布置于磁环15和信号齿轮件6的下方，所述的第三霍尔传感器14布置于信号齿轮件6的下方。其中，所述的第一霍尔传感器12用于采集磁环15旋转时的N、S切换信号，所述的第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14均用于采集永磁体7的位置信号。

本发明的比例调节电控执行器在工作时，是由电路连接板11上的主控制器10来控制电机1的旋转动作，以实现控制输出齿轮件9的位置。具体地，

如图12所示，当永磁体7随信号齿轮件6旋转运动时，处于信号齿轮件6下方的第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14相对于永磁体7的位置发生改变，从而使第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14接收到的磁场强度发生变化；当磁场强度达到第二霍尔传感器13或者第三霍尔传感器14的转开关阀值时，即得知信号齿轮件6的位置，其中的第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14分别检测一个极限位置。也就是说，当永磁体7与第三霍尔传感器14靠近，信号齿轮件6在一个极限位置停止，当永磁体7与第二霍尔传感器13靠近时，信号齿轮件6在另一个极限位置停止。由于信号齿轮件6与输出齿轮件9啮合传动，其相对角度存在一一对应关系，因此，比例调节电控执行器间接得知输出齿轮件9的位置，即找出了该比例调节电控执行器的极限位置。

需要说明的是，只用一个第二霍尔传感器13或者第三霍尔传感器14来采集永磁体7的信号，也可实现比例调节电控执行器的极限位置识别功能。但是，同时采用第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14两组，可使比例调节电控执行器的控制逻辑更严密，防止其出现逻辑错误。

在磁环15持续旋转过程中，处于其下方的第一霍尔传感器12位置的磁场状态按N、S不断交错变换，其中的N向S(或S向N)切换一次，则第一霍尔传感器12接收到的信号就变化一次，因此，第一霍尔传感器12得以根据信号变化次数间接得知磁环15(即电机1的输出轴和蜗杆4)旋转过的角度。

通过永磁体7与第二霍尔传感器13、第三霍尔传感器14相互配合找到比例调节电控执行器的两个极限位置，即可通过该比例调节电控执行器实现电子水阀的开、关或换向功能。当电子水阀需在中间位置停止以实现多口同开、比例调节等功能时，电机1从极限位置开始旋转，在电机1旋转过程中，磁环15、第一霍尔传感器12不断实时接收、刷新和记录电机1真实旋转过的角度，当磁环15旋转达到目标角度时(第一霍尔传感器12接收到目标次数的信号变化)，电机1停止旋转后，即实现了电子水阀的中间停止功能。通过蜗杆4与传动齿轮件5配合，可以实现自锁功能，反向力量不能使蜗杆4旋转，即，当比例调节电控执行器达到目标位置后，电机1保持位置稳定，即使外界向输出齿轮件9反向施加旋转力矩，也不会使该比例调节电控执行器的角度改变。

由于比例调节电控执行器形成确定的传动链，并存在一定的减速比，磁环15旋转过的角度除以该减速比即为执行器旋转的角度。当第一级的蜗杆4旋转一定角度时，末级的输出齿轮件9的旋转角度为蜗杆4的旋转角度除以减速比。例如，在电子水阀的比例调节电控执行器中，减速比一般为300-500区间，如果第一级的蜗杆4(即磁环15)每旋转90°，即被第一霍尔传感器12识别一次，则末级的输出齿轮件9在理论上可达到90°/300＝0.3°的最高分辨率，从而实现了高精度控制。另外，由于采集极限位置信号的永磁体7组件设置在非输出齿轮件上，本实施例中设在倒数第二级的信号齿轮件6上，因此，当相同的采集误差产生时，由于非输出齿轮件与输出齿轮件9之间存在一定的减速比，使得采集误差按该一定的减速比成倍缩小，从而提高了比例调节电控执行器识别极限位置的精度，实现了无接触式的高精度位置检测，不仅可靠性高，而且无噪音，制造难度低，延长了比例调节电控执行器的工作寿命。

为了提高比例调节电控执行器的防护效果，以提高其适用范围，可以在输出齿轮件9外侧设置油封3，所述的油封3固定安装在上盖2上。通常，可以在上盖2上开设阶梯孔23，所述的油封3为中空环形结构，将油封3以过盈配合方式压装入上盖2上的阶梯孔23中，使油封3外圆与上盖2上的阶梯孔23之间形成静密封结构，并使油封3与输出齿轮件9上的滚道密封部93之间套接而形成动密封结构，以将比例调节电控执行器的内腔与外界环境隔离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种比例调节电控执行器，包括电机（1）和信号齿轮件（6），所述的信号齿轮件（6）上固定安装永磁体（7），其特征在于：还包括第一霍尔传感器（12）、第二霍尔传感器（13）和磁环（15），所述的磁环（15）通过径向充磁形成至少1组N、S；所述电机（1）的输出轴与磁环（15）固定连接，所述的第一霍尔传感器（12）、第二霍尔传感器（13）分别布置于磁环（15）和信号齿轮件（6）的下方，且第一霍尔传感器（12）采集磁环（15）旋转时的N、S切换信号，第二霍尔传感器（13）采集永磁体（7）的位置信号；

还包括第三霍尔传感器（14），所述的第三霍尔传感器（14）布置于信号齿轮件（6）的下方，且第三霍尔传感器（14）采集永磁体（7）的位置信号；

所述的磁环（15）通过径向充磁形成3组或者4组N、S；

所述磁环（15）上的N、S环磁环（15）圆周方向交错均匀排列；

所述的电机（1）固定安装在机体内腔中，所述的机体包括上盖（2）和底壳（8），所述的上盖（2）与底壳（8）之间固定连接成中空腔体结构，在上盖（2）上装配簧片（16），所述的簧片（16）将电机（1）压紧。

2.根据权利要求1所述的一种比例调节电控执行器，其特征在于：所述的磁环（15）上形成安装通孔，所述电机（1）的输出轴与磁环（15）上的安装通孔之间形成过盈配合结构。

3.根据权利要求1所述的一种比例调节电控执行器，其特征在于：所述的信号齿轮件（6）与输出齿轮件（9）之间形成减速传动结构，在上盖（2）上固定安装油封（3），所述油封（3）为中空环形结构，且油封（3）与输出齿轮件（9）上的滚道密封部（93）之间套接而形成动密封结构。

4.根据权利要求1所述的一种比例调节电控执行器，其特征在于：所述的上盖（2）上形成簧片安放槽（21），所述的簧片（16）与簧片安放槽（21）之间形成固定连接结构。

5.根据权利要求1所述的一种比例调节电控执行器，其特征在于：所述的底壳（8）为中空腔体结构，在底壳（8）的中空腔内形成定位台，所述的定位台支撑并定位电路连接板（11），所述的第一霍尔传感器（12）、第二霍尔传感器（13）固定安装在电路连接板（11）上。

6.根据权利要求2所述的一种比例调节电控执行器，其特征在于：所述的信号齿轮件（6）上形成永磁体安装孔（63），所述的永磁体（7）与永磁体安装孔（63）之间形成过盈配合结构。