CN114026308B - 集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器 - Google Patents

Abstract

一种集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器，包括承受齿槽扭矩的直流永磁电动马达。电动马达包括中心轴。车门限位器还包括齿槽扭矩增加装置，该装置安装在马达外部的中心轴上。齿槽扭矩增加装置包括成对的相反磁化的永磁体，成对的相反磁化的永磁体分别围绕马达轴同轴安装在定子和转子中。当轴旋转时，定子磁体和转子磁体移位成彼此对准和不对准，使得马达保持在多个离散的稳定位置，这些位置对应于汽车车门的限位位置。

Description

集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年6月25日提交的美国临时申请No.62/866,086的优先权，并以引用的方式并入到本文中。

背景技术

在现代汽车中，强调自动化、便利性、效率和重量减轻。一个创新领域涉及门限位器。实际上总是需要保持汽车乘客门在离散位置暂时打开。这种位置便于驾驶员和乘客进出车辆，特别是在打开车门的空间受限的情况下，例如被停车场中的其他汽车或其他障碍物限制。门限位器就是用于这个目的的。通过机械摩擦，弹簧加载元件与随着门运动而移动的其他元件接合，以在棘爪处产生离散的限位位置。

机械门限位器功能非常强大，并且已经被证明了很多年。但是，它们确实会给车辆增加一定的重量，必须小心安装，以方便门的平稳操作。此外，在许多周期中，它们会磨损，效率降低。因此，减少或避免机械摩擦磨损的门限位器将是有利的。此外，减小门限位器的尺寸在车辆设计中提供了优势，因为定位这种装置所需的包装空间减小了。

便利和自动化推动的另一个创新领域涉及电动开门和关门。门动力驱动单元通常采用直流(DC)电动马达。永磁电动马达容易出现称为齿槽的现象。齿槽效应是由于转移、不对称的电场和磁场，在电动马达每转期间产生的周期性减速、停顿或波纹效应。当没有电力供应给马达时，齿槽现象最为明显。电动马达中的齿槽效应通常被视为一种负面效应，因为受到齿槽效应影响的马达不会产生连续、平滑的力分布或扭矩。在某些情况下，如果原动力不足以克服齿槽效应引起的阻力，电动马达将在齿槽位置失速。齿槽还会对马达输出产生负面影响，并可能导致振动和噪音。可以通过增加线圈或绕组以及相应的换向器的数量来减轻齿槽效应，从而在马达操作期间使力分布均匀。采用非整数比(即，不是1∶1、2∶1、3∶1等)的不等数量的磁体和转子齿，也有效地消除了齿槽问题。倾斜定子磁体和转子齿也可以通过趋于分散和抵消电阻齿槽力来减少齿槽效应。因此，为了提高电动马达的效率，关于齿槽效应的大量研究和开发集中在降低齿槽效应上。

常规的DC电动马达可用于驱动机械***来开门和关门。通过适当的电子控制，这种马达可以停止在离散位置，以获得门限位效果。然而，这种马达在这种停止位置通常不会产生足够的阻力来防止门在受到小于将门从限位位置移开所需的力时摆动。使用更大的马达，更大的质量和对这种力更大的阻力会增加成本和重量。此外，如果施加足够的力，这种马达可以反向驱动。因此，希望有一种手段来增强常规DC马达的门限位能力，而不显著增加其尺寸、重量和成本。

发明内容

增强DC永磁马达的齿槽效应，或者选择这种具有固有齿槽扭矩的马达，允许马达增强简单地通过将更高效的马达驱动到离散位置实现的门限位效果。因此，车门可以通过DC马达的称为齿槽扭矩的阻力扭矩保持就位。当电动马达驱动齿轮***致动机械连杆移动门时，齿槽扭矩通过齿轮系比和效率增加。这产生了足够的阻力，以在不受显著的外部打开或关闭力时维持门的位置。这种阻力被称为反向驱动扭矩。然而，在某些情况下，例如极端的车辆取向或阵风，马达的齿槽扭矩将不足以保持车门的位置。

已经发现，通过添加额外的齿槽元件或齿槽扭矩增加装置，可以增强DC马达的齿槽效应。该装置通过添加与马达轴同轴的磁体对来增加DC马达的齿槽扭矩。马达是添加额外齿槽扭矩最理想的地方，因为像DC马达本身一样，扭矩由齿轮比和齿轮系效率倍增。在一个优选实施例中，相反磁化的永磁体布置在外部定子和内部转子上，该外部定子和内部转子在马达的任一端与电动马达轴同轴安装。当相反磁化的磁体对对准时，磁体相互吸引，齿槽扭矩增加装置的位置稳定。这对应于限位的门位置，因为将扭矩增加装置从其稳定位置移动需要力。当马达轴旋转时，齿槽扭矩是通过将磁体从其对准位置移位而产生的。这种磁体未对准导致扭矩增加装置的位置不稳定。这对应于限位位置之间的门位置。当用于移动门并进而将马达旋转出限位位置的力被移除时，马达旋转回到稳定且限位的位置。外部磁体可以与DC马达对准，以增加***的齿槽扭矩。

在替代配置中，多极磁体可用于齿槽扭矩增加装置。这些可以包括静止的多极外磁体和旋转的多极内磁体。同样，当相反电荷的极在马达轴的旋转过程中对准并吸引时，装置位置是稳定的。当带相反电荷的极未对准时，反之与带相同电荷的极对准时，导致它们相互排斥，装置位置就不稳定。

通过为由电动马达驱动的机械***选择合适的齿轮比，门的小位移可能导致扭矩增加装置的显著旋转。因此，在潜在的门限位位置之间可能有非常小的增量。从用户的角度来看，门限位本质上是无限的。实际上，这意味着门实际上可以在其期望的运动范围内的任何位置被限位。

在本发明的主要方面，一种与汽车车门的动力驱动单元集成的车门限位器包括直流永磁电动马达，该电动马达包括中心轴、安装在电动马达外部的中心轴上的齿槽扭矩装置，该齿槽扭矩增加装置包括围绕轴同轴安装的成对相反磁化的永磁体，其中，当轴旋转时，成对同轴磁体移位成彼此对准或不对准，使得马达保持在对应于汽车车门的限位位置的多个离散稳定位置。

在本发明的另一方面，具有集成动力驱动单元的车门限位器还包括由中心轴驱动的齿轮***、由齿轮***旋转的至少一个杠杆臂以及在杠杆臂的控制下往复运动以打开和关闭车门的连杆臂。

在本发明的另一方面，相反磁化的磁体对分别位于多极静止外磁体和多极旋转内磁体上。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以进一步理解本公开，其中:

图1是通过铰链联结的汽车侧门和车身支柱的示意性剖视透视图，该汽车侧门和车身支柱被配置成使用带有DC电动马达的动力驱动单元打开和关闭。

图2是动力驱动单元DC电动马达、齿轮组件和连杆的示意性透视图。

图3是动力驱动单元的示意性透视局部剖视图，更详细地示出了齿轮系。

图4是具有驱动齿轮系和往复连杆的中间齿槽装置的DC马达的示意性透视局部剖视图。

图5A和图5B是示意性正视图，示出了安装在DC马达任一端的齿槽装置。

图6是DC马达的透视图，示出了其转子、定子和磁通线。

图7示出了DC马达产生的最大齿槽效应A和最小齿槽效应B。

图8是安装在DC马达上的齿槽装置的透视图。

图9是透视示意性局部剖视图，示出了对准的相对装置磁体和齿槽装置的相对磁体之间的吸引力。

图10示出了当齿槽装置的相对磁体如图9所示对准时产生的最小扭矩。

图11是示出相对装置磁体未对准以及齿槽装置的相对磁体之间的吸引力的透视示意性局部剖视图。

图12示出了当齿槽装置的相对磁体如图11所示未对准时产生的最大扭矩。

图13是安装在DC马达一端的齿槽装置的透视局部分解图，该DC马达具有转子、定子和分立的永磁体。

图14是DC马达的透视局部立体图，组装好的齿槽装置安装在其一端。

图15示出了仅由DC马达、仅由齿槽装置及其组合产生的扭矩。

图16A是齿槽装置的替代实施例中的外部和内部多极磁体的示意图，示出了产生齿槽力B的对准的相对磁化段之间的吸引力。

图16B是齿槽装置的替代实施例中的外部和内部多极磁体的示意图，示出了产生齿槽力A的未对准的相反磁化段之间的吸引力和排斥力。

图16C示出了多极磁体在图16A和图16B所示取向产生的扭矩。

前面段落、权利要求书或下面的描述和附图的实施例、示例和替代方案，包括它们的各个方面或相应的各个特征中的任何一个，可以独立地或以任何组合的方式获得。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征不兼容。

具体实施方式

可以参考附图描述本发明的说明性实施例。

参考图1，汽车门***包括经由铰链5可旋转地安装到车身支柱3的门1。门1可以在控制单元9的操作下通过动力驱动单元7自动打开和关闭。由DC电动马达11驱动的动力驱动单元7使连杆13将门1从完全关闭移动到完全打开位置，和移动到其间的各种位置。动力驱动单元7还将门1维持在这些不同的取向。

参照图2、图3和图4，连杆13由DC电动马达11来回驱动以控制门1的位置，电动马达11经由杠杆臂10和齿轮系15连接到连杆13。由电动马达11驱动的蜗轮17有利地驱动齿轮系15。连杆13的往复运动由图4中的字母X和箭头表示。齿槽装置19可以位于电动马达11与齿轮系15之间，如图5A示意性所示，或者可以替代地位于马达11的远端处，如图5B所示。门1由来自DC马达11的称为齿槽扭矩的阻力扭矩保持就位。该扭矩通过齿轮系15的齿轮系比和效率而增加，齿轮系15可以被调节以实现期望的效果，从而产生足够的阻力来维持门1的选定位置。该阻力被称为反向驱动扭矩，或足以沿相反方向驱动电动马达11的扭矩。

图6示出了处于稳定位置的典型DC永磁电动马达11。转子21与定子23产生的磁场对准，在这种配置中，定子23包括四个永磁体。示意性地示出了磁通线Y。将转子21从该稳定位置旋转所需的扭矩称为齿槽扭矩。图7示出了在稳定位置的产生的标称零扭矩和在磁场最大未对准点的转子和定子的标称齿槽扭矩1.0。

然而，在一些情况下，例如极端的车辆取向，马达11的齿槽扭矩不足以将门1保持在其选定位置。在这些情况下，需要更高的齿槽扭矩。

参照图8和图9，为了增强典型的DC马达的齿槽效应，扭矩增加齿槽装置19可以装配到马达11上。齿槽装置19包括成对的永久装置磁体27、29，以便增加DC马达11的齿槽扭矩。额外齿槽扭矩的最理想位置是靠近马达11，因为这种扭矩由齿轮比和齿轮系15的效率倍增以提供门保持扭矩。外部磁体组27与内部相反极化或磁化磁体组29对准。由于相反极化的磁体吸引，当磁体对27、29对准时，齿槽装置19处于稳定位置。磁体对27、29之间的吸引力由图9中的字母Z和箭头表示。齿槽扭矩是通过将磁体从它们对准的位置移位而产生的。图10再次示意性地示出了当磁体对27、29通过360度旋转移动到对准和不对准时扭矩的变化。当装置磁体27、29如图9中点C所示对准时，扭矩为零。由于齿槽装置19的效应添加到DC马达11的齿槽效应，图10中的最大齿槽力大于图7中的最大齿槽力。

图11示出了最大未对准时的磁体对27、29。同样，相反极化的磁体对之间的吸引力由字母Z和箭头表示。当磁体27、29处于最大位移和未对准时，势能最大。最大不稳定位置的齿槽力如图12中的字母D所示。

图13是齿槽装置19的局部分解图，齿槽装置19具有其自身的定子31和转子33，永磁体27安装在定子31中，永磁体29安装在转子33中。

图14示出了齿槽装置19的优化取向，其中外部磁体27与DC马达11对准，以增加***的齿槽扭矩。根据马达11的速度，额外的齿槽扭矩可能导致大约2％到50％的电流消耗增加。然而，在电动门打开和关闭功能的典型马达操作范围内，电流增加倾向于在5％至8％的范围内。因此，由于齿槽装置19的使用而产生的附加齿槽效应不会对DC马达11的操作产生不利影响。

图15示出了由DC电动马达11的齿槽效应产生的马达扭矩E、由齿槽装置19产生的齿槽装置扭矩F以及由电动马达11和齿槽装置19的组合齿槽效应产生的总齿槽扭矩G。

图16A、图16B和图16C示出了齿槽装置19中的装置磁体的替代配置。可以采用同心布置的圆形多极磁体来代替采用各自具有单个偶极的离散永磁体27、29。图16A示出了这种多极磁体阵列，其中圆形外部多极磁体35包括围绕较小直径内部多极磁体37同心的交替的北极和南极段，内部多极磁体37也包括交替的北极和南极段。在图16A中，随着相应多极磁体35、37的相对的北极和南极段对准，位置是稳定的。相对多极阵列的相反极性部段之间的吸引力再次由字母Z表示。在图16B中，随着相应多极磁体35、37的相对南北极性部段未对准，位置不稳定。吸引力Z和排斥力R不是同轴定向的。图16A的稳定位置B对应于图16C中最小扭矩的位置。不稳定位置A对应于图16C中最大扭矩的位置。

还应当理解，尽管在所示实施例中公开了特定的部件布置，但是其他布置也将从中受益。尽管示出、描述和要求保护了特定的步骤顺序，但是应当理解，除非另有说明，否则步骤可以以任何顺序执行、分离或组合，并且仍将受益于本发明。

尽管不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本发明的实施例不限于这些特定组合。可以将一个示例中的一些部件或特征与另一个示例中的特征或部件组合使用。

尽管已经公开了示例实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入权利要求的范围内。为此，应研究以下权利要求，以确定其真实范围和内容。

Claims (3)

1.一种集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器，所述车门限位器包括:

承受齿槽扭矩的直流永磁电动马达；

所述电动马达包括中心轴；

齿槽扭矩增加装置，所述齿槽扭矩增加装置安装在所述电动马达的外部的所述中心轴上；

所述齿槽扭矩增加装置包括成对的相反磁化的永磁体，所述永磁体分别围绕所述电动马达的中心轴同轴地安装在定子和转子中，其中，当所述中心轴旋转时，定子永磁体和转子永磁体移位成彼此对准或不对准；和

使得所述马达保持在对应于汽车车门的限位位置的多个离散的稳定位置。

2.根据权利要求1所述的集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器，还包括:

a.由所述中心轴驱动的齿轮***；

b.由所述齿轮***旋转的至少一个杠杆臂；

c.连杆臂，所述连杆臂在所述杠杆臂的控制下往复运动，以打开和关闭车门。

3.根据权利要求1或2所述的集成有用于汽车车门的动力驱动单元的车门限位器，其中，所述成对的相反磁化的永磁体分别位于多极静止外磁体和多极旋转内磁体上。

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