直线伺服执行器的发射器-接收器装置及直线伺服执行器的制作方法

1.本发明涉及一种直线伺服执行器，属于直线电机领域，特别涉及一种直线伺服执行器的发射器-接收器装置。


背景技术：

2.直线电机基本结构通常包括定子以及包含在定子内的线圈绕组，还包括动子，动子通常由磁钢以及辅助结构件如轴、动子磁轭等组成。直线电机或者以多相步进电机的形式通过脉冲驱动，或者带传感器实现无刷伺服控制。
3.本发明人的国际专利申请pct/cn2020/113709公开了一种带传感器无刷直驱有限行程直线伺服执行器，其中，发射器为中空圆柱形，套装于轴上，发射器沿着轴中心线轴向n/s充磁。对应的接收器布置于罩盖内侧的pcb电路板上。接收器的探测点位于发射器与轴中心线垂直的对称中心面。当发射器跟随动子总成沿着轴中心线来回运动时，接收器可以探测在接收器的探测点沿着轴的轴线方向和垂直于该轴线方向的磁场分量，基于两者的差值计算获取相对位移值。此差值计算方法可以有效补偿由于温度、机械偏移产生的漂移。但是这样的布置方案无法补偿此结构的定子总成的线圈组以及动子总成上的永磁体产生的发散磁场干扰。这种发散干扰磁场使得接收器的探测点位置接收的信号发生了改变，进而使得测量数据失真。在此结构下，如希望降低干扰磁场的影响，发射器以及接收器的布置位置需要远离定子以及动子干扰源，从而使得最终产品在轴中心线方向的长度变得特别长。对于很多应用而言，其空间布置受限，这增加了产品在应用场景下的布置难度，也无谓地增加了产品的体积、重量和成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种直线伺服执行器的发射器-接收器装置以及一种相应的直线伺服执行器，以最大化压缩执行器运动方向空间，保持其结构紧凑，最大化降低或避免执行器本身的发散磁场对接收器探测的干扰，确保执行器精度。
5.本发明的直线伺服执行器及其发射器-接收器装置的示例结构如下：
6.一种直线伺服执行器包括：定子总成、动子总成、发射器和接收器，所述动子总成能够相对所述定子总成直线来回运动。可随动子总成一同运动、例如固定在动子总成上的发射器布置于直线伺服执行器工作时所产生的发散干扰磁场相对较低的区域或者对该发散干扰磁场具有屏蔽作用的区域，即发射器以最小化受该发散干扰磁场的影响的方式布置。所述接收器相对定子总成固定，且与所述发射器相对布置。所述发射器仅可以相对接收器沿着直线伺服执行器运动方向直线运动，限制其旋转方向运动。
7.在此，需要指出的是，“最小化”是相对直线伺服执行器的期望控制精度而言的，即，通过发射器-接收器装置实现的位置检测精度不会制约直线伺服执行器的期望控制精度的实现。换言之，干扰磁场对发射器-接收器装置的检测精度的影响不是整个直线伺服执行器的最终精度的短板。
8.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器沿着直线伺服执行器运动方向的中心线与直线伺服执行器运动方向的轴中心线平行，所述接收器面向发射器的表面(接收器可以为大致平板形状，此时为平面)与发射器沿着直线伺服执行器运动方向的中心线平行并保持一定的距离，即接收器与发射器相对于轴中心线在径向上间隔开布置，所述接收器的探测点位置与所述接收器的所述表面的垂直线与轴中心线相交，即径向指向轴中心线，所述接收器的探测点与发射器沿着直线伺服执行器运动方向的中心线和轴中心线位于同一个平面内。当所述动子总成相对于定子总成位于来回运动行程的中心位置时，优选地，接收器的探测点位于发射器的与轴中心线垂直的对称中心面内。
9.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述接收器探测所述发射器发出的与直线运动方向平行的磁场分量，以及所述发射器发出的垂直于接收器表面的磁场分量，以计算直线运动相对位移。
10.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器沿着运动方向的中心线相对轴中心线的距离最小不小于定子总成的内部腔体半径。
11.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述动子总成包括直线伺服执行器运动方向的轴和支架，所述支架一端垂直固定于所述轴、尤其是轴的一端处，所述支架另一端固定发射器。
12.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器沿着直线运动方向n/s交替2极充磁。
13.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器可以是长方体、圆柱体等，其沿着直线运动方向的中心线与轴中心线平行。
14.一种直线伺服执行器包括定子总成、动子总成、发射器、接收器和直线旋转转换机构，所述动子总成能够相对所述定子总成直线来回运动，但不可以相对旋转运动。所述动子总成与直线旋转转换机构相连，使得动子总成的直线运动转换为相对于直线运动方向垂直的旋转平面的旋转运动。所述发射器安装固定于所述直线旋转转换机构的旋转平面内，使得动子总成的直线运动驱动所述发射器在相对所述直线运动方向垂直的旋转平面内旋转运动。所述接收器与所述发射器相对平面平行布置并且保持一定间隔距离，所述接收器相对定子总成固定。所述接收器的探测中心和所述发射器的对称中心均与直线伺服执行器的轴中心线重合。
15.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述接收器探测所述发射器发出的与直线运动方向垂直的平面内的两个相互垂直的磁场分量，从而计算发射器的旋转角度，进而计算直线运动相对位移。
16.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器沿着平行于直线运动方向且穿过发射器的对称中心的平面为对称面进行n/s交替2极充磁。
17.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述发射器通常为圆柱或圆环永磁体。
18.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述直线旋转转换机构为丝杆结构。
19.在上述技术方案的基础上，进一步地，所述直线旋转转换机构为螺旋式转换结构。
20.本发明的第一种实施方式的有益效果是：所述直线伺服执行器的发射器布置于直线伺服执行器工作时所产生的发散干扰磁场相对较低的区域或者对该发散干扰磁场具有屏蔽作用的区域。在本发明的有限行程直线伺服执行器的实施例中，发射器尽量远离轴中
心线布置。所述发射器沿着运动方向的中心线相对轴中心线的距离最小不小于定子总成的内部腔体半径。鉴于与发射器靠近的定子总成外表是软磁材料，其与发射器相对的直接表面上方漏磁量小。同时控制发射器运动到最靠近定子总成的距离，可以控制和降低定子总成磁场干扰产生的磁场信号失真，从而大大提高直线位移探测精度。
21.同时，发射器通过支架刚性固定于运动轴，其相对于接收器的径向相对位置稳定。同时通过罩盖上的罩盖封闭罩定位进行精确的旋转方向限位，从而确保发射器相对接收器的周向位置相对固定。从而可以确保其信号探测的精确性和稳定性。通常接收器探测发射器在接收器探测点沿着轴中心线的方向和垂直于该轴中心线的方向的两个垂直磁场分量，两者的差值计算可以有效补偿由于温度、机械偏移产生的漂移，进一步保证其位移精度的长期可靠和稳定。
22.本发明的第二种实施方式的有益效果是：直线伺服执行器的运动轴原本的直线运动通过机械结构转换为发射器的旋转运动。而且，其结构中弹簧的设置有效消除机械转换结构中的游隙。鉴于接收器的探测点布置于轴中心线处，直线伺服执行器大致为中心对称结构，因此在接收器的探测点只有沿着轴中心线的干扰磁场，所有与轴中心线垂直的平面上的干扰磁场由于对称结构而相互抵消。而接收器只探测发射器发出的与轴中心线垂直的平面内的两个垂直分量，因此无论接收器相对发射器的位置距离关系，直线伺服执行器工作时所产生的磁场对接收器’的干扰理论为零。以上布置方案，有效保证了位移探测系统的精度和可靠性。
附图说明
23.图1是本发明的第一实施例的执行器的等轴测视图。
24.图2是本发明的第一实施例的执行器的正视图。
25.图3是本发明的第一实施例的执行器沿图2中的a-a所作的剖面图。
26.图4是本发明的第一实施例的执行器沿图3中的b-b所作的剖面图。
27.图5是本发明的第二实施例的执行器的正视图。
28.图6是本发明的第二实施例的执行器沿图5中的a-a所作的剖面图。
29.图7是本发明的第二实施例的执行器的仰视图。
30.图8是本发明的第二实施例的执行器的一部分的等轴测视图。
31.图中附图标记：
32.1-定子总成，141卡爪，142轴孔，18罩盖胶槽，19罩盖封闭罩胶槽，2动子总成，21动子磁轭，22磁钢，23轴，24发射器，3封盖，33封盖胶槽，34封闭盖胶槽，35封盖定位，4罩盖，42罩盖接插件，43、43’pcb定位结构，44卡扣，45罩盖封闭罩，451罩盖封闭罩限位，5pcb电路板，51接收器，7轴中心线，8支架，81支架固定孔，82发射器固定槽，142’扁位特征孔，23’轴，231’扁位特征，24’发射器，3’封盖，34’轴承固定台阶,35’顶盖固定台阶,51’接收器，9’旋转杆,10’发射器旋转座,101’/102’限位特征,103’弧形斜槽，11’球轴承,12’推力轴承,13’弹簧，14’顶盖，15’弹簧支撑。
具体实施方式
33.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明
白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不用于限定本发明的保护范围。
34.图1是根据本发明的第一实施例的执行器的等轴测视图，图2是根据本发明的第一实施例的执行器的正视图，图3是本发明的第一实施例的执行器沿图2中的a-a所作的剖面图。具体实施方式如下：所述执行器包括定子总成1、动子总成2、封盖3、罩盖4、pcb电路板5。所述定子总成1在中央的轴中心线7四周形成容纳动子的腔体，且所述腔体的一端形成轴孔，另一端开口用于动子插入装配。所述定子总成1外周侧面形成若干卡爪141，用于与罩盖4的卡扣44衔接固定。同时在定子总成1与罩盖4贴合配合的一侧端面处形成一罩盖胶槽18，所述罩盖胶槽18内布置密封圈或者胶，用于实现与罩盖4的静密封。定子总成1同时在与罩盖封闭罩45贴合配合的一侧端面处形成一罩盖封闭罩胶槽19，所述罩盖封闭罩胶槽19内布置密封圈或者胶，用于实现与罩盖封闭罩45的静密封。封盖3在与定子总成1贴合配合的一侧端面处形成一封盖胶槽33，所述封盖胶槽33内布置密封圈或者胶，用于实现与定子总成1的静密封。封盖3在与罩盖封闭罩45贴合配合的一侧端面处形成一封盖胶槽34，所述封闭盖胶槽34内布置密封圈或者胶，用于实现与罩盖封闭罩45的静密封。对于本领域的技术人员而言，胶槽可以布置在配合关系的任意零件上，同样可以实现之间的静密封。以上方案实现了电子器件(pcb电路板5以及接收器51)全密封结构。
35.所述动子总成2包含轴23、固定于所述轴23的动子磁轭21以及固定于所述动子磁轭21外侧、特别是其外圆周表面的磁钢22。将动子总成2通过腔体的开口端装入定子总成1，动子总成2的轴23的一端穿过定子总成的轴孔142，用于与外部被驱动结构(未示出)连接。所述封盖3通常优选为注塑件，所述封盖3套装在动子的轴23的另一端上并通过封盖定位35相对定子总成1有效定位，以使得动子总成2的轴23的轴中心布置于轴中心线7处，且动子的磁钢22与腔体的内表面之间形成均匀的空气间隙。
36.动子总成2的轴23伸出封盖3的一端布置有支架8，支架8的一侧包含有支架固定孔81，用于与轴23端部配合连接。所述连接方式确保支架8相对轴23机械固定，其具体连接方式不限，比如机械装配，焊接，粘接等等。支架8的另一侧包含有发射器固定槽82，用于容纳定位发射器24，使得发射器24相对支架8机械固定，从而可随动子总成2一起运动。其固定方式不限，比如机械装配，铆接，粘接等等。所述发射器24通常为沿着轴中心线7等截面的立体结构，比如长方体、圆柱体等。固定后所述发射器24沿着轴中心线7方向的中心线相对轴中心线7平行。在空间允许的情况下，发射器24尽量远离轴中心线7。所述发射器24沿着运动方向的中心线相对轴中心线7的距离最小不小于定子总成1的内部腔体半径，发射器24与定子总成1之间保持合理的距离，以降低定子总成1对发射器24的干扰。所述发射器24沿着轴中心线7轴向n/s充磁。对于本领域的技术人员而言，发射器24为其它形状同样是可以选择的布置方案。
37.所述罩盖4有一接插件42，所述接插件42内侧布置有用于与外部进行电气连接的多个罩盖端子。所述罩盖端子在罩盖内侧的一部分用于与pcb电路板5和/或定子总成1电气连接。所述pcb电路板5通过pcb定位结构43定位于罩盖4内部，并例如通过一定连接手段进行连接，比如本领域的技术人员常用的塑料铆接、涂胶粘接、机械卡接等。所述pcb电路板5除了布置有需要的电子元器件之外，还布置有接收器51，接收器51通常优选磁敏霍尔或磁阻传感器，所述接收器51布置成使得其面向发射器24的表面(优选为平面)与发射器24沿着
轴中心线7方向的中心线平行并保持一定的间隔距离，从而，所述接收器51与发射器24径向相对地间隔开布置，且所述接收器51的探测点位置与所述接收器51的表面的垂直线与轴中心线7相交，而且所述接收器51的探测点位置与所述接收器51的表面的垂直线也与发射器24沿着轴中心线7方向的中心线相交，当所述动子总成2相对于定子总成1位于来回运动行程的中心位置时，优选地，接收器51的探测点位于发射器24的与轴中心线7垂直的对称中心面内。
38.图4是本发明的第一实施例的执行器沿图3中的b-b所作的剖面图。具体实施方式如下：支架8布置于罩盖封闭罩45内部，罩盖封闭罩45内侧设有两个罩盖封闭罩限位451，所述两个罩盖封闭罩限位451分别在支架8两侧与支架8之间以很小的间隙配合，确保支架8可以沿着轴中心线7运动，但约束其旋转方向运动，从而约束其与接收器51的相对位置。因此，所述两个罩盖封闭罩限位451从两侧对支架8形成周向限位。
39.本发明的有益效果是：所述执行器的发射器24布置于执行器工作时所产生的发散干扰磁场相对较低的区域或者对该发散干扰磁场具有屏蔽作用的区域。在本发明的有限行程直线伺服执行器的实施例中，发射器24尽量远离轴中心线7。所述发射器24沿着运动方向的中心线相对轴中心线7的距离最小不小于定子总成1的内部腔体半径。执行器的主要干扰辐射磁场位于定子总成1的腔体内孔，尤其是对于动子永磁体的发散磁场来说，鉴于与发射器24靠近的定子总成1外表是软磁材料，其与发射器24相对的直接表面上方漏磁量小。同时控制发射器24运动到最靠近定子总成1的距离，可以控制和减少定子总成1对发射器24的磁场干扰而产生的磁场信号失真，从而大大提高直线位移探测精度。
40.同时，发射器24通过支架8刚性固定于轴23，其相对于接收器51的径向相对位置稳定。同时通过罩盖4上的罩盖封闭罩定位451进行精确的旋转方向限位，从而确保发射器24相对接收器51的周向位置相对固定。从而可以确保其信号探测的精确性和稳定性。通常接收器51探测发射器24在接收器探测点沿着轴中心线7方向和垂直于该轴中心线7方向的两个垂直磁场分量，两者的差值计算可以有效补偿由于温度、机械偏移产生的漂移，进一步保证其位移精度的长期可靠和稳定。
41.通过定子总成1、封盖3上的胶槽布置分别与罩盖4、封盖3、罩盖封闭罩45配合，实现pcb电路板5以及接收器51等电子元器件所处腔体完全静密封。从而消除由于气密性原因导致的进水、污染失效。大大增加其可靠性。
42.图5是本发明的第二实施例的执行器的正视图，图6是本发明的第二实施例的执行器沿图5中的a-a所作的剖视图，具体实施方式如下：封盖3’在中心形成轴承固定台阶34’，用于容纳定位球轴承11’，球轴承11’的内圈固定安装于发射器旋转座10’的下部，发射器旋转座10’具有限位特征101’和102’(示例性地为两个径向向外突出的凸缘)，用于限位固定球轴承11’内圈。发射器旋转座10’的上部有容纳定位发射器24’的定位腔，发射器24’固定其中，发射器24’通常为圆柱或圆环形，被布置成确保发射器24’的中心位于轴中心线7’。发射器24’沿着平行于直线运动方向且穿过发射器24’中心轴线的任何一个平面为对称面进行n/s交替2极充磁(示例性地参见图6的n/s磁极标注)。发射器旋转座10’同时具有一对相对轴中心线7’旋转对称的立体弧形斜槽103’，旋转杆9’与所述弧形斜槽103’配合，所述旋转杆9’固定于轴23’而能随轴23’一起运动，使得杆9’相对轴23’的轴中心线7’对称。
43.所述轴23’设有旋转杆9’的一端同时布置有弹簧支撑15’，所述弹簧支撑15’与轴
23’刚性连接，用于对布置于所述弹簧支撑15’之上的弹簧13’形成支撑。弹簧13’另一侧布置有推力轴承12’,所述推力轴承12’的另一侧与发射器旋转座10’的内侧面、特别是容纳定位发射器24’的定位腔的底部内侧贴合。所述布置方案使得轴23’与发射器旋转座10’之间维持持续的弹簧力，从而补偿旋转杆9’与弧形斜槽103’之间的游隙。
44.接收器51’布置于发射器24’相对上方而轴向面对发射器24’，接收器51’的探测平面与发射器24’的相应平面平行，且其信号探测点位于轴中心线7’上。此时，接收器51’接收发射器24’发出的与轴中心线7’垂直的平面上的两个垂直分量。
45.在这种实施方式中，发射器24’与接收器51’相对于轴中心线7’轴向面对布置，而在之前所述的实施方式中，发射器24与接收器51相对于轴中心线7径向面对布置。
46.图7是本发明的第二实施例的执行器的仰视图，图8是本发明的第二实施例的执行器的等轴测视图(为了便于说明，只保留局部特征，因此仅示出了其一部分)，所述轴23’具有扁位特征231’，定子总成1的轴孔相应地具有扁位特征孔142’，当轴23’上下运动时，所述扁位特征231’和扁位特征孔142’产生旋转约束，确保轴23’无法进行旋转转动。同时，所述轴23’的上下运动连带旋转杆9’上下运动，旋转杆9’通过弧形斜槽103’驱动发射器旋转座10’相对轴中心线7来回旋转，从而驱动固定于所述发射器旋转座10’的发射器24’旋转。所述发射器24’的旋转使得接收器51’接收到发射器24’发出的与轴中心线7’垂直的平面上的两个垂直磁场分量相应变化，从而可以计算发射器24’的旋转角度，进而进一步计算动子总成2的直线位移。
47.所述发射器24’布置在机构的外侧，与接收器51’之间布置有顶盖14’，所述顶盖14’为一端开口结构，其开口端面用于与封盖3’连接配合。如本发明的第一实施例所述，在定子总成1与罩盖4、封盖3’之间，以及封盖3’与顶盖14’之间均布置有密封结构，以确保pcb电路板5’与接收器51’所处的腔体为全封闭结构。
48.本发明的有益效果是：所述执行器的轴原本的直线运动通过机械结构转换为发射器24’的旋转运动。而且其结构中弹簧9’的补偿有效消除机械游隙。鉴于接收器51’的探测点布置于轴中心线7’上，从而执行器大致为轴对称结构，因此在接收器51’的探测点只有沿着轴中心线7’的干扰磁场，所有与轴中心线7’垂直的平面上的干扰磁场由于对称结构而相互抵消。而接收器51’只探测发射器24’发出的与轴中心线7’垂直的平面的两个垂直分量，因此无论接收器相对发射器的位置距离关系，执行器工作时所产生的磁场对接收器51’的干扰理论为零。以上布置方案，有效保证了位移探测系统的精度和可靠性。
49.进一步地，如果考虑定子总成1的轴孔的扁位特征与轴23’的扁位结构间的实际间隙将导致有角度旋转游隙，从而影响探测精度，其旋转方向的限位完全可以通过其他机械结构来实现以降低或消除其影响，比如增加额外的导向轴等。鉴于这不是本发明装置的关注点，不做一一阐述。
50.以上相对于附图的取向描述了执行器的各个部件的位置关系，但对于本领域的技术人员来说，这仅是为了说明目的，实际应用中可能有所不同。而且，各个实施例的特征可以彼此组合，只要技术上可行即可。
51.以上所述仅为本发明的可选实施例，本发明采用的示例是本公司的无刷直驱直流直线伺服执行器，但所述发射器-接收器装置并不局限于无刷直驱直流直线伺服执行器应用，其发射器-接收器布置结构和方案同样可以适用其他轴向直线运动的执行器，因此不限
制本发明的保护范围。本发明的示例中所述的将直线运动转换为相对于直线运动的运动方向垂直的旋转运动的结构只是为了便于说明发射器布置实施方案的可行性，但不约束其具体运动转换结构方案，比如蜗轮蜗杆结构同样也可以实现相同目的。其他任何将直线运动转换为相对于直线运动的运动方向垂直的旋转运动的结构均为了发射器的布置而实施。以上发明构思下，利用本发明的说明书及附图内容所作的结构衍生变换，直接或间接运用在其它技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。