电机、线性驱动器、及使用该线性驱动器的车灯调节器

摘要

本发明提供了一种电机，包括定子、转子、和止动件，所述定子包括若干绕组，所述转子包括一转轴、与转轴相对固定的转子铁心及固定于转子铁心上的永久磁体，所述止动件提供一止动转矩以吸引转子，使转子可相对定子停留在需要的位置，所述定子包括非对称的励磁转矩，所述励磁转矩与止动转矩叠加使总输出转矩具有均匀的转矩脉动。本发明还提供了一种使用该电机的线性驱动器及使用该线性驱动器的车灯调节器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种应用于驱动器的电机、使用该电机的线性驱动器及使用该线性驱动器的车灯调节器。

背景技术

线性驱动器广泛地应用于汽车领域，如作为车灯调节器，用于自动调节车灯的位置及朝向。如图7所示，线性驱动器通常包括一电机1及一输出轴2。所述电机1包括定子3和转子4。转子4的转轴5上设有外螺纹。所述输出轴2的中央沿轴向设有螺纹孔，所述输出轴2的内螺纹与转轴5的外螺纹相配合而形成螺纹副6，从而形成螺纹连接。所述输出轴2沿电机1周向旋转的运动被限制，从而电机1的转轴5旋转时，输出轴2沿转轴5的轴向作线性运动。输出轴2的运动方向与取决于电机1的转轴5的旋转方向。

可逆性和不可逆性是线性驱动器两个相对的特性。可逆性是指通过外力作用而驱动输出轴的能力。可逆性在电机故障或电机供电故障，需要手动调节被驱动器驱动的装置的情况下是必要的。不可逆性是指当外力作用在输出轴上，线性驱动器具备一定的防止输出轴移动的能力。不可逆性在提供给驱动器的电机的电流断电或电流减小，被驱动器驱动的装置因车辆正常运行而遭受到外力作用，仍然需要保持在适当的位置的情况下是必要的，比如车灯调节器。在某些场合，可逆性和不可逆性都是必要的，比如后视镜调节器，一方面，其需要具有可逆性从而具备可手动调节的功能。另一方面，其要求具有较高的保持力使得其在正常运行时不易受风吹或车辆正常运动所产生的振动等因素影响。此处的保持力是指轴向地作用在输出轴上，不会使输出轴移动的最大作用力。

可逆性和不可逆性与输出轴和转轴之间的机械摩擦有着紧密的联系。低的摩擦力意味着高的可逆性。而高的摩擦力能很好地提高线性驱动器的保持力。此外，摩擦力也直接影响线性驱动器的效率。低的摩擦力表示低能量损失，即高的传输效率，而高的摩擦力会降低线性驱动器的传输效率。一个具有自锁功能的螺纹副仅具备不可逆性而不具备可逆性，这样的螺纹副具有很小的螺旋角，螺纹副之间的高摩擦力使得螺纹副间的传输效率一般低于50％，通常低于30％甚至更低。因此，在线性驱动器既需要可逆性又需要不可逆性的场合，需要在效率与保持力之间平衡。

机械摩擦与温度、转轴与输出轴之间的相对速度及表面光滑度有关。其中温度和速度是变化的，且表面光滑度会随磨损程度变化而有所改变。由于摩擦力在很大程度上与温度有关。因此在相同的螺纹副上，在不同的温度下具有可逆性和不可逆性是有可能的。图6所示的线性驱动器通过设计适当的摩擦副尺寸，以及选择最佳的润滑油来实现可逆性和不可逆性的需求。然而，此种现有设计具有很大的局限性，因为温度对润滑油粘性的影响很大。一款特定的润滑油往往只适用于某一特定的场合以及尺寸在某一特定的范围内的摩擦副，这样大大提高了润滑油的使用成本。

欧洲第EP0689278A1号专利申请公开了一种具有高止动转矩的步进电机。所述止动转矩是通过定子与转子之间产生磁力吸引而实现。所述止动转矩用以提供电机的保持力。由于止动转矩受温度的影响远小于机械摩擦副。因此，此类的电机的保持力不用完全依赖摩擦副。这样可使螺纹副高效、低摩擦地将旋转运动转换成线性运动，同时，还可防止过度磨损。另外，该设计对润滑的要求也非常宽松，可以使用相对便宜的润滑油。然而，如图8至图10所示，对于具有对称的两相转矩的电机而言，其两相转矩叠加后输出规则的相转矩波形，但止动转矩加入后与相转矩叠加使总输出转矩的波形呈不规则状态。虽然总输出转矩相对电角度呈周期性变化，但在同一周期内，总输出转矩具有多个最高点或多个最低点(拐点)，即输出转矩的转矩脉动(torque ripple)时大时小，极不均匀，导致电机运转不平稳。此外，在一个周期内，转矩的最大值与最小值之差很大，即产生很大的转矩脉动，导致电机运行时产生很明显的振动和噪音。

因此，函需一种能够克服上述缺陷的方案。

发明内容

本发明提供了一种电机，包括定子、转子、和止动件，所述定子包括若干绕组，所述转子包括一转轴、与转轴相对固定的转子铁心及固定于转子铁心上的永久磁体，所述止动件提供一止动转矩以吸引转子，使转子可相对定子停留在需要的位置，所述定子包括峰值不同的励磁转矩，所述止动转矩与励磁转矩叠加使得总输出转矩的转矩脉动小于由所述励磁转矩产生的转矩脉动。

较佳的，所述转矩脉动在总输出转矩峰值的35％以下。

较佳的，所述止动转矩的峰值为总输出转矩峰值的5％到50％之间。

最佳的，所述止动转矩的峰值为总输出转矩峰值的15％到30％之间。

较佳的，所述止动转矩的峰值至少是励磁转矩的10％。

较佳的，所述定子包括第一相转矩和第二相转矩，所述第一相转矩峰值为第二相转矩峰值的90％以下。

较佳的，所述定子包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和第二绕组的线圈匝数不同而产生不对称的第一相转矩和第二相转矩。

较佳的，所述止动转矩的周期等于励磁转矩的周期。

较佳的，所述总输出转矩在一个周期内有且仅有一个拐点。

较佳的，所述总输出转矩曲线可由正弦函数或余弦函数的绝对值表达。

较佳的，所述电机为步进电机。

较佳的，所述止动件的中央设有一通孔，所述止动件于通孔的外周设有若干凸齿，所述凸齿环绕于转子外围并与所述永久磁体正对。

较佳的，所述止动件的凸齿沿止动件的径向延伸。

较佳的，所述定子包括若干极板，每一极板包括若干极齿，所述止动件的凸齿的数量为极板的极齿数量的两倍。

较佳的，所述定子包括第一绕组组件和第二绕组组件，所述第一绕组组件包括两极板、设于两极板之间的第一绕线架及缠绕于第一绕线架上的第一绕组、所述第二绕组组件包括两极板、设于两极板之间的第二绕线架及缠绕于第二绕线架上的第二绕组，所述第一绕组组件和第二绕组组件的极板均包括若干极齿，所述第一绕组的匝数少于第二绕组的匝数从而产生非对称的励磁转矩，所述止动板的凸齿与电机轴向平行的中心线与第一绕组组件的极板的极齿沿电机轴向平行的中心线对齐。

本发明还提供一种线性驱动器，包括一电机及一输出轴，所述包括定子、转子、和止动件，所述定子包括若干绕组，所述转子包括一转轴、与转轴相对固定的转子铁心及固定于转子铁心上的永久磁体，所述止动件提供一止动转矩以吸引转子，使转子可相对定子停留在需要的位置，所述定子包括非对称的励磁转矩，所述励磁转矩与止动转矩叠加使总输出转矩具有均匀的转矩脉动，所述输出轴与所述电机的转轴之间形成螺纹副而相互连接，所述电机的转轴旋转时，所述输出轴沿转轴作线性运动。

较佳的，所述螺纹副的传输效率大于30％。

最佳的，所述螺纹副的传输效率在40％至60％之间。

本发明还提供一种用于车辆的车灯调节器，包括用于与车灯的灯架连接的一线性驱动器，所述线性驱动器包括一电机及一输出轴，所述输出轴与灯架连接，所述电机包括定子、转子、和止动件，所述定子包括若干绕组，所述转子包括一转轴、与转轴相对固定的转子铁心及固定于转子铁心上的永久磁体，所述止动件提供一止动转矩以吸引转子，使转子可相对定子停留在需要的位置，所述定子包括非对称的励磁转矩，所述励磁转矩与止动转矩叠加使总输出转矩具有均匀的转矩脉动，所述输出轴与所述电机的转轴之间形成螺纹副而相互连接，所述电机的转轴旋转时，所述输出轴沿转轴作线性运动。

上述电机具有明显的止动转矩，使电机断电时可使转子精确地停留并保持在某一位置，而在电机通时电，止动转矩与非对称的励磁转矩叠加不会产生大的转矩脉动，使电机在增加止动转矩的同时运行更为平稳，具有较小的振动和噪音。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是本发明一实施例的步进电机的立体组合图。

图2是图1所示步进电机的定子的分解图。

图3是图2所示定子的止动板与极板的位置关系平面展开示意图。

图4是本发明一实施例的线性驱动器的剖面示意图。

图5是图1所示步进电机的转矩与电角度的关系曲线图，其中该电机的转矩包括两相不对称的转矩及一止动转矩。

图6是图4所示线性驱动器应用于一车灯装置的立体图。

图7是现有的一种线性驱动器的剖面示意图。

图8是一种现有的步进电机的电机转矩与电角度关系曲线图，其中该电机的转矩包括两相对称的转矩，但不包括止动转矩。

图9是另一种现有的步进电机的电机转矩与电角度关系曲线图，其中该电机的转矩包括两相对称的转矩及一止动转矩，并且所述止动转矩与励磁转矩同相。

图10是又一种现有的步进电机的电机转矩与电角度关系曲线图，其中该电机的转矩包括两相对称的转矩及一止动转矩，并且所述止动转矩与励磁转矩相差90°。

具体实施方式

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

请参阅图1及图2，本发明一实施例的步进电机10包括定子20和转子30。所述转子30为永磁转子，其具有一输出轴16。所述输出轴16可以是电机转轴，也可以是不同于电机转轴的另一轴。本实施例中，所述输出轴16为电机转轴。所述定子20包括一壳体12、固定于壳体12内的第一绕组组件17、第二绕组组件19和若干止动板26。所述第一绕组组件17包括两极板26、设于两极板26之间的第一绕线架24及缠绕于第一绕线架24上的第一绕组22。所述第二绕组组件19包括两极板26第二绕线架25及缠绕于第二绕线架25上的第二绕组23。优选地，所述第一绕组22比第二绕组23小，即第一绕组22的匝数少于第二绕组23的匝数，

所述壳体12包括位于电机10轴向一端的一底板。所述底板设有两安装凸耳14。每一安装凸耳14上设有一穿孔用于供固定件，比如螺丝穿过从而将电机10固定至安装位。每一极板26包括一本体261及自本体261延伸的若干极齿27。所述本体261呈环形片状。所述极齿27自本体261的内孔外周沿定子20的轴向突伸。当定子20与转子30组合后，所述极齿27环绕于转子30的侧壁外围。所述第一绕组22和第二绕组23分别缠绕于所述第一绕线架24和第二绕线架25上。每一绕线架24/25包括两个端子21，所述两个端子21分别用于接绕组22/23的两个线端。每一极板26和止动板28的周向外围设有两定位部46。所述定位部46用于与壳体12相卡扣从而将极板15或止动板28固定在适当的位置。

每一止动板28大致呈环形片状，其中央设有一通孔281。所述止动板28于通孔的外周设有若干凸齿29。优选地，每一止动板28的凸齿29的数量为每一极板26的极齿27数量的两倍。所述凸齿29沿止动板28的径向朝通孔281的中央延伸。所有凸齿29沿通孔281的周向排列。所述凸齿29分别吸引转子的磁极从而对转子产生止动力。由于止动力大致处于位于中央的止动板28上，因此止动力的位置比较容易控制或调整。

请同时参阅图3，图3中以一止动板28为例显示了止动板28的凸齿29与极板26的极齿27的位置关系。优选地，止动板28的凸齿29与电机10轴向平行的中心线与第一绕组组件17的极板26的极齿27与电机10轴向平行的的中心线对齐。

图4所示为本发明一实施例的线性驱动器40。所述线性驱动器40包括一电机11及一输出轴16。所述电机11与图1所示的电机10相似，不同的是，本实施例中，输出轴16不同于电机11的转轴33，转轴33具有一螺纹段38用于与所述输出轴16配合。所述电机11的转子30包括固定于转轴33上的转子铁芯32及固定于转子铁芯32外围的磁铁34。所述磁铁34呈筒状。所述转子30通过一轴承36可旋转地固定于壳体12内。所述输出轴16设有一螺纹孔39，用于与所述转轴33的螺纹段38相匹配。所述输出轴16与转轴33的螺纹段38配合形成螺纹副。所述输出轴16不能沿转轴33的轴线旋转。因此，当电机11的转轴33旋转时，输出轴16沿转轴33的轴向呈直线运动。输出轴16的运动方向取决于转子30的旋转方向。一联接器48固定于输出轴16的末端，用于连接一被驱动件。

请参阅图5，上述实施例中，所述电机10/11的励磁转矩包括不对称的第一相转矩T1和第二相转矩T2。其中第一相转矩T1与第二相转矩T2相差90°。第一相转矩T1比第二相转矩T2小，且第一相转矩T1的峰值为第二相转矩T2的峰值的90％以下。在图5所示的实施例中，第一相转矩T1的峰值为16mNm，第二相转矩T2的峰值是24mNm，第一相转矩T1的峰值约为第二相转矩T2峰值的66.67％，也即第二相转矩T2的峰值是第一相转矩T1峰值的1.5倍。

止动转矩Td曲线为规则的波形，其相对电角度呈周期性变化。止动转矩和励磁转矩的振幅和周期被设定为使得电机具有最小的转矩脉动，且转矩脉动随时间变化是均匀的。在振幅方面，所述止动转矩的峰值至少是励磁转矩的10％。优选地，止动转矩的峰值在励磁转矩峰值的20％-50％之间。此外，止动转矩的峰值在总输出转矩峰值的5％至50％之间，优选地，在15％至30％之间。在图5所示的实施例中，止动转矩的峰值为±4mNm，而总励磁转矩的峰值(即T1+T2的峰值)/总输出转矩Tt的峰值均是28mNm，止动转矩Td的峰值是总励磁转矩峰值/总输出的14％，同时是第一相励磁转矩的峰值16mNm的25％，是第二相励磁转矩峰值24mNm的16.67％。

在周期方面，所述止动转矩Td的周期等于第一相转矩T1/第二相转矩T2的周期。由于止动板28的凸齿29的中心线与第一绕组组件17的极齿27的中心线对齐，因此，止动转矩Td的波峰正对第一相转矩T1的波峰及第二相转矩T2的波谷，止动转矩Td的波谷正对第一相转矩T1的波谷及第二相转矩T2的波峰。优选地，止动转矩Td的波峰与第一相转矩T1的波峰之和等于止动转矩Td的波谷与第二相转矩T2的波峰之和。从而止动转矩Td补偿了第一相转矩T1和第二相转矩T2之间的差值，使得电机10/11的总输出转矩Tt与图8所示的不具有止动转矩的电机的输出转矩相似，并且将电机10/11的转矩脉动控制在总输出转矩峰值的35％以下。上述不具备止动转矩的电机是指没有显著的止动转矩的电机，因为众所周知，所有的永磁电机都具有止动转矩，但由于该止动转矩通常较小，因此该止动转矩对马达的性能不产生明显的影响。

如图5所示，总输出转矩Tt曲线呈规则波形，且总输出转矩Tt在一个周期内有且仅有一个拐点，也就是说，在一个周期内，总输出转矩Tt具有唯一且恒定的最大值/最小值。转矩脉动为8mNm，是总输出转矩峰值的28mNm的28.57％。

不对称的相转矩可由磁通量的不同而产生，比如，极齿齿形的差异、气隙差异或绕组差异等。在上述实施例中，不对称的相转矩由绕组差异而形成。由于所述第一绕组22比第二绕组23小，即第一绕组22的匝数少于第二绕组23的匝数，因此，通电时第一绕组22产生的磁场比第二绕组23产生的磁场弱，作用于转子30从而形成不对称的相转矩。不过，对于第一绕组22和第二绕组23的匝数不同而可能产生的电流差，可通过对第一绕组22和第二绕组23选择不同尺寸的导线来消除这一潜在的影响。

本发明的步进电机10/11及线性驱动器40具有止动转矩Td，且该止动转矩Td在电机10/11通电时与励磁转矩叠加不会产生大的转矩脉动，而在电机10/11断电时能提供高的保持力。由于止动转矩Td几乎不受温度和摩擦副的磨损程度影响。因此，电机10/11不再需要高摩擦力以提供保持力，因此，螺纹副的传输效率可大大提高，即提高至30％以上，优选地，可提高至40％到60％之间。此外，本发明的线性驱动器对润滑油的要求也较低，可使用更为便宜的润滑油。

由于止动转矩是由磁力特性所决定，不受机械摩擦的影响而变化，因此止动转矩所提供的保持力更为精准。以线性驱动器应用于车灯装置为例，假若一线性驱动器需要50N的保持力及20N的线性驱动力。一传统的步进电机将提供约1mNm的止动转矩及24mNm的励磁转矩。但在本发明的线性驱动器中，该步进电机可产生4-10mNm的止动转矩及所需要的50N的保持力，且本发明的线性驱动器具有更高效率的螺纹副。

图6所示为使用本发明的线性驱动器的车灯装置50，该车灯装置50应用于一车辆上。所述车灯装置50包括一灯架52、固定于灯架52上的一灯体54及用于驱动灯体的线性驱动器。所述线性驱动器为图4中所示的线性驱动器。所述灯架包括一反光板用于反射灯体所发出的光束。所述灯架通过两安装部及一固定部固定于一支撑体，比如车身的支架上。所述安装部及固定部共同形成三个固定点，从而可将灯架固定于支架上。所述两安装部可通过手动调节可改变灯架的左右朝向。所述固定部与所述线性驱动器的输出轴连接。当输出轴沿轴向向前/向后运动时，驱动固定部沿轴向向前/向后位移，从而使反光板反射的光束向下/向上倾斜，如此，可根据不同情况下的需要调节车灯的朝向。

优选地，所述车灯装置还包括一辅助驱动器60。通过在安装部和反光板之间设置旋转件电动调节车灯的光束的左右朝向。

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，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。