本發明涉及例如用于控制在機動車輛的熱機中流動的流體流量的線性電致動器的領域，更具體地涉及可逆致動器的領域，該可逆致動器要求安全返回參考位置，即所謂的“自動防故障”功能，從而在電池供電切斷期間掌控流體流量。本發明更確切地涉及雙線控制的自動切換可逆線性致動器，該可逆線性致動器在緊湊性、有效作用力、耐用性、耐高溫性以及成本方面要優于現有技術中的致動器。

背景技術：

已知包括可逆致動器的流體定量閥門，該可逆致動器由直流電機或直流減速電機與凸輪轉換系統的結合構成，以產生線性運動以及通過或多或少地將閥門推離其位置來控制調節流量。現有技術的這些組合是基于電機或減速電機的不同解決方案的。

第一種解決方案在于使用與減速齒輪相結合的有刷直流電機以及凸輪轉換系統以產生閥門的軸向移動，例如在專利US20120285411中所描述的那樣。該第一解決方案具有以下優點：較大的運動減速，及因此產生的令人關注的致動力儲備、借助于雙線連接實現的控制簡易性以及無需任何其他智能電子構件。這樣的解決方案在成本方面和在高溫下工作的能力方面是有利的。

但是，這一解決方案具有與電信號的機械切換相關的兩個主要缺陷，即電刷的磨損以及因此導致的有限的使用壽命，以及干擾位于附近的其他電子構件的強電磁發射。這兩個缺陷對于用于機動車輛的電致動器的新規范來講越來越難以承受。一方面，電機所要求的使用壽命越來越長，另一方面，電機中的電致動器的數量和接近度要求減小電磁發射。最后，該解決方案的空間構造不是十分有利，因為其要求將減速電機沿著與致動器的輸出構件的軸線相垂直的軸線來布置，這使得難以實現車輛的發動機總成的集成。

第二類解決方案基于扭矩電機，扭矩電機是不具有電刷的直流電機的第二種形式，其驅動凸輪裝置以產生閥門的平移，例如在專利FR2978998中所描述的那樣。由于其同樣基于直流電機，因此這一解決方案具有與上一解決方案中相同的與雙線控制相關的控制簡易性的優點，但是這一解決方案由于不存在電刷而更加有利，與上一解決方案相比，由于不存在電刷的磨損，其能夠達到很久的使用壽命。最后，這一解決方案因為以下原因而令人關注：由于無電刷而形成的其使用壽命及其弱電磁發射；由于不存在智能且因此而產生(成本)約束的電子組組件，其能夠在高溫下工作；以及最后，保持為雙線方式的控制的簡易性。

但是，這一解決方案也表現出基于行程受限的致動器的缺點，其禁止凸輪轉換系統上游的任何形式的運動減速，這對可達到的最大致動力造成嚴重的損失。實際上，由于消耗更大的電流，因此該第二解決方案所獲得的力比利用第一種解決方案所獲得的力少一半。如前一種致動器那樣，由于凸輪的轉換，轉矩電機相對于輸出構件的垂直定向導致難以實現致動器的集成。

最后，針對控制流體調節閥門的可逆致動器的第三種已知解決方案在于使用與無刷多相電機相應的電子切換多相電機，其通常稱作BLDC(即無刷直流電機)，其中控制裝置內的電子切換使得能夠根據由磁敏傳感器測量的轉子位置來控制定子相中的電信號。該電機通過螺桿螺母而關聯于轉換系統，以產生閥門控制構件沿著與電機運動同軸的運動的平移。在這一情況下，控制裝置是相當復雜的，由于其在閉合回路中工作，以根據轉子的實際位置來調整發送到定子的信號。這一解決方案在多個專利中進行描述，例如歐洲專利EP1481459。

這一解決方案表現出不具有電刷的優點以及因此提供了與上一解決方案相同的使用壽命和弱電磁發射方面的確定價值，另外具有充分的運動減速以達到與利用第一種解決方案所獲得的力相似的強致動力。最后，這一配置的有利之處在于，由于中心螺桿相對于電機定子的運動的同軸特性而實現的集成實現了整體軸對稱構造，這一構造極大地便利了其在發動機總成上的集成并且實現了該解決方案的整體緊湊性的優點。

然而，這一解決方案要求使用整合了智能構件的復雜的控制電子元件，該智能構件解釋來自轉子位置傳感器的信息以由此控制定子相。這使得該解決方案成本高并且受溫度的限制，這是因為管理電機控制的微控制器限制為140℃，這一溫度對于在發動機罩下的閥門環境的新要求來說過低。

技術實現要素：

本發明的目的在于通過實現一種利用無刷電機的緊湊的線性致動解決方案來克服現有技術中的缺陷，該無刷電機是經由一組簡單的電子部件通過雙線信號來控制的，其能夠在高于140℃的溫度下使用。

本發明的另一目的在于借由對通過轉子內部的螺桿的運動轉換系統的使用，實現無刷電機的轉軸上的線性輸出。

本發明的另一目的在于借由對耦合到行星齒輪減速器的回動彈簧的使用而能夠返回安全位置(通常稱作自動防故障功能)。

為此，本發明基于具有電子開關的無刷多相電機，其納入了高效率運動轉換且能夠容置十分緊湊的參考位置恢復裝置，這使得能夠整合同軸結構中所需要的全部功能。

通過螺桿螺母、或甚至通過兩個螺母和螺桿上的兩個相反螺紋來對運動減速的裝置，使得能夠達到較大的運動減速因子以及優良的效率從而達到高輸出功率和優良的致動力儲備。

控制單元實現了在用于無刷電機的典型自動開關的電子器件與對基礎的有刷電機的控制之間的有利的折衷，該控制單元基于來自用于對電源開關供電的功率橋的雙線控制，所述電源開關由用于讀取轉子位置的磁敏元件直接控制。

這一電子解決方案性能良好且成本較低，并且其由于未裝載智能元件而能夠在高溫條件下工作。

最后，行星齒輪減速器與扭轉彈簧的耦合使得能夠以十分緊湊的方式整合用于使電機恢復參考位置的有效解決方案。

實際上，減速器允許減少轉子角度行程，能夠減少若干圈，以在有限的行程中驅動輪轂以及使扭轉彈簧在良好條件下工作而不會受到由于在角度移動幅度大于270°的情況下所出現的螺旋的寄生摩擦的損害。

扭轉彈簧是通過將線在直徑上的纏繞幾圈而構成的，這些繞圈位于定子引導裝置周圍并且允許整合到致動器中而不會延長或擴大其初始尺寸。這還使得能夠保持同軸結構，而同軸結構更易于整合到發動機環境中。

本發明在最廣泛的意義上涉及用于構件的線性驅動的機械電子組件，其包括控制單元和致動器，控制單元包括伺服算法和功率橋，所述算法控制所述功率橋，所述功率橋遞送由扭矩信號和方向信號構成的雙線電信號，致動器包括具有N相的多相無刷電機、用于檢測所述電機的轉子位置的雙擇檢測探頭、用于將轉子的旋轉運動轉換為控制構件的線性運動的轉換裝置、能夠基于雙線電信號對電機的N個相供電的電源開關，其特征在于，電源開關的狀態是由來自檢測探頭的信號直接控制的。

“直接控制”是指檢測探頭電連接到輸出開關而不連接到微控制器。傳遞到開關的電信號是檢測探頭的輸出信號。布置在探頭和開關之間的僅有的可能電氣構件是無源組件，例如電阻器、電容器或二極管。

有利地，具有N相的多相電機由N個單極或雙極線圈、或者2N個單極半線圈構成。

根據一個變型，用于檢測轉子位置的雙擇檢測探頭由雙線電信號供電。

根據另一個變型，運動轉換裝置具有連接到電機轉子的至少一個螺母以及連接到致動器的控制構件的至少一個螺紋部，其特征在于，轉子通過行星齒輪減速器驅動位置恢復裝置。

根據另一個變型，運動轉換裝置具有連接到轉子的螺母和連接到定子殼體的第二螺母，每個螺母都與控制構件的具有相反螺紋的兩個部分配合，其特征在于，轉子通過行星齒輪減速器驅動位置恢復裝置。

根據另一個變型，機械電子組件包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制構件的磁體和連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁敏元件被設計成能夠讀取控制構件的軸向位置。

根據另一個變型，其包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制單元的磁體以及連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁體的磁化圖案被設計成使得能夠讀取控制構件在其螺旋形移動期間的軸向位置。

優選地，這一組件包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制構件的磁體以及連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁體的磁化圖案是軸對稱的。

本發明還涉及一種用于構件的線性驅動的機械電子組件，包括控制單元和致動器，控制單元包括伺服算法和功率橋，所述算法控制所述功率橋，所述功率橋遞送由扭矩信號和方向信號構成的雙線電信號，致動器包括：具有N相的多相無刷電機、用于檢測所述電機的轉子位置的雙擇檢測探頭、用于將轉子的旋轉運動轉換為控制構件的線性運動的轉換裝置、包括扭轉彈簧的參考位置恢復裝置、能夠基于雙線電信號對電機的N個相供電的電源開關，其特征在于，電源開關的狀態由來自檢測探頭的信號直接控制。

優選地，具有N相的多相電機由N個單極或雙極線圈、或者2N個單極半線圈構成。

根據一個有利的實施方式，用于檢測轉子位置的雙擇檢測探頭由雙線電信號供電。

有利地，運動轉換裝置具有連接到電機的轉子的至少一個螺母以及連接到致動器的控制構件的至少一個螺紋部，其特征在于，轉子通過行星齒輪減速器驅動位置恢復裝置。

根據一個有利的變型，運動轉換裝置具有連接到轉子的螺母和連接到定子殼體的第二螺母，每個螺母與控制構件的具有相反螺紋的兩個部分配合，其特征在于，轉子通過行星齒輪減速器驅動位置恢復裝置。

根據另一個變型，機械電子組件包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制構件的磁體和連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁敏元件被設計成能夠讀取控制構件的軸向位置。

優選地，其包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制構件的磁體以及連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁體的磁化圖案被設計成使得能夠讀取控制構件在螺旋形移動期間的軸向位置。

根據另一個變型，機械電子組件包括位置傳感器，位置傳感器包括連接到控制構件的磁體以及連接到控制單元的磁敏元件，其特征在于，磁體的磁化圖案是軸對稱的。

有利地，扭轉彈簧的纏繞軸與多相電機的轉軸是同心的。

根據另一個變形，扭轉彈簧(20)的角度行程機械地受限于與彈簧自身相連或者與在有限圓形空間中運轉的行星齒輪減速器(18)的元件之一相連的突起部。

附圖說明

參考附圖，通過閱讀以下詳細的實現示例，本發明的其他特征特性和優點將變得明顯，其中：

-圖1是根據本發明的為了經由電機的雙線控制進行控制而使用的典型機械電子結構；

-圖2是能夠用于本發明的基本電路的細節圖；

-圖3a是根據第一模式“120°單極”的開關邏輯電路的示例以及其真值表；

-圖3b是根據第二模式“180°單極”的開關邏輯電路的示例以及其真值表；

-圖4是第一實施方式中的對于雙極控制模式的控制邏輯電路的示例以及其真值表；

-圖5是第二實施方式中的對于雙極控制模式的控制邏輯電路的示例以及其真值表；

-圖6a和圖6b是整合螺桿螺母系統的線性致動器的第一實施方式；

-圖7a和圖7b是整合螺桿螺母系統以及參考位置恢復系統的線性致動器的第二實施方式；

-圖8a和圖8b是使用第三實施方式的、根據本發明的電機-減速器組件的局部剖面圖和四分之三視圖；

-圖9a和圖9b是使用圖8a和圖8b的第三實施方式的、根據本發明的電機-減速器組件的部分剖面圖和四分之三視圖；

-圖10a和圖10b是根據圖8和圖9的優選實施方式的、耦合到行星齒輪減速器組件的位置恢復解決方案。

具體實施方式

圖1描述了根據本發明的機械電子組件，其包括對控制單元(1)供電的電源(4)，控制單元(1)控制致動器(2)，致動器(2)包括與將轉動轉換為線性移動的機械轉換機械組件(9)相關聯的無刷DC(直流)電機構成，該組件在這里表示為螺桿螺母系統。與致動器(2)的機械輸出(12)即螺母配對連結的傳感器(7)將位置信息(5)返回控制單元(1)，控制單元(1)對連接器(3)中匯集的控制信號(6)做出反應。借助于N個探頭(11)來讀取電機(8)的轉子位置，探頭(11)借助于基本電子電路(10)來自動切換電機(8)的N個相。

圖2展示了能夠用于本發明的這一基本電子電路(10)。其包括一組控制晶體管(25)，該組控制晶體管由來自Hall(霍爾)探頭(11)的信號直接控制，該霍爾探頭通過開關邏輯(26)檢測電機轉子的位置，該開關邏輯是由簡單的電子元件構成的而無需微控制器。電壓調節器(28)使得能夠使用雙線控制信號來對Hall探頭(11)供電。

圖3a展示了在第一控制模式即星形布線的三相電機的“120°”單極的情況下的控制示例。由于電壓(PWR+)在公共點為正，因此電流在線圈中總是以相同的方向流通。來自源于雙線控制的電壓調節器(28)的電壓對檢測塊(13)以及Hall探頭(Ha、Hb、Hc)供電。根據轉子的位置，這些不同的數字探頭處于低狀態(相當于電壓為零)或高狀態(電壓為5V)。根據探頭的狀態，不同的晶體管Q1至Q6被關斷或接通以及因此允許電流在不同相中流通或不流通。可能利用圖5的示例而獲得的控制模式是120°控制模式，也就是說每個相在電學120°期間(電角度等于機械角度乘以電機磁體的磁極對的數目)被供電。

以同樣的方式，圖3b展示了所謂“180°”單極的控制示例。根據由經調整的雙線信號供電的Hall探頭的狀態，晶體管Q1至Q3被關斷或接通。晶體管在電學180°期間是關斷/接通的。120°模式或180°模式的控制選擇可以根據所許可的控制晶體管數量或者電機的期待扭矩水平或扭矩分布來做出。

可以以雙極模式(電流在每個相的兩個方向中流通)來控制電機。為此，對于每個相布置兩個不同的線圈就夠了，其中每個線圈是以與另一個相反的方向纏繞的。因此，如果將圖4以及A相作為示例，則線圈A+在與線圈A-相反的方向上纏繞。在晶體管Q1關斷的情況下，Q2是接通的，電流在A-相中流通并且相中的磁場朝向第一方向。相反，在晶體管Q1接通而Q2關斷的情況下，電流在A+相中流通并且相中的磁場朝向與第一方向相反的第二方向。對于圖4的示例中的另外兩個B相和C相情況是相同的。為了正確地對晶體管Q1至Q6的關斷和接通進行排序，開關邏輯模塊(26)應包括適合的控制邏輯(14)，其由能夠實現所示的真值表的簡單電子元件構成，如邏輯門。為了附圖的清晰性，未示出完整的電子圖表，但本領域技術人員能夠容易地想到。

應注意的是，可以通過保留6個功率晶體管而實現電機線圈的雙極連接，如圖5所示。控制邏輯(14)適合于圖5所示的相應的真值表。

圖6a展示了根據本發明的線性致動器的剖面圖，其包括整合了轉子和定子的無刷多相電機(8)。定子的殼體(21)在其正面承載電路(10)，該電路包括如前文所述的雙線控制裝置。轉子(15)承載能夠激勵布置在電路(10)上的數字探頭(11)的磁體(34)，并且整合了其旋轉引起中心軸(17)平移的螺母(16)，借助于具有前側板(29)的滑動連接裝置來阻止中心軸(17)的旋轉。根據前述的控制邏輯，數字探頭(11)使得能夠自動切換定子的相，而連接到電機的控制信號(6)的管腳僅由兩條供電線構成。另外，可平移運動的中心軸(17)承載能夠激勵布置在電路板(10)正面的磁敏元件(30)的磁體(24)，從而給出該控制構件的位置信息(5)(在圖6a中未示出而僅在圖6b中示出)。由與電機供電線分開的兩條供電線供電的這一傳感器遞送中心軸(17)的位置信息(5)，該位置信息使得致動器外部的控制單元能夠通過將其真實位置與期待的指定位置進行比較來控制中心軸(17)的位置。如圖6b所示，致動器具有連接器(3)，該連接器僅包括5個電連接：2個連接構成電機的控制信號(6)，而其他3個連接構成位置傳感器的供電及其以位置信息(5)形式的輸出信號。

圖7a是具有行星齒輪減速器(18)的轉子(15)的單獨視圖，而圖7b是整個電機的剖面圖，其示出了根據本發明的線性致動器的第二實施方式，其中，多相電機的轉子(15)整合了螺母(16)，該螺母通過驅動內齒輪(19)，一方面與構成控制構件的中心軸(17)的螺紋部配合，另一方面與由位于轉子(15)周圍的3個衛星構成的行星齒輪減速器(18)配合，該內齒輪驅動扭轉彈簧(20)。

中心軸(17)與致動器殼體的前側板(21)滑動連接，以使得轉子(15)的螺母(16)的旋轉引起中心軸(17)的平移。轉子(15)的旋轉使得扭轉彈簧(20)被壓縮，扭轉彈簧的行程受內齒輪(19)的限制，該內齒輪具有在連接到致動器殼體的溝槽(在圖6b中不可見)中運轉的定位銷。因此，彈簧(20)的圓周運動幅度由于該行星齒輪減速器(18)的減速作用而相對于轉子(15)的運動極大地減小，并且允許彈簧(20)的輕微形變，由此避免了彈簧在引導裝置(23)的套管上摩擦所造成的損失。轉子(15)的扭矩通過螺桿/螺母連接而轉換成控制構件的平移，螺桿/螺母連接因而傳遞機械能。行星齒輪減速器可以有利地用塑料實現，因為其僅用于傳遞儲存在彈簧中的回彈扭矩以確保致動器的控制構件返回參考位置。減速器的塑料齒輪因此不在致動器輸出端傳遞有用的機械能而是傳遞有限的扭矩，該扭矩被計算成克服轉子(15)的靜磁扭矩并確保在電機不再被供電的情況下返回參考位置。磁體(24)連接到中心軸(17)的后端以及與磁敏元件(30)配合，磁體(24)和磁敏元件(30)共同構成位置傳感器。磁敏元件(30)連接到電機的控制裝置，以使得通過控制裝置讀取并解釋控制構件的軸向移動，該控制裝置因而可以進行控制使得控制構件的位置對應于指定位置(即在閉合回路中工作)。

圖8a和8b示出了第三實施方式，其中運動的轉換是借助于具有反向雙螺紋的螺桿的解決方案來實現的。轉子(15)具有與中心軸(17)的第一螺紋部配合的第一螺母(16)，以及與中心軸(17)的第二螺紋部配合的、連接到框架的第二螺母(27)，該第二螺母的螺旋方向與第一螺紋部相反。因此，連接到轉子的螺母(16)的轉動使得中心軸(17)在第二固定螺母(27)中旋緊，因此描繪了一種螺旋運動。致動器的控制構件因此描繪了一種螺旋體，連接到致動器的閥門的閥塞形狀應被設計為在流體定量的情況下接納這一旋轉分量。

能夠讀取控制構件的軸位置的位置傳感器與圖7a和圖7b中的位置傳感器相似。然而，不同之處在于磁體(24)的磁化圖案，該磁化圖案應與磁體(24)相對于磁敏元件(30)的相對運動匹配，該磁敏元件在該第二實施方式中是螺旋形的。優選而非限制性的解決方案在于賦予磁體(24)以軸對稱的磁化(與旋轉時相同)，以使得控制構件的旋轉不會被構成傳感器的磁敏元件(30)檢測到。

圖9a和圖9b展示了根據圖8a和圖8b的實施方式的致動器的剖面圖和透視圖。該實施方式合并了通過簡化的電子器件進行控制的裝置、通過雙螺旋耦合到控制構件的螺旋運動位置傳感器的運動轉換解決方案以及通過扭轉彈簧返回參考位置的裝置，該扭轉彈簧穿過以同軸方式分布在轉子周圍的行星齒輪減速器而將回彈扭矩施加于轉子。致動器的殼體由包覆成型(overmolded)于定子周圍的罩(21)和分離的前側板(29)構成，以使得能夠容易地修改致動器的、包括減速器和彈簧的前部，而無需改變包括電機部分和控制電子器件的后部。

圖10a、圖10b和圖10c詳細顯示了恢復至參考位置的原始解決方案，其基于扭轉彈簧(20)和行星齒輪減速器(18)的組合。彈簧(20)具有附接到定子的殼體(21)的固定掛鉤(40)和附接到具有內齒輪(19)的齒圈的活動掛鉤(41)，該齒圈包括定位銷(42)，該定位銷在實現于定子殼體(21)中的有限長度路徑(43)中循環，以允許預先壓縮彈簧。具有內齒輪(19)的齒圈通過三個衛星齒輪(36)驅動，該衛星齒輪是由與轉子(15)連結的中心齒輪(35)驅動的。可達若干轉的轉子(15)運動與減速齒圈(19)之間的減速比被選擇成將彈簧(20)的工作角度限制為縮減的行程，約180至270°。以這一方式，彈簧的螺旋幾乎不受約束并且能夠確保以最小的摩擦回彈的功能。行星齒輪減速器(18)可以用塑料材料制成，因為其僅傳遞彈簧扭矩，而不傳遞被運動轉換裝置同時利用的電機的有效扭矩。