CN101815885B - 线性致动器 - Google Patents

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Abstract

一种线性致动器装置，包括外壳(2)、安装到活塞(9)的外螺纹螺杆(5)、内螺纹延伸的螺母(7)以及具有定子(33)和绕延伸的螺母(7)定位的转子元件(30)的电机(16)，其中转子元件(30)的多个第一磁体(31)相对于定子(33)定位，使得定子(33)位于延伸的螺母(7)和转子元件(30)的第一磁体(31)之间。本发明的优点在于具有高能量密度的线性致动器能够以简单且成本有效的方式制造。

Description

线性致动器
技术领域
本发明涉及线性致动器装置，并且更特别地涉及其电驱动装置。
背景技术
线性致动器用于使物体沿直线在两端点之间移动，或移动到规定的位置。致动器可以使用压力而空气或液压驱动，或致动器可以通过电力驱动。空气或液压驱动的致动器便宜并且设计简单。它们还易于控制，但是它们需要空气或液压供应，这相对昂贵，特别是对于小系统而言。
电驱动的线性致动器通常结合有旋转电机和某类传动装置，以将电机的相对高速旋转转换成低速线性运动。该传动装置可结合有齿轮箱和/或螺杆轴。一种普通类型的线性致动器结合有螺母在其上运行的螺杆轴。螺杆轴在致动器的全部长度上延伸并设定致动器的工作长度。因为螺母保持在不可旋转状态，因此当螺杆轴通过电机而旋转时螺母将位移。螺母在螺杆轴和螺母之间可结合有诸如球或辊子的滚动元件。这将允许具有高负载传递和长寿命的高效率致动器。螺母还可直接与螺杆轴配合，即滑动螺杆设计。在此情况下，螺母优选地用塑料材料制成。
从US5491372中知道另一类型的线性致动器。在此，描述该线性致动器，其中圆周电机驱动具有内螺纹孔的伸长圆筒。设置有输出轴和多个传动辊子的致动器组件通过伸长圆筒的旋转而缩回或延伸。电机的磁体附着到伸长圆筒，并且电机的定子附着到外壳，环绕该磁体。
即使该类型的线性致动器可用于一些规范，但是相对昂贵且复杂。因此存在改善的空间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改善的线性致动器，该线性致动器具有高能量密度，简单且具有生产成本效益。
对于线性致动器装置，包括外壳、安装到活塞的外螺纹螺杆、内螺纹延伸的螺母和电机，所述电机包括固定地附着到外壳的电机元件和固定地附着到延伸的螺母的转子元件，其中所述电机元件包括绕延伸的螺母定位的定子，并且还包括多个线圈，并且其中所述转子元件包括多个第一磁体，本发明的目的得以实现之处在于，转子元件的第一磁体相对于定子定位，使得定子位于延伸的螺母和转子元件的第一磁体之间。
通过根据本发明的线性致动器装置的该第一实施例，提供了具有高能量密度的线性致动器，该线性致动器相对简单且具有生产成本效益。这部分归因于能够使用滑动螺杆的事实。其有利之处在于能够获得紧凑的线性致动器。
在本发明的有利发展中，电机的转子元件还包括多个定位在延伸的螺母和定子之间的第二磁体。这允许具有更加高的能量密度的改善的线性致动器。
在本发明的有利发展中，螺杆包括球或辊子。其优点在于摩擦力以及因此的磨损降低。这还将降低功率损失。因此线性致动器得到进一步改善。
在本发明的另一有利发展中，延伸的螺母包括内螺纹管。该内螺纹管用塑料材料制成，这具有生产成本效益并且还将允许使用滑动螺杆，而使用滑动螺杆将进一步降低成本。延伸的螺母的重量也将减小，因为延伸的螺母的主要部分即内螺纹管将用塑料材料制成，该塑料材料由例如金属的薄支撑套筒围绕。
在本发明的再一有利发展中，内螺纹管包括多个伸长段部。其有利之处在于任何长度的内螺纹管可通过组装所需数量的伸长段部而生产。以此方式，能够以成本有效的方式获得不同长度的线性致动器。
在本发明的再一有利发展中，线性致动器装置包括用于测量延伸的螺母的旋转的旋转传感器。其有利之处在于通过电子控制单元能够以改善的方式控制线性致动器。
附图说明
下面将参考在附图中示出的实施例而更加详细地描述本发明，其中：
图1示出根据本发明的线性致动器的第一实施例的剖面图。
图2示出根据本发明的线性致动器的第二实施例的剖面图。
具体实施方式
本发明的在下面描述的具有进一步发展的实施例将仅作为例子看待，并且决不限制由专利权利要求提供的保护范围。
图1示出根据本发明的线性致动器装置的第一实施例。线性致动器1包括具有前端部3和后端部4的外壳2。在外壳内部，具有外螺纹6的螺杆5在具有内螺纹8的延伸的螺母7中行进。线性致动器1的外壳2关于中心轴线18对称。活塞杆9在其内端固定地附着到螺杆。活塞杆9在其外端设置有前附着装置20，例如孔、螺纹、叉耳或单个耳状物。延伸的螺母7包括内螺纹管12、外支撑套筒13、第一端帽14和第二端帽15。延伸的螺母通过前支承装置10和后支承装置11以可旋转的方式安装到外壳。在该实施例中，滚柱轴承用作支承装置以获得长的使用寿命和可靠的功能。例如取决于所需的耐用性和精度可能使用其它的支承装置。前支承装置10安装到延伸的螺母的第一端帽14，并且后支承装置11安装到延伸的螺母的第二端帽15。以此方式，延伸的螺母能够在外壳内自由地旋转。
当要使用线性致动器时，线性致动器将使用诸如叉耳或单个耳状物的后附着装置17而安装到诸如机器的底盘的刚性件。将致动的部分以不可旋转的方式安装到活塞杆上的前附着装置20。这意味着活塞杆将不能够绕线性致动器的中心轴线旋转。因为活塞杆不旋转，因此当延伸的螺母旋转时，螺杆将沿延伸的螺母被驱动。以此方式，取决于延伸的螺母的旋转方向，活塞杆将延伸出或缩回到外壳。
在该例子中，螺杆5是具有外螺纹的摩擦螺杆。螺杆的长度例如取决于线性致动器设计用于的负载。更长的螺杆能够将更大的负载传递到内螺纹管，但还将具有更大的摩擦。在另一实施例中，螺杆还可以是外部球或滚柱螺杆类型。使用这些螺杆类型中的一个可减小摩擦。活塞杆的操作速度以及由此的线性致动器的操作速度将取决于电机的速度和螺纹的螺距。
线性致动器还设置有电机16。如图1所示，电机安装在延伸的螺母的外部并围绕延伸的螺母。为了对于电机获得尽可能高的能量密度，并且因此获得电机的尽可能高的输出功率以驱动致动器，使用外部转子电机类型。该电机包括固定地安装在延伸的螺母7的径向外表面上的转子元件30，并且包括固定地附着到外壳2的径向内表面的电机元件32。电机元件32包括定子33。
在该电机中，电机的第一磁体31定位在转子元件30处。电机的定子33安装在电机元件32上。定子33包括电机的线圈。通过固定在线性致动器外壳2内的定子，电力传递到定子线圈得以简化。该线圈优选地在具有或不具有钢芯的塑料中模制而成。
在该电机中，第一磁体31相对于定子33定位，使得定子位于延伸的螺母7和转子元件30的第一磁体之间，即第一磁体径向地定位在定子的外部。这将允许电机中更多的磁体，因此产生更大的磁场，这相应地将增加功率密度。通过使用稀土磁体，可获得具有高能量密度的有效率的电机。磁体的数量，即电机磁极的数量可取决于具体需求而改变。对于定子线圈的数量也同样如此。
电机由外部控制单元驱动。控制单元可以是任何类型的适当的控制单元，例如模拟或数字控制单元。线性致动器可具有使用离散信号线的标准PLC兼容的I/O接口，或可具有集成的标准现场总线接口。更普通地，标准PLC兼容的I/O接口将用于电机和控制单元之间的通信。对于指令“致动器出”和“致动器入”可使用两路信号线。这些信号在提供单独的电连接时可以是低电平的，或在信号用于直接驱动电机时可以是高电平的。输入信号还可包括关于电机速度的信息，即电机应该旋转多快。取决于电机类型，设置速度的电压或调制信号可用作输入信号。
线性致动器还可包括两个末端位置开关(未示出)，其将设定活塞杆的末端位置。更普通地，末端位置固定在线性致动器内，并且活塞冲程由线性致动器的长度设置。替换地，末端位置开关还可是可调节的，使得活塞冲程可由用户设置。末端位置开关可经由两路信号控制线而连接到控制单元，从而表明线性致动器到控制单元的状态。该状态为缩回或延伸。
传感线性致动器的状态的另一方式是使用电流传感装置，该电流传感装置测量通过电机的电流。当电机堵转时，即不能旋转，电机的电流消耗将增加。该信号可用于检测线性致动器的状态，即如果电机堵转，那么活塞处于最外或最内的位置。当对于电机的驱动电流和堵转电流差别足够时，例如2倍或更大时，该检测方法是合适的。
在线性致动器的一个实施例中，线性致动器设置有旋转传感器19，检测电机的旋转。传感器检测电机的旋转并输出表示旋转值的信号。该传感器可输出模拟值，例如与电机的旋转速度成比例的电压，或数字值，其中脉冲的数量与电机的旋转速度成比例的脉冲信号或表示电机的旋转的绝对值的信号。绝对值可表示电机转一圈动的角位置的值，或可以是经过整个冲程长度活塞的位置的绝对值。当传感器用于输出转动一圈的角位置时，控制单元可对转动圈数进行计数，以计算活塞的位置。当使用该类型的传感器时，优选地还在线性致动器中结合校正可能性，以能够对于传感器校正起始值。这例如可以是末端位置开关。在校正期间，活塞被驱动直到到达末端位置开关，并且控制单元开始从那里计数。
当使用绝对输出值时，可包括给出电机转动一圈的角位置的绝对值的一个部分和表示电机旋转的总圈数的一个部分。在此情况下，校正可能性不是必需的，但仍是优选的，以为了能够校正传感器的起始值。
该传感器优选的是非接触旋转传感器，例如光学或磁传感器，但是例如取决于所需的分辨率、期望的使用寿命或成本，也可能使用其它类型的传感器。
如图2所示，在另一实施例中，电机的旋转部分还包括第二组磁体34。这些第二磁体在电机的定子33处定位在延伸的螺母7上。因此，电机在定子的两侧都设置有磁体。以此方式，可获得更强的磁场，这相应地可增加电机的能量密度。
在一个实施例中，在线性致动器中使用的延伸的螺母7包括：内螺纹管12、外支撑套筒13、第一端帽14和第二端帽15。内螺纹管12包括多个组装在一起以形成内螺纹管的管段部。管段部的数量可从两个段部一直到所需要的任意期望数量改变，以获得所需求的内螺纹管。每个管段部是纵向的，并且沿内螺纹管的中心轴线分离。因此，每个段部将形成例如180°、120°或90°等的致动器扇形。
优选地，以段部相同且因此能够用相同工具生产的方式设计段部。这些段部优选地用塑料材料制成。选择塑料材料以满足线性致动器的需求。需求可包括磨损、摩擦、成本等。这些段部优选地在注射模制工艺中制成。
在组装的时候，内螺纹管插入到支撑套筒13中。支撑套筒的目的是沿径向方向支撑内螺纹管，使得内螺纹管不会被推开。因此，支撑套筒应该足够坚固，以对于至少线性制动器的额定负载将内螺纹管保持在一起。因而，支撑套筒优选地由金属材料或由加固复合材料制成。
内螺纹管可包括沿内螺纹管的整个长度的纵向凹槽，以防止当螺杆在内螺纹管内行进时在螺纹中压力积聚。特别是当延伸的螺母设置有密封装置以密封延伸的螺母时，有可能出现可能的压力积聚。通过密封延伸的螺母，在内螺纹管中可能采用诸如油或油脂的润滑剂。这将允许永久润滑的线性致动器。对于密封的延伸螺母，当活塞以及由此的螺杆延伸或缩回时，凹槽将允许润滑剂从内螺纹管的一端移动到另一端
还可能的是，在内螺纹管的外表面中设置外部凹槽，当该内螺纹管插入到支撑套筒中时，内螺纹管将在延伸的螺母中形成可替代内部凹槽的通道。当需要没有凹槽的内螺纹时，例如当使用球或滚柱螺杆时，这是有利的。当使用这样的螺纹时，需要螺纹和外部凹槽之间的连接通道。
在第二实施例中，延伸的螺母7是由塑料材料或金属制成的内螺纹管，该内螺纹管使用螺纹切割装置以传统的方式形成螺纹。
本发明不应认为限于上述的实施例，在所附专利权利要求的范围内，大量的其它变型和修改都是可能的。
附图标记
1：线性致动器装置
2：外壳
3：前端部
4：后端部
5：螺杆
6：外部螺杆螺纹
7：延伸的螺母
8：内螺纹
9：活塞杆
10：前支承
11：后支承
12：螺纹管
13：支撑套筒
14：第一端帽
15：第二端帽
16：电机
17：后附着装置
18：中心轴线
19：旋转传感器
20：前附着装置
30：转子元件
31：第一磁体
32：电机元件
33：定子
34：第二磁体

Claims (5)

1.一种线性致动器装置，包括：外壳(2)、安装到活塞(9)的外螺纹螺杆(5)、内螺纹延伸的螺母(7)和电机(6)，所述电机包括固定地附着到所述外壳(2)的电机元件(32)和固定地附着到所述延伸的螺母(7)的转子元件(30)，其中所述电机元件(32)包括绕所述延伸的螺母(7)定位的定子(33)并且还包括多个线圈，其中所述转子元件包括多个第一磁体(31)，其中，所述转子元件(30)的所述第一磁体(31)相对于所述定子(33)定位，使得所述定子(33)位于所述延伸的螺母(7)和所述转子元件(30)的所述第一磁体(31)之间，
其特征在于，所述转子元件(30)还包括多个附着到所述延伸的螺母(7)的第二磁体(34)，使得该第二磁体(34)定位在所述延伸的螺母(7)和所述定子(33)之间。
2.根据权利要求1所述的线性致动器装置，其特征在于，所述螺杆(5)包括球或滚子。
3.根据前述权利要求中任一项所述的线性致动器装置，其特征在于，所述延伸的螺母(7)包括内螺纹管(12)。
4.根据权利要求3所述的线性致动器装置，其特征在于，所述内螺纹管包括多个伸长的段部。
5.根据前述权利要求中任一项所述的线性致动器装置，其特征在于，所述线性致动器装置包括用于测量所述延伸的螺母(7)的旋转的旋转传感器(19)。
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