CN103187848A

CN103187848A - 一种线性致动器

Info

Publication number: CN103187848A
Application number: CN2011104593731A
Authority: CN
Inventors: 林浩元; 周朝渊; 曾振武
Original assignee: AKRIBIS SYSTEMS (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: AKRIBIS SYSTEMS (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明涉及一种线性致动器，包括线圈护铁和磁铁，线圈护铁设置于磁铁的一端，线圈护铁上缠绕有线圈，线圈护铁包括两块，两块线圈护铁分别设置于磁铁的上端和下端，两块线圈护铁与磁铁之间的距离相同，还包括磁铁支撑结构，磁铁支撑结构包括连接在磁铁两侧的两个衬套，两个衬套连接在两根固定轴上，两个衬套沿两根固定轴滑动。本发明的有益效果：结构稳定，传动效果好，易于散热，易于控制。

Description

一种线性致动器

技术领域

本发明涉及一种线性致动器，特别是涉及一种采用动磁双面线圈设计，未使用任何磁铁护铁的线性致动器。

背景技术

在过去几十年里，气动致动器一直被广泛应用于工业自动化。这是因为压缩空气成本低，气动致动器功能简单可靠，辅助部件与产品的可用性高。但是，如果要使用气动致动器，则致动器上必须连接柔性压缩空气软管。对于便携式设备和厂外设备而言，获取压缩空气较为困难。这样就导致气动致动器只能够用于有压缩空气的设施上。此外，为了控制致动器中的空气流量，常需要使用电磁阀等阀门装置。还需要使用其他传感器探测致动器推杆的位置。所有必需的附加部件均使得气动致动器成本变高，结构变复杂。即使这些部件可以组合在一起使用，但仍需要巨大的空间。气动致动器的另外一个缺点在于它的响应时间。由于驱动活塞的时候，需要积累较大的压力，因此，气动致动器无法迅速响应。气动致动器的另一缺点是，气动致动器的夹紧力不具可控性，因为它仅取决于空气压力与活塞横截面积。

还有就是传统音圈电机设计也存在若干局限，首先，线圈组一般可以移动，原因在于磁铁与铁心组成的磁芯重量大。这就需要同时移动连接线圈组的电缆。一般情况下，应使用高柔电缆，如多股硅橡胶绝缘铜线电缆。这些电缆不适用于较高频率的运动，或运动距离较长的话，这些电缆亦不适用。因此，上述类别的致动器可靠性有限。音圈致动器的另一缺点是线圈会产生热量。由于线圈组是运动部件，因此，热量除通过负载排出外，无法通过其他途径排出。这是不可取的，因为这样会导致负载发生热膨胀，进而影响运动准确性。此外，致动器的持续电流会因热量无法逃逸到其他地方而受到限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中线性致动器所存在的诸多缺陷，提供一种采用动磁双面线圈设计，未使用任何磁铁护铁的线性致动器来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种线性致动器，包括线圈护铁和磁铁，所述线圈护铁设置于磁铁的一端，所述线圈护铁上缠绕有线圈，其特征在于，所述线圈护铁包括两块，两块线圈护铁分别设置于磁铁的上端和下端，所述两块线圈护铁与磁铁之间的距离相同，还包括磁铁支撑结构，所述磁铁支撑结构包括连接在磁铁两侧的两个衬套，两个衬套连接在两根固定轴上，两个衬套沿两根固定轴滑动。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构为直线轴承支撑结构，包括连接在磁铁两侧的两块滑块，滑块设置于两根导轨上，两块滑块沿着导轨滑动。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁两侧的两个衬套保持固定不动，两根固定轴沿两个衬套滑动。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁一侧的衬套和固定轴保持固定不动，另一侧的衬套和固定轴滑动。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁两侧的两块滑块保持固定不动，两根导轨沿两块滑块滑动。

上述一种线性致动器，其特征在于，还包括限位传感器，限位传感器设置于磁铁上。

上述一种线性致动器，其特征在于，还包括线性编码器，所述线性编码器包括光栅尺和读头，读头设置于磁铁上，光栅尺设置于读头外侧。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述缠绕在线圈护铁上的线圈为多相线圈。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁的位置保持固定，设置于磁铁两端的线圈护铁移动。

上述一种线性致动器，其特征在于，还包括一个用于控制运动方向、峰值电流、峰值电流时间以及所述线性致动器的保持电流的，并且可以预先设定峰值电流、峰值电流时间以及所述保持电流的带有逻辑控制器与功率电子部件的放大器。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构的材料为非磁性材料。

上述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构的材料为下列各项其中之一：铝、纤维增强树脂。

本发明的有益效果：利用设计用于提供峰值电流、峰值电流时间以及持续保持电流控制的放大器，可以提供双位执行，而且响应时间比传统气动致动器快很多。该线性致动器可以让使用者预先设定致动器保持电流，从而可以更加灵活地控制夹紧力大小。

与传统动圈致动器不同的是，在如本发明所述的线性致动器中，需要移动的是磁铁。由于线圈以及与之相连的电缆均固定，且只移动磁铁支撑结构与磁铁，因此，致动器的可靠性得到了很大提高，这样还可以避免使用成本较高的挠性电缆。

磁铁支撑结构采用铝或其它轻质材料制造，但不需要使用任何磁铁护铁。这样可以大幅降低移动质量从而使致动器的加速度更高，运动性能更好。

由于线圈固定在线圈护铁上，而所述线圈护铁则安装在致动器本体上，因此，所述线圈产生的热量会被传递至致动器本体上，而不会直接传至负载。从根本上说，所述线圈护铁与致动器本体就成为了非常有效的吸热设备，用于吸收所述线圈产生的热量，增加了致动器可以使用的持续电流。这样就改善了本发明所述线性致动器的性能，增加了其作用力。

本发明所述线性致动器提供了两组线圈，该两组线圈分别安装在两个线圈护铁，而该两个线圈护铁与中间位置的磁铁之间的距离相等，因此，不会有净引力作用在磁铁支撑结构上。所述线性致动器可以使用结构简易、尺寸较小的磁铁支撑结构，如此一来，即降低了致动器设计的成本与大小。

附图说明

图1为本发明的正面剖视图；

图2为本发明的侧面剖视图；

图3为磁铁支撑结构的等轴侧视图；

图4为磁铁支撑结构的另一种实施例的示意图；

图5为限位传感器和线性编码器的示意图；

图6为放大器的设计示意图；

图7为放大器控制连接电路示意图；

图8为本发明另一种实施例的示意图；

图9为本发明的再一种实施例的示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

参看图1，一种线性致动器，包括线圈护铁100和磁铁200，线圈护铁100设置于磁铁200的一端，线圈护铁100上缠绕有线圈110，在本发明中，线圈护铁100包括两块，两块线圈护铁110分别设置于磁铁200的上端和下端，两块线圈护铁100与磁铁200之间的距离相同，还包括磁铁支撑结构300，磁铁支撑结构300包括连接在磁铁200两侧的两个衬套310，两个衬套310连接在两根固定轴320上，两个衬套310沿两根固定轴320滑动。

在本发明中，缠绕在线圈护铁100上的线圈110为多相线圈。在其中一个实施例中，磁铁200的位置保持固定，设置于磁铁200两端的线圈护铁100移动。

磁铁支撑结构300的材料为非磁性材料，并且磁铁支撑结构300的材料为下列各项其中之一：铝、纤维增强树脂。

参看图2，图2为本发明的侧面剖视图，其中已经注明运动方向。与传统音圈设计不同的是，移动的是磁铁200，而不是线圈110。这意味着连接提供电流的线圈110的电缆亦被固定。因此，电缆可以采用普通电缆，没有必要采用成本高很多的高柔电缆。

磁铁100的极性应使得线圈护铁110可以将磁通回路闭合。与传统设计不同的是，本发明中没有任何磁铁护铁，原因在于磁铁200均安装在非磁性的磁铁支撑结构300上。因此，当电流经过线圈110时，会产生合力，强制使得磁铁支撑结构300向左或向右移动(取决于电流方向)。可以看到，由于两块线圈护铁100与磁铁200之间的距离相同，所以两块线圈护铁100与磁铁200之间的吸引力被完全抵消，因此，没有任何净引力作用于所述磁铁200之上，亦无任何净引力作用于磁铁支撑结构300之上。因此，用于磁铁支撑结构300的轴承无须非常大，能够使引导运动得以进行即可。

在本发明中，可以将连接在磁铁200两侧的两个衬套310保持固定不动，使得两根固定轴320沿两个衬套310滑动。在另外一个具体实施方式中，可以将连接在磁铁200一侧的衬套310和固定轴320保持固定不动，另一侧的衬套310和固定轴320滑动。

参看图3，该图说明了如何将磁铁200固定于磁铁支撑结构300之中。磁铁200可通过高强度环氧树脂固定在磁铁支撑结构300之上。磁铁支撑结构300包括连接在磁铁200两侧的两个衬套310，两个衬套310连接在两根固定轴320上，两个衬套310沿两根固定轴320滑动，固定轴320的两端均固定在致动器壳体上(图中未显示)。

参看图4，磁铁支撑结构300为直线轴承支撑结构，包括连接在磁铁200两侧的两块滑块310，滑块310设置于两根导轨320上，两块滑块310沿着导轨320滑动。还可以采用其它轴承支撑结构，譬如将连接在磁铁200两侧的两块滑块310保持固定不动，两根导轨320沿两块滑块310滑动。

参看图5，还包括限位传感器400，限位传感器400设置于磁铁200上。还包括线性编码器500，线性编码器500包括光栅尺520和读头510，读头510设置于磁铁200上，光栅尺520设置于读头510外侧。

参看图6，还包括一个用于控制运动方向、峰值电流、峰值电流时间以及所述线性致动器的保持电流的，并且可以预先设定峰值电流、峰值电流时间以及所述保持电流的带有逻辑控制器与功率电子部件的放大器。图6为所述放大器的设计示意图。该放大器包括两部分：放大器逻辑控制部分与放大器功率电子部件。

下表显示了所述放大器的控制连接：

Pin	功能	备注
			EI	放大器启动输入	设置高灵敏度以打开放大器
ER	回放大器启动输入返回
			DI	电机方向输入	控制前进或后退方向
DR	电机方向输入返回

下表显示了所述放大器的电源连接：

Pin	功能	备注
			VP	正电源输入	12VDC或24VDC均可
Gnd	电源返回/接地
			M1	电机电源输出1
M2	电机电源输出2

参看图7，为放大器在本发明所述线性致动器中的实际测试结果。放大器的运行如下所述：首次通电之后，在时间T1时，利用EI输入设置成高灵敏度，线性致动器即以DI输入设置的任何方向移动。假设DI处于低灵敏度，则M1会发出PWM波形。这样产生了一个大小高达预设保持电流值的斜坡电流，如电机电流图所示。当所述线性致动器移至终端挡板位置时，该预设保持电流值就使致动器向终端挡板作用稳定的力，因为音圈致动器产生的力与所施加的电流成正比。改变该预设保持电流值，即可控制该致动器的夹紧力。

在时间T2时，DI被设置成高灵敏度。这样会激活DT，DT即为峰值电流作用时间。该DT会临时接通斜坡电流，接通的时间为DT值所确定的固定时间。这种特点可以让瞬间峰值电流(可预先设定)作用于音圈致动器上。DT设定时间结束后，电流就重新降至保持电流。这种特点在启动之后，可以让所述线性致动器快速移至其他位置，而且在电流值长时间处于较高水平的情况下，可以为所述致动器提供保护，因为电流值长时间处于较高水平会导致线圈过热，并可能会导致线圈受损。若DI改变其状态，则应重复上述操作，如在时间T3时等等。

参看图8，图8为本发明的另一个实施方式，其中共有四个线圈110，。因此磁铁200数量也增加到四个。说明本发明可设置多组线圈110与磁铁200。

参看图9，图9为本发明的再一种实施方式，虽然迄今为止，如本发明所述的线性致动器采用的是单相线圈，但是它可以使用多相线圈。图9显示了三相线圈设计，包括三组设置于磁铁200两端对应的线圈110，其中一组线圈对应A相，第二组线圈110对应B相，第三组线圈110则对应C相。在此情形下，致动器应采用无刷电机，而非音圈电机。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种线性致动器，包括线圈护铁和磁铁，所述线圈护铁设置于磁铁的一端，所述线圈护铁上缠绕有线圈，其特征在于，所述线圈护铁包括两块，两块线圈护铁分别设置于磁铁的上端和下端，所述两块线圈护铁与磁铁之间的距离相同，还包括磁铁支撑结构，所述磁铁支撑结构包括连接在磁铁两侧的两个衬套，两个衬套连接在两根固定轴上，两个衬套沿两根固定轴滑动。

2.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构为直线轴承支撑结构，包括连接在磁铁两侧的两块滑块，滑块设置于两根导轨上，两块滑块沿着导轨滑动。

3.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁两侧的两个衬套保持固定不动，两根固定轴沿两个衬套滑动。

4.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁一侧的衬套和固定轴保持固定不动，另一侧的衬套和固定轴滑动。

5.根据权利要求2所述一种线性致动器，其特征在于，所述连接在磁铁两侧的两块滑块保持固定不动，两根导轨沿两块滑块滑动。

6.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，还包括限位传感器，限位传感器设置于磁铁上。

7.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，还包括线性编码器，所述线性编码器包括光栅尺和读头，读头设置于磁铁上，光栅尺设置于读头外侧。

8.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述缠绕在线圈护铁上的线圈为多相线圈。

9.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁的位置保持固定，设置于磁铁两端的线圈护铁移动。

10.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，还包括一个用于控制运动方向、峰值电流、峰值电流时间以及所述线性致动器的保持电流的，并且可以预先设定峰值电流、峰值电流时间以及所述保持电流的带有逻辑控制器与功率电子部件的放大器。

11.根据权利要求1所述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构的材料为非磁性材料。

12.根据权利要求11所述一种线性致动器，其特征在于，所述磁铁支撑结构的材料为下列各项其中之一：铝、纤维增强树脂。