CN103477542A - 低成本多线圈线性致动器 - Google Patents

Abstract

本文中公开的是用于可以以不同值输出冲程和力的低成本线性致动器的方法和系统。本文中呈现的实施例具有可用于多线圈式和单线圈式致动器结构的部件和组件。根据一个实施例，磁铁壳体可以可移除地或永久地连接至具有任何数量的线圈的线圈组件。根据另一个实施例，致动器壳体可以连接至具有任何数量的磁铁或线圈的磁铁壳体。

Description

低成本多线圈线性致动器

相关申请

本发明要求2010年9月23日递交的美国临时专利申请第61/385,898号的优先权，该申请的内容通过引用在此并入供参考。

技术领域

本发明涉及移动线圈致动器，并且更具体地涉及可被构造为包括单个或多个线圈的低成本线性致动器，其中所述单个或多个线圈结构利用相同的基础部件。

背景技术

线性致动器是将电能转换成机械能以进行需要线性运动的重复动作的机械装置。例如，线性致动器可以用在装配厂中将瓶盖放置在瓶子上，自动给邮件盖章或贴标签、切割玻璃、将芯片放在电路上、测试电子装置上的各种按钮或触摸区域、以及进行本领域已知的各种其它任务。

一些任务可能需要如在专利申请12/622,372和12/860,809中图示的一个或多个线性致动器，其中所述申请的内容通过引用在此并入供参考。典型地，低成本线性致动器具有单个磁极和单个24或48伏直流线圈线性马达。在典型的低成本线性致动器结构中发生较少的运动，这是因为通常仅存在一个线圈。因而，这些结构通常提供有限的冲程距离或值(如，150mm的最大冲程)。

一些应用可能需要更高的冲程值(如，大于150mm)。提供较高冲程值的致动器具有较长的磁路。如果采用单个线圈，则较长的磁路产生的力小于较小的磁路。因此，如果线性致动器仅具有一个线圈，则针对给定电流强度产生的力将随着冲程值增加而减小。

为了针对较长的冲程产生更大的力，通常将多个线圈添加至致动器。多个线圈产生较短的磁路，这因此导致每给定产生电流产生较高的力。然而，当带有多个线圈的致动器的极性必须周期性地反转时，所述致动器具有较大的移动质量、较大的线圈组件、多个昂贵的线圈、以及较昂贵的磁铁。因此，传统的多线圈结构通常比其单线圈结构贵。

因此，存在对降低与线性线圈致动器相关的成本以便可以以更加便宜的方式制造多线圈式线性线圈致动器的需求。

发明内容

当前公开的实施例旨在解决与现有技术中存在一个或多个问题相关的问题，以及提供通过参考接下来结合附图进行的详细描述将变得容易明白的附加特征。

根据实施例，可以制造具有磁铁和可连接至该磁铁的线圈组件的磁铁壳体。线圈组件可以具有任何数量的线圈，磁铁壳体可以具有任何数量的磁铁。磁铁壳体被构造为连接至各种磁铁和线圈组件结构以输出预定磁场。例如，被制造用于3个线圈组件的磁铁壳体和被制造用于6个线圈组件的磁铁壳体是相同的。在另一个实施例中，中心磁极在线圈之间定位在磁铁壳体中。

在另一个实施例中，致动器壳体包括连接至线性引导组件和线圈组件的活塞。线性引导组件被构造为只要电流被驱动通过线圈组件的线圈都会根据磁场引导活塞进出致动器壳体。在另一个实施例中，致动器壳体被构造为连接至磁铁壳体。在另一个实施例中，致动器壳体被构造为连接至磁铁壳体而与容纳在磁铁壳体内的线圈或磁铁的数量无关。

在另一个实施例中，线圈组件被构造为可以用在具有任何数量的线圈的致动器中的一致部件。例如，根据一个实施例，用于6个线圈致动器的线圈组件与用于3个线圈致动器的线圈组件相同。在另一个实施例中，线圈组件被构造为具有连接至该线圈组件的3、6或9个线圈。在另一个实施例中，本发明的所有部件都可以可移除地彼此连接。在一个实施例中，所有部件都可以被制造为可用于具有任何数量的磁铁和线圈的线圈致动器并在所述线圈致动器中可互换。

一些实施例可以包括通过机载电路可运行的大量特征(如，可编程定位、速度或力，和/或验证已经成功地完成一个或多个任务的能力，或本领域已知的其它任务)。在另一个实施例中，线性线圈致动器被构造为接收电通信以产生磁场。在另一个实施例中，由线圈产生的磁场由输送至连接至线性线圈致动器的电连接件的电流强度直接控制。

参照附图和本文中提供的详细描述，本领域技术人员将更容易理解这些和其它实施例。

附图说明

图1(a)图示根据本发明的一个实施例的具有6个线圈的示例性线圈组件的侧视图；

图1(b)图示根据本发明的一个实施例的示例性线圈的侧视图；

图1(c)图示根据本发明的一个实施例的具有6个线圈的示例性线圈组件的俯视图；

图2(a)图示根据本发明的一个实施例的连接至线圈组件的示例性磁铁壳体的侧视图；

图2(b)图示根据本发明的一个实施例的连接至线圈组件的示例性磁铁壳体的横截面侧视图；

图3(a)图示根据本发明的一个实施例的连接至线圈组件的示例性磁铁壳体的透视侧视图；

图3(b)图示根据本发明的一个实施例的连接至线圈组件的示例性磁铁壳体的俯视图；

图4图示根据本发明的一个实施例的具有一个线圈的示例性线性线圈致动器的横截面侧视图；以及

图5图示根据本发明的一个实施例的具有6个线圈的示例性线性线圈致动器的横截面侧视图。

具体实施方式

在示例性实施例的接下来的描述中，参照形成该示例性实施例的一部分的附图，并且其中以图示的方式示出可以实践本发明的具体实施例。将会理解，可以利用其它实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以进行结构改变。

在一些实施例中，可以在诸如Hardinge型号RS51MSY之类的CNC车床或具有机械加工部件的两端(如，经由副轴传递)的能力以及进行磨削工作的能力的其它车床上机械加工所制造的部件的全部或一部分。在一些实施例中，可以使用机械领域已知的其它制造工具。根据一些实施例，可以在车床或其它制造工具上以单次操作制造每个部件，从而减少和/或消除对二次操作的需求。可以由铝、钢或本领域已知的任何材料制造本发明的一些实施例。

在图1中图示示例性线圈组件101。6个线圈102安装在线圈壳体104上。每个线圈102包括缠绕成围绕线圈管缠绕的一系列环的导电材料。根据本发明的实施例，每个线圈102可以被机械加工成单个整体部件。根据另一个实施例，一组多个线圈102可以被机械加工成单个整体部件。当电流通过每个线圈的导电材料时产生磁场。磁场的大小对应于与每个线圈102相关联的匝数和通过导电材料传导的电流强度。图1(a)-(c)中图示的示例性实施例利用每线圈74匝，但可设想的是可以使用每线圈任意匝数。

此外，图1(a)-(c)中图示的线圈102在采用29号(29gauge)铜线的情况下可以具有约1.7欧姆的电阻，每相6.8欧姆。本领域技术人员将会认识到，这些规格仅仅是示例性的。可设想的是可以使用具有变化规格的任何类型的导电材料，并且还可设想的是线圈以电学和机械领域已知的任何方式电连接至电源和/或连接在一起。

在另一个实施例中，线圈壳体104可以包括任何数量的线圈102。例如，当线性致动器需要较小冲程时，可能希望仅采用一个线圈102。由于线圈102是昂贵的，因此仅采用一个线圈将节省成本。然而，仅利用一个线圈102将在设定的冲程值下提供较小的力。因此，可能期望具有多于一个的线圈102的线性致动器用于需要较高冲程值的任务。

在一种实施例中，线圈壳体104可以被机械加工成对于任何数量的线圈102都是相似的。也就是说，被机械加工用于一个线圈102的线圈壳体104被机械加工用于6个线圈102的线圈壳体104相同。因此，线圈壳体104的唯一差异是线圈102的数量。这将允许单次制造过程来仅机械加工可以用于具有任何数量的线圈102的线性线圈致动器的一个线圈壳体104结构。这种机械加工一致性节省了整体制造成本。

根据一些实施例，可以在制造线圈壳体104之前预先确定可以被容纳在线圈壳体104上的线圈102的数量。例如，可以制造具有容纳高达6个线圈的能力的线圈壳体104。

除了节省制造成本，还将节省维护成本。由于产品的一致性，部件将变得容易更换。此外，更简单且一致的致动器使得维护工人需要较少的培训和文件来进行维护和修理。因此，还避免了与维护相关的附加成本。

可设想的是可以在线圈壳体104上直接机械加工一个或多个线圈102，或者可以单独地机械加工一个或多个线圈102，以便一个或多个线圈102可以可移除地连接至线圈壳体104。这种灵活性和一致性进一步降低了与制造和维护相关的成本。

在图1(b)中图示示例性线圈组件101的剖视图。线圈102被构造为使得在电流传导通过线圈102内的导电材料(如，铜等)时可以产生磁场。线圈102的形状仅是示例性的，可设想的是线圈102可以为任何期望的形状。

图1(c)图示示例性线圈组件101的底部视图。在该结构中，线圈组件101可以被可移除地放置到、永久可移动地连接至、或可移动地连接至如图2(a)所示的示例性磁铁壳体206。如图2(a)图示，线圈组件101的线圈壳体104的底部可以从磁铁壳体206突出，以便所述底部可以连接至活塞414(参见图4)。如在图2(a)的磁铁壳体206的横截面侧视图中所示，磁铁壳体206可以包括一个或多个磁铁208。磁铁208被构造为与一个或多个线圈102磁性地相互作用。

如图2(b)图示，线圈组件101的线圈壳体104上的线圈102可以定位在位于磁铁壳体206的相对部分上的两个磁铁208之间。中心磁极210定位在一个或多个线圈102之间以允许线性往复运动。可以具有位于磁铁壳体206内的任何数量的磁铁208。磁铁208可以为任何形状或尺寸，并且可以可移除地连接至磁铁壳体206或永久地固定至磁铁壳体206。

可设想的是磁铁壳体206可以对于一种或多种结构来说是类似的基础部件。例如，磁铁壳体206可以形成为适应包括1个、3个、6个或9个线圈102的线圈壳体104。可设想的是磁铁壳体206可以形成为在任何数量的线圈102和线圈102的组合之间都是类似的。因此，磁铁壳体206可以是可用于具有任何数量的线圈102的任何数量的致动器的基础部件。

具有一致磁铁壳体206的灵活性允许为多组不同组致动器制造部件。致动器可以被构造为采用磁铁壳体206来根据所使用的磁铁208和线圈102的数量提供具体冲程值和力。单次制造过程可以用来形成可用在多个不同致动器中的磁铁壳体206。具有作为单个基础部件的磁铁壳体206节省成本，这是因为仅需要形成单个磁铁壳体206。当制造多个部件时，机床需要被构造为机械加工多个结构。这增加了成本和可能的复杂性。因此，适合多个不同致动器结构的一致磁铁壳体206节省了制造成本。

进一步地，具有一致结构节省了维护成本。如果在整个工厂中标准化磁铁壳体206，则可以容易地更换故障磁铁壳体206。此外，可以降低与培训维护工人和员工相关的成本，这是因为标准部件更容易理解和工作。由于结构的一致性，工人不易于犯错误。

可设想的是线圈组件101可以以机械领域已知的任何方式插入磁铁壳体206中，并且磁铁壳体206可以具有任何形状。图2(a)图示插入穿过磁铁壳体206的顶部的线圈组件101。然而，可设想的是线圈组件101可以从任一侧或从磁铁壳体206的底部插入。

图3(a)图示具有10个磁铁308的磁铁壳体306的透视图。中心磁极310定位在一个或多个线圈302之间以允许线性往复运动。在图3(b)中图示由永磁体308产生的磁路312。在电流传导通过线圈302中的导电材料时，磁铁308和线圈302的磁场相互作用以驱动活塞414(参见图4)。

在各种实施例中，磁铁壳体306可以包括用于产生任何数量的磁路312的任何数量的磁铁308。在电流传导通过线圈302中的导电材料时，磁铁壳体306的磁铁308可以与与线圈组件301一起插入的任何数量的线圈302相互作用以产生磁场，从而驱动活塞414(图4)。

在一个实施例中，磁铁壳体306和/或线圈组件300的任何部分可以由一个或多个相似的基础部件制成。进一步磁铁壳体306和/或线圈组件301的任何部分可以由彼此不一致的部件制成。例如，根据一个实施例，线圈组件301可以由具有特定规格(即，冲程值、力等)的部件制成，但磁铁壳体306可以由用于具有任何规格(即，冲程值、力等)的致动器的部件制成。具有没有专用于与具有特定规格的部件相互作用的一个部件节省了成本，并且允许将部件制造为适合当前系统。如前所述，致动器范围内的部件和组件的一致性在制造和维护两方面都提供了节省。

线圈组件301还可以可移除地连接至磁铁壳体306或永久连接至磁铁壳体306。通过这种灵活性，包括单个磁铁壳体306的单个致动器可以被改变和构造为以一定冲程值处提供不同的力。此外，允许可移除地连接部件可以降低维护成本，这是因为与整个系统相反，仅需要更换一个缺陷部件。

在图4中的横截面侧视图中图示了利用带有一个线圈402的线圈壳体404的示例性低成本致动器400。线圈壳体404连接至活塞414，使得活塞414在线圈壳体404移动时移动。活塞414可滑动地连接至线性引导组件416。线性引导组件416引导活塞414的运动并允许活塞414进出致动器壳体418进行线性往复运动。

电流可以通过线圈402以产生可以与磁体408相互作用的磁场，从而将活塞414线性地移入或移出壳体416。活塞414的运动方向取决于传导通过线圈402的电流的极性。运动力取决于电流的电流强度、磁路的尺寸、以及线圈中的导体的匝数。

图4的实施例中的任何部件可以形成为在具有不同规格的致动器之间都是一致的。例如；图4图示具有包括一个线圈402的线圈组件400的磁铁壳体406。图4的同一磁铁壳体406可以容纳具有任何数量或类型的线圈402的线圈组件400。

类似地，中心磁极410、活塞414、线性引导组件416和致动器壳体418可以由一致的部件制成。因此，可以降低每个致动器的维护、修理和制造成本。可设想的是每个部件可以被制造以被标准化的并且用于改变冲程、力和线圈的致动器。

由电连接器420提供电连接。可设想的是图4中的致动器可以包括任何数量的电连接并且可以包括任何数量的电控制序列。进一步，示例性实施例可以包括任何数量的本领域已知的机载(on-board)数字控制或模拟电路。进一步，可设想的是本发明的实施例可以被远程控制以减少机载电路并降低整个致动器成本。

图4的示例性实施例在应用不需要高冲程值时是有用的。如图4所示，磁路和冲程较小。较小的磁路每给定电流值产生更大的力。较小的磁路需要较少的部件并且需要较少的制造原料。需要较少的部件和材料可以提供制造节省。因此，图4的示例性实施例以更低的成本输出较高力和较小冲程。

然而，较小的磁路对于较大的冲程值输出较小的力。例如，如果图4中的活塞414的冲程距离增加，则力随着磁路的尺寸增加而减小。增加图4的示例性实施例的冲程可能会导致比应用需要的力小的力。

在图5中图示了具有比图4的实施例高的冲程值的示例性线性致动器500的剖视图。在该示例性实施例中，磁铁壳体506包括10个磁铁508和具有在线圈壳体504上的6个线圈502的线圈组件501。活塞514连接至线圈壳体504。活塞514连接至线性引导组件516。将活塞514连接至线性引导组件516允许活塞514可滑动地移入和移出致动器壳体518。使电流通过6个线圈502产生与磁铁508相互作用的磁场以可滑动地移动活塞514。活塞514的运动取决于电流的电流强度和极性。从电连接520将电力提供至线性致动器500。

如图5所示，可以产生较强的磁场以在活塞514的线性运动时产生更大的力。更大的力和更强的磁场允许在不牺牲力的情况下线性致动器500具有更大的冲程值。因此，当需要更高的冲程时，优选的是具有多个线圈502。

图5的实施例可以具有可以被制造为在具有不同线圈502的线性致动器500范围内都是一致的一个或多个部件。例如，图5的线性致动器500的任何部分可以被制造为能够彼此互换。例如，致动器壳体518可以连接至具有包括任何数量的线圈502的线圈组件501的磁铁壳体506。类似地，任何数量的线圈502可以连接至可以连接至致动器壳体518的线圈组件501的线圈壳体504。

本发明的多个实施例可以包括一件或多件控制电路。进一步地，本发明的实施例可以具有用于接受来自远程位置的通信信号的一个或多个连接装置。此外，本发明的实施例可以仅包括其中由单独的部件控制电流强度的电连接件。

进一步可设想的是在本发明的实施例中可以利用包括任何匝数的线圈。具有多匝的线圈产生更大的作用力，但更昂贵。具有较少匝数的线圈产生较小的作用力但更便宜。进一步可设想的是线圈组件可以是一致的以容纳具有任何匝数的任何数量的线圈。

进一步可设想的是本文中描述的线圈可以被机械加工成单个整体部件。进一步，可设想的是线圈可以利用具有任何阻抗值的导电材料。

进一步可设想的是本文中描述的任何部件可以被提供为可用于具有不同线圈的线性致动器的互换部件。例如，可设想的是线圈组件可以与磁铁壳体组合以提供一定值的力。这种组合随后可以连接至致动器壳体。线圈组件和磁铁壳体的不同组合体也可以连接至同一致动器壳体。

进一步可设想的是本发明的部件可以可移除或永久地彼此连接。可移除或永久连接可以借助于机械领域已知的任何方法。进一步，可设想的是本文中描述的一个或多个可以被机械加工成单个整体部件。

进一步可设想的是任何部件可以被制造用于具有一定预定数量的线圈的致动器。例如，可以预先确定的是一个制造过程将形成可构造为容纳3个、6个或9个线圈的磁铁壳体。类似地，每个部件可以被制造为接受预定的线圈参数。可设想的是可以使用任何预定的线圈参数。

虽然上文已经描述了本发明的多个实施例，但应当理解，仅通过举例的方式而不是限制的方式呈现所述实施例。同样地，多个示意图可以描绘本发明的示例性结构，这将有助于理解可以被包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于图示的示例结构，而是可以采用各种可选构造被实现。进一步，部件的绘制是示例性的，并且不描绘一个部件相对于另一个部件的比例或尺寸。此外，虽然以上在多个示例性实施例和实施方案方面描述了本发明，但应当理解的是在各个实施例中的一个或多个中描述的各种特征和功能不会将其应用限于描述所述特征和功能所采用的特定实施例，而是代替地，可以单独地或以某种组合应用于本发明的其它实施例中的一个或多个，而不管是否描述这种实施例以及是否将这些特征呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的广度和范围不应当限于上述示例性实施例中的任一个。

Claims (20)

1.一种制造线性致动器的方法，该方法包括下述步骤：

制造磁铁壳体，所述磁铁壳体被构造为具有一个或多个磁铁，其中所述磁铁壳体被构造为连接至线圈组件，所述线圈组件被构造为容纳1至N个线圈中的任一种，其中N为大于1的预定整数，其中所述磁铁壳体被构造为连接至所述线圈组件而与连接至所述线圈组件的线圈的数量无关，其中所述线圈被构造为当电流传导通过所述线圈时在所述磁铁壳体内产生磁场；以及

制造致动器壳体，所述致动器壳体具有连接至线性引导组件的活塞，所述线性引导组件被构造为能够滑动地引导所述活塞，使得在产生磁场时所述活塞的一部分线性地移入和移出所述致动器壳体，其中所述活塞连接至所述线圈组件，并且所述致动器壳体连接至所述磁铁壳体。

2.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，还包括以下步骤：

制造所述线圈组件。

3.根据权利要求2所述的制造线性致动器的方法，其中，所述线圈组件被构造为容纳1个、3个或6个线圈中的任一种。

4.根据权利要求2所述的制造线性致动器的方法，其中，所述磁铁壳体和所述线圈组件被制造成能够与多个不同的线圈组一起使用，每个所述线圈组具有预定数量的线圈。

5.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，其中，所述磁铁壳体中的所述一个或多个磁铁被构造为沿预定方位连接至所述磁铁壳体以产生与预定数量的线圈相互作用的目标磁场，从而使得所述活塞能够输出期望的线性力。

6.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，其中，所述致动器壳体进一步被构造为连接至所述磁铁壳体，其中所述磁铁壳体被构造为容纳1至M个磁铁中的任一种，其中M为大于1的整数。

7.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，其中，所述磁铁壳体被构造为能够移除地连接至所述致动器壳体，其中所述活塞被构造为能够移除地连接至所述线圈组件，并且其中所述线圈组件被构造为能够移除地连接至所述磁铁壳体。

8.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，还包括以下步骤：

制造中心磁极，所述中心磁极被构造为定位在所述线圈组件的一个或多个线圈内。

9.根据权利要求1所述的制造线性致动器的方法，还包括以下步骤：

制造电连接件，所述电连接件被构造为连接至所述致动器壳体，所述电连接件被构造为接收用于产生所述磁场的一个或多个信号。

10.一种线性致动器，包括：

具有一个或多个磁铁的磁铁壳体；

连接至所述磁铁壳体的线圈组件，其中所述线圈组件被构造为容纳1至N个线圈中的任一种，其中N为大于1的预定整数，其中所述磁铁壳体被构造为连接至所述线圈组件而与连接至所述线圈组件的线圈的数量无关，其中所述N个线圈被构造为当电流传导通过所述N个线圈时产生磁场；

定位在所述N个线圈的中心部分内的中心磁极；

电连接至所述N个线圈的电连接器，其中所述电连接器被构造为接收用于控制传导通过所述N个线圈的电流的一个或多个信号；和

致动器壳体，所述致动器壳体包括：

被构造为连接至所述线圈组件的活塞；和

连接至所述活塞的线性引导组件，其中所述线性引导组件被构造为能够滑动地引导活塞，使得所述活塞的一部分能够以线性方式移入和移出所述致动器壳体。

11.根据权利要求10所述的线性致动器，其中，所述线圈组件被构造为容纳1个、3个或6个线圈中的任一种。

12.根据权利要求10所述的线性致动器，其中，所述线圈组件能够移动地连接至所述磁铁壳体。

13.根据权利要求10所述的线性致动器，其中，所述磁铁壳体被构造为能够移除地连接至所述致动器壳体。

14.根据权利要求10所述的线性致动器，其中，所述N个线圈被构造为能够移除地连接至所述线圈组件。

15.根据权利要求10所述的线性致动器，其中，所述磁铁壳体被构造为容纳1至M个磁铁中的任一种，其中M为大于1的整数。

16.一种线性致动器，包括：

具有一个或多个磁铁的磁铁壳体；

连接至所述磁铁壳体的线圈组件，其中所述线圈组件包括N个线圈，其中所述N个线圈被构造为当电流传导通过所述N个线圈时产生磁场，其中N是等于或大于1的整数；

定位在所述N个线圈内的中心磁极；

电连接至所述N个线圈的电连接器，其中所述电连接器被构造为接收用于控制所述N个线圈的电流的一个或多个信号；和

致动器壳体，所述致动器壳体包括：

连接至所述线圈组件的活塞；和

连接至所述活塞的线性引导组件，其中所述线性引导组件被构造为能够滑动地引导所述活塞，使得所述活塞的一部分能够线性地移入和移出所述致动器壳体，

其中所述致动器壳体被构造为容纳所述磁铁壳体，而与连接至所述线圈组件的线圈的数量和磁铁的数量无关，其中所述线圈组件连接至所述磁铁壳体。

17.根据权利要求16所述的线性致动器，其中，所述磁铁壳体被构造为连接至被构造为容纳1至N个线圈中的任一种的线圈组件。

18.根据权利要求17所述的线性致动器，其中，所述线圈组件被构造为容纳1个、3个或6个线圈中的任一种。

19.根据权利要求16所述的线性致动器，其中，所述磁铁壳体被构造为能够移除地连接至所述致动器壳体，其中所述活塞被构造为能够移除地连接至所述线圈组件，并且其中所述线圈组件被构造为能够移除地连接至所述磁铁壳体。

20.根据权利要求16所述的线性致动器，其中，所述线圈组件能够移动地连接至所述磁铁壳体。

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