CN104115383B - 生成恒定力的紧凑型直接驱动的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁致动器，该类型的致动器因在其整个有效行程Y上具有基本恒定的电流而生成力且在不存在电流时具有减小的力，所述致动器由至少一个定子结构(1)、至少一个供电线圈(3)以及活动构件(2)组成，一方面，所述定子结构(1)具有垂直于所述行程Y的方向延伸的中央极(4)，且所述中央极沿行程Y的方向具有宽度YC1，且在其端部被大于或等于活动构件(2)的行程Y的宽度YC2终止，YC2大于YC1，且另一方面，两个侧极(5a、5b)沿行程方向具有宽度YL1且在其端部被大于YL1的宽度YL2终止，侧极(5a、5b)和中央极(4)被分开距离YG，相对于定子结构(1)活动的活动构件(2)包括电枢(11)，该电枢支撑各自的宽度为YA的至少两个相邻薄片永磁体(6、7)，活动构件(2)和定子结构(1)界定出气隙E，线圈(3)宽度为YB，其特征在于，侧极(8)的宽度YL2等于(2YL1+2YB+YC1‑2YG‑YC2)/2且小于中央极(4)的宽度YC2。

Description

生成恒定力的紧凑型直接驱动的致动器
技术领域
本发明涉及带有活动磁体的非接触电磁致动器的领域，且更特别地，涉及具有在行程上的恒定的力(force)的电磁致动器，即使处于引起磁路饱和的强电流下亦是如此。
背景技术
在现有技术中，已知例如专利文献US04195277所描述的非接触致动器的技术。该致动器是基于由单极磁体构成的活动电枢的使用。该活动组件面对由内部具有线圈的“C”形电路构成的定子结构。该结构因磁体移动过程中磁体穿过线圈而具有磁通量恒定变化的优点。这种每单位移动的磁通梯度被称为致动器的力因子；在乘以线圈的磁通势，允许获得由所述致动器生成的力。该力因此相对于恒定的力因子或给定的电流而保持恒定。然而，所提出的这种结构并不适用于这样的致动器，该致动器因在动磁体上使用单极且在定子上使用2个磁极而具有升高的力因子。
因此，在现有技术中，存在带有3定子磁极的结构，尤其是申请人的专利WO09016109A1中提出的结构，其得益于在动磁体上使用两个磁极而提高了力因子。如果希望制造每单位电功率具有较大的力的致动器，除了较大的力因子之外，还需要线圈的较大的磁通势。因此会形成尺寸较大的线圈。由于在定子上使用三个磁极，必须增加2倍的线圈高度，因而该结构具有轴向尺寸极大的缺点。根据该专利的教示，这种致动器的行程因而小于包括线圈的磁路总高度与磁化部分总高度(2.YA)之差的一半。因此，例如，对于磁路的总高度52mm和磁化部分总高度37mm，这种致动器仅具有7.5mm的行程，这允许其在该行程上获得恒定力。
还已知申请人的专利EP00607354B1，其通过在定子部分中使用容纳部来解决整体尺寸(大)的缺点，线圈被插入在该容纳部中。该结构的轴向体积因而大大缩小，这是因为其等于三个定子磁极相加的高度，其中，中央极与侧极之间的距离增加了两倍。中央极与侧极之间的距离这次被缩减为气隙E的一半，气隙对应于磁体厚度与磁体和定子表面之间的机械间隙之和。根据该专利的教示，中央极应具有的高度(YC)等于行程加上距离E。侧极的宽度(YL)大于中央极的宽度。因此，当高度为52mm时，该专利的教示引导我们得到最大行程为14mm的致动器，这与专利WO09016109A1相比获得了较大改进。作为直接的抵偿，结果是中央极与侧极之间过于靠近，因而容易造成定子磁极之间的磁通泄漏。为了减少磁极之间的泄漏磁通，本领域技术人员因而考虑将磁极倒角，这同样在专利EP00607354B1中被描述。
此致动器例如应用于机动车的用途，人们最重视其整个行程上的力恒定的特征以及力与电流的比例。因而在希望调节阀的定位，以用于调整流体的流量(例如排气气体在循环的阀)或调节踏板定位以用于致动踏板且将信息传输至驾驶员。体积问题在这些狭窄的环境中凸显出来，因为其中所节省的每毫米对于允许安装致动器都十分珍贵。
尽管上述致动器具有的优点在于为紧凑型致动器的尺寸提出规则，以此在额定状态下在所述行程产生恒定的力，然而，它具有缺点在于不能适应具有较大行程的紧凑型制动器带来的问题，从而使之适于在其整个行程上生成恒定的力，特别是在提高的饱和状态下是这样。
在现有技术中，还已知美国专利文献US2008/22090描述了一种线形致动器，其包括围绕电枢铁芯的管状永磁体，当与电枢连接设置的同心线圈被励磁时，所述永磁体用于在管状定子中进行轴向运动。
定子具有向线圈内部沿径向延伸的部分，且在各线圈下方一个朝向另一个，从而在线圈和电枢之间界定间隙。
环件具有基本沿径向磁化的结构且线圈被设计成用于单相功率输入。两对隔开的冠状件被设置在磁芯上，其中，环件的外部轴向长度为其具有的环件的轴向长度的一半。
该方案的缺点在于体积过大且具有力不足的特点。
发明内容
本发明旨在提供一种带有动磁体的致动器，该致动器能在较小的空间内提供最大行程，在该最大行程上，由致动器生成的力保持恒定，即使在由于与现有技术教示相反的两个尺寸规则的联合作用而造成的最大电功率下也是如此。
更特别地，本发明涉及带有三个定子磁极的致动器，其活动电枢由以磁化的铁磁材料制成的两个磁极构成，沿其行程方向的体积基本等于行程长度的三倍。在该类型的结构中，本领域技术人员试图使磁极中的磁通路径的截面最大化，从而推迟饱和的出现，这是因为饱和容易引起磁极之间的泄漏。还是如此，本领域技术人员试图通过使磁极倒角来解决该缺点。
为此，根据最广义的用途，本发明涉及一种电磁致动器，该类型的电磁致动器因在其整个有效行程Y上保持基本恒定的电流而生成力，所述致动器由至少一个定子结构、至少一个供电线圈以及活动构件组成，一方面，所述定子结构具有垂直于所述行程Y的方向延伸的中央极，且该中央极沿行程方向具有宽度YC1，且在其端部被大于或等于活动构件的行程Y的宽度YC2终止，YC2大于YC1，且另一方面，两侧极沿行程方向具有宽度YL1且在其端部被大于YL1的宽度YL2终止，侧极和中央极被分开距离YG，相对于定子结构活动的活动构件包括电枢，该电枢支撑各自的宽度为YA的至少两个相邻的薄片永磁体，活动构件和定子结构界定出气隙E，(宽度为YB的)线圈，其特征在于，侧极的宽度YL2等于(2YL1+2YB+YC1-2YG-YC2)/2且小于中央极的宽度YC2，且特征在于，所述薄片永磁体彼此接邻。
更特别地，其涉及一种电磁致动器，该类型的电磁致动器因在其整个有效行程Y上保持基本恒定的电流而生成力，且当缺乏所述电流时，力减小，所述致动器由至少一个定子结构、至少一个供电线圈以及活动构件组成，所述定子结构由软的磁性材料制成，且一方面，其具有垂直于所述行程Y的方向延伸的中央极，且该中央极具有沿行程方向的宽度YC1，且在其端部被大于或等于活动构件的行程Y的宽度YC2终止，YC2大于YC1，且另一方面，两个侧极沿行程方向具有宽度YL1且在其端部被大于YL1的宽度YL2终止，侧极和中央极被分开距离YG，相对于定子结构活动的活动构件包括电枢，该电枢支撑各自的宽度为YA的至少两相邻的薄片永磁体，活动构件和定子结构界定出气隙E，宽度为YB的线圈，其特征在于，侧极的宽度YL2等于(2YL1+2YB+YC1-2YG-YC2)/2且小于中央极的宽度YC2。
因此，当活动电枢的两个磁极的磁转变区，离开中央极的全部截面区的相对的位置，由此基本开始致动器的最后四分之一段行程且回到与中央极极靴对应的部分的对面，磁极上端又同时回到侧极的全部截面区的相对的位置。在缩小的体积中，我们试图例如实现15mm的行程，中央极，例如YC＝17.2mm，两个侧极，例如YL＝15.4mm且两个磁体总宽度例如为2.YA＝37mm，其中，体积尺寸为52mm，从而获得高度比现有技术的教示减小的线圈。
优选地，线圈宽度YB等于磁体的宽度YA。
该附加特征，因线圈的磁通势损失而允许在行程开始(即磁体的磁通与线圈的磁通处于相对的位置)补偿致动器的力损失。实际上，由于存在面对磁体的端部的侧极的全截面YL1，由致动器在行程末端(即磁体磁通和线圈的磁通处于累加的位置)生成的力水平比现有技术实施方式得到的水平更高。
在优选的实施方式中，活动构件与定子结构之间的距离界定机械间隙j，且侧极具有可变的厚度，该厚度被视为与行程Y的方向垂直，且在其最薄部分定义的所述厚度，约为机械间隙j的大小。
特别地，在其最厚部分定义的侧极厚度，最大等于被视为垂直于行程Y的方向的薄磁体的厚度LA。
在一优选的实施方式中，薄磁体具有的磁化作用的方向大体垂直于行程Y的方向。
在一特别的实施方式中，薄磁体具有的磁化作用的方向在薄磁体的中心部分中垂直于行程Y的方向，且在其端部发生转变。
在一可选的实施方式中，电枢支撑四个相邻的磁体，从而提高力的恒定性。
致动器的行程可视为线形或圆形，由本发明描述的教示并无不同。
当行程为线形，优选地，定子结构和活动构件可以围绕与行程Y的方向的共线的轴线旋转。
即便本发明实现的描述是围绕(对称)轴旋转的致动器，也完全可能设计一种可选择的实施方式，其中，定子结构和活动构件在垂直于行程Y的方向的方向上突出，从而允许使用例如金属板组件来实现定子结构。
最后，在一可选择的实施方式中，侧极可以具有不同的宽度YL1。
附图说明
在阅读参考附图的非限制性实施示例后，本发明将获得更好的理解，其中：
–图1示出根据优选实施方式的致动器的剖面示意图，其界定出主要的几何参数。
–图2示出根据优选实施方式的致动器的剖面示意图，其界定出主要的尺寸。
–图3示出根据优选实施方式的致动器的剖面示意图，其中，所述活动构件处于这样的行程的位置，该位置允许更好地显示本发明的尺寸规则之一。
–图4示出根据优选实施方式的致动器的剖面示意图，其中，所述活动构件处于行程末端。
–图5示出根据优选实施方式的致动器的剖面详图。
–图6示出力对位置和功率的变化的示意曲线。
–图7示出根据第二实施方式的致动器的剖面示意图。
–图8示出根据角形实施方式的致动器的剖面示意图。
–图9示出根据另一线形实施方式的致动器的剖面示意图。
–图10示出根据周向实施方式的致动器的剖面示意图。
具体实施方式
图1和图2示意性示出根据一优选实施方式的致动器。
该致动器呈围绕轴线10轴对称的几何形状且包括定子结构1，该定子结构由轴向宽度为YC1的中央极4以及宽度为YL1的两个侧极5a、5b构成。在中央极4和侧极5a、5b之间设有两个轴向宽度为YB的供电线圈3a、3b。该宽度YB考虑了用于支撑所述线圈3a、3b的可能的线圈体。中央极4在垂直于轴线10的方向上延伸且被轴向延伸部分9终止，该轴向延伸部分的宽度大于中央极4的底部且在中央极4的两侧延伸，界定出端部宽度YC2。
优选地，侧极5a、5b在此是相同的，但可能不对称，从而能获得一个比另一个更宽的侧极。其具有沿中央极4方向延伸的轴向延伸部分8，界定出端部宽度YL2。
侧极5a、5b和中央极4以软铁磁材料制成，且彼此被由软铁磁材料制成的磁轭12彼此连接。
侧极5a、5b与中央极4间隔开距离YG。
致动器也具有活动构件2，该活动构件由具有相等宽度YA的两个相邻磁体6、7构成。该活动构件2在行程Y上移动。优选地，其以径向交替方式被磁化(流出和流回的磁通)，从而使产生的磁通朝向磁极的方向。根据现有技术已知的技术条件，也可以设计其它不同于径向的磁化方式，尤其是为了局部地提高力水平。
磁体6、7呈薄管状。其直接相邻，在两个连续的磁体6、7的前表面之间既无空气间隙也无铁隙。
薄磁体6、7在薄磁体6、7的中心区上垂直于行程Y的方向而磁化。磁化可以呈半径方向或直径方向。
该磁化作用的方向并不必须保持恒定。其取向为沿着可在磁化区的末端附近变化的方向。磁化区末端，是指沿活动构件的磁化区的两侧在小于磁化区总长度的5％上延伸的环形段。在这两段中，磁化作用的方向在垂直于活动构件的移动方向的朝向转向相对于活动构件的移动方向构成小于90°的角的方向之间逐渐变化。
磁体6、7由电枢11支承，理想地，所述电枢由软铁磁材料制成，从而能关闭磁通量。
根据流经供电线圈3a、3b的电流，活动构件因此相对于定子结构1沿由轴线10界定的方向移动，并界定出由径向距离限定的气隙E——即垂直于轴线10——将电枢11与定子结构1分开且由磁体6、7和定子结构1之间的径向距离界定出机械间隙j。理想地，气隙E和机械间隙j在致动器的行程Y上保持恒定。根据线圈3a、3b内的电流方向，在延伸部分8、9处产生的北极或南极，因此试图与磁体6、7的相应的南极和北极对齐。
更特别地，可将侧极的高度YL2定义为轴向宽度：
YL2＝(2YL1+2YB+YC1-2YG-YC2)/2
侧极的所述宽度YL2小于中央极4的宽度Yc2，宽度YL2和Yc2在磁轭的面对活动构件的中央周向上被测得。
宽度YL2对应于前端部与第一凹口之间的第一磁极区的高度，该高度在面对活动构件的内环形表面处被测得。
宽度Yc2对应于中间磁极区或极靴的高度，该高度在面对活动构件的内环形表面处被测得。
有利地，磁体6、7的宽度YA等于线圈3a、3b的宽度YB。这两个特征使在行程第二部分上的环路能够不饱和，如图3所示。在该图3上，示出接近行程的3/4的活动构件2。将两个相对的极性分开的转变区脱离中央极的宽度为YC1的截面的相对面，而此时磁体6的端部14成为侧极5a的宽度为YL1的截面的对面。这种几何配置基本能赋予致动器在行程结束时保持恒定力的出众特征，甚至当在线圈3a、3b中的电流升高时，大部分磁通量因而不再需要通过延伸部分8，由此避免磁势的损失。
中央极YC2约为行程Y的大小。
当活动构件2遍历行程Y，磁体6的轴向端14处于与侧极端部13轴向对齐的位置，如图4所示。
图5是侧极5b的详细图，其示出延伸部分8的轴向端处的最小厚度Ep1以及延伸部分8的底部的最大厚度Ep2。优选地，厚度Ep1约为机械间隙j的大小而厚度Ep2约为磁体7的径向厚度EpA的大小。根据本发明的致动器具有通常细的极靴。引起局部饱和的磁极能通过重建用于磁通量经由气隙通过的优势路径来避免主要磁通量的减弱。
中央极4和侧极5a、5b的极靴的剖面减小，目的是不仅减小磁极之间的泄漏通量，而且将该泄漏通量大大缩小为几乎等于零的值，此时向致动器提供最大电功率。
在较小的电功率下，有效通量不足以在行程末端引起磁环路的整体饱和，由此允许在整个行程上生成恒定的力。
当向致动器提供最大电功率时，齿状物的局部饱和的结果导致急剧减小泄漏量，这从而令本领域技术人员意外地允许使磁环路尤其在行程末端不饱和。实际上，其结果导致降低了磁环路的软铁磁材料的工作点，这实现了具有相对较高的磁渗透率的环境。在该更渗透的环境中循环的有效磁通量因而获得提高。
图6示出测得的力对位置的曲线。行程的开端位于曲线左侧，而行程的末端位于曲线右侧。该图6的价值在于突出行程末端的力和行程开始的力基本处于相同的水平，或者处于低功率(Low)，或者处于高功率(high)，即分别具有较小或较大的电流。当功率大大高于致动器能够连续支持而不因温度太高而劣化的功率时，该功率被视为较大。标记为0的曲线对应于无电流的力。该力在由示出的“position[mm]”的窗口定义的整个有效曲线上基本为零。
在行程末端，磁体的端部位于上方侧极的全部剖面的相对处，从而能受益于磁环路的不饱和效应，这保证随位置变化的力的线形特征且更特别地，允许在行程开始和行程末端获得相等的力。
图7示出一可选的实施方式，其具有图1的致动器的所有组件，并在两个磁体6、7附近增加了两个补充磁体15、17。这种增加能针对既定电流生成补充的力因子，而不会改变构成本发明的上述优点，且允许为环路不饱和，即便体积整体被增大亦是如此。
图8示出另一可选的实施方式，其旨在实现带有角形行程的致动器。在左侧部分，示出致动器的四分之三底视图，在右侧，示出该同一致动器的分解图，从而能更好地观察承载两个薄磁体6、7的活动构件2，活动构件2相对于定子结构1旋转，在此，围绕中央极4的线圈3被设置在该定子结构上。与本发明的任何其它实施方式相同，两个侧极5a、5b具有相同的几何关系，从而能在行程上保持恒定力法则，甚至在较大的功率下亦是如此。
图9示出一可选的实施方式，其中，定子结构1，在侧极5a、5b处具有突起18a、18b，所述突起在与延伸部分8相反的方向上延长侧极5a、5b。这些突起使得能够考虑到活动机构2相对于定子结构1的定位公差，这通过使行程Y沿行程方向在一端或另一端变换而实现。
图10示出一可选的实施方式，其示出带有周向几何形状的致动器，其中，依然存在与其它实施方式的以上描述相同的元件，尤其是承载磁体6、7的活动构件2以及承载线圈3的定子结构1且由中央极4和两个延长的侧极5a、5b构成。
根据该几何形状，定子结构不完全包围活动构件2，而是仅在其管状表面的一部分延伸，从而构成在活动构件的管状表面的约三分之一上延伸的“沟槽”。

Claims (10)

1.一种如下类型的电磁致动器：所述电磁致动器因在所述电磁致动器的整个有效的行程Y上保持基本恒定的电流而生成力，所述电磁致动器由至少一个定子结构(1)、至少一个供电线圈(3)、以及活动构件(2)组成，一方面，所述定子结构(1)具有垂直于所述行程Y的方向延伸的中央极(4)，所述中央极(4)在所述行程Y的方向上具有宽度YC1并且在所述中央极(4)的端部处终止为具有大于或等于活动构件(2)的所述行程Y的宽度YC2，并且，YC2大于YC1，且另一方面，所述定子结构(1)具有两个侧极(5a、5b)，所述两个侧极(5a、5b)在所述行程Y的方向上具有宽度YL1并且在所述侧极(5a、5b)的端部处终止为具有大于YL1的宽度YL2，所述侧极(5a、5b)和所述中央极(4)被分开距离YG，能够相对于定子结构(1)活动的活动构件(2)包括电枢(11)，该电枢支撑各自的宽度为YA的至少两个相邻的薄永磁体(6、7)，活动构件(2)和定子结构(1)界定出气隙E，所述供电线圈(3)的宽度为YB，其特征在于，所述侧极(5a、5b)的宽度YL2等于(2YL1+2YB+YC1-2YG-YC2)/2且小于所述中央极(4)的宽度YC2，并且，所述薄永磁体(6、7)是相邻的，并且所述薄永磁体之间既无空气间隙也无铁隙，在所述行程Y的方向上，所述供电线圈(3)的宽度YB等于所述薄永磁体(6、7)的宽度YA。
2.根据权利要求1所述的电磁致动器，其特征在于，所述活动构件(2)与所述定子结构(1)之间的距离限定机械间隙(j)，且所述侧极(5a、5b)具有可变的厚度，该厚度被认为与所述行程Y的方向相垂直，且在所述侧极(5a、5b)的最薄部分中限定的所述厚度(Ep1)具有所述机械间隙(j)的大小。
3.根据权利要求2所述的电磁致动器，其特征在于，所述侧极(5a、5b)的被认为是垂直于所述行程Y的方向且在所述侧极(5a、5b)的轴向延伸部分的最厚部分中所限定的厚度(Ep2)最多等于所述薄永磁体的厚度(EpA)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电磁致动器，其特征在于，所述薄永磁体(6、7)的磁化作用的方向大体垂直于所述行程Y的方向。
5.根据权利要求4所述的电磁致动器，其特征在于，所述薄永磁体(6、7)的磁化作用的方向在所述薄永磁体(6、7)的中央区域中垂直于所述行程Y的方向，且所述薄永磁体(6、7)的磁化作用的方向在所述薄永磁体(6、7)的端部处构成非恒定的角度。
6.根据权利要求5所述的电磁致动器，其特征在于，所述电枢(11)支撑四个相邻的薄永磁体(6、7、15、17)。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的电磁致动器，其特征在于，所述行程Y为圆形。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的电磁致动器，其特征在于，所述行程Y为线形，且所述活动构件(2)围绕与所述行程Y的方向共线的轴线相对于所述定子结构(1)旋转。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的电磁致动器，其特征在于，所述侧极具有不同的宽度YL1。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的电磁致动器，其特征在于，所述侧极(5a、5b)具有轴向突起(18a、18b)，所述轴向突起(18a、18b)取向为与所述侧极(5a、5b)的轴向延伸部分的方向相反。
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