CN105393443A - 永磁铁线性致动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁致动器，其包括：磁芯，所述磁芯包括相对于空气具有高磁导率的材料；线圈阵列，这些线圈顺序设置在所述磁芯上，所述线圈阵列中的每个线圈缠绕所述磁芯的所述纵轴；以及磁铁组件，所述磁铁组件沿所述线圈阵列移动安装，具有面向所述线圈阵列的线圈侧以及背对所述线圈阵列的相对侧，并且包括永磁铁阵列，这些永磁铁在平行于所述纵轴的方向上沿所述线圈阵列顺序设置，其中，选择并且设置所述多个磁铁的磁力矩以增大在所述磁铁组件的所述线圈侧产生的所述磁场，并且减小在所述磁铁组件的所述相对侧产生的所述磁场。

Description

永磁铁线性致动器

本申请在35U.S.C.§119(e)的规定下要求于2013年4月18日提交的标题为“用于在机器装置中使用的线性致动器(LinearActuatorsforUseinRoboticDevices)”的申请第61/813,461号的权益，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及线性致动器，更具体地，涉及永磁铁线性管状致动器。

背景技术

电磁线性马达(有时候也称为线性致动器)通常是将电能转换为线性运动的装置。存在至少两种常见类型的线性马达。一种类型通过首先生成旋转运动然后将该旋转运动转换为线性运动来生成线性运动。另一种类型在没有首先生成旋转运动的情况下，直接生成线性运动。从功能上讲，该第二种类型的线性马达与旋转马达相似。它们都具有磁场组件。在旋转马达的情况下，通常包括转子和定子的磁场组件呈圆形布置设置。在线性马达的情况下，与转子圆形磁场组件和定子圆形磁场组件功能地对应的磁场组件呈直线设置。因此，例如，在旋转马达将围绕相同的磁极面旋转并且重新使用该相同的磁极面的地方，可以使线性马达的磁场组件物理重复超过致动器的长度。另外，线性机的机构通常可以比旋转马达的结构更简单。

发明内容

一般来说，在一个方面中，本发明特征了电磁致动器，该电磁致动器包括：磁芯，该磁芯具有纵轴并且由相对于空气具有高磁导率的材料制成；线圈阵列，这些线圈顺序设置在磁芯上，线圈阵列中的每个线圈都缠绕磁芯的纵轴；以及磁铁组件，该磁铁组件沿线圈阵列活动安装，磁铁组件具有面向线圈阵列的线圈侧以及背对线圈阵列的相对侧，并且磁铁组件包括永磁铁阵列，这些永磁铁在平行于纵轴的方向上沿线圈阵列顺序设置，每个永磁铁由特定方向的磁场表征，以及其中，多个磁铁的磁场被选择和设置以增大在磁铁组件的线圈侧产生的磁场，并且减小在所述磁铁组件的所述相对侧产生的磁场。

一些实施例包括以下特征中的一个或者多个特征。线圈阵列是线性线圈阵列。永磁铁阵列形成仅仅一个磁电路或者多个磁电路，其中，相邻的磁电路互为彼此的镜像。磁铁组件包括多个永磁铁阵列，该多个永磁铁阵列设置在线圈阵列的周围以形成多个磁环，每个磁环围绕线圈阵列。可替代地，永磁铁阵列是永久环磁铁阵列，每个永久环磁铁环绕线圈阵列。磁芯沿纵轴分段。线圈阵列中的线圈中的每个线圈是单独可控的。电磁致动器还包括围绕线圈阵列的套管，其中，磁铁组件布设在套管上。套管是圆柱形的。套管具有内侧壁，该内侧壁与线圈阵列间隔开以形成冷却剂流通道，该冷却剂流通道围绕线圈阵列并且延伸该线圈阵列的长度。围绕线圈阵列并且延伸了该线圈阵列的长度的通道一般是圆环形通道。线圈阵列中的线圈全部具有沿纵轴的宽度D，并且线性永磁体阵列中的磁铁全部具有沿纵轴的等于D的宽度。可替代地，线性永磁体阵列中的磁铁也全部具有沿纵轴的等于1.5D的宽度。磁芯由铁和/或钢制成。线圈阵列中的线圈是圆柱形的。磁芯是圆柱形的，在该磁芯内的中空区域从线圈阵列的至少一端延伸到线圈阵列的至少另一端。磁铁阵列包括三个磁铁，按照三个磁铁的磁场的方向的顺序，选择并且设置该三个磁铁以产生+T、+L、-T，其中，+T指示为横向于纵轴定向的磁场，其中，-T指示为横向于纵轴定向并且在与+T相反的方向上的磁场，以及其中，+L指示为平行于纵轴定向的磁场。可替代地，磁铁阵列包括六个磁铁，按照三个磁铁的磁场的方向的顺序，该六个磁铁被选择和设置以产生+T、+L、-T、-T、-L、+T，其中，+T指示横向于纵轴定向的磁场，其中，-T指示为横向于纵轴定向并且在与+T相反的方向上的磁场，其中，+L指示为平行于纵轴定向的磁场，以及其中，-L指示为平行于纵轴定向并且在与+L相反的方向上的磁场。

其他实施例包括以下特征中的一个或者多个特征。磁芯限定中空内部区域，该中空内部区域延伸磁芯的长度，并且，在操作期间，通过中空内部区域来泵送液体冷却剂。电磁致动器还包括在套管的一端的歧管，该歧管具有冷却剂入口，并且提供路径以将通过该入口到达的冷却剂转移至线圈组件中。歧管还具有冷却剂出口，并且提供另一条路径，用于在冷却剂已通过线圈组件而循环之后，用于将冷却剂从线圈组件转移出该出口。电磁致动器还包括在歧管与套管之间的分流板，该分流板限定一个或者多个通道，以将冷却剂从歧管转移至围绕线圈阵列的环形流通道。电磁致动器还包括在起自歧管的套管的另一端的流重定向板，该流重定向板限定一个或者多个通道，用于在磁芯区域与环形流通道之间转移冷却剂。磁芯包括一个或者多个通路，该一个或者多个通路用于保持电连接至线圈阵列中的线圈的电线。磁芯包括两个段，每个段向下延伸线圈阵列的长度，该两个段用作向线圈阵列中的线圈输送电力的导线。

在附图或以下说明中，阐述了本发明的一个或者多个实施例的细节。本发明的其他特征、目标和优点将通过本说明、附图及所附权利要求书显而易见。

附图说明

图1A-F示出了具有单磁电路和外部软磁鞘的线性管状致动器的各个部分。

图2A-E示出了具有双磁电路的线性管状致动器的各个部分。

图3示出了构造用于线性管状致动器的环磁铁的另一种方式。

图4示出了线性管状致动器的另一个实施例的透视图。

图5示出了图4的线性管状致动器的剖视图。

图6A-D示出了图4的线性管状致动器的线圈的细节。图6A是线圈的透视图。图6B-C是线圈每一侧的视图。以及图6D是移除了侧壁222a的线圈的视图。

图7示出了图4的线性管状致动器的端的近剖视图，电连接与冷却剂连接位于该端。

图8A-B示出了图4的线性管状致动器的分流板的正面和背面的透视图。

图9示出了图4的线性管状致动器的流重定向板的透视图。

图10A-B示出了图4的线性管状致动器的冷却剂歧管的正面和背面的透视图。

图11A-B示出了图4的线性管状致动器的磁阵列组件的视图。

图12A-B示出了线性管状致动器的另一个实施例，在该线性管状致动器中，磁铁阵列组件在线圈阵列内。

图13A-B示出了线性管状致动器的另一个实施例，在该线性管状致动器中，磁铁阵列组件既在线圈阵列内，又在线圈阵列外。

图14示出了实施例，其中，驱动电路系统放置到由圆柱形磁芯形成的中空磁芯区域内，并且接近经驱动的线圈。

图15示出了具有6段磁芯的线性管状致动器。

图16示出了致动器控制系统的框图。

注意，附图中的类似组件和特征由相同的数字表示。

具体实施方式

图1A-B示出了体现本文所述的本发明的至少一些方面的线性致动器的一种版本。图1C-F示出了在不同组装阶段期间的线性致动器，以更清晰地显示其结构。参见图1A，线性致动器包括具有两个段10的分裂磁芯，该两个段10由，例如，具有如与空气比较较高的磁导率以及低矫顽磁性的软铁磁材料(诸如，铁或者钢或者高导磁合金)制成。该两个磁芯段是圆柱的两半，该两半面对面放置以形成具有中空中央磁芯区域11的圆柱，该中空中央磁芯区域11沿磁芯的纵轴延伸。可选地，绝缘垫片(未图示)将两半隔开。按照这种方式将磁芯分裂为两半来避免涡流，否则会与线圈绕组相切。这样显著减小了本来会产生的涡流损耗。同样，使用分裂磁芯使得磁芯能够用作线圈的电源线。此外，如稍后将更详细地描述的，在磁芯内的中空区域还提供路径，可以通过该路径使冷却剂循环以在操作期间冷却线圈。

参见图1D，彼此相邻设置的一堆相同的线圈12组装到磁芯上以形成线性线圈阵列。这些线圈是以彼此紧挨着的方式相邻的，不是接触，就是隔开很小的距离。在所述实施例中，线圈全部具有相对于磁芯的相同的定向，即，线圈在相同方向缠绕磁芯。然而，这里并不需要这种情况；缠绕方向可以根据设计需求交替或者按照一些其他顺序设置。

参见图1E，一堆环磁铁16(即，环形磁铁)设置在线性线圈阵列上以形成磁铁阵列。在所述实施例中，这种磁铁阵列由一堆三个邻近设置的环磁铁16，每个环磁铁同轴设置在线圈阵列上并且限制线圈阵列。这种磁铁阵列机械保持在一起以形成磁铁组件，响应于由施加到底层线圈的电流施加到磁铁阵列的力，该磁铁组件能够沿线圈阵列(以及磁芯)的长度来回移动。即，该磁铁阵列关于线圈阵列移动安装。移动安装意谓覆盖箱体，在该箱体中，如果线圈阵列和磁芯保持固定，那么磁铁阵列能够沿线圈阵列和磁芯移动，以及箱体，在该箱体中，如果磁铁阵列保持固定，那么线圈阵列能够相对于磁铁阵列移动。

是永磁铁的环磁铁16，例如，稀土磁铁，诸如，钕铁硼磁铁，具有如图1B指示的极性，以实现与由海尔贝克(Halbach)阵列实现的结果相似的结果。更具体地说，设置三个环磁铁以增大在阵列的一侧(即，在线圈中)的磁场，同时减小在阵列的另一侧的磁场。最上方的环磁铁中的磁场径向朝内；中间的环磁铁中的磁场朝上并且平行于线圈阵列的轴；以及最下方的磁铁中的磁场径向朝外。三个环磁铁形成单磁电路，该单磁电路用于减小(例如，部分取消)磁铁阵列外的磁场，同时增强磁铁阵列内的磁场。因为磁铁的布置生成形成一个环路的磁场，所以这是单磁电路。

当将电流施加到磁组件内的线圈12时，线圈内的圆周电流相互作用，从而使径向定向的磁场产生与线圈阵列的纵轴平行的力矢量(洛伦兹力)。根据电流的极性以及磁场的方向，这将使得磁铁组件在一个方向或者另一个方向沿组件的纵轴移动。

在所述实施例中，每个线圈的宽度(即，沿致动器的运动的线性轴的从一侧到另一侧的距离)等于沿相同轴的阵列内的环磁铁的宽度。换言之，线圈和磁铁具有相同的周期。因此，当一个环磁铁与相邻线圈对齐时，所有其他环磁铁也与对应的相邻线圈对齐。然而，这并不是必要条件。线圈可以具有不同于环磁铁的宽度的宽度。例如，发现，当谈到驱动线圈控制磁铁组件的运动时，选择宽度是线圈的宽度的1.5倍的磁铁环(即，两个磁铁环跨越线圈阵列中的三个线圈)可以具有优势。

参见图1F，围绕一堆环磁铁的鞘或者套管18由铁磁材料制成，该铁磁材料相对于空气具有高磁导率，并且具有低矫顽磁性。该鞘用于为在阵列外的磁场提供返回路径，从而进一步减小可能在磁铁组件外延伸的任何磁场。然而，应当理解，因为致动器能够在没有鞘存在的情况下移动，所以鞘是可选择的。

图2A-E示出了与在图1A-E中所示的实施例相似的实施例，除了其磁铁组件具有由六个磁铁形成的两个磁铁电路，即，两个磁场环路。第一个磁铁电路由顶部的三个环磁铁形成，并且第二个磁电路由底部的三个磁铁形成。注意，在底部电路中的磁铁极性的布置是在顶部电路中的磁铁极性的布置的镜像(即，相对于垂直于线圈阵列的轴的平面的镜像)。注意，在该配置中，磁力矩在致动器的中心处的两个环宽度之上的相同方向径向定向。这增加了线圈阵列的连续区域，在该线圈阵列阵列上，产生垂直于线圈电流的径向定向的磁场。

图3示出了制造磁铁环的可替代的方式。如图所示，代替出售的磁材料环，每个环由相似磁化永磁铁阵列组成。在图示示例中，存在由一个环组成的十二个相似磁化永磁铁立方体17。立方形磁铁17牢牢地保持在框架(未示出于该图中)中。在给定环中的磁铁的磁场全部定向于相同圆柱形坐标轴方向。因此，在一个环中，磁场径向指向内；在另一个环中，磁场径向指向外；以及在另一个环中，磁场指向平行于磁芯的纵轴的方向。

应当理解，其他形状和/或相对大小可以用于个别磁铁以实现改进性能或者减轻组装。例如，在没有限制的情况下，磁铁可以具有梯形形状，或者可以是环形环的段。

现在将呈现采用许多刚描述的特征的线性致动器的另一个实施例的更详细的示例。

参见图4和图5，线性致动器200包括圆柱形线圈阵列组件202，该圆柱形线圈阵列组件202包括在碳纤维管210中的一系列线圈206。在这一系列线圈206的两侧，存在一组垫片208以填充剩余的管，该垫片208由刚性材料，例如，聚甲醛(E.I杜邦公司的产品)制成。圆柱形磁铁阵列组件204环绕碳纤维管210和在该管中的这一系列线圈206。在所述的实施例中，在一端有九个垫片208，在中间有十八个独立可控线圈206，并且在另一端有九个垫片208。当适当的驱动信号应用于线圈206时，可以使磁铁阵列组件204沿碳纤维管210来回移动。

参见图6A-D，每个线圈206缠绕夹在两个圆形平侧壁222a和222b之间的圆柱形磁芯段220的两半。这样的布置形成了线轴，在该线轴上缠绕了线圈电线224。每个圆形侧壁222a和222b具有在其外围四周分别等距的六个突起223a和223b。当线圈206插入碳纤维管210时，这些突起223a和223b接触管的内侧壁，从而使管内的线圈居中。这些突起不仅用于使在管内的线圈稳定，而且用于限定环形区域213(见图7)，该环形区域213把线圈与碳纤维管的内侧壁分开，并且冷却剂可以通过该环形区域213而流动以冷却系统(稍后会进一步描述)。

一个侧壁222a具有形成在其中心的孔226a，该孔226a具有等于组装圆形磁芯段的内径的直径。另一个侧壁222b具有形成在其中心的孔226b，该孔226b具有大于圆形磁芯段的内径，但是小于磁芯段的外径的半径。其上安装有侧壁22b的磁芯段侧包括平的凸起圆形区域228，该区域228具有稍微小于洞226b的内半径的内半径，从而使侧壁226b安装在凸起区域228上，并且与凸起区域228对齐。

有两个等距孔圆形阵列，该等距孔是通过从一侧穿至另一侧的线轴而形成的。有穿过侧壁222a、磁芯段220和侧壁222b的孔230的外圆形阵列。还有穿过侧壁22a并且穿过磁芯段220的孔232的内环形阵列。其中心线具有小于凸起区域的直接的直径的孔的内环形阵列不穿过其他侧壁222b，如图6C和6D所示的。在所述的实施例中，在每个阵列230和232中有十八个孔(即，等于阵列中的线圈数量的数量)。如不久将描述的，这两个孔阵列用于携带将线圈电连接至外设电路系统的电线。

侧壁222a还包括靠近侧壁周边的一圈六个对齐杆227。侧壁222b包括一圈十八个等距孔234，这些孔234具有与这一圈对齐杆227相同的半径。注意，三个孔阵列230、232和234的孔还有角度地对齐，即，每个阵列中的一个孔沿单径向矢量与来自其他两个孔阵列中的每个阵列的孔共线。当将线圈堆在一起以形成线圈阵列时，一个线圈的侧壁222a邻接相邻线圈的侧壁222b，并且将侧壁222a上的对齐杆安装在侧壁22b上的对齐孔中，从而阻止两个线圈关于彼此旋转，并且保证在一个线圈中的各个阵列中的孔与在相邻线圈中的对应的孔阵列对齐。

在侧壁222a中，在彼此径向相反的位置处有两个开口236a和236b，该位置中的每个位置使底层磁芯段220中的不同的磁芯段暴露。对于开口236a而言，具有电线插座238a(在图6C中几乎不可见)，该电线插座238a位于在外孔阵列中的相邻孔后；以及对于开口236b而言，具有另一个电线插座238b(在图6D中清晰可见)，该另一个电线插座238b位于在内孔236a阵列中的相邻孔后。电线插座238a电连接(例如，通过应用焊接通孔236a)至缠绕到磁芯上的线圈的内电线，并且电线插座238b电连接(通过应用焊接通孔236b)至该线圈的外电线。还有形成在侧壁222a中的径向狭槽239，该径向狭槽239使得外线圈电线按路线绕回孔236a，其中，该径向狭槽239可以焊接至对应的电线插座238a。

当线圈在管中堆积时，该堆线圈中的每个线圈相对下一个线圈旋转+360/18度(例如，在相同方向(例如，顺时针方向)上的全旋转的1/18)。每个线圈的侧壁上的对齐杆保证通过每个线圈的孔与该堆线圈中的剩余线圈中的全部中的相应孔对齐，从而形成两个通路阵列，这些通路从一端到另一端向下延伸分段磁芯的长度。一个通路阵列(称为外通路阵列)与外孔230阵列对应，并且第二个通路阵列(称为内通路阵列)与内孔232阵列对应。因为在该堆中的每个线圈相对于其相邻线圈旋转，所述电线插座238将沿该通路的长度在某些点阻塞每条通路。发生阻塞的线圈对于每条通路将是不同的。根据外通路阵列，因此容易显而易见，每个线圈206的电线插座238通过在十八条通路中是不同的并且与内通路阵列是类似的通路是可进入的。通过将具有电暴露端的绝缘电线向下经过通路，直到该电线的暴露端位于该通路的电线插座内，来电连接至电线插座238。因此，通过外通路电连接至每个线圈的一端，并且通过内通路电连接至每个线圈的另一端。

在线圈阵列组件的任意一端的垫片的形状与线圈的形状相似。即，每一个垫片是具有在其轴下面的孔的圆柱形，该孔具有等于磁芯的内径的直径。在电线将必须经过的端的所有垫片包括两个孔阵列，该两个孔阵列与线圈中的两个孔230和232阵列对应。每一个垫片还包括对齐特征，该对齐特征保证孔阵列将彼此对齐以形成电线可以穿过的通路。当然，在线圈阵列组件202的另一端的垫片不需要具有孔，因为没有电线穿过这些垫片。

有纵向设置的肋条或者突起(未图示)的阵列，这些肋条或者突起间隔设置在每一个垫片的外围。这些肋条或者突起分别与线圈侧壁222a和222b的周围的突起223a和223b对应，并且提供相似的功能。即，垫片上的肋条或者突起，如在线圈侧壁周围的突起，建立环形冷却剂流区域213，该环形冷却剂流区域213以垫片208的外围的一侧为边界，并且以碳纤维管210的内侧壁的另一侧为边界。

注意，在所描述的实施例中，如在图1的实施例中，有软磁材料磁芯，该磁芯沿由一系列线圈形成的区域的内部延伸。然而，与先前的实施例不同，该磁芯不是由从线圈阵列的一端到另一端的两个固体半份组成，而是由每个线圈中的单独的磁芯段组成。另外，每个线圈段与相邻磁芯段电隔离，并且电连接至其线圈中的线圈绕组。与先前所述的方法相比，该分段结构产生易于制作的优势。通过将线圈简单堆在一起，然后将电线向下插入对齐孔中以电连接至阵列中的单独线圈，而不是通过使每个线圈在固体连续磁芯上滑动，来形成磁芯。

回头参见图4和图5，碳纤维管210的每一端由形成冷却剂系统的部分的板覆盖。在输入端，有分流板250，冷却剂通过该分流板250引入沿碳纤维管210的内表面行进的环形区域213，并且冷却剂在经线圈阵列组件202的内部循环之后流出该分流板250。在管的另一端，有流重定向板270，该流重定向板270使冷却剂流从邻近碳纤维管210的内侧壁的外环形区域朝中央通路定向，该中央通路沿长度磁芯区域线下延伸，在该长度磁芯区域中，冷却剂流回另一端并且流出线圈阵列组件202。

参见图8A和图8B，分流板250具有圆柱形延伸部分269，该圆柱形延伸部分269适合到管210中，其中，通过多个O形环在延伸部分与管210的内侧壁之间形成密封，该多个O形环保持在围绕延伸部分269的相应槽257中。板250还具有法兰部分259，该法兰部分259与管210平接，并且限制可以将分流板150推进管210的程度。

参见图9，分流板270是圆柱形的，该圆柱形具有稍微小于管210的内径的直径，从而使得其完全在管210中滑动，其中，通过O形环在板270与管的内侧壁之间形成密封，该O形环保持在环绕流重定向板270的相应槽277。存在通过分流板250的中心的孔281以及通过流重定向板270的相应孔283。具有螺纹端的杆285从另一端向下穿过线圈阵列组件202的中心，该另一端具有分别延伸穿过两端板250和270中的孔281和283的螺纹带。杆285的螺纹端上的螺母将整个组件保持在一起，并且在两个端板250和270之间压紧这堆垫片。

在分流板270的与最后一个垫片对立的一侧，有六个扇形凸起岛290，该六个扇形凸起岛290形成六个径向设置的通道291。该六个通道291提供路径，经由围绕线圈阵列212的环形区域而到达的冷却剂可以通过该路径向下流到线圈阵列组件202内的中央通路，通过该线圈阵列组件202，冷却剂流回到分流板250。

分流板250具有冷却剂口251，冷却剂通过冷却剂口251流入线圈阵列组件202中，并且分流板250还具有通路252的圆形阵列，冷却剂在通过线圈阵列组件202而循环之后流出该通路252。分流板250进一步包括孔255和256的圆形阵列，电线通过该孔255和256穿过磁芯以连接至线圈。如能所见的，在每个圆形阵列中有十八个孔，一个孔对应于阵列中的一个线圈。

参见图8B，在分流板250的内部，口251向围绕延伸部分269的内侧边缘的环形区域257提供入口。该环形区域257与环形通道213对齐，该环形通道213形成在碳纤维管210的内部与这堆线圈206和垫片的外围之间(见图7)。在板250的内部，还有通道253的阵列，该通道在中心处从通路252径向向内延伸到中空区域258。中空区域258与向下延伸线圈阵列组件202的长度的磁芯区域对齐。通道258阵列为磁芯区域内的冷却剂提供通路，以使冷却剂流到通路258，从而离开线圈阵列组件202。

参见图7、图10A和图10B，有歧管280，该歧管280平接分流板250并且用于将进入的冷却剂连接至冷却剂口251(见图8A和图8B)并且将从通路252的阵列流出的冷却剂连接自外泵送/冷却系统(未图示)。歧管280包括与补给线221(见图4)连接的进气口282和与出口线223连接的输出口284。进气口282与分配板250中的冷却剂口251对齐并且与冷却剂口251连接。歧管280还包括内腔286，该内腔286与输出口284连接并且与通路252的阵列对齐。冷却剂通过进气口282从供给线221流入在线圈阵列组件202中的冷却剂口252。在通过阵列循环之后，通过流经通路252阵列进入腔286，流出输出口284并且流到出口线223，冷却剂离开线圈阵列组件202。

参见图7，歧管还包括其中适合具有三十六个销289的电线连接器接口287，两个销用于线圈阵列中线圈中的每个线圈。沿对齐通路230和232(见图6A)向下延伸并且连接至线圈的电线301连接至这些销289。在图7中，示出了电线301中的唯一一条以避免创建可见地混乱的图示。然而，应当理解，在完全组装装置中，将有一捆36条电线从分流板250出来并且连接在电线连接器接口287中的36个销。注意，电线连接器接口287在所有销的周围提供不透水密封，并且使用密封剂(例如，垫圈或者O形环)将其本身固定在歧管中，该密封剂保证歧管组件将是不透水的。

在250与280之间的区域中的电线301(图7)是柔韧的，连接在287/9内的销之间，并且将已经推动穿过通路230和232的刚性电线分开。在250与280之间，柔韧性对改变连接位置的直径是重要的。为了确保电线可以容易地推动穿过整个通道长度，通过230和232，刚性是重要的。在所述实施例中的互连由从刚性电线到柔性电线的压配连接实现，并且焊接从柔性电线到销的连接。

图11A-B示出了磁铁阵列组件204和磁铁环102的构造，图11A-B呈现了通过磁铁组件的磁铁环中的一个磁铁环的横截面。每个环由铝环形形式138组成，该铝环形形式138具有十二个径向向内定向的延伸部分139，该延伸部分139限定了环形形式138周围的十二个狭槽以容纳磁铁140。环形形式138围绕内圆柱形套管144。立方形永磁铁140位于每个狭槽内以在环形环138与内套管144之间的间隔中形成十二个磁铁140的阵列。在任何特定磁铁环中，所有磁铁具有朝向相同的圆柱坐标方向的其磁场，即，磁铁全部在相同径向上或者磁铁全部在相同纵向上。

一堆环形形式138使用其磁铁140装配到具有在定向于适当方向的六层中的磁铁的内套管144上，以实现与由海尔贝克阵列实现的这些结果相似的结果，即，增强一侧的磁场，同时减小在另一侧的磁场。具有磁铁阵列的六个环形形式的整个布置位于两个铝端板160之间，该两个铝端板160通过螺栓(为图示)依次保持在一起，该螺栓穿过环形形式138上的对齐延伸部分139中的孔162。在磁铁阵列组件的每一端，有安装在每个短板160上并且通过穿过孔162的螺栓(未图示)保持在合适的位置的轴衬170。由聚酯材料，例如，制成的轴衬170具有等于磁铁环102的外径的外径以及小于套管144的内径，但是稍微大于碳纤维管210的外径的内径(见图5)。因此，当磁铁阵列组件204装配在管210上时，轴衬170支持在管210上的磁铁阵列组件204，并且使得其响应应用于线圈的驱动信号来沿管来回滑动。

在所述实施例中，有线性位置传感器300(例如，线性电位器或者线性编码器)，外控制电路系统使用该线性位置传感器300来确定磁铁阵列组件204在操作期间的位置。位置信息使得控制器确定必须激活哪个线圈以将磁铁组件移动到下一个期望位置。同样，在线性致动器的相反端，有用于支撑致动器并且将其安装在另一个结果上的支撑框312和314(见图4)。

图12A-B示出了另一个实施例，其中，线圈阵列的线圈围绕磁铁阵列的磁铁环，并且在该磁铁环外。磁芯由环磁铁30阵列组成，任何阵列的高度由从该致动器的期望运动度决定。阵列中的环磁铁具有设置的其磁极，从而加强在阵列外的磁场，并且减小(取消)在磁芯内的磁场。由一堆相同的单独线圈32组成的线圈阵列组件围绕磁磁芯。以及由软磁材料组成的鞘34围绕线圈阵列。在这种情况下，响应于将适当的驱动电流施加到线圈，线圈阵列可以沿静态磁铁阵列来回移动。或者可替代地，线圈阵列可以保持静态，并且磁铁阵列可以来回移动。

图13A-B示出了一个实施例，其中，在两个磁阵列之间存在线圈阵列，其中，线圈阵列限制磁铁阵列中的一个磁铁整列，并且第二个磁铁阵列限制线圈阵列和第一个磁铁阵列。磁芯由第一环磁铁40阵列组成，任何阵列的高度由从该致动器的期望运动度决定。由一堆相同的单独线圈42组成的第一个线圈阵列组件围绕磁磁芯。并且第二个环磁铁44阵列围绕线圈阵列，任何一个阵列的高度等于第一个环磁铁阵列的高度。在两个阵列中的环磁铁按照与早先所述的修改海尔贝克阵列类似的布置设置。更具体地说，内阵列中的环磁铁具有设置的其磁极，从而加强在阵列外的磁场，并且减小在磁芯内的磁场。外阵列中的环磁铁具有设置的其磁极，从而加强在阵列内的磁场，并且减小在磁芯外的磁场。如在图2A-E的实施例的情况下，响应于将适当的驱动电流施加到线圈，线圈阵列可以沿静态力矩阵列来回移动。或者可替代地，线圈阵列可以保持静态，并且磁铁阵列可以来回移动。

借由洛伦兹力来驱动上述线性致动器运动，当将电流施加到由磁铁组件生成的磁通量的路径中的一个或者多个线圈时，生成该洛伦兹力。总之，按照洛伦兹定律，有助于沿磁铁组件的轴运动生成力的磁通量的矢量分量不但垂直于该轴运动，而且垂直于电流的流动方向。该电流由附接至线圈的电子驱动电路而生成。

为了有效地控制线性致动器的磁铁组件的位置，必须单独控制流向线性致动器内的每个线圈的电流，向符合更高磁通量密度的线圈发送更高电流，并且向符合更低磁通量密度的线圈发送更低电流。在极限情况下，通过只促动在符合最高磁通量密度的线圈阵列中的单个线圈或者多个线圈以生成每单位功耗最大的力，来获得特定线性致动器几何结构的最大效率。然而，存在同时促动多个线圈的其他现实原因。当磁铁组件的位置变化时，为了避免可能引起系统中的电损耗升高的驱动信号的快速变化，在逐渐增加至一个线圈的电流的同时逐渐减少应用到第二个线圈的电流是有用的。另外，为了保持驱动电子设备的操作电压的允许限度并且还保持在单线圈内的可允许热生成的允许限度内，对可以施加到单线圈的电压设置了上限。给定这些操作约束，虽然可以从理论上的最大值稍微减少操作效率，但是从线性致动器输出的更高总力可以通过将电流施加到在磁铁组件的磁通量路径内的多个线圈而获得。

参见图16，为了实现控制流动通过线性致动器中的线圈12组件中的每个线圈的电流，每个线圈12连接至独立组的测量电子设备和驱动电子设备(例如，驱动电路400)，该测量电子设备和驱动电子设备至少包括功率放大器和电流测量传感器。另外，电子设备可以包括至一个或者多个电压测量传感器和温度测量传感器的连接。每个功率放大器从恒定电源402接收输入，并且在调制信号输入存在的情况下，将调制功率输出应用到线圈，其中，调制信号输入控制调制功率输出的波形。调制信号输入不是数字信号，就是模拟信号，该数字信号或者模拟信号由控制算法控制，该控制算法在中央控制器404的微处理器中运行。

根据以下中的一个或者多个，控制算法确定每个线圈将接收的电流的大小：线性致动器的电流惯性参数、线性致动器的目标惯性参数、线圈中的电流、线圈两端的电压、线圈或者周边环境的维度、磁组件的质量以及线性致动器或者其周边环境的其他物理参数。线性致动器的惯性参数包括磁铁组件的位置、速度和加速度。线性致动器控制算法在计算电子设备上实施，该电子设备由测量电子设备测量并且向驱动电子设备发送信号。

多个位置可以用于确定计算电子设备的物理位置。在所述的实施例中，集中组的计算电子设备可以用于发送并且接收在每组驱动电子设备与每组测量电子设备之间的通信。可替代地，每组测量电子设备和控制电子设备可以连接至与一个或者多个其他组的计算电子设备通信的单独组的计算电子设备。或者，中央组的计算电子设备可以与一个或者多个其他组的计算电子设备，一个或者多个其他组的计算电子设备中的每组计算电子设备连接至一组测量电子设备和控制设备。以这种方式，控制算法可以在集中控制架构中实施，也可以在分布式控制架构中实施。进一步地，计算电子设备之间的通信可以由许多可能机构中的一个或者多个执行，该可能机构包括直接电互连接、光纤互连接或者无线连接。

现参见图14，由组装磁芯段10形成的中空磁芯区域还为线圈提供用于保持独立驱动电路的间隔，从而可以使每个驱动电流位于其驱动的线圈附近或者位于该线圈内。图14示出了部分组装的线圈206阵列，该部分组装的线圈206阵列包括在中空磁芯区域11内的电路板48上的驱动电路46，并且接近其驱动的线圈。已经移除了磁芯段10中的一个磁芯段以示出了夹在两个段之间的电路板。对于每个驱动器电路而言，电路板48包括金属形式的两个触点50，相邻线圈的两条电线在插入时会被焊接。用于操作驱动电路并且将期望电流波形施加到各自线圈的控制总线52沿电路板48的长度行进。每个驱动电路46连接至该控制总线；而控制总线52连接至在致动器外的控制器(为图示)。当然，还可以在电路之间部分或者完全分配控制功能，该电路在电路板上并且位于独立线圈的附近。在该实施例中，磁芯段10由导电材料制成，并且用作的电源总线以及电连接至该总线的线圈。

将驱动电路46放置在线圈堆内的可替代的方法是制造在线圈206的侧壁222B上的电路系统，如图6B所示。事实上，每个线圈可以具有在其侧壁中的一个(或者两个)侧壁上的驱动电路系统，并且该驱动电路系统然后可以连接至电源总线和向下行进穿过中压磁芯(例如，经由在中心的PCB或者电线)的控制总线。

在图15中所示的实施例中，磁芯由彼此电隔离的六个导电段120组成。该导电段形成3相电总线以向线圈提供AC电源。驱动电路系统(未图示)位于致动器外，并且，经由与线圈电连接的六个段，向线圈发送驱动信号。每对总线段连接至与线圈阵列中的每三个元件对应的一组线圈。例如，一对段连接至第一线圈、第四线圈、第七线圈等。第二对段连接至第二线圈、第五线圈、第八线圈等。

在上述实施例中，暗示了更小阵列，例如，在图1的情况下的磁铁阵列，或者在图13的情况下的线圈阵列是移动元件。然而，这里并不需要这种情况。该相反的情况可能是真的，即，更小阵列可以保持固定，并且较大阵列响应于驱动电流而移动。或者，根据使用的链接，均可以相对于其上安装有致动器的组件而移动。

虽然本文所述的装置是所有线性管状致动器，但是可以轻易将原理应用于不是线性的并且不是圆柱形的装置。例如，线圈阵列可以沿曲线路径布置，该曲线路径可以是圆的弧或者整个圆周。在这种情况下，可能形成控制旋转轴的运动的旋转发动机的部分，致动器连接至该旋转轴。总之，线圈阵列跟随的曲线路径不需要是线性的或者圆形的，并且可以有跟多的复杂形状。

另外，线圈的横截面不需要如上所述的是圆形的。该线圈可以具有其他横截面形状，诸如，矩形、椭圆形或者长方形，这只是举几个来说。同样，磁铁无需必须环绕线圈组件。在没有磁铁位于其他两个相对侧的情况下，该磁铁可以位于线圈阵列的矩形横截面的相对侧或者，磁铁可以在线圈阵列的唯一一侧，尽管这种布置不是非常有效。

其他实施例在以下权利要求书的范围内。例如，输出歧管可以位于远离输入歧管的管的相对端。在这种情况下，冷却剂会从管的一端流入，而从另一端流出。

Claims (27)

1.一种电磁致动器，包括：

磁芯，所述磁芯具有纵轴，所述磁芯包括相对于空气具有高磁导率的材料；

线圈阵列，所述线圈顺序设置在所述磁芯上，所述线圈阵列中的每个线圈缠绕所述磁芯的所述纵轴；以及

磁铁组件，所述磁铁组件沿所述线圈阵列活动安装，所述磁铁组件具有面向所述线圈阵列的线圈侧以及背对所述线圈阵列的相对侧，并且所述磁铁组件包括永磁铁阵列，所述永磁铁在平行于所述纵轴的方向上沿所述线圈阵列顺序设置，每个永磁铁由特定方向的磁场表征，以及其中，多个磁铁的磁场被选择和设置以增大在所述磁铁组件的所述线圈侧产生的所述磁场，并且减小在所述磁铁组件的所述相对侧产生的所述磁场。

2.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述线圈阵列是线性线圈阵列。

3.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述永磁铁阵列形成唯一一个磁电路。

4.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述永磁铁阵列形成两个磁电路。

5.根据权利要求4所述的电磁致动器，其中，所述两个磁电路是彼此的镜像。

6.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁铁组件包括多个永磁铁阵列，所述首次提到的永磁铁阵列是所述多个永磁铁阵列中的一个永磁铁阵列，所述多个永磁铁阵列设置在所述线圈阵列的周围以形成多个磁环，每个所述磁环围绕所述线圈阵列。

7.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述永磁铁阵列是永久环磁铁阵列，每个永久环磁铁环绕所述线圈阵列。

8.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯沿所述纵轴分段。

9.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述线圈阵列中的所述线圈中的每个线圈是单独可控的。

10.根据权利要求1所述的电磁致动器，还包括围绕所述线圈阵列的套管，其中，所述磁铁组件布设在所述套管上。

11.根据权利要求10所述的电磁致动器，其中，所述套管是圆柱形的。

12.根据权利要求10所述的电磁致动器，其中，所述套管具有内侧壁，所述内侧壁与所述线圈阵列间隔开以形成冷却剂流通道，所述冷却剂流通道围绕所述线圈阵列并且延伸所述线圈阵列的长度。

13.根据权利要求12所述的电磁致动器，其中，围绕所述线圈阵列并且延伸所述线圈阵列的长度的所述通道一般是圆环形通道。

14.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述线圈阵列中的所述线圈全部具有沿所述纵轴的宽度D，并且线性永磁体阵列中的所述磁铁也全部具有沿所述纵轴的等于D的宽度。

15.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述线圈阵列中的所述线圈全部具有沿所述纵轴的宽度D，并且线性永磁体阵列中的所述磁铁全部具有沿所述纵轴的等于1.5D的宽度。

16.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯包括铁和/或钢。

17.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，在所述线圈阵列中的所述线圈是圆柱形的。

18.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯是圆柱形的，具有在所述磁芯内的中空区域从所述线圈阵列的至少一端延伸到所述线圈阵列的至少另一端。

19.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁铁阵列包括三个磁铁，按照三个磁铁的所述磁场的所述方向的顺序，所述三个磁铁被选择和设置以产生+T、+L、-T，

其中，+T指示为横向于所述纵轴定向的磁场，

其中，-T指示为横向于所述纵轴定向并且在与+T相反的方向上的磁场，以及

其中，+L指示为平行于所述纵轴定向的磁场。

20.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁铁阵列包括六个磁铁，按照三个磁铁的所述磁场的所述方向的顺序，所述六个磁铁被选择和设置以产生+T、+L、-T、-T、-L、+T，

其中，+T指示为横向于所述纵轴定向的磁场，

其中，-T指示为横向于所述纵轴定向并且在与+T相反的方向上的磁场，

其中，+L指示为平行于所述纵轴定向的磁场，以及

其中，-L指示为平行于所述纵轴定向并且在与+L相反的方向上的磁场。

21.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯限定中空内部区域，所述中空内部区域延伸所述磁芯的所述长度，并且，在操作期间，通过所述中空内部区域来泵送液体冷却剂。

22.根据权利要求21所述的电磁致动器，还包括在所述套管的一端的歧管，所述歧管具有冷却剂入口，并且提供路径以将通过所述入口到达的冷却剂转移至所述线圈组件中。

23.根据权利要求22所述的电磁致动器，其中，所述歧管还具有冷却剂出口，并且提供另一条路径，用于在所述冷却剂已通过所述线圈组件而循环之后，将冷却剂从所述线圈组件转移出所述出口。

24.根据权利要求22所述的电磁致动器，还包括在所述歧管与所述套管之间的分流板，所述分流板限定一个或者多个通道，用于将冷却剂从所述歧管转移至围绕所述线圈阵列的所述环形流通道。

25.根据权利要求22所述的电磁致动器，还包括在起自所述歧管的所述套管的另一端的流重定向板，所述流重定向板限定一个或者多个通道，用于在所述磁芯区域与所述环形流通道之间转移冷却剂。

26.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯包括一个或者多个通路，所述一个或者多个通路用于保持电连接至所述线圈阵列中的所述线圈的电线。

27.根据权利要求1所述的电磁致动器，其中，所述磁芯包括两个段，每个段向下延伸所述线圈阵列的所述长度，所述两个段用作向所述线圈阵列中的所述线圈输送电力的导线。