CN106165271B - 包括两个独立移动构件的线性电磁致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线性电磁致动器，其包括由围绕对称轴线(15)布置的至少一个电线圈(2)激励的定子(1)和轴向地位于线圈(2)两侧的两个铁磁定子极(13、14)，以及至少两个独立的移动构件(7)，所述移动构件(7)中的每一个是由铁磁材料构成的。其特征在于，所述线性电磁致动器包括布置在线圈(2)内部的至少三个磁极(4、5)，第一磁极(4)位于与将两个移动构件(7)分开且包含线圈(2)的轴线(15)的中面相邻的位置处，而第二磁极和第三磁极(5)被侧向地布置在所述移动构件(7)两侧的、在所述移动构件(7)与线圈(2)之间的位置处。
Description
技术领域
本发明涉及具有在机械上独立且线性移动的多个移动构件的电磁致动器的领域。
背景技术
现有技术中已知美国专利US6098288，其涉及一种电剃刀，该电剃刀包括使移动元件来回运动的线性电磁致动器和至少一个第一片状元件和第二片状元件，该第一片状元件和第二片状元件相互作用以切割毛发。这些移动元件是磁化的。
还已知欧洲专利申请EP2320543，其描述了一种包括永磁体组、定子和单相线圈的致动器，永磁体组在与移动装置的运动方向相垂直的方向上被磁化以使得具有不同极性的磁极沿着运动方向在磁体的磁极表面上交替，定子包括布置在一排永磁体两侧的第一磁极和第二磁极，这排永磁体沿垂直方向且每个永磁体都包括与磁极表面相对的磁极，单相线圈激励构成第一组磁极部和第二组磁极部的磁极部分。
国际申请WO 2000063556描述了一种具有摆动活塞的控制构件，其特别用于具有摆动活塞的真空泵，并且包括其中容纳汽缸(3)的壳体(2)、能够在所述汽缸中进行往复运动的活塞(4)以及电磁控制构件，该电磁控制构件用于活塞(4)且包括定子侧的电磁体(11)和活塞侧的至少一个永磁体(18、19)。为了改善这种具有摆动活塞的控制构件的使用寿命，将永磁体(15、16)放置在定子侧，并且将定子的一个或多个永磁体(18、19)设计和放置成使得活塞(4)在静止状态下占据基本上位于中央的轴向位置。
美国申请US2013/193780描述了一种具有固定部分和第一移动部分的致动器，该固定部分包括定子极，线圈被固定到该定子极，该第一移动部分包括在从内向外的方向上被磁化且被布置成沿固定部分的轴向方向覆盖一个端部的外周表面的第一磁体，该第一磁体被弹性地安装在定子极上并且沿轴向方向移动。第二移动部分包括在从内向外的方向上被磁化且被布置成沿固定部分的轴向方向覆盖另一端部的外周表面的第二磁体，该第二磁体被弹性地安装在定子极上并且沿轴向方向移动。当电流在线圈中流通时，第一移动部分和第二移动部分沿相反方向移动。
线圈的轴是沿水平方向安装的。
现有技术缺陷
现有技术中的各个解决方案具有不同的缺陷。所提出的结构大部分在机械上和/或在磁性上不平衡，这会造成振动和声污染。
另外，移动构件在现有技术解决方案中关联于磁体，这会增加质量和惯性且因而使这种致动器的性能降级。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种致动器，其能够实现两个独立的运动并且能够解决寻求调整上述装置的本领域技术人员所面临的问题。
特别地，本发明的主要目的是提出这样一种致动器，其能够通过在结构内有利地布置永磁体来平衡施加于移动构件的横向力。通过这样做，存在于上述现有技术的致动器中的悬臂效应(porte-a-faux)被大大减小甚至被补偿。致动器因而可以被调节成最合适的大小以符合给定的招标细则(例如实现给定的轴向应力以抵抗负载)。
本发明的另一目的是实现这样一种致动器，其给出了利用以双极方式供电的单个控制电线圈或利用以单极方式控制的两个嵌套的或同心的线圈来产生移动构件的反向移动的可能性。这一实现使得能够设想一种特别是在相对于移动的横向方向上紧凑的致动器，
本发明的另一目的是使得能够实现一种摆动致动器或单稳态致动器或双稳态致动器，也就是说对于两个独立(术语“独立”是指在两个移动构件之间不存在机械连接)的移动构件而言，分别具有任意无电流稳定位置，或者在行程端部上的一个或两个无电流稳定位置。
具体地，本发明涉及一种线性电磁致动器，其包括由围绕对称轴布置的至少一个电线圈激励的定子和轴向地位于线圈两侧的两个铁磁定子极，以及至少两个独立的移动构件，每个移动构件由铁磁材料构成，其特征在于，其包括布置在线圈内部的至少三个磁极，分别是与将两个移动构件分开且包含线圈的轴线的中面相邻的第一磁极，以及侧向地布置在移动构件两侧且位于移动构件与线圈之间的第二磁极和第三磁极。
“磁极”是指在没有电流的情况下具有永久磁化的磁极。
另外，移动构件只由软磁材料构成并且与相对于移动构件而固定的磁极不同。
移动构件和磁极是不同的元件，磁体是固定且静止的。
优选地，移动构件是沿相同的走向但相反的方向移动的。
为此，第一磁极、第二磁极和第三磁极沿与线圈轴线垂直的横向方向被磁化，并且第二磁极和第三磁极在与第一磁极的磁化方向相反的相同方向上被磁化。
第二磁极和第三磁极可以彼此联结或者与不同的部分联结。
在一个特定的实施方式中，第二磁极和第三磁极是由完全磁化的单个环状物构成的。
在一个特定的实施方式中，两个定子极具有以极尖形式的轴向指向的外延部以在行程开始时便利力的调用。
致动器可以具有两个独立的同轴电线圈，其还可以是嵌套的以便能够针对每个线圈使用单极电源。同样地，电线圈可以具有轴对称旋转的几何形状以易于实现且优化其形状因素。
在另一个特定实施方式中，电线圈由具有永磁体特性的主体承载，并且第二磁极和第三磁极至少部分上由所述磁性主体构成。
可以有利地使用指示至少一个移动构件的位置的位置传感器，其被置于邻近移动构件的槽中。
为了优化与待移动的外部构件的机械接口，有利地用移动构件所附加的输出轴来延长移动构件。也可以根据出口处的机械要求，针对输出轴和移动构件而使用不同的材料。
最后，本发明的以及对于输出轴的使用的优点之一是可以获得与输出轴轴距不同的移动构件轴距。
附图说明
参考附图，通过阅读以下对实施示例的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：
-图1：其示出了第一实施方式，其中，在没有线圈电流的情况下布置磁体、线圈和移动构件以及致动器的标记为(a)、(b)、(c)和(d)的四个稳定位置，以及每个磁体的主磁通量路径和所施加的力的方向；
-图2：其示出了在存在电流的情况下的第一实施方式中的两个稳定位置；
-图3：其示出了第二实施方式，其中，致动器具有三个平行六面体磁体和一个矩形线圈；
-图4：其示出了第三实施方式，其中，致动器具有瓦片形状的侧向磁体和一个轴对称线圈；
-图5：其示出了第四实施方式，其中，圆柱形线圈具有用双极环状磁体代替两个侧向磁体的致动器；
-图6：其示出了第五实施方式，其中，致动器的三个磁体借助于两个径向磁化的圆柱形磁体而被重构；
-图7：其示出了第六实施方式，其中，致动器的线圈体是用可磁化材料制成的；
-图8：其示出了根据一个替选实施方式的、具有极化齿的定子的侧视图；
-图9：其示出了根据第二替选实施方式的极化齿和具有锥形端部的移动构件；
-图10：其示出了根据替选实施方式的非磁性垫块；
-图11：其示出了允许在没有致动器电流的情况下力不对称的一个实施方式；
-图12：其示出了根据一个实施方式的、具有双重反向输出的振动致动器；
-图13：其示出了整合了能够确定移动构件位置的传感器的实施方式；
-图14：其示出了其中除了平行六面体磁体之外还具有附加磁体的实施方式；
-图15：其示出了两个替选实施方式，其中，定子具有被置于磁体与定子之间的空间中的极化齿；
-图16：其示出了一个替选实施方式，其中，中心磁极由位于能够引导磁通量的铁磁构件两侧的两个磁体构成；
-图17：其示出了一个替选实施方式，其中，中心磁体包括极化部件。
具体实施方式
图1和图2示意性地展示了根据本发明的第一实施方式的致动器的结构的横向剖面图。一组铁磁构件形成了定子铁磁轭(1)，其包括围绕对称轴线(15)缠绕的电线圈(2)。在该线圈内部放置有两个彼此独立的(软)铁磁移动构件(7)和三个永磁体。第一磁极(4)位于将两个移动构件(7)和位于移动构件(7)两侧的另外两个磁极(4)分隔开的中面上。磁极(4、5)的磁化与线圈(2)的轴正交，并且中心磁极(4)的磁化方向(22)与侧磁体的磁化方向(23)相反。在线圈(2)两侧轴向地布置有用软铁磁材料制成的两个定子极(13、14)。每个定子极(13、14)参与到在图1(a)至1(d)上限定的不同磁路中，以帮助磁通量围绕线圈(2)循环。在图1和2所示的示例中，定子极(13、14)呈现为直线极的形式，但是它们可以如图9所示呈现为极尖的形式。
图1以四个稳定位置示出了致动器在没有电流的情况下的表现，情况(a)和(b)展示了处于两个相对侧上的稳定位置中的移动构件(7)，而情况(c)和(d)示出了处于同一侧上分别在上方和下方的稳定位置中的移动构件(7)。应当指出，在图1(c)和图1(d)中所展示的位置中，在一个移动构件中的中心磁体的磁通量(20)和相应侧磁体的磁通量(21)具有与另一移动构件(7)中的磁通量相反的方向。在图1(a)和图1(b)中，中心磁体的磁通量(20)和相应侧磁体的磁通量(21)在两个移动构件(7)上具有相同的方向。在任何情况下，与线圈(2)的轴垂直的力(30)趋于相互补偿，以限制移动构件(7)所经受的悬臂效应(porte-a-faux)。由致动器产生的有用的力(31)因而主要沿每个移动构件(7)的移动轴而定向。
图2示出了致动器在存在电流情况下的表现。在此情况下，电线圈(2)产生磁场，该磁场指定了磁通量的方向(25)。移动构件(7)被定位成使得中心磁体的磁通量(20)和侧磁体的磁通量(21)在移动构件(7)中具有与电流产生的磁通量(25)相同的方向。
为此，根据本发明的致动器可以具有两种不同的工作方式：
·在没有外力且由交流电供电的情况下，移动构件(7)在图2(a)的位置与图2(b)的位置之间、以交错的反向运动摆动，每个移动构件(7)与定子极(13)或定子极(14)交替接触；
·在存在能将致动器置于图1(c)或图1(d)的位置中的外力的情况下，一旦通过移动单个移动构件(7)而实现了供电，致动器就可以根据对线圈(2)供电的电流(24)方向而朝向图2(a)的位置或者图2(b)的位置演变。
图3示出了一种制造简单的实施方式。线圈体(3)具有用于放置磁极(5)和磁极(4)的3个凹口以及用于移动构件(7)的2个通道。定子(1)的上盖是用折叠板材制成的，而磁极(4)和磁极(5)是沿其厚度被磁化的平行六面体。然而，中心磁体的磁化方向(22)与其他两个磁体的磁化方向(23)相反。
在图3的这个实施示例中，向致动器外的运动输出不是通过移动构件(7)实现的，而是经由可选地通过螺钉固定、攻丝、黏合或能够联结两个构件的任何其他已知方法而与移动构件(7)联结的输出轴(8)来实现的。例如，也可以设想球窝节型的接触来允许输出轴(8)转动而不会有移动构件(7)的转动，并且因此允许忍受本会施加于输出轴的外部力矩而不会损害移动构件(7)。输出轴(8)优选地是非磁性的或者是弱磁性的(几个单位的相对导磁率)以避免有损于致动器所产生的力的磁泄漏。
图4示出了具有线圈(2)的致动器的一个实施方式，其中，线圈(2)是优化的，这是因为其呈现为更有利的圆形以通过更小的平均圈长度来减小固有阻抗。这一实现要求使用瓦片形的磁极(5)。其磁化(23)可以是沿直径方向的或径向的。
图5示出了具有圆柱形线圈(2)的致动器的一个实施方式，其使得能够获得更小的固有阻抗。该实施方式还使得能够更容易地设想使用两个重叠的或嵌套的(双线缠绕)同轴电线圈。使用两个线圈还使得能够与双极电源相反地使用两个单极电源，而在使用单个线圈的情况下应当使用双极电源。这一实现使用双极环状磁体(5)来代替2个侧磁体。本发明的第二磁极和第三磁极(5)实际上被看作磁化部分，其根据所选的实施方式可以是联结的或分开的。外部磁体的磁化(23)可以是径向的或沿直径方向的。
图6示出了一个特定实施方式，其中，使用2个径向磁化(23)的环状磁体(5)，一个朝向内部而另一个朝向外部。通过连结这两个磁体，可以获得与具有3个平坦磁体的致动器的一般情形相同类型的磁化。该解决方案使得能够使用圆柱形移动构件(7)并且使得致动器对移动构件的转动不敏感。在图6的示例中，使用非磁性垫块(9)来保持磁体。
图14示出了一个特定实施方式，其中，基于利用用于中心磁极(4)和侧磁极(5)的平行六面体磁体且添加四个附加磁极(32)的实施方式，在使移动部分中的磁通量最大化的同时确保了简单的磁体形状。
图7示出了具有用可磁化材料制成的线圈体的致动器，该线圈体用于代替侧磁体(5)。该致动器在其中心包含用于磁极(4)的容器，磁极(4)应当通过使用垫块(9)而在高度方向上定位。在其最简单的版本中，该磁体可以通过喷射制成(塑料粘合磁体)并且被一次性磁化。
图8和图15示出了具有极尖(6)的定子(1)的实现，极尖用于加强运动方向上的稳定位置的输出力。
在图8的示例中，极尖(6)与定子(1)联结并且位于移动构件(7)之下。当与其相对的移动构件(7)位于高处时，极尖(6)附近由于有利的可变磁阻效应而产生调用力，从而最终允许即使在临界情况(临界温度、不常见的摩擦)下也允许移动。
在图15的示例中，使用被置于磁体(4)和(5)与定子(1)之间的空间中的定子极尖(6)，这使得移动构件(7)具有简单的形状。图15(a)和图15(b)示出了被置于致动器的一侧的极尖(14)的情况，其使得获得运动方向上的调用力。图15(c)和图15(d)示出了被置于定子(1)的每一侧以获得两个运动方向上的调用力的极尖(14)的情况。
图9示出了具有极尖(6)的定子(1)的实现，极尖(6)被实现在定子(1)上的移动构件(7)两侧的位置。移动构件(7)呈现为与定子(7)的形状互补的圆锥形，使得能够增加所产生的机械应力。基于图6所示的实现的致动器的优点在于具有上述极尖。
图16示出了通过叠置两个磁体(4)和一个铁磁构件(33)以允许磁通量通过的中心磁极的实现。这个结构使得能够在致动器的轴距相当大的情况下减小中心磁体的大小并且减小移动构件(7)的质量。
图17示出了与图16相似的实现，其具有单个中心磁极(4)和两个位于两侧的铁磁极化构件(33)。这个结构的目的是减少运动质量并且围绕输出轴(8)平衡移动构件(7)的质量。
图10示出了具有可能比所寻求的有用行程更大的行程的致动器的实现。实际上，非磁性垫块(9)的存在使得能够将可能的行程减小至有用行程而无需修改致动器。根据本发明的致动器可以根据其尺寸而具有在移动构件(7)与定子(1)之间的相当大的保持力(称为胶合力)，以限制在弱电力的情况下离开该位置的可能性。使用垫块因而使得能够在移动构件(7)离开稳定位置(称为“去胶合”)时调整所寻求的胶合力并且增加力的等级。图10右侧的移动构件(7)通过抵靠在非磁性垫块(9)上而处于胶合位置。
图10的这一实现还使得能够受益于具有附加在移动构件(7)上的输出轴(8)。除了关于图3所描述的效果之外，这些输出轴还使得能够产生两个出口，该出口的轴距ES与致动器内部的移动构件(7)的轴距EO不同。在图10的示例中，输出轴(8)的轴距ES因而大于移动构件(7)的轴距EO。这些输出轴(8)是被附加上的这一事实，还使得不同的变型的实现十分灵活，这些不同变型的区别在于不同的轴距ES和不同的输出轴(8)的直径。
图11示出了一个实现，其允许通过调整侧磁极(5)相对于彼此且相对于定子(1)的位置，针对每个移动构件而获得没有电流的情况下的不同的力。图11所示的情形使得能够在一个给定移动构件(7)的其中一侧获得比另一侧更大的胶合力，该给定移动构件的方向与正在靠近的或远离末端位置处的磁体的另一移动构件(7)的方向相反。能够针对2个移动构件(7)而增加致动器一侧的力的实现，可以通过改变内部磁极(4)的位置来执行。
图12示出了一个实现，其中，移动构件(7)借由弹簧(10)被悬挂。这使得能够根据弹簧(10)的所选硬度而获得两种致动器。在硬度很大并且在有电流的情况下的致动器的力不允许保持定子(1)极上的胶合的情况下，获得具有简单的双重相反出口的振动致动器。在硬度不足以阻止定子(1)极上的胶合的情况下，将获得针对每个移动构件(7)具有3个稳定状态的致动器：2个稳定状态具有在行程两侧的磁性胶合，1个稳定状态借由弹簧(10)的弹力而处于中心位置处。
图13示出了整合了位置传感器(11)的一个实现，该传感器使得能够确定每个移动构件(7)的位置，并且在被施加压力时就开始确定位置。在该实施方式中，传感器(11)是以两个磁敏探测器的形式，这两个探测器位于致动器上部，接近开放槽(12)中的移动构件(7)，该槽在这里是侧向的，并且是在线圈体(3)与移动构件(7)之间产生的。这些磁敏探测器可以是数字型的，也就是说区分移动构件(7)的高位或低位的“全有或全无”型的，或者是模拟型的，也就是说在其全部行程上确定移动构件(7)的位置。
在图13的示例中，使用两个能够区分每个移动构件(7)的位置的磁敏探测器。可以设想只使用一个磁敏探测器来只探测一个移动构件(7)。同样地，在图13的示例中，两个探测器是不同且独立的元件。可以设想使用存在于一个共用箱体中的磁敏探测器，或者使用具有多个独立的灵敏轴的单个探测器。
Claims (16)
1.一种线性电磁致动器，其包括由围绕对称轴线(15)布置的至少一个电线圈(2)激励的定子(1)和轴向地位于所述电线圈(2)的两侧的两个铁磁定子极(13、14)，以及至少两个独立的移动构件(7)，所述移动构件(7)中的每一个是用铁磁材料构成的，其特征在于，其包括被布置在所述电线圈(2)内部的至少三个磁极，第一磁极(4)位于将所述移动构件(7)分开且过所述电线圈(2)的轴线(15)的中面附近，而第二磁极和第三磁极(5)被侧向地布置在所述移动构件(7)两侧，在所述移动构件(7)与所述电线圈(2)之间。
2.根据权利要求1所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述移动构件(7)是沿相同的走向但相反的方向移动的。
3.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述第一磁极(4)、所述第二磁极和所述第三磁极(5)是沿着与所述电线圈(2)的轴正交的横向方向被磁化的。
4.根据权利要求3所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述第二磁极和所述第三磁极(5)在与所述第一磁极(4)的磁化方向相反的相同方向上被磁化。
5.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述第二磁极和所述第三磁极(5)是相联结的。
6.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述两个铁磁定子极具有极尖形式的、轴向指向的外延部。
7.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，其包括两个独立的同轴电线圈(2)。
8.根据权利要求7所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述两个独立的同轴电线圈(2)是嵌套的。
9.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述电线圈(2)是由具有永磁体特性的主体所承载的，并且其特征在于，所述第二磁极和所述第三磁极(5)至少部分地由所述主体构成。
10.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述电线圈(2)具有轴对称旋转的几何形状。
11.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述第二磁极和所述第三磁极(5)是由单个沿直径磁化的环状物构成的。
12.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，其包括指示所述移动构件(7)中的至少一个移动构件的位置的位置传感器。
13.根据权利要求12所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述位置传感器被置于与所述移动构件(7)邻近的槽(12)中。
14.根据权利要求1或2所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述移动构件(7)通过附在所述移动构件(7)上的输出轴(8)而延长。
15.根据权利要求14所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述移动构件(7)和所述输出轴(8)是用不同的材料制成的。
16.根据权利要求14所述的线性电磁致动器，其特征在于，所述移动构件(7)的轴距与所述输出轴(8)的轴距是不同的。
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