CN106300863A - 混合励磁式低耗直线执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁式低耗直线执行器，包括机械部分的同轴回转体壳体、端盖、线圈骨架、线圈、第一永磁环、第二永磁环、导磁环、动铁，和H型功率驱动模块。端盖与壳体形成圆柱型腔体，两者间依次设置第一永磁环、导磁环和第二永磁环，此三者将腔体分为内外两部分；内部腔体中设置可轴向运动的动铁，外部腔体中设置与腔体形状相同的线圈骨架；线圈绕于线圈骨架上，并与H型功率驱动模块的输出端相连；动铁在非中位时受到极化磁场对其作用的指向偏向端的轴向力，所以执行器不需要端部保持电流从而减小运行功耗。本发明可广泛用于要求执行器体积和质量较小、驱动力和行程较大，并具有较高精度，但经济性较好的双向直接驱动或运动控制场合。

Description

混合励磁式低耗直线执行器

技术领域

本发明属于一种电-磁-机械转换设备，特别是一种混合励磁式低耗直线执行器。

背景技术

电磁直线执行器是一种将电能、磁能直接转换成往复直线运动形式的机械能而不需通过中间任何转换装置的元件，它具有系统结构简单、噪声低、组合性强、维护方便等优点。工业自动化、流体传动、车辆电控系统等相关技术领域及产业的迅速发展不仅扩大了直线运动控制的应用范围，而且对直线运动控制提出了越来越高的精度和动态响应等要求。电磁直线执行器的应用日趋广泛，但是具有较高精度和高动态响应性能的电磁直线执行器价格昂贵，于是对满足相关应用要求的经济性较好的电磁直线执行器的需求也日益增强。

专利号为200710067212.1的《低功耗耐高压双向线性马达》中有效解决了传统比例阀、伺服阀阀芯驱动装置控制电流较大以至功耗较大的问题，但是由于该发明为了在取得较低功耗的同时克服输出位移-力特性的非线性，导致其工作行程较小，输出力较小；另外，其结构较为复杂、导磁套以及隔磁环的加工工艺要求较高，进而影响了其经济性和应用的广泛性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合励磁式低耗直线执行器，克服了工作行程小、工作气隙较大、输出力小、结构复杂、价格昂贵、工作消耗高等问题。

本发明的目的的技术解决方案为：一种混合励磁式低耗直线执行器，包括端盖、壳体、线圈骨架、线圈、第一永磁环和第二永磁环、导磁环、动铁和H型功率驱动模块；端盖、壳体、线圈骨架、线圈、第一永磁环、第二永磁环、导磁环和动铁均为同轴回转体。线圈骨架、线圈、第一永磁环、第二永磁环、导磁环和动铁均设置在壳体内，壳体无盖，端盖设置在壳体的无盖端，其外壁与壳体过渡配合，端盖与壳体之间依次设置第一永磁环、导磁环和第二永磁环，第一永磁环、导磁环和第二永磁环的外壁与壳体以及端盖之间形成的第一空腔内设有线圈骨架，线圈缠绕在线圈骨架上，并与H型功率驱动模块的输出端连接；第一永磁环、导磁环和第二永磁环的内壁与壳体以及端盖之间形成的第二空腔内设有动铁，动铁在第二空腔内沿轴向运动。

所述第一永磁环和第二永磁环磁极方向沿轴向相反。

所述端盖、壳体、导磁环和动铁均为软磁材料。

所述端盖、壳体、导磁环、动铁、第一永磁环和第二永磁环在永磁体极化磁场的作用下紧密贴合。

所述H型功率驱动模块在控制信号下产生正反向控制电流，并施加到线圈中以控制动铁的运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）可作为各类自动控制系统中的执行元件，实现高速、较高精度的直线直接驱动与运动控制；在要求直线执行器体积和质量较小、输出位移和驱动力较大，精度较高。

（2）动铁在行程非中心位置时，永磁环极化磁场在动铁上产生指向偏离端的磁力，所以不需端部要保持电流，可以有效降低执行器的功耗。

（3）利用永磁环产生的极化磁场，增大输出力，有效降低了电-机械转换机构的功耗。应用永磁环数量少且都为轴向充磁，装配难度大大降低，有效降低加工、装配过程消耗。

（4）设计柔性化：针对不同应用目标，设计、优化结构参数可以获得不同的静态力特性；进一步选择不同类型控制硬件，优化电流控制策略，适应性强，应用范围广泛。

（5）结构简单可靠，便于加工、装配和维护。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明混合励磁式低耗直线执行器示意图。

图2是基于本发明混合励磁式低耗直线执行器的三稳态执行器样机二维图。

图3是基于本发明混合励磁式低耗直线执行器的三位四通电液阀三维图。

图4是本发明混合励磁式低耗直线执行器的可实现力特性示意图，其中图（a）存在严重非线性；图（b）具有较好的线性度。

具体实施方式

结合图1，一种混合励磁式低耗直线执行器，包括端盖1、壳体8、线圈骨架4、线圈5、第一永磁环3和第二永磁环7、导磁环6、动铁2和H型功率驱动模块9，端盖1、壳体8、线圈骨架4、线圈5、第一永磁环3、第二永磁环7、导磁环6和动铁2为同轴回转体，线圈骨架4、线圈5、第一永磁环3、第二永磁环7、导磁环6和动铁2均设置在壳体8内，壳体8无盖，端盖1设置在壳体8的无盖端，其外壁与壳体8过渡配合，端盖1、第一永磁环3、导磁环6、第二永磁环7和壳体8在第一永磁环3和第二永磁环7磁力作用下紧紧贴合在一起。端盖1与壳体8之间依次设置第一永磁环3、导磁环6和第二永磁环7，第一永磁环3、导磁环6和第二永磁环7的外壁与壳体8以及端盖1之间形成的第一空腔内设有线圈骨架4，线圈骨架4尺寸与所述第一空腔相同，线圈5缠绕在线圈骨架4上。动铁2位于壳体8与端盖1之间，第一永磁环3、导磁环6和第二永磁环7的内壁与壳体8以及端盖1之间形成的第二空腔内设有动铁2，动铁2在第二空腔内沿轴向运动，其轴向运动的距离，即为执行器的工作行程。H型功率驱动模块9与线圈5连接，H型功率驱动模块9提供可控的正反向驱动电流。

第一永磁环3和第二永磁环7磁极方向沿轴向相反。端盖1、壳体8、导磁环6和动铁2均为软磁材料。线圈5的控制电流由H型功率驱动模块9提供；在控制电流的作用下，感应磁场与永磁场作用的合磁场在端盖 1、壳体8、第一永磁环3、第二永磁环7、导磁环6和动铁2上形成磁通回路。根据磁通路中最小磁阻原理，产生合磁场对动铁2的驱动力。动铁2在端盖1与壳体8之间沿轴向作直线运动，运动规律可由线圈5电流控制。动铁2在非中位时总会受到永磁环对其作用的指向某端的轴向力，所以执行器工作时不需要端部保持电流以减小运行功耗。

动铁2与第一永磁环3、导磁环6以及第二永磁环7之间存在润滑油液，以减少摩擦力减少零件之间的磨损。动铁2与导磁环6之间需要气隙较小以确保电磁能的有效利用，同时导磁环6对动铁2起到一定的支撑与导向作用。

图中所示为一种常用的H型功率驱动电路：H型双极可逆PWM功率驱动电路。此驱动电路由一组互补的PWM信号控制，由4个具有驱动功率小、开关速度快、损耗小的功率场效应管(MOSFET）和4个续流二极管(FWD）组成。MOSFET采用双极性驱动，可减少I/O使用数量。4个MOSFET中V₁和V₄为一组，由信号U₁驱动；V₂和V₃为一组，由信号U₂驱动；驱动电路输出电压的大小由输入驱动电路电压和PWM信号的占空比决定；在每个PWM周期里，当U₁为高电平时，U₂为低电平，此时V₁和V₄导通，V₂和V₃截止，电流沿着虚线轨迹从执行器L端流入，从R端流出，设定此时通过执行器的电流为正向；反之则通过执行器的电流为反向，H型功率驱动电路确保了执行器的双向输出功能。

实施例一

以三稳态直线执行器为例

结合图2，三稳态直线执行器以混合励磁式低耗直线执行器为基础，动铁2与输出杆10相连以输出位移和力；输出杆10设置在安装套11中心，两端均穿出安装套11，安装套11与壳体8通过螺纹连接。输出杆10位于安装套11内的杆身中心设有凸台，第一弹簧12一端固定在壳体8上，另一端固定在所述凸台顶面，第二弹簧13一端固定在安装套11底部，另一端固定在所述凸台底面，在第一弹簧12和第二弹簧13的共同作用下，使得动铁2位于行程的中心。动铁2在行程两端时，弹簧力小于永磁环极化磁场对动铁2的吸力，因此动铁2也可稳定于行程两端。对置弹簧的引入，可以根据应用需要调节执行器整体输出力特性；可一定程度的提高动铁2在行程端部位置时的启动响应，减小动铁2对执行器端部的撞击。三稳态直线执行器可用于直接驱动直线运动机构，具有体积小、质量轻、输出力大、行程较大、低功耗等优点。

实施例二

以直驱式三位四通电液阀为例：

结合图3，将混合励磁式低耗直线执行器应用于流体阀阀芯的直接驱动。混合励磁式低耗直线执行器设置在三位四通电液阀14一端，混合励磁式低耗直线执行器的动铁2与阀芯直接连接，为阀芯提供往复直线运动所需的力和位移；混合励磁式低耗直线执行器的壳体8 与三位四通电液阀14的阀体通过法兰15连接。

结合图4，合理的设计弹簧以及执行器相关参数，可以得到满足不同应用需求的输出力位移特性。图4 a）中所示执行器的力-位移特性的特点在于：端部保持力大，但存在严重非线性，不利于高精度应用的需求，可应用于直驱式三位四通换向阀。图4 b）中所示执行器力-位移特性的特点在于：存在一定端部保持力，并且具有较好的线性度，具有应用于以直驱式三位四通伺服阀的潜力。同时，配合以合适的控制硬件：当只需要开环控制时选择廉价的单片机，当需要精度较高的闭环控制时则选择以ARM或者DSP为核心的电控单元，使得执行器在满足应用需求的同时具有更高的经济性。

Claims (4)

1.一种混合励磁式低耗直线执行器，其特征在于：包括端盖（1）、壳体（8）、线圈骨架（4）、线圈（5）、第一永磁环（3）和第二永磁环（7）、导磁环（6）、动铁（2）和H型功率驱动模块（9）；端盖（1）、壳体（8）、线圈骨架（4）、线圈（5）、第一永磁环（3）、第二永磁环（7）、导磁环（6）和动铁（2）为同轴回转体，线圈骨架（4）、线圈（5）、第一永磁环（3）、第二永磁环（7）、导磁环（6）和动铁（2）均设置在壳体（8）内，壳体（8）无盖，端盖（1）设置在壳体（8）的无盖端，其外壁与壳体（8）过渡配合，端盖（1）与壳体（8）之间依次设置第一永磁环（3）、导磁环（6）和第二永磁环（7），第一永磁环（3）、导磁环（6）和第二永磁环（7）的外壁与壳体（8）以及端盖（1）之间形成的第一空腔内设有线圈骨架（4），线圈（5）缠绕在线圈骨架（4）上，并与H型功率驱动模块（9）的输出端连接；第一永磁环（3）、导磁环（6）和第二永磁环（7）的内壁与壳体（8）以及端盖（1）之间形成的第二空腔内设有动铁（2），动铁（2）在第二空腔内沿轴向运动。

2.根据权利要求1所述的混合励磁式低耗直线执行器，其特征在于：所述第一永磁环（3）和第二永磁环（7）磁极方向沿轴向相反。

3.根据权利要求1所述的混合励磁式低耗直线执行器，其特征在于：所述端盖（1）、壳体（8）、导磁环（6）和动铁（2）均为软磁材料。

4.根据权利要求1所述的混合励磁式低耗直线执行器，其特征在于：所述H型功率驱动模块（9）在控制信号下产生正反向控制电流，并施加到线圈（5）中以控制动铁（2）的运动。