CN106463233B - 用于有源机组轴承的电磁动态致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机轴承的致动器(1)，其包括‑可导电的圆柱形线圈(2)；‑由铁磁材料制成的第一磁芯(3)；‑由铁磁材料制成的第二磁芯(4)和‑至少一个永磁体(5)，所述永磁体的磁化方向垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)定向，其中，第一和第二磁芯(3、4)沿圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)相互可滑移地布置，其特征在于，第一磁芯(3)大体上包围圆柱形线圈(2)，并且在圆柱形线圈(2)的面向永磁体(5)侧面处通过非磁性的分隔元件(10)被中断，并且永磁体(5)设计为在圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的方向上被中断至少一次，并且具有至少两个子部(5a、5b)。

Description

用于有源机组轴承的电磁动态致动器

本发明涉及一种用于有源机组轴承、尤其电机轴承的电磁动态致动器，其包括能导电的圆柱形线圈、由铁磁材料制成的第一磁芯、由铁磁材料制成的第二磁芯和至少一个永磁体，其中，第一和第二磁芯相互间沿圆柱形线圈的纵轴线方向可滑移地布置。

在研发电机时的目标在于，提供用于机组轴承的致动器方案，所述致动器方案通过动态控制频率选择地调整轴承刚性，并且能够改变所出现振动的相位。作为补充，所述致动器方案还应该在制备和可组装性方面进行优化。

由现有技术已知有源机组轴承，其具有极化的电磁体。

由文献DE 198 39 464 C2已知一种带有振动式弹簧振子系统(Federmassesystem)的电动致动器，所述弹簧振子系统由导电线圈和永磁体组成。导电线圈布置在径向磁化的环形磁体内部。永磁体和线圈共同组成可振动的弹簧振子系统。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种致动器，该致动器的构造相对于上述现有技术在制备和可组装性方面被改进，而且该致动器还能够以与冲程无关的线性的磁力特征曲线/电流特征曲线运行。

所述技术问题通过一种用于有源机组轴承、尤其用于电机轴承的电磁动态致动器解决。

根据本发明的用于电机轴承的致动器包括可导电的圆柱形线圈、由铁磁材料制成的第一磁芯、由铁磁材料制成的第二磁芯和至少一个永磁体。第一和第二磁芯相互将能够沿圆柱形线圈的纵轴线方向可滑移地布置。关键在于，第一磁芯大体上包围圆柱形线圈并且在圆柱形线圈的朝向永磁体的侧面处通过非磁性的分隔元件被中断。此外关键的还在于，永磁体沿圆柱形线圈的纵轴线方向被中断至少一次地构成，并且由此具有至少两个子部。

在本说明书的范畴内，概念“非磁性的分隔元件”是指优选将第一磁芯穿透或者说中断的切缺。所述切缺被具有高磁阻、也即具有数量级为μ₁≈1的相对磁导率的材料填充。在此在本发明的范畴内，所述切缺被空气填充。

在此，同样处于本本发明范畴内的是，构成为非磁性的分隔元件的切缺并不完全中断第一磁芯。在此关键的是，由于通过切缺导致第一磁芯的导通的材料横截面减小而使磁阻增大。优选地，材料横截面的减小随着与圆柱形线圈的纵轴线的间距的减小而加剧，尤其这样加剧，从而使朝向第二磁芯的一侧保留有第一磁芯构成的饱和连接条或剩余连接条(Reststeg)。最优选地，第一磁芯的材料横截面的减小这样进行，即，当在第一磁芯的保留的饱和连接条中的磁通量减小时，已经实现磁饱和并且达到μ₁≈1的相对磁导率。在此有利的是，简化组装并且第一磁芯的平齐的表面至少与带有剩余连接条的第二磁芯相对置。

在本说明书的范畴内，“中断至少一次”是指，永磁体由至少两个在空间上分离或者说相互间隔的子部组成。永磁体的至少两个子部根据本发明沿圆柱形线圈的纵轴线方向中断地构成并且相应地相互间隔。

有利地，永磁体沿圆柱形线圈的纵轴线方向由恰好两个子部构成。这简化了致动器的组装并且实现了更紧凑且牢固的构造。

根据本发明的致动器的优选实施方式的特征在于，永磁体的磁化方向大体上垂直于圆柱形线圈的纵轴线、优选径向对置地磁化。特别优选地，永磁体的子部构成为径向磁化的环形磁体，所述环形磁体相互平行地布置在垂直于圆柱形线圈的纵轴线的两个不同平面内，并且所述环形磁体的磁化垂直于线圈的纵轴线。特别优选地，永磁体的子部具有相同的极性，也就是说，磁北极和磁南极的定向相互一致。

优选地，永磁体的两个子部分别至少部分覆盖第一磁芯的相互对置的子区域。所述布置这样构成，即，在垂直于圆柱形线圈的纵轴线的相应截平面中，第二磁芯、永磁体、第一磁芯和圆柱形线圈在空间上依次先后排列。有利的是，永磁体的两个子部中的至少一个、优选两个子部在垂直于线圈轴线在第一磁芯上的投影中与第一磁芯在朝向线圈的一侧上至少部分重叠。由此在第一与第二磁芯之间的磁场线过渡部位形成低磁阻。

根据本发明的致动器的备选实施方式的特征在于，永磁体的磁化方向大致平行于圆柱形线圈的纵轴线、也即沿轴向定向。优选地，永磁体的至少两个子部相对于圆柱形线圈的纵轴线沿径向布置在第二磁芯中。永磁体的径向布置意味着，永磁体的至少两个子部的主要延展方向在垂直于圆柱形线圈的纵轴线的平面中延伸。在此有利的是，通过由第二磁芯和永磁体的至少两个子部组成的层系统的构造简化组装。

同样在本发明范畴内的是，永磁体的至少两个子部在其主要扩展方向上以相对于圆柱形线圈的纵轴线的任意角度布置，并且具有相应定向的磁化、也就是说大体上垂直于主要扩展方向的磁化。在此关键的是，通过永磁体的至少两个子部形成两个反向的磁路。在没有电流流经圆柱形线圈的未通电状态下，第一永磁体的第一磁路从第一永磁体开始经过第一磁芯延伸至第二磁芯并且返回第一永磁体。第二永磁体的第二磁路反向地从永磁体的第二子部开始延伸至第一磁芯，从第一磁芯延伸至第二磁芯并且从第二磁芯返回永磁体的第二子部。由此通过永磁体的磁场进行在第一磁芯和第二磁芯的磁活性材料中的预饱和。优选地，第一磁芯的磁路导引区域和第二磁芯的相应对置的磁路导引区域至少部分重叠。

根据本发明的致动器的其他有利改进方式规定，沿圆柱形线圈的纵轴线方向布置在永磁体的子部之间的中断区域至少部分、优选完全通过第二磁芯和/或利用具有磁导率μ_r>>1的磁效材料填充。有利地，在此永磁体的两个子部连同第二磁芯在朝向圆柱形线圈的一侧上构成大体上平坦的表面。

特别优选地，第一磁芯的两个优选被非磁性的分隔元件中断的子区域沿垂直于圆柱形线圈轴线的方向与永磁体的子部之间的中断区域至少局部重叠。特别优选的是，该中断区域通过第二磁芯完全填充。在重叠区域的相关截平面中，第二磁芯、第一磁芯和圆柱形线圈沿垂直于圆柱形线圈的纵轴线的方向在空间上依次先后排列。

根据本发明的致动器的其他有利设计方式的特征在于，非磁性的分隔元件的尺寸沿圆柱形线圈的纵轴线方向随着与圆柱形线圈的纵轴线的间距的增大而增大，优选严格单调递增，特别是线性递增。

在优选实施方式中，第一磁芯中的切缺、也即非磁性的分隔元件设计为空气切缺或者说被空气填充。

在另一种优选的实施方式中，致动器装置绕圆柱形线圈的纵轴线旋转对称地构成。

在另一种优选的实施方式中，永磁体的两个子部的至少一个、优选两个子部构成为环形磁体。环形磁体优选可以这样布置，即，环形磁体相互平行地在两个垂直于圆柱形线圈的纵轴线的不同平面内延伸。

在一种备选的实施方式中，永磁体的各个子部还在垂直于圆柱形线圈的纵轴线的平面内中断地构成。由此永磁体的相应子部的每一个本身都又由至少两个永磁体(所述永磁体在所述垂直于圆柱形线圈的纵轴线的平面内分段式地组成永磁体的相应子部)组成。通过将永磁体分割成多个区段，可以实现致动器的更简单且成本低廉的组装以及永磁体的更成本低廉的制造。

以下结合根据本发明技术方案或者说致动器的优选设计方式阐述电磁工作原理：

致动器由两个分别相关的模块组成，所述模块相互间可以滑移地支承。第一模块包括圆柱形线圈、第一磁芯和非磁性的分隔元件。第二模块包括挺杆、第二磁芯和永磁体，致动器可以通过所述挺杆作用在相连的系统、例如电机上。

在没有电流流经圆柱形线圈的未通电状态下，在致动器中产生的磁场大体上仅由永磁体的两个子部形成。通过永磁体的至少两个子部形成两个反向的磁路。由此通过磁路实现在第一磁芯和第二磁芯的磁活性材料中的预饱和。

当非磁性的分隔元件布置在永磁体的两个子部之间的中心位置时，致动器处于初始位置，也就是说处于未偏转状态。

将永磁体一分为二实现了永磁体的两个子部连同第一磁芯和非磁性的分隔元件的对称布置。由此在与旋转对称结构相结合的情况下能够通过两个永磁体的磁场实现对作用力的补偿。根据致动器的偏转形成磁通量密度偏移，所述磁通量密度偏移补偿在永磁体的两个子部与第一磁芯之间的重叠的改变。由此不会通过挺杆将力作用传递给相连的系统、例如电机。

在通电状态下通过圆柱形线圈中的电流形成额外的磁场。通过在线圈中的电流构成垂直于线圈绕组的磁场。根据致动器的偏转，由于线圈的磁场与两个永磁体的磁场的重叠导致围绕永磁体的两个子部之一的磁场被增强。这形成抵消或增强挺杆的偏转的力作用。通过在圆柱形线圈中的电流的方向的逆转，力作用也发生逆转。

因为未通电状态下的力作用与挺杆的偏转无关并且进而与整个第二模块的偏转无关，仅仅是由圆柱形线圈中的电流形成的磁场有助于作用力场的延伸。也就是说，合成力仅与圆柱形线圈的磁化和进而与圆柱形线圈中的电流有关。由此，针对致动器形成了在流经圆柱形线圈的电流与通过挺杆传递至相连的系统的合成力之间的简单的比例关系。致动器则具有与偏转无关的与电流成比例的力场。

在初始位置中，从永磁体的上子部开始的磁通线是闭合的，也即所述磁通线从永磁体的沿圆柱形线圈的纵轴线方向、沿挺杆方向布置在非磁性的分隔元件上方的子部开始，经过第一磁芯、第一与第二磁芯之间的界面、第二磁芯并且返回永磁体的所提到的子部。

类似地，从永磁体的下子部开始的磁通线是闭合的，也即所述磁通线从在永磁体的沿圆柱形线圈的纵轴线方向上、布置在非磁性的分隔元件下方的子部开始，经过第一磁芯、第一与第二磁芯之间的界面、第二磁芯并且返回永磁体的所提到的子部磁通线。

致动器采用两种可能的平行于圆柱形线圈的纵轴线的偏转方向。挺杆和进而整个第二模块的正向偏转朝永磁体的面向电机的子部的方向进行。挺杆和进而整个第二模块的负向偏转朝永磁体的背离电机的子部的方向进行。

在正向偏转的状态下，永磁体的下子部和非磁性的分隔元件相叠。因为在非磁性的分隔元件中的磁阻大于第一磁芯，永磁体的磁通线经过第一磁芯的背对永磁体的所述子部的侧面绕圆柱形线圈闭合。

这也类似地适用于挺杆和进而整个第二模块沿相反方向的负向偏转。再次，永磁体的上子部和非磁性的分隔元件相叠，从而使上方的永磁体的磁通线经过第一磁芯的背对永磁体的所述子部的侧面绕圆柱形线圈闭合。

因为永磁体的两个子部连同第一磁芯和非磁性的分隔元件呈现出对称布置，相应的力与偏转无关地消除。由此力作用不通过挺杆传递至相连的系统、例如电机。

在通电状态下，通过线圈中的电流形成附加的磁场。通过线圈中的电流在第一磁芯中构成垂直于线圈绕组的磁场。该磁场的磁通线从第一磁芯开始经过第一与第二磁芯之间的界面、经过第二磁芯和永磁体的子部回到第一磁芯地闭合。此外，从永磁体开始的磁场线如上所述地延伸。通过磁场的叠加使得磁场根据圆柱形线圈中的电流的方向围绕永磁体的上子部或下子部的磁场被加强。通过永磁体的子部对磁场的加强形成了力作用，所述力作用抵消或加强挺杆的偏转或总体上第一模块相对于第二模块的相对移动。通过在圆柱形线圈中的电流的方向的逆转，力作用也发生逆转。

因为未通电状态下的力作用与挺杆的偏转无关并且进而与整个第二模块的偏转无关，仅仅是由圆柱形线圈中的电流形成的磁场有助于作用力场的延伸。也就是说，所合成力与圆柱形线圈的磁化和进而与圆柱形线圈中的电流有关。由此，针对致动器形成了在流经圆柱形线圈的电流与通过挺杆传递至相连的系统的合成力之间的简单的比例关系。致动器在其工作冲程范围内具有与偏转无关的与电流成比例的力场。

本发明的其他优点以下结合实施例和附图进行阐述。在附图中：

图1示出根据本发明的致动器的实施例的剖视图；

图2示出处于未通电状态下的致动器的视图，a：冲程(Hub)＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图3示出处于通电状态下的致动器的视图，其具有第一电流方向(在圆柱形线圈的横截面中自图面相外)，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图4示出处于通电状态下的致动器的视图，其具有第二电流方向(在圆柱形线圈的横截面中自图面向内)，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图5示出所属的致动器特征曲线，也即a：针对磁力和电流的特征曲线，b：针对磁力和冲程的特征曲线；

图6示出永磁体的实施方式的视图，也即a：具有径向磁化的环形磁体，b：具有径向磁化的分扇区的环形磁体，c：具有斜向对置磁化的分扇区的环形磁体；

图7以子视图a-d示出选择致动器的四个可能的设计方式的视图；

图8示出带有轴向极面的致动器在未通电状态下沿移动方向的实施例的视图，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图9示出带有轴向极面的致动器在通电状态下沿移动方向的实施例的视图，其具有第一电流方向(在圆柱形线圈的横截面中自图面向外)，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图10示出带有轴向极面的致动器在通电状态下沿移动方向的实施例的视图，其具有第二电流方向(在圆柱形线圈的横截面中自图面向内)，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图11示出带有轴向磁化的永磁体的致动器的实施例的视图，其处于未通电状态下，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图12示出带有轴向磁化的永磁体的致动器的实施例的视图，其具有第一电流方向(在圆柱形线圈的横截面中自图面向外)，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图13示出带有轴向磁化的永磁体的致动器的实施例的视图，其处于沿第二电流方向(在圆柱形线圈中自图面向内)的通电状态，a：冲程＝0，b：冲程＝+s，c：冲程＝-s；

图14示出带有饱和连接条的致动器的实施例的视图。

图1示出根据本发明的致动器的实施例的剖视图。致动器1包括可导电的圆柱形线圈2、由铁磁材料制成的第一磁芯3、由铁磁材料制成的第二磁芯4和带有子部5a和5b的永磁体5。

第一磁芯3大致在完整的周向上包围圆柱形线圈2，并且在此构成外部面3a、底部面3b、顶部面3c和内部面3d。在面向永磁体5的内部面3d上，第一磁芯3通过切缺被中断，所述切缺构成非磁性的分隔元件10。

圆柱形线圈2的内部中央布置有第二磁芯4。在第二磁芯4上布置了永磁体5的两个子部5a和5b。第二磁芯4通过挺杆11与电机轴承(未示出)相连。

永磁体的两个子部5a和5b的磁化方向垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12定向。永磁体的两个子部5a、5b沿圆柱形线圈2的纵轴线12的方向在空间上相互间隔。永磁体的两个子部5a、5b之间的中断区域通过第二磁芯4被填充。在此，永磁体的上子部5a、第二磁芯4和永磁体的下子部5b在面向第一磁芯3的一侧构成大致平坦的表面。

这些元件：圆柱形线圈2、第一磁芯3和非磁性的分隔元件10构成第一模块15。这些元件：挺杆11、第二磁芯4和永磁体5构成第二模块16。第一模块15相对于第二模块16可滑移地布置。

根据图1的致动器相对于圆柱形线圈2的纵轴线12大体旋转对称地构成。

图2以三个子视图a至c示出根据图1的致动器在断电状态下的电磁工作原理。为了视图紧凑，分别示出致动器从构成对称轴线的圆柱形线圈2的纵轴线开始的右半部。

在图2a中示出初始位置，也即未偏转位置。在图2至4中利用附图标记为C的双箭头示出在从-s至+s的整个冲程范围内的偏转。

通过永磁体5的两个子部5a和5b形成磁场。永磁体5的两个子部5a和5b具有垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12的径向磁化。在此，通过实线19a示出的针对永磁体5的上子部5a磁通线经过第一磁芯3、第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面和第二磁芯4并且返回永磁体5的上子部5a地延伸。同样地，通过实线19b示出的针对永磁体5的下子部5b的磁通线经过第一磁芯3、第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面和第二磁芯4并且返回永磁体5的下子部5b地延伸。磁路19a和磁路19b反向地定向。

在此状况下出现饱和效应，所述饱和效应一方面导致磁阻的提高，并且另一方面在从第一磁芯3向第二磁芯4的过渡处通过磁场的轴向分量导致在第二磁芯4上的力作用。所述力作用通过永磁体5的子部5a和5b和带有非磁性的分隔元件10的第一磁芯3的成镜像的、也即对称的布置被抵消，从而在此状态下不会通过挺杆11将力作用传递至电机(未示出)。

在图2b中，示出当挺杆11沿y轴正方向偏转的致动器1。通过挺杆11的偏转，永磁体的下子部5b和非磁性的分隔元件10相叠(标记为A)。由于在非磁性的分隔元件10中的磁阻非常大，通过实线21b示出的针对永磁体的下子部5b的磁通线目前大体经过第一磁芯3的外部区域围绕圆柱形线圈2并且不经过非磁性的分隔元件10。由此形成了磁通量密度偏移，也即导致第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20a上的磁磁通量密度的提高。磁磁通量密度的提高抵消了由第一磁芯3与永磁体的上子部5a的更大重叠所形成的力作用。由此，磁场在此在第一模块15与第二模块16之间的过渡处除了垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12的径向分量之外，还具有平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的轴向分量。与此类似地导致在第一磁芯3中的磁磁通量密度局部降低(标记为A)。在第二磁芯4的上部中的力作用通过第一磁芯3与永磁体的下子部5b之间的减小的重叠和由此磁场的数值上相等但反向作用的轴向分量被抵消。

为了在未通电状态下实现力作用的抵消，永磁体5的两个子部5a和5别的几何形状相对于带有非磁性的分隔元件10的第一磁芯3在第一磁芯与第二磁芯4之间的过渡面上这样选择，从而使磁场在第一磁芯3与第二磁芯4之间的过渡处的y方向分量数值在沿y方向正向偏转时始终相同。通过成镜像/对称布置，消除了由磁场的轴向分量导致的在挺杆11上的力作用。总体上在第一模块15与第二模块16之间未形成力。

在图2c中示出对应于图2b的反向偏转，也即沿y轴负方向的偏转。在此，永磁体的上子部5a和非磁性的分隔元件10相叠(标记为B)。基于在非磁性的分隔元件10中的大磁阻，通过实线21a示出的针对永磁体的上子部5a的磁通线大体经过第一磁芯3的外部区域围绕圆柱形线圈2地延伸并且不经过非磁性的分隔元件10。

由此导致磁磁通量密度偏移，也即一方面导致第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20b上的磁磁通量密度的提高。由此，磁场在此在第一模块15与第二模块16之间的过渡处除了垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12的径向分量之外，还具有平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的轴向分量。这抵消了通过第一磁芯3与永磁体的下子部5b之间的更大的相叠形成的力作用。与此类似地导致在第一磁芯3中的磁磁通量密度局部降低(标记为B)。在第二磁芯4的上部中的力作用通过第一磁芯3与永磁体的上子部5a之间的减小的重叠和由此磁场的数值上相等但反向作用的轴向分量被抵消。

为了在未通电状态下实现力作用的抵消，永磁体5的两个子部5a和5别的几何形状相对于带有非磁性的分隔元件10的第一磁芯3、在第一磁芯与第二磁芯4之间的过渡面上这样选择，从而使磁场在第一磁芯3与第二磁芯4之间的过渡处的y方向分量数值在沿y方向正向偏转时始终相同。通过成镜像/对称布置，消除了由磁场的轴向分量导致的在挺杆11上的力作用。总体上在第一模块15与第二模块16之间未形成力。

永磁体的两个子部5a、5b的反向的磁路在构造上这样设置，从而使磁场的相应的轴向分量在整个冲程范围内是反向相等的。由此使挺杆11上的力作用无论对于y轴正向还是负向的偏转来说、也即在整个冲程范围内都被抵消。

与图2a至2c相对应地，图3以子视图a至c示出处于通电状态下的根据本发明的致动器的电磁工作原理。例如图3中所示，穿过圆柱形线圈2的电流这样定向，从而使电流从图面开始向外流动。由此使得圆柱形线圈2发挥电磁体的作用，也就是说其通过线圈中的电流形成磁场，该磁场的磁场线如下延伸：在未偏转状态下(图3a)，通电的圆柱形线圈2的磁通线由虚线22所示经过第一磁芯3、第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20a、第二磁芯4和永磁体5的下子部5b并且返回第一磁芯3地延伸。

除了圆柱形线圈2的磁场线22之外，永磁体的两个子部5a和5b的磁场线19a和19b如上所述分别经过第一磁芯3和第二磁芯4延伸。通过两个磁场的叠加导致磁场在第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20上的磁磁通量密度提高。由此在第一模块15与第二模块16之间形成合成力，所述合成力基于致动器的径向对称布置而平行于圆柱形线圈2的纵轴线12作用。

如以上图2a至2c所示，通过永磁体5的磁场形成的力作用在整个冲程范围内被抵消。也就是说，通过基于圆柱形线圈2的通电的附加磁场形成合成的与冲程无关的力/电流关系。所述与冲程无关的力/电流关系在图5a和图5b中描述并且同样适用于其他在图1至4和8至14中连同所有子视图的视图。

在图3b中，示出当挺杆11沿y轴正向偏转时永磁体5的磁通线19a、19b的走向和电磁体2的磁通线22的走向。在此，永磁体的下子部5b的磁通线19b的如图2b所示经过第一磁芯3的外部区域闭合。通过偏转，永磁体的下子部5b与非磁性的分隔元件10相叠。非磁性的分隔元件10的高磁阻迫使磁通线的走向偏向第二磁芯4的上部区域和进而围绕圆柱形线圈2。永磁体的下子部5b的磁通线在第一磁芯3中平行于通电的圆柱形线圈2的磁通线延伸。

由此，在永磁体的上子部5a与第一磁芯3之间相叠增大的同时，导致在区域20a中在第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面上的磁通量密度提高。基于圆柱形线圈2的附加磁场，所述磁通量密度提高是非对称的，并且在第一模块15与第二模块16之间形成力作用，所述力作用基于致动器的径向对称布置而平行于圆柱形线圈2的纵轴线12作用。由此，磁场在此在第一模块15与第二模块16之间的过渡处通过圆柱形线圈的磁场具有平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的额外的轴向分量。所述其他的轴向分量不被消除，从而形成平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的力作用。

在图3c中，示出在挺杆11沿y轴负向偏移时永磁体的磁通线19a、19b的走向和电磁体2的磁通量相22的走向。通过偏移，永磁体的上子部5a与非磁性的分隔元件10相叠。在此，永磁体的上子部5a的磁通线19a尽管受到原则上不利的高磁阻但还是经过非磁性的分隔元件10闭合。而且圆柱形线圈2的磁通线22尽管受到原则上不利的非磁性的分隔元件10的高磁阻，也从第一磁芯3开始经过非磁性的分隔元件10朝第二磁芯4延伸通过永磁体5的下子部5b。永磁体的上子部5a的磁场线能够如图2c所示不经过第一磁芯3的外部区域3a、3b、3c延伸，因为圆柱形线圈2的磁场线22在第一磁芯3的外部区域3a、3b、3c并且由此围绕圆柱形线圈2沿相反方向延伸。由此，永磁体的上子部5a上的磁场具有额外的轴线分量，所述轴向分量形成沿轴向、也即平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的磁力。

图4以子视图4a至4c示出具有与图3a至3c相比在圆柱形线圈2中相反电流方向的根据本发明的致动器。

如图4a所示，经过圆柱形线圈2的电流这样定向，即电流朝图面向内地流动。由此线圈2发挥电磁体的作用，也就是说其通过线圈2中的电流形成磁场，该磁场的磁场线如下延伸：在未偏转状态下，如图4a所示，通电的圆柱形线圈2的磁通线22从第一磁芯3开始经过第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20b、第二磁芯4和永磁体的上子部5a返回第一磁芯地延伸。

图4b和4c示出在偏转状态下的磁场线的走向。所述走向与图3a和3c已述的类似。在此，永磁体的下子部5b上的磁场具有额外的轴向分量，所述轴向分量导致沿轴向、也即平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的磁力。

在此，在永磁体的下子部5b与第一磁芯3之间的相叠增大的同时，导致在图4c中在区域20b中第一磁芯3与第二磁芯4之间的磁通量密度提高。基于圆柱形线圈2的额外磁场，所述磁通量密度提高是非对称的，并且在第一模块15与第二模块16之间形成力作用，所述力作用基于致动器的径向对称布置而平行于圆柱形线圈2的纵轴线12作用。

图5示出电驱动的致动器在规定的冲程范围内的理想化的力作用。在图5a中示出致动器的磁力/电流特征曲线。x轴示出圆柱形线圈2中的电流并且y轴示出合成的磁力：第一模块15与第二模块16之间作用的磁力在力的数值和方向方面与挺杆11的偏转无关，与施加在圆柱形线圈2的电流呈线性关系。

在图5b中示出致动器的磁力/冲程特征曲线。x轴示出挺杆11的偏转，并且y轴示出合成的磁力：第一模块15与第二模块16之间的作用的磁力在电流恒定时与挺杆11的偏转无关，然而在电流强度不同时具有不同的数值和方向。

致动器由此具有与冲程无关的与电流成比例的力特征曲线。致动器由此具有恒定的力/电流梯度，并且能够实现例如连接在第二模块16上的机组轴承的轴承刚性的精确调整。为了应用于有源的电机轴承或机组轴承中，致动器通过与致动器的第二模块16耦连的形状稳定的弹性悬挂的膜(其作为机组轴承的构件)构成可振动的弹簧振子系统。通过致动器的动态控制，可以通过与机组轴承的膜耦连的第二模块16可频率选择地提高或降低轴承刚性并且改变振动的相位。

图6以子视图6a至6c示出永磁体5的子部的实施的示意图，其如何应用于根据本发明的致动器中。永磁体5的子部在图6a中实施为带有径向磁化23的环形磁体。该环形磁体沿周向没有中断地构成。在环形磁体的所有点上的磁化23都垂直于轴线24并且指向环的中点，该轴线延伸穿过环的中点并且在此垂直于环形磁体的环形面。

图6b示出永磁体5的子部5a的实施例，其由六个环形布置的径向磁化的磁体区段5.a1至5.a6组成。磁体区段5.a1至5.a6这样构成，从而使其沿周向基本上直接相邻地接合、例如形状配合或材料接合地构成闭合的环。作为备选，受结构或制备所限，可以在沿周向的两个磁体区段之间存在分隔部，所述分隔部优选通过空气或具有磁导率为μ₁＝1的非磁性的材料填充。磁化23在闭合的环形磁体的所有点上都垂直于轴线24并且指向环的中点，所述轴线延伸穿过换的中点，并且在此垂直于环形磁体的环形面。

图6c示出永磁体5的子部5b的实施例，其由六个环形布置的磁体区段5.b1至5.b6构成，所述磁体区段径向对置(diametral)地磁化。磁体区段5.b1至5.b6这样构成，从而使磁体区段沿周向基本上直接相邻地接合、例如形状配合或材料接合地组合成闭合的环。作为备选，受结构或制备所限，可以在沿周向的两个磁体区段之间存在分隔部，所述分隔部优选通过空气或具有磁导率为μ₁＝1的非磁性的材料填充。磁化23在闭合的环形磁体的所有点上都垂直于轴线24并且指向环的中点，所述轴线延伸穿过换的中点，并且在此垂直于环形磁体的环形面。此外，对单个磁体区段5.b1至5.b6的磁化是分别相互平行的。然而对于两个相邻的磁体区段5.b1至5.b6来说，磁化23相差大于0°的角。

图7以四个子视图图7a至7d示出第一模块15和第二模块16相互间的可能布置的视图。图7a至图7d的视图分别示出致动器装置1沿对称轴线12的半部。元件圆柱形线圈2、第一磁芯3和非磁性的分隔元件10构成第一模块15。元件挺杆11、第二磁芯4和永磁体5构成第二模块16。

在图7a中第一模块15位置固定地布置。第二模块16沿径向在圆柱形线圈内部可滑移地布置。第一模块15和第二模块16相互间可滑移。

在图7b中第一模块15可滑移地布置。第二模块16位置固定地布置在圆柱形线圈内部。第一模块15和第二模块16相互间可滑移。

图7c和7d示出两个实施例，其中分别将第一模块15布置在内而将第二模块16布置在第一模块15的圆柱形线圈的外部。在图7c中第一模块15可滑移地布置，而第二模块16位置固定地布置。在图7d中，第二模块16可滑移地布置，而第一模块15位置固定地布置。第一模块15和第二模块16在此也相互间可滑移。

图8以三个子视图a至c示出具有极面的致动器的电磁工作原理。第一磁芯3在面向永磁体5的一侧上具有突出的顶部面13和突出的底部面14。突出的顶部面13与永磁体5的上子部5a在垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12的平面中相叠。突出的底部面14与永磁体5的下子部5b与上述平面平行地相叠。所述相叠导致，第一模块15与第二模块16之间通过圆柱形线圈2中的电流的合成力在沿y轴正向或负向几乎最大偏转时分别提高。

在图8a中示出初始位置、也即未偏转状态。在图8b中示出具有冲程(Hub)+s的偏转状态。在图8c中示出具有冲程-s的反向的偏转状态。

永磁体5的两个子部5a、5b具有垂直于圆柱形线圈2的纵轴线12的径向磁化。通过永磁体5的两个子部5a和5b形成两个反向的磁路55a和55b，如借助图2a所述。

如图8b所示，当以冲程＝+s偏转时，永磁体的下子部5b的磁场如图2b所示延伸。永磁体的上子部5a的磁场具有额外的磁路55c，所述额外的磁路经过突出的顶部面13闭合。由此产生在冲程最终位置上的力提高。

如图8c所示，当以冲程＝-s偏转时，永磁体的上子部5a的磁场如图2c所示延伸。永磁体的下子部5b的磁场具有额外的磁路55d，所述额外的磁路经过突出的底部面14闭合。由此产生在冲程最终位置中的力提高。

图9以子视图a至c示出与图8a至8c相对应的根据本发明的带有轴向极面的致动器的电磁工作原理，其处于通电状态下。例如由图9可知，穿过圆柱形线圈2的电流如此定向，从而使电流至图面开始向外流动。

除了借助图8a至8c所示的两个永磁体5a、5b的磁场之外，通过圆柱形线圈2的通电还形成了额外的磁场65a。在未偏转状态中，如图9a所示，圆柱形线圈的磁场65a大体上类似于图3a中圆柱形线圈的磁场线延伸。

如图9b所示，在以冲程＝+s偏转时，圆柱形线圈的磁场线65b以额外的磁路65b.2延伸，所述额外的磁路经过突出的顶部面13绕永磁体的上子部5a闭合。在此导致在冲程最终位置中的力提高。

如图9c所示，当以冲程＝-s偏转时，圆柱形线圈2的磁场线65c以额外的磁路65c.2延伸，所述额外的磁路经过突出的底部面14绕永磁体的下子部5b闭合。这由此也导致了在冲程最终位置中的力提高。

图10以三个子视图a至c示出与图8a至8c相对应的带有轴向极面根据本发明的致动器的电磁工作原理，其处于通电状态下。例如如图10所示，穿过圆柱形线圈2的电流如此定向，从而使电流朝图面向内流动。

永磁体的两个子部5a、5b的磁场线如图8a至8c所示地延伸。圆柱形线圈2的磁场线75a、75b、75c在考虑到反向通电方向的情况下与图9a至9c类似地延伸。

图11以子视图a至c示出根据本发明的具有轴向磁化的永磁体的致动器的电磁工作原理，其处于断电状态下。为了视图紧凑，自对称轴线12开始分别示出致动器的右半部。

在图11a中示出初始位置、也即未偏转状态。在图11b中示出具有冲程+s的偏转状态。在图11c中示出具有冲程-s的方向偏转状态。

永磁体5的两个子部5b具有轴向磁化，也即平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的磁化。通过永磁体5的两个子部5a和5b形成两个反向的磁路，所述磁路的通量线借助虚线55a针对永磁体5的上子部5a示出，并借助虚线55b针对永磁体的下子部5b示出。永磁体的上子部的磁路55a自永磁体的上子部5a开始经过第二磁芯4、第二磁芯4与第一磁芯3之间的界面20a朝第一磁芯3延伸并且又朝向第二磁芯4返回永磁体5的上子部5a。相应地，永磁体的下子部5b的磁路55b反向地延伸，自永磁体的下子部5b开始朝向第二磁芯4经过第二磁芯4与第一磁芯3之间的界面20b朝向第一磁芯3延伸并且又朝向第二磁芯4返回永磁体的下子部5b。

通过反向的磁路55a和55b形成了在第一磁芯3和第二磁芯4中的磁活性材料的磁饱和。此外，磁场的轴向分量、也即平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的分量在第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面的过渡处导致力作用。该力作用通过永磁体5的两个子部5a和5b和具有非磁性的分隔元件10的第一磁芯3的成镜像的、也即对称布置被抵消，从而在此状态下不通过挺杆11将力作用传递至电机或类似装置(未示出)。

在图11b中示出挺杆11沿y轴正向偏转(冲程＝+s)时的致动器。通过偏转，非磁性的分隔元件10的位置相对于永磁体的两个子部5a、5b发生移动。在此，在永磁体的上子部5a与永磁体的下子部5b之间不再发生第一磁芯3与第二磁芯4的相叠。因为非磁性的分隔元件10的磁阻相对较高，由实线所示的针对永磁体的下子部5b的磁通线目前基本上经过第一磁芯3的外部区域围绕圆柱形线圈2闭合，并且不经过非磁性的分隔元件10。由此导致磁通量密度偏移，也即导致第一磁芯3与第二磁芯4之间的界面20a上的磁磁通量密度提高。磁磁通量密度提高抵消了通过第一磁芯3与第二磁芯4之间的更大相叠而在永磁体的上子部5a的区域中形成的力作用。在此，磁场在第一磁芯3与第二磁芯4之间的过渡处除了垂直于圆柱形线圈2的纵轴线的径向分量之外，还具有平行于圆柱形线圈2的纵轴线12的其他的轴向分量。相应地，导致在永磁体的下子部5b的区域中第一磁芯3中的磁磁通量密度降低。因为永磁体的两个子部5a和5b呈现为对称布置，相应的合成力消除。由此在沿y轴正向偏转时，在挺杆11上的力作用被补偿。

在图11c中示出相对于图11b沿反方向、也即沿y轴负向冲程-s的偏转。磁场线在考虑到相反的偏转方向的情况下与图11b类似地延伸。

永磁体的两个子部5a、5b的反向的磁路55a、55b、65a、65b、75a、75b在构造上这样设置，从而在未通电状态下在整个冲程范围内(-s，+s)，永磁体5的一个子部的磁场的各相应轴向分量与永磁体5的另一个子部的磁场的各相应轴向分量反向地相等。由此，挺杆11上的力作用不论对于沿y轴正向还是负向的偏转来说、也即在整个冲程范围内都被抵消。

图12以三个子视图a至c示出与图11a至11c相对应的带有轴向磁化的永磁体的致动器的电磁工作原理，其处于通电状态下。为了避免重复，以下仅对与图3所示和图3所述的带有径向磁化永磁体的实施例的区别进行阐述。例如在图12中所示，穿过圆柱形线圈2的电流如此定向，从而使电流朝图面向内流动。

如以上针对图11a至11c所述，通过永磁体5的磁场形成的力作用在整个冲程范围内被抵消。圆柱形线圈的磁场如图3所示并且如图3所述实施例所示地延伸。这也即是说通过基于圆柱形线圈2的通电的额外的磁场，形成了合成的与冲程有关的力/电流关系。

图13以三个子视图a至c示出与图11a至11c相对应的具有轴向磁化永磁体的致动器的电磁工作原理，其处于通电状态下。为了避免重复，以下仅对于图4所示和图4所述具有径向磁化永磁体的实施例的区别进行阐述。例如在图13中所述，穿过圆柱形线圈2的电流如此定向，从而使电流至图面向外流动。

如以上针对图11a至11c所示，通过永磁体5的磁场形成的力作用在整个冲程范围内被抵消。圆柱形线圈的磁场如图4所示和如图4所述实施例那样延伸。这也即是说通过基于圆柱形线圈2的通电的额外的磁场，形成了合成的与冲程有关的力/电流关系。

图14示出具有饱和连接条的致动器的实施例的剖视图。为了视图紧凑，分别自构成对称轴线的纵轴线12开始仅示出致动器的右半部。非磁性的分隔元件10在此构成为切缺，所述切缺未完全穿透第一磁芯3。第一磁芯3的材料横截面仅减小，从而得到面向第二磁芯4的一侧而且构成饱和连接条70。第一磁芯3以两个缩细延伸的端部3.1、3.2连接在饱和连接条70上。第一磁芯3的材料横截面的减小随着与圆柱形线圈2的纵轴线12的间距的降低而加剧，尤其这样加剧，从而在面向第二磁芯4的一侧上恰好尚且保留由第一磁芯3的材料制成的饱和连接条70。通过第一磁芯3的材料横截面的减小，在第一磁芯3的保留的饱和连接条70的磁通量降低时就已经实现磁饱和以及所谋求的μ₁≈1的相对磁导率。

附图标记清单

1 致动器

2 圆柱形线圈、电磁体

3 第一磁芯

3a 外部面

3b 底部面

3c 顶部面

3d 内部面

3.1 缩细延伸的端部

3.2 缩细延伸的端部

4 第二磁芯

5 永磁体

5a 上子部

5b 下子部

10 非磁性的分隔元件

11 挺杆

12 对称轴线、纵轴线

13 突出的顶部面

14 突出的底部面

15 第一模块

16 第二模块

19a 永磁体的上子部的通量线

19b 永磁体的下子部的通量线

20a 第一磁芯与第二磁芯之间的界面

20b 第一磁芯与第二磁芯之间的界面

21a 永磁体的上子部的通量线

21b 永磁体的下子部的通量线

22 圆柱形线圈的通量线

23 磁化

24 轴线

55a 磁路

55b 磁路

55c 磁路

55d 磁路

65a 磁路

65b 磁路

65b.2 额外的磁路

65c 磁路

65c.2 额外的磁路

70 饱和连接条

75a 磁路

75b 磁路

75c 磁路

A 相叠

B 相叠

C 冲程范围

Claims (21)

1.一种用于电机轴承的致动器(1)，其包括

-可导电的圆柱形线圈(2)，

-由铁磁材料制成的第一磁芯(3)，

-由铁磁材料制成的第二磁芯(4)和

-至少一个永磁体(5)，所述永磁体的磁化方向垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)定向，

其中，第一和第二磁芯(3、4)沿圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)相互可滑移地布置，其特征在于，第一磁芯(3)大体上包围圆柱形线圈(2)，并且在圆柱形线圈(2)的面向永磁体(5)侧面处通过非磁性的分隔元件(10)被中断，并且永磁体(5)设计为在圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的方向上被中断至少一次，并且永磁体具有至少两个子部(5a、5b)，其中，沿圆柱形线圈(2)的纵轴线的方向布置在永磁体(5)的两个子部之间的中断区域通过第二磁芯(4)被至少部分地填充。

2.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部的至少一个子部在垂直于线圈轴线的、在第一磁芯(3)上的投影中与第一磁芯在第一磁芯面向圆柱形线圈(2)的一侧上至少部分相叠。

3.根据上述权利要求中任一项所述的致动器(1)，其特征在于，沿圆柱形线圈(2)的纵轴线的方向布置在永磁体(5)的两个子部之间的中断区域通过第二磁芯(4)被完全填充。

4.根据权利要求3所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部在它们面向圆柱形线圈(2)的一侧上连同第二磁芯(4)构成大体上平坦的表面。

5.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，第一磁芯(3)在其面向第二磁芯(4)的一侧上连同分隔元件(10)构成大体上平坦的表面。

6.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的至少一个子部环形地构成。

7.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的至少一个子部具有大体上垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的磁化，并且径向对置地或平行于圆柱形线圈的纵轴线地磁化。

8.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的至少一个子部在垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的平面内由至少两个区段组成。

9.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，圆柱形线圈(2)和第一磁芯(3)相互固定地相连，和/或永磁体(5)和第二磁芯(4)相互固定地相连。

10.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，圆柱形线圈(2)连同第一磁芯(3)被弹性地支承，并且永磁体(5)连同第二磁芯(4)被固定地支承。

11.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，圆柱形线圈(2)连同第一磁芯(3)被固定地支承，并且永磁体(5)连同第二磁芯(4)被弹性地支承。

12.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，第一磁芯(3)在其面向永磁体(5)的一侧上具有垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线突出的顶部面(13)和/或突出的底部面(14)，所述顶部面(13)垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线地与永磁体的第一子部(5a)相叠，和/或所述底部面(14)垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线地与永磁体的第二子部(5b)相叠。

13.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，非磁性的分隔元件(10)至少在运行状态下由具有μ₁≈1的范围内的磁导率的材料制成。

14.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，非磁性的分隔元件(10)设计为切缺，所述切缺在第一磁芯的面向第二磁芯(4)的一侧上垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线地穿过第一磁芯(3)。

15.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，非磁性的分隔元件(10)的尺寸朝圆柱形线圈(2)的纵轴线方向随着与圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的间距的增加而增大。

16.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部在垂直于线圈轴线的、在第一磁芯(3)上的投影中与第一磁芯在第一磁芯面向圆柱形线圈(2)的一侧上至少部分相叠。

17.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部(5a、5b)环形地构成。

18.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部(5a、5b)具有大体上垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的磁化，并且径向地或平行于圆柱形线圈的纵轴线地磁化。

19.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，永磁体(5)的两个子部(5a、5b)在垂直于圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的平面内由至少两个区段组成。

20.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，非磁性的分隔元件(10)的尺寸朝圆柱形线圈(2)的纵轴线方向随着与圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的间距的增加而严格单调增大。

21.根据权利要求1所述的致动器(1)，其特征在于，非磁性的分隔元件(10)的尺寸朝圆柱形线圈(2)的纵轴线方向随着与圆柱形线圈(2)的纵轴线(12)的间距的增加而线性增大。