CN1083631C - 直线往复电动机 - Google Patents

Abstract

一种直线往复运动电动机，能够发出在负载变化的条件保持恒定的往复运动振幅的协调和有效的反馈控制。它包括一载有永磁体的振动子和一具有电磁体的定子。电磁体被供电以在相对于定子的直线方向上产生使振动子移动的电磁驱动力。设置一弹簧以给振动子提供恢复力，使振动子直线往复运动。光敏器件能够监测振动子的往复运动周期而不受由电磁体产生的用以驱动的振动子的磁场的影响。以能够保持振动子的恒定往复运动振幅的变化的量给电磁体供电。则其提供了一个可靠的基础以精确确定反向点的及驱动点。因此，以在最佳时刻施加驱动力以精确和可靠地进行反馈控制。

Description

直线往复电动机

本发明涉及一种直线往复电动机，特别是涉及具有在变化负载条件下把往复振幅保持在恒定值上的反馈控制的直线往复电动机。

欧洲专利公开公报EP349077公开了一种用于干式理发推子的直线往复电动机，使可动切刀相对于固定切刀往复运动。该直线电动机包括一电磁体作为定子和一永磁体作为振动子以驱动可动切刀。电磁体由固定频率的电流供电以驱动振动子。当振动子或可动切刀在理发期间受到重载时，可动切刀只能通过轻微的冲击而移动，这减小了往复运动的振幅，降低了可动切刀的速度，由此而降低了理发的锋利度甚至于不能理发。在美国专利申请第08/413,201号所涉及的另一种直线电动机实现了在负载状况变化时保持的往复振幅的反馈控制。该控制试图在一适当的时刻以可控制的量馈入电能以便于在最小功率需求下保持往复运动的连续。即，在振动子通过反向点后需要短时内使驱动力施加到振动子上。因而，该反向点将被认为是确定给振动子施加驱动力的驱动点。使用一个线圈传感器来监测往复运动并由于反向点被认为是电压的过零点而输出正弦电压。但是，线圈传感器很可能会受到在直线电动机固有的电磁体附近所产生的外磁场的作用，而不能给出正确代表实际往复运动的精确输出，这就使其难于始终如一地给出精确的反向点和驱动点。其结果，就不能在所需时刻施加驱动力。进而，有可能驱动点极大偏离所要求的点达到保护这样的程度，由于给振动子施加驱动力使其以与振动子正在运动的方向相反的方向移动，而导致不可控制的往复运动。

为了解决上述问题，本发明提供一种直线往复电动机，能够保证在负载变化条件下保持恒定往复振幅的协调和有效的反馈控制。根据本发明的直线往复电动机包括：可动支承在基架上并承载一个永磁体的直线振动子；和固定在基架上并设有电磁体的定子。该电磁体由电源供电以同永磁体相配合而产生使振动子以一直线方向相对于定子移动的电磁驱动力。设置一个弹簧以提供使振动子进行反向直线运动的回复力，由此给振动子提供直线往复运动。包括一传感器以监测振动子的直线运动并输出代表该直线运动的信号。同该传感器相配合还包括一反向点检测器，根据来自传感器的信号，确定振动子的右和左反向点。进而设置一速度检测器，根据来自传感器的信号，取得振动子的瞬时速度。一控制器在右和左驱动点上以变化的量给电磁体供电，上述右、左驱动点分别接着右和左反向点而确定，上述变化的量用于把振动子的往复振幅得持在恒定值上。该传感器包括一光敏器件，其输出一组脉冲，该脉冲是在振动子每次通过其往复中心时发生。反向点检测器根据两个以前脉冲间的时间区间确定反向点。光敏器件可以监测振动子的往复循环，而不会受到为了驱动振动子而在电磁体附近产生的磁场的影响，从而提供精确确定右和左向点以及驱动点的基础。因此，可以在最佳时刻即驱动点上提供驱动力，该最佳时刻保证精确和可靠的反馈控制以在负载变化条件下给出恒定的往复振幅。

先于紧跟着振动子到达往复中心处的点来确定每个右或左驱动点。这样确定的驱动点通过试验而找出以有效地使维持往复运动的功率需求最小。

在一优选实施例中，反向点检测器确定4个连续脉冲的第一个和第二个之间的右侧往复时间区间并确定4个连续脉冲的第二个和第三个之间的左侧往复区间。右侧往复时间区间对应于振动子在往复运动中心的右侧区域移动时的振动子的二分之一周期，而左侧往复时间区间对应于振动子在往复运动中心的左侧区域内移动时的振动子的后半周期。反向点检测器把右反向点确定为从第三脉冲延迟二分之一的上述所确定的右侧往复时间区间并且把左反向点确定为从第四脉冲延迟二分之一的上述所确定的左侧往复时间区间。这样，就能分别确定右和左反向点以分别很好地反映每半个周期中的运动，由此能够使反馈控制同实际往复运动更协调。尤其是，即使当真正的往复运动中心与来自光敏器件的输出脉冲之间存在偏差时，该偏差也能由上述方案很好校正，以给出可靠的右和左反向点以及驱动点。

当光敏器件的输出脉冲能以与往复运动中心严格一致地产生时，其足以以下列方式确定反向点。基准往复时间周期被反向点检测器确定为三个连续脉冲的第一个和第二个之间的区间，从而对应于振动子的二分之一周期。反向点检测器把右反向点确定为从第二脉冲延迟二分之一基准往复时间区间并把左反向点确定为从第三脉冲延迟二分之一基准往复时间区间。

驱动力在每半个周期内以相反方向被加给振动子以使每半个周期中的反馈控制实现平滑往复运动。即，控制器周期性地发生第一和二驱动脉冲以便于以交替改变振动子运动方向的方向给电磁体馈电。由此，控制器给出代表随后产生的第一和第二驱动脉冲之一的方向标志。包括一辅助传感器以监测振动子的往复运动并提供代表它的输出。与该辅助传感器相关联的是一方向检测器，从辅助传感器的输出检测振动子的运动方向。控制器包括一安全防护电路，它仅在由方向检测器所检测的运动方向成为与由方向标志所给出的方向相一致之后允许产生第一或第二驱动脉冲。由该安全防护电路来消除以与振动子正在运动的方向相反的方向施加驱动力的可能性。当振动子因某个原因被制动时才会反常出现这种矛盾。当其出现时，振动子的实际反向点被从根据光敏器件的输出所确定的所需反向点延迟，以使在振动子通过实际反向点之前以相反的方向而不是所需的方向错误地施加驱动力，由此导致不可控的往复运动。在这种状态下，安全电路禁止驱动力施加给振动子直至振动子通过实际反向点为止，由此能够以正确的方向施加驱动力，从而可靠地恢复往复运动。

当振动子非正常停止或因重载引起停止时，制动器电路动作以为了安全而停止电动机的工作。为此，制动器电路开始从该反向点计数持续时间，并且每次当所检测的运动方向成为与方向标志相一致时使持续时间复位到零。当这样计数的持续时间超过一临界点时，制动器电路停止馈电以断开电动机。

辅助传感器可以包括一绕组和一个装在振动子上的传感器磁体。该绕组响应振动子的运动而产生代表变化的运动方向的正弦波电压。

本发明的这些以及其他的目的和优点将通过本发明的实施例结合附图的说明而得到了解。

图1是根据本发明的一个实施例的直线往复电动机的示意图；

图2是适合于在干式理发推子中使用的直线往复电动相的分解透视图；

图3是该电动机的振动子的分解透视图；

图4是表示电动机的电路的方框图；

图5和6是表示用于电动机的反馈控制的一个方案的时序图；

图6是表示电动机的反馈控制的另一个方案的时序图。

图1从原理上表示包括定子10和振动子30的直线往复电动机的基本构形。定子10被安装在基架11上并且包括一电磁体20，该电磁体20带有一个绕在固定在基架11的轭21的铁心22上的绕组24。连接一驱动25，为了电动机的控制以下述方法用可控制的量给电磁体20提供交流电流。振动子30由弹簧31支承在基架11上，能以一直线方向相对于定子10移动，在振动子30的下端面和轭21的上端面之间具有小的固定的间隙。永磁体32装在振动子30上，永磁体32被磁化成具有沿着振动30的直线运动方向布置的相反极性的端面。该永磁体30确定了振动子30的下端面并同电磁体20相配合以接收使振动子30移动的电磁驱动力。弹簧31同电动机的磁性柔度的水平分量相配合以给具有固有频率的振动子30提供一往复运动系统。

图2和3表示适合于在干式理发推子中使用的电动机的一个例子。电磁体20通过轭21上的螺栓26同基架11下端的槽16的扣合而固定悬挂在基架11上。基架11支承一对相反运动的振动子30A和30B，每个振动子30A和30B都具有接头39A和39B，用于使同外切力(未表示)剪切配合的内切刀(未表示)往复运动以进行剪切。振动子30A和30B分别通过簧片31A和31B悬挂到基架11上，以分别可相对于电磁体20移动。簧片31A和31B被固定在对着机架11的相对上端的其上端上和对着振动子30A和30B的相对下端的其下端上，以使振动子30A和30B可以在机架11的相对侧壁12之间移动。振动子30A和30B都具有与电磁体20的上极端面相对的永磁体32A和32B。如图3所示，振动子30A和30B包括塑料的载架33A和33B，载架33A和33B分别具有整体铸在内部的金属构架34A和34B，金属构架34A和34B给振动子提供坚固性，并且分别形成同簧片31A和31B的连接部35A和35B。一个载架33A以矩形开孔框架的形式置入另一载架33B，该载架33B是通过插入在载架33B的中心柱37与矩形载架33A的相对侧壁之间的圈簧36而设置的，圈簧36同相对应的簧片31A和31B相配合以提供恢复力，该恢复力抵销由电磁体20周明性地产生建立往复运动系统的磁性驱动力。载架33A和33B由转动支承在基架11上的联杆38联结起来，以使振动子30A和30B以相反方向同步地往复运动。

下面对反馈控制进行讨论，它包括在电动机中的反馈控制，在负载条件变化时尽可能地保持振动子30的恒定往复振幅。通过光敏器件40和线圈传感器50的结合来不断监测振动子的往复运动。光敏器件40被夹持在基架11上并且同固定在载架33A即振动30A上的传感器板42配合以输出表示振动子的往复运动中心和速度的信号。传感器板42具有一个裂口43并位于光敏器件40的沟槽41中，以使该裂口43每次横过沟槽中的光路时，光敏器件40响应而发出一个脉冲。光敏器件40被布置成：当裂口43即5振动子30每次通过其往复运动中心时输出脉冲。因此，能够在脉冲输出时由定时检测出振动子30的往复运动中心，而且也能由脉冲的宽度检测出振动子的速度。线圈传感器50包括一传感器绕组51，其对着光敏器件40被嵌入基架11的开孔17中，并同放在振动子30A的中心的传感器磁体52相配合，以在振动子30往复运动时给出正弦波电压信号。来自线圈传感50的输出电压则代表振动子30正在运动中的瞬时方向。可以使用霍尔效应器件来代替传感器绕组以给出同样的正弦波输出。

下面参照图4和5来描述反馈控制的细节。设置控制器60来实现根据来自光敏器件40和线圈传感器50的输出以改变由电源61通过变换器63给电磁体20供电的反馈控制，以便于保持恒定的往复运动振幅。控制器60同一个脉宽调制器(PWM)62和变换器63相连接，以改变供电的驱动脉冲的脉宽并交替变化馈入电磁体20的电流方向。在电动机起动之后，反馈控制在短时间内就进入工作状态。在电动机起动时，鉴于振动子30的固有频率，控制器60允许以计算出的固定定时发出几个固定脉宽的初始驱动脉冲，直到当达到预定往复运动振幅时振动子30达到稳定振荡为止。此后，控制器60开始负责在往复运动的每半周确定供电的正确驱动点以及改变供电时间即驱动脉冲的脉宽，以保持恒定往复运动振幅。通过模拟试验，发现供电的驱动点最好是在振动子通过其右和左反向点后立刻进行。因而驱动点可被确定为从右和左反向点P_R和P_L延迟一固定的短时时间T_X。根据来自光敏器件40的输出来确定反向点。

在稳定振荡期间，光器件40输出一串脉冲，如图5所示，该脉冲是以振动子30通过往复运动中心时具有对应于振动子30的瞬时速度的脉宽的定时而产生的。光敏器件40的输出被馈入反向点检测器45，其从所检测到的领前的脉冲预料下一个反向点。为了确定下一个右反向点P_R，三个以前的脉冲(1)至(3)送到检测器45中以给出三个以前的脉冲的第一和第二之间的右侧往复时间T_R区间。该右侧往复运动时间区间T_R代表振动子30在往复运动中心的右侧区域中移动时振动子的二分一区间。从而确定右反向点P_R从第三脉冲(3)延迟二分之一的右侧往复运动时间区间T_R/2。用相同方式通过提取三个以前的脉冲(2)至(4)以给出三个以前脉冲的第二和第三之间的左侧往复时间区间T_L以代表振动子在往复中心的左侧区域中移动时的振动子的后半周，而由检测器45确定下一个左反向点P_L。则左反向点P_L被确定为从第三脉冲(4)延迟二分之一的左侧往复运动时间周期T_L/2。根据这样获得的右和左点P_R和P_L，控制器60把施加驱动脉冲的后续驱动点D_P确定为从此延迟固定时间T_X。

在稳定振荡期间，光敏器件42的输出被馈入检测振动子30通过往复中心的瞬时速度速度检测器46，作为来自光敏器件42的脉宽T_S的函数。所检测的速度输入控制器60，该控制器60以一反馈方式依次改变给电磁体20供电的驱动脉冲的宽度以便于保持恒定往复运动振幅。为了进行与振动子30的运动方向相一致地变化供电的协调的反馈控制，对振动子以给定方向移动的电流量的补偿是以振动子在相同方向上移动的检测速度为基础的。即，当振动子30正在左移时，反馈控制是根据振动子从右向左移动或反之的检测速度来进行的。

对于根据右侧往复运动时间区间T_R和左侧往复运动时间区间T_L来单独确定右和左反向点的上述方案，即使当光敏器件40的输出脉冲不是准确地同振动子的振动中心相一致时，也能精确地确定反向点，例如，当往复运动中心的传感板42的裂口43偏离中心或从光敏器件40的光路偏离时，由此而使光敏器件在偏离往复运动的时刻输出脉冲。也能精确地确定反向点。

为了交替地改变馈入电磁休20的电流极性，设置控制器60以产生驱动脉冲。即，控制器60分别输出第一(右)和第二(左)驱动脉冲以使振动子30右移和左移。但是，在控制器60中最好包括安全保护装置以检测振动子的瞬时运动方向，产生正确的驱动脉冲而把驱动力以与振动子正在运动的相同方向加给振动子30。这对于即使当受到外力而以延长振荡周期过分超出变化范围的这种方式妨碍往复运动时，仍保持往复运动是特别有利的。当遇到这类非正常状况时，控制将产生以相反方向施加的驱动力，由此而不能保持往复运动。为了避免该问题并给出往复运动的协调恢复，在控制器60中最好包括安全防护电路70，以检验施加下一个驱动力使振动子30移动的方向和振动子30的实际运动方向。设置方向检测器55以从线圈传感器50的正弦输出电压给出振动子30的实际运动方向。控制器60产生一个方向标志，代表为了驱动力的连续施加而将要发出的第一(右)和第二(左)驱动脉冲之一。安全防护电路70让控制器60仅在由方向检测器55所检测的运动方向成为与由方向标志所给定的方向相一致之后才产生第一(右)或第二(左)驱动脉冲。

下面参照图5的右侧来明安全防护电路70的工作。当一个重载在点H以延长振荡周斯的方向被施加时，来自线圈传感器50的电压输出则相应被调整为具有一个延长的周期。即使在该非正常状态下，当振动子30被正常预测从左到右改变其方向(如虚线所示)时而不是当振动子30实际上仍向左移(如实线所示)时，控制器60)就会响应而在预测驱动点D_P产生右驱动脉冲。但是，在此时，安全防护电路70检验实际运动方向。即左与方向标志即右，并禁止控制器60给出右驱动脉冲直到方向检测器55发出代表实际运动方向从左变到右的输出为止。为可靠地从线圈感器50的输出确定方向的改变，把检测器设置成在线圈传感器50的输出电压过零后的短时间To内证实方向的变化。在该方式下，即使在振动子受到重载时也能在正确时刻施加驱动力以恢复往复运动。

控制器还可以包括一制动器电路71，当振动子30在重载下失速时，即当超过来自最后预测反向点P_R′或P_L′的预定临界时间期间没有产生驱动脉冲时，停止供给电功率，也就是，超过来自预测反向点P_R′或P_L′的预定时间期间仍未从线圈传感器50的输出得到振动子30的方向变化。制动器电路71从预测反向点P_R′或P_L′开始计数时间区间T_S，并在每次所检测的运动方向变为与方向标志一致时将其置零。当该计数的时间区间T_D超过临界时间期间时，制动器电路71使控制器60停止电磁给体20供电，由此停止电动机的工作。

在上述实施例中，为了对来自光敏器件的输出脉冲与振动子30的实际往复运动中心之间的偏差进行校正，分别由以前的右侧往复运动时间区间T_R和左侧往复运动时间区间T_L来确定右和左反向点P_R和P_L。但是，在光敏器件40可以同振动子30上的传感器板42的裂口43正确对中时，如图6所示，就可以由来自光敏器件的以前的两个输出脉冲简单地确定出右和左的反向点。即，取以前的脉冲来给出共同的往复运动时间区间T_C，以使下一个反向点P_R和P_L被确定为从最后脉冲延迟二分之一的时间区间T_C/2。在此情况下，使用所检测的瞬时速度作为脉宽T_S的函数来改变给电磁体连续供电的时间，以保持恒定的往复运动振幅。

在上述实施例中，由振动子30的检测速度来计算反馈量。但是，同样可以为了相同的反馈目的用振动子的加速度。在这种意义说明书和权利要求书中所使用的术语″速度″包括″加速度″的含义。进而可以在不背离本发明的范围的情况下给振动子和定子设置电磁体和永磁体。

Claims (8)

1.一种直线往复运动电动机，包括：

一直线振动子，可动地支承在基架上并承载一永磁体；

一定子，固定在所述基架上并具有一电磁体，所述电磁体接受电功率以同永磁体相配合而产生使所述振动子以相对于所述定子的直线方向运动的电磁驱动力；

弹簧装置，给所述振动子施加一恢复力以使直线运动反向，由此给所述振动子提供一直线往复运动；

传感器装置，用于检测振动子的直线运动以提供代表其的信号；

一反向点检测器，根据来自所述传感器装置的信号确定所述振动子的右和左反向点；

一速度检测器，根据来自所述传感器装置的信号，获得所述振动子的瞬时速度；

一控制器，在对所述右和左反向点分别及时后续所确定的右和左驱动点上并以变化的量给所述电磁体供电，以把振动子的往复振动振幅保持为恒定，

其特征在于，所述传感器装置包括：

一光敏器件，输出一串在每次所述振动子通过其往复运动中心时产生的脉冲，

并且所述反向点检测器根据两个以前的脉冲之间的时间区间来确定所述反向点。

2.根据权利要求1所述的往复运动电动机，其中每个所述右和左驱动点被确定为先于紧接着所述振动子到达往复运动的中心时的点。

3.根据权利要求1所述的直线往复运动电动机，其中，所述反向点检测器确定4个连续脉冲的第一和第二之间的右测往复运动时间区间并确定所述4个连续脉冲的第二和第三之间的左侧往复运动时间区间，所述右侧往复运动时间区间对应于所述振动子在往复运动中心的右侧区域中运动时的振动子的二分之一周期，所述左侧往复运动时间区间对应于所述振动子在往复运动中心的左侧区域运动时的振动子的后半周期；其中，

所述反向点检测器把所述右反向点确定为从所所述第三脉冲延迟所述右侧往复运动时间区间的二分之一并把所述左反向点确定为从第四脉冲延迟所述左侧往复运动时间区间的二分之一。

4.根据权利要求1所述的直线往复运动电动机，其中，

所述反向点检测器确定三个连续脉冲的第一和第二之间的基准往复时间区间，所述基准往复时间区间对应于振动子的二分之一周期并且其中，

所述反向点检测器把所述右反向点确定为从所述第二脉冲延迟所述基准往复时间区间的二分之一并把所述左反向点确定为从所述第三脉冲延迟所述基准往复时间区间的二分之一。

5.根据权利要求1所述的直线往复运动电动机，其中，

所述控制器周期性地产生第一和第二驱动脉冲，用于以交替改变所述振动子运动方向的方向给电磁体馈电；

所述控制器产生一方向标志，标志代表其后将要产生的的第一和第二驱动脉冲中的一个；

所述电动机包括辅助检测装置，该装置监测振动子的往复运动以提供代表其的输出；

设置一方向检测器以从所述辅助检测装置的输出检测振动子的变化的运动方向；

所述控制器包括一安全防护电路，其仅在由所述方向检测器所检测的运动方向变成与由所述方向标志所给出的方向相一致时才允许发出第一或第二驱动脉冲。

6.根据权利要求5所述的直线往复运动电动机，其中，所述控制器包括一制动器电路，其从反向点开始计数时间区间并且每次在所检测的运动方向变为同方向标志一致时将时间区间置零，并且当时间区间超出预定临界限度时停止供电。

7.根据权利要求5所述的直线往复运动电动机，其中，所述辅助检测装置包括一安装到所述基架上的绕组和一装载在所述振动子上的传感器磁体，所述绕组产生一正弦波信号，其代表响应于振动子的运动的所述变化的运动方向。

8.根据权利要求5所述的直线往复运动电动机，其中，所述辅助检测装置包括一安装到所述基架上的霍尔效应器件和一装载在所述振动子上的传感器磁体，所述霍尔效应器件产生一正弦波信号，其代表响应于振动子的运动的所述变化的运动方向。

Images