CN108494213A - 一种电磁-永磁混合作用的直线作动器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁‑永磁混合作用的直线作动器，其主要部件包括基座、线圈、铁芯、顶部衔铁、永磁体、弹簧、吸合衔铁、吊环活塞；当线圈未通电时，吸合衔铁受到的永磁体的磁场吸力不足以克服弹簧给与吸合衔铁的弹力，因此吸合衔铁的下表面与顶部衔铁的上表面保持一定的气隙；当线圈通电后，吸合衔铁受到的磁场吸力大于弹簧的弹力，吸合衔铁向下移动，直至吸合衔铁的下表面与顶部衔铁的上表面相抵或者弹簧弹力与磁场吸力相等达到力平衡为止；可以通过线圈的通电与断电来实现吊环活塞的往复运动，或者依靠控制线圈的电流大小来对吊环活塞的轴向位置进行控制；本发明具有设计新颖、结构紧凑、能耗小、作动力大等特点。

Description

一种电磁-永磁混合作用的直线作动器及使用方法

技术领域

本发明属于主动控制装置领域，具体涉及一种电磁-永磁混合作用的直线作动器及使用方法。

背景技术

作动器是主动控制系统的关键部件之一，它通过确定的控制率来对受控对象施加作用力。直线型作动器是将控制器输出的电信号转换为活塞的位移或推力。活塞的移动可以由气压、液压、电磁三种形式实现。气压型或液压型直线作动器存在效率低、响应慢、结构复杂、泄漏密封、环境污染、重量大等诸多缺陷，因而使用范围受限，而电磁型直线作动器则可以很好的解决上述缺陷。因此，受到了广泛的关注并得到了广泛的应用。

电磁型直线作动器的磁场如果完全依靠对线圈中通入电流的方式来产生，则推力较小，因此需要采取提高电流或增加匝数的方式来提高推力，这样就势必会增加能耗以及作动器的体积。基于此，本发明考虑将永磁体安装于电磁作动器中，利用电磁和永磁耦合励磁的原理，提出一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，以较好地解决上述问题。

发明内容

为了解决现有分类技术上的一些不足，本发明提供一种电磁-永磁混合作用的直线作动器及使用方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，零件包括吊环活塞、小铜套、外筒端盖、吸合衔铁、大铜套、紧固圆筒、弹簧、螺钉、磁极盖板、磁极支撑块、永磁体、磁极垫板、顶部衔铁、铁芯、线圈及基座。

外筒端盖的轴截面为“冂”字型的圆筒管状结构，外筒端盖包覆在基座外并与基座的螺纹连接，外筒端盖与基座连接后构成密闭的腔体结构。

紧固圆筒环绕于基座外侧并与基座以及外筒端盖同轴，紧固圆筒与基座的定位凸台外侧面通过螺纹相互连接，铁芯同轴安装在基座圆筒内，且铁芯底部与封底盘连接，线圈包覆在铁芯外并环绕铁芯轴线缠绕，且线圈的外表面与基座圆筒的内表面设一定宽度的气隙。

顶部衔铁位于基座内与铁芯上端面连接并与基座同轴，顶部衔铁上端面外缘均布六个沿轴向朝上沿径向朝外的方形缺口，且顶部衔铁的方形缺口和基座的方形缺口同轴且相对，二者共同构成六个横截面呈矩形的定位槽，磁极垫板为闭合环状结构，同轴安放于定位槽的底部，永磁体数量与定位槽数量一致，且每个定位槽内均设一个永磁体。磁极支撑块数量与永磁体数量一致，每一个磁极支撑块分别嵌于磁极垫板的上表面、永磁体的侧面、顶部衔铁的外缘表面、基座圆筒的内径表面所组成的空隙内，永磁体、磁极支撑块的上表面覆盖磁极盖板，磁极盖板通过螺钉与基座上端面连接，外筒端盖设有与外筒端盖同轴的活塞孔，小铜套同轴固定安装于活塞孔内，且小铜套外缘表面与活塞孔过盈配合，吊环活塞通过小铜套与活塞孔滑动连接，吊环活塞的外缘表面与小铜套的内孔间隙配合。吊环活塞的下端位于外筒端盖内并与吸合衔铁通过螺纹连接，吸合衔铁位于外筒端盖内并与外筒端盖同轴，大铜套嵌于吸合衔铁的圆周面外缘，大铜套的外缘表面与外筒端盖的筒状部分内表面间隙配合。吊环活塞和吸合衔铁螺纹连接后的组合体可沿轴向方向滑动导向运动。

弹簧位于基座与外筒端盖接触面之间位置，同轴包覆在基座外表面，所述弹簧的下端面与定位凸台上端面相抵，弹簧的上端面与吸合衔铁的下端面相抵。

进一步的，所述的基座、铁芯、顶部衔铁、吸合衔铁、螺钉均为导磁性金属材料。

进一步的，所述外筒端盖、紧固圆筒、吊环活塞、弹簧、大铜套、小铜套为非导磁金属材料，其中，大铜套、小铜套的材质为铜。

进一步的，所述的大铜套为对称分布的两个半圆环构成。

进一步的，所述的磁极垫板、磁极支撑块、磁极盖板均为非导磁非金属材料。

进一步的，所述的永磁体下端面与磁极垫板相抵，各永磁体磁极同向安装（例如N极均指向顶部衔铁），永磁体的两端磁极与顶部衔铁与基座圆筒相接触，永磁体、顶部衔铁、铁芯、基座四个零件构成完整的磁路。

进一步的，所述的线圈与铁芯产生的磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。

一种电磁-永磁混合作用的直线作动器的使用方法，其使用方法为线圈未通电时，吸合衔铁受到的磁场吸力小余弹簧的弹力，使吸合衔铁与顶部衔铁的上表面保持一定的气隙；线圈通电后，吸合衔铁受到的磁场吸力大于弹簧的弹力，吸合衔铁下压压缩弹簧，直至吸合衔铁的下表面与顶部衔铁的上表面相抵或者吸合衔铁受到的磁场吸力与弹簧的弹力相等达到力平衡为止；通过对线圈的通电与断电，可以使吸合衔铁带动吊环活塞实现往复运动；也可以通过控制线圈电流的大小，来控制吸合衔铁与顶部衔铁之间的气隙高度，从而对吊环活塞的轴向位置进行控制。

本发明结构简单，使用灵活方便，响应迅速，驱动力输出稳定且驱动力大，环境污染性低，同时有效降低了作动器运行过程中，对电能依赖程度，从而达到在降低运行能耗的同时，有效的提高了设备运行的稳定性和可靠性，并极大的提高了适用范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的作动器的外观图；

图2为本发明的作动器的装配分解图；

图3为本发明的作动器中，基座分解为基座圆筒和封底盘后的示意图；

图4为本发明的作动器的第一剖视图，其剖视平面通过永磁体的中心；

图5为本发明的作动器的第二剖视图，其剖视平面通过螺钉中心；

图6为本发明的作动器中，从第一剖视图视角观察，线圈未通电时磁力线的分布图；

图7为本发明的作动器中，从第一剖视图视角观察，线圈通电后磁力线的分布图；

图8为本发明的作动器中，从第一剖视图视角观察，线圈通电后，吸合衔铁向下移动与基座的上表面相抵，弹簧遭吸合衔铁压缩的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1—8所述的一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，零件包括吊环活塞1、小铜套2、外筒端盖3、吸合衔铁4、大铜套5、紧固圆筒6、弹簧7、螺钉8、磁极盖板9、磁极支撑块10、永磁体11、磁极垫板12、顶部衔铁13、铁芯14、线圈15及基座16。

外筒端盖3的轴截面为“冂”字型的圆筒管状结构，外筒端盖3包覆在基座16外并与基座16的螺纹连接，外筒端盖3与基座16连接后构成密闭的腔体结构。

紧固圆筒6环绕于基座16外侧并与基座16以及外筒端盖3同轴，紧固圆筒6与基座16的定位凸台外侧面通过螺纹相互连接，铁芯14同轴安装在基座16的圆筒1601内，并与封底盘1602连接，线圈15包覆在铁芯14外并环绕铁芯14轴线缠绕，且线圈15的外表面与基座圆筒1601的内表面设一定宽度的气隙。

顶部衔铁13位于基座16内与铁芯14上端面连接并与基座16同轴，顶部衔铁13的上端面外缘均布六个沿轴向朝上沿径向朝外的方形缺口，且顶部衔铁13的方形缺口和基座16的方形缺口同轴且相对，二者共同构成六个横截面呈矩形的定位槽，磁极垫板12为闭合环状结构，同轴安放于定位槽的底部，永磁体11数量与定位槽数量一致，且每个定位槽内均设一个永磁体11。磁极支撑块10数量与永磁体11数量一致，每一个磁极支撑块10分别嵌于磁极垫板12的上表面、永磁体11的侧面、顶部衔铁13的外缘表面、基座圆筒1601的内径表面所组成的空隙内，永磁体11、磁极支撑块10的上表面覆盖磁极盖板9，磁极盖板9通过螺钉8与基座16上端面连接，外筒端盖3上端面设有与外筒端盖3同轴的活塞孔，小铜套2同轴固定安装于活塞孔内，且小铜套2外缘表面与活塞孔过盈配合，吊环活塞1通过小铜套2与活塞孔滑动连接，吊环活塞1的外缘表面与小铜套2的内孔间隙配合。吊环活塞1的下端位于外筒端盖3内并与吸合衔铁4通过螺纹连接，吸合衔铁4位于外筒端盖3内并与外筒端盖3同轴，大铜套5嵌于吸合衔铁4的圆周面外缘，大铜套5的外缘表面与外筒端盖3的筒状部分内表面间隙配合。吊环活塞1和吸合衔铁4螺纹连接后的组合体可沿轴向方向滑动导向运动。

弹簧7位于基座16与外筒端盖3接触面之间位置，同轴包覆在基座16外表面，所述弹簧7的下端面与定位凸台上端面相抵，弹簧7的上端面与吸合衔铁4的下端面相抵。

本实施例中，所述的基座16、铁芯14、顶部衔铁13、吸合衔铁4、螺钉8均为导磁性金属材料。

本实施例中，所述外筒端盖3、紧固圆筒6、吊环活塞1、弹簧7、大铜套5、小铜套2为非导磁金属材料，其中，大铜套5、小铜套2的材质为铜。

本实施例中，所述的大铜套5为对称分布的两个半圆环构成。

本实施例中，所述的磁极垫板12、磁极支撑块10、磁极盖板9均为非导磁非金属材料。

本实施例中，所述的永磁体11下端面与磁极垫板12相抵，各永磁体11磁极同向安装（例如N极均指向顶部衔铁13），永磁体11的两端磁极与顶部衔铁13与基座圆筒1601相接触，永磁体11、顶部衔铁13、铁芯14、基座16四个零件构成完整的磁路。

本实施例中，所述的线圈15与铁芯14产生的磁场方向与永磁铁11的磁场方向相反。

本发明在装配时，上述所有零件分为第一组件、第二组件、弹簧7、紧固圆筒6四部分。

第一组件：

基座16为封底的圆筒状结构。封底盘1602与基座圆筒1601同轴连接构成基座16，且封底盘1602的直径大于基座圆筒1601的外径，并在位于封底盘1602上大于基座圆筒1601的外径处绕旋转轴均布若干通孔，利用该通孔可以使基座16固定在基体上。作动器工作时，基座16的位置保持不变。

铁芯14由线圈15缠绕，二者组合构成的铁芯线圈组合体，同轴安装在基座圆筒1601内，并与封底盘1602连接；铁芯线圈组合体的外径小于基座圆筒1601的内径，也就是要使缠绕后的线圈15的圆周面外缘与基座圆筒1601的内壁之间留一定的气隙。

顶部衔铁13同轴安装在基座圆筒1601内、铁芯线圈组合体的顶部，在顶部衔铁13的外缘沿旋转轴均布六个沿轴向朝上沿径向朝外的方形缺口；相应的，在基座圆筒1601的内侧顶部，也沿旋转轴均布六个沿轴向朝上而沿径向朝内的方形缺口，并与顶部衔铁13的的六个方形缺口相匹配构成六个横截面为矩形的定位槽，用于安放永磁体11及其支撑件。

顶部衔铁13和基座圆筒1601所构成的六个定位槽与顶部衔铁13和基座圆筒1601之间的气隙相连会形成一个较大的开口空间，在这个空间内先安放磁极垫板12，其目的既可以防止永磁体11的下表面被定位槽的棱角划伤，又可以起到托举永磁体11的作用，使永磁体11的下表面不被悬空，防止永磁体11沿其下表面发生断裂；然后再在每个定位槽内各压入一块永磁体，并使所有永磁体11的相同磁极（例如N极）均指向轴线，且永磁铁11的两端磁极与顶部衔铁13与基座圆筒1601相接触，使永磁体11、顶部衔铁13、铁芯14、基座16四个零件构成完整的磁路；磁极垫板12的上表面、永磁体11的侧面、顶部衔铁13的外缘表面、基座圆筒1601的内径表面会再次形成六个环形槽，槽内安放磁极支撑块10，其目的是将永磁体11沿圆周方向压紧，给予永磁体11圆周方向上的支撑，防止永磁体11沿侧面发生断裂；最后，永磁体11、磁极支撑块10的上表面覆盖磁极盖板9，将永磁体11沿轴向压紧，在基座圆筒1601上表面沿中心旋转轴均布六个螺纹孔，使用螺钉8将磁极盖板9固定在基座16上；对线圈15的绕线方向或电流流向的规定为线圈15通电后使铁芯14的磁场方向与永磁铁11的磁场方向相反。

至此完成第一组件的装配。

第二组件：

外筒端盖3为封顶的筒状结构，封顶用的圆盘中心留有活塞孔，活塞孔内套小铜套2，吊环活塞1通过小铜套2内孔插入，其中吊环活塞1的外螺纹部分插入外筒端盖3的内部，小铜套2给予吊环活塞1沿轴向移动时的滑动导向作用；吸合衔铁4安装在外筒端盖1的圆筒内，吊环活塞1的外螺纹与吸合衔铁4的内螺纹连接在一起；吸合衔铁4的圆周外缘内嵌安装大铜套5，吸合衔铁4和大铜套5一起安装在外筒端盖3的圆筒内，大铜套5给予吸合衔铁4沿轴向移动时的滑动导向作用。

至此完成第二组件的装配。

然后将第一组件、第二组件、弹簧7、紧固圆筒6四部分装配在一起。

第一组件的基座圆筒1601的外缘表面多出一个台阶面，台阶面的上表面安放弹簧7；在台阶面的外缘有一段外螺纹，用于与外筒端盖3以及紧固圆筒6的内螺纹相连接。安装时，先在台阶面上安放弹簧7；然后再将紧固圆筒6旋转拧在基座圆筒16的外螺纹上；随后将第二组件与第一组件组合在一起，第二组件的外筒端盖3套装于基座圆筒1601，弹簧7的上表面与吸合衔铁4的下表面相接触；接着第二组件的外筒端盖3的内螺纹旋转拧在基座圆筒1601的外螺纹上，使吸合衔铁4受到外筒端盖3的下压从而给予弹簧7一定的预紧压力，而吸合衔铁4受到弹簧7向上的弹力使吸合衔铁4的下表面与顶部衔铁13的上表面相分离，从而使吸合衔铁4和顶部衔铁13之间保持一定的气隙；最后紧固圆筒6向上回旋，使紧固圆筒6的上表面与外筒端盖3的筒状部分的下表面相接触并压紧，防止外筒端盖3在工作时脱落，起到防松的作用。

至此完成整个电磁-永磁混合作用的直线作动器的装配。

一种电磁-永磁混合作用的直线作动器的使用方法，其使用方法为线圈15未通电时，吸合衔铁4受到的磁场吸力小余弹簧7的弹力，使吸合衔铁4与顶部衔铁13的上表面保持一定的气隙；线圈15通电后，吸合衔铁4受到的磁场吸力大于弹簧7的弹力，吸合衔铁4下压压缩弹簧7，直至吸合衔铁4的下表面与顶部衔铁13的上表面相抵或者吸合衔铁4受到的磁场吸力与弹簧7的弹力相等达到力平衡为止；通过对线圈15的通电与断电，可以使吸合衔铁4带动吊环活塞1实现往复运动；也可以通过控制线圈15电流的大小，来控制吸合衔铁4与顶部衔铁13之间的气隙高度，从而对吊环活塞的轴向位置进行控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，其特征在于：所述的电磁-永磁混合作用的 直线作动器包括吊环活塞、小铜套、外筒端盖、吸合衔铁、大铜套、紧固圆筒、弹簧、螺钉、磁 极盖板、磁极支撑块、永磁体、磁极垫板、顶部衔铁、铁芯、线圈和基座；所述的基座为封底的 圆筒管状结构，其轴截面呈“”字型，位于下端的封底盘与基座同轴，且封底盘上绕轴线环 状均布若干通孔，所述的基座顶部内侧面环绕基座轴线均布六个沿轴向朝上沿径向朝内的 方形缺口，所述的基座圆筒外侧面设一个定位凸台，所述的定位凸台为与基座同轴的环状 结构；所述的外筒端盖的轴截面为“冂”字型的圆筒管状结构，所述的外筒端盖包覆在基座 外并与基座的螺纹连接，外筒端盖与基座连接后构成密闭的腔体结构；所述紧固圆筒环绕 于基座外侧并与基座以及外筒端盖同轴，所述的紧固圆筒与基座的定位凸台外侧面通过螺 纹相互连接，所述的铁芯同轴安装在基座圆筒内，并与封底盘连接，所述的线圈包覆在铁芯 外并环绕铁芯轴线缠绕，且线圈的外表面与基座圆筒的内表面设有气隙；所述的顶部衔铁 位于基座内并与铁芯上端面连接并与基座同轴，所述的顶部衔铁的上端面外缘均布六个沿 轴向朝上沿径向朝外的方形缺口，且顶部衔铁的方形缺口和基座的方形缺口同轴且相对， 二者共同构成六个横截面呈矩形的定位槽，所述的磁极垫板为闭合环状结构，同轴安放于 定位槽的底部，所述的永磁体数量与定位槽数量一致，且每个定位槽内均设一个永磁体；所 述的磁极支撑块数量与永磁体数量一致，每一个磁极支撑块分别嵌于磁极垫板的上表面、 永磁体的侧面、顶部衔铁的外缘表面、基座圆筒的内径表面所组成的空隙内，所述的永磁 体、磁极支撑块的上表面覆盖磁极盖板，所述的磁极盖板通过螺钉与基座上端面连接，所述 的外筒端盖设有与外筒端盖同轴的活塞孔，所述的小铜套同轴固定安装于活塞孔内，且小 铜套外缘表面与活塞孔过盈配合，所述的吊环活塞通过小铜套与活塞孔滑动连接，吊环活 塞的外缘表面与小铜套的内孔间隙配合；吊环活塞的下端位于外筒端盖内并与吸合衔铁通 过螺纹连接，所述的吸合衔铁位于外筒端盖内并与外筒端盖同轴，大铜套嵌于吸合衔铁的 圆周面外缘，大铜套的外缘表面与外筒端盖的筒状部分内表面间隙配合；吊环活塞和吸合 衔铁螺纹连接后的组合体可沿轴向方向滑动导向运动；所述的弹簧位于基座与外筒端盖接 触面之间位置，同轴包覆在基座外表面，所述弹簧的下端面与定位凸台上端面相抵，所述弹 簧的上端面与吸合衔铁的下端面相抵。

2.根据权利要求1所述一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，其特征在于，所述的基座、铁芯、顶部衔铁、吸合衔铁、螺钉均为导磁性金属材料。

3.根据权利要求1所述一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，所述外筒端盖、紧固圆筒、吊环活塞、弹簧、大铜套、小铜套为非导磁金属材料，其中，大铜套、小铜套的材质为铜。

4.根据权利要求1所述一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，其特征在于，所述的磁极垫板、磁极支撑块、磁极盖板均为非导磁非金属材料。

5.据权利要求1所述一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，其特征在于，所述的永磁体下端面与磁极垫板相抵，各永磁体磁极同向安装（例如N极均指向顶部衔铁），永磁体的两端磁极与顶部衔铁与基座圆筒相接触，永磁体、顶部衔铁、铁芯、基座四个零件构成一个完整的磁路。

6.据权利要求1所述一种电磁-永磁混合作用的直线作动器，其特征在于，所述的线圈与铁芯产生的磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。

7.一种电磁-永磁混合作用的直线作动器的使用方法，其特征在于，所述的电磁-永磁混合作用的直线作动器的使用方法为线圈未通电时，吸合衔铁受到的磁场吸力小余弹簧的弹力，使吸合衔铁与顶部衔铁的上表面保持一定的气隙；线圈通电后，吸合衔铁受到的磁场吸力大于弹簧的弹力，吸合衔铁下压压缩弹簧，直至吸合衔铁的下表面与顶部衔铁的上表面相抵或者吸合衔铁受到的磁场吸力与弹簧的弹力相等达到力平衡为止；通过对线圈的通电与断电，可以使吸合衔铁带动吊环活塞实现往复运动；也可以通过控制线圈电流的大小，来控制吸合衔铁与顶部衔铁之间的气隙高度，从而对吊环活塞的轴向位置进行控制。