CN110226280B - 电致动器 - Google Patents

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Abstract

一种电致动器组件，具有支撑壳体(28，124)，固定在所述支撑壳体(28，124)上的第一定子磁场发生组件(26)和可移动电枢组件(22)。所述可移动电枢组件(22)包括具有中心支撑件(150)的板组件。所述电致动组件还包括第一电枢磁场发生组件，其被配置为提供与所述第一定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供所述可移动电枢组件(22)沿参考轴线的线性运动，所述第一电枢磁场发生组件包括固定到所述中心支撑件的相对侧的第一和第二磁性组件。在另一个实施例中，所述电线性致动器(20)包括联接到线性组件(25)的转动部件(27)以随其运动。所述转动部件(27)包括为比定子磁场发生组件更长或者更短中的一个电枢磁场发生组件。

Description

电致动器
背景技术
以下讨论仅用于一般背景信息，并不旨在用作本主题范围内的目的。
这里公开的方面涉及致动器，尤其涉及电磁致动器的结构，该电磁致动器需要施加线性力，并且可能与提供扭矩相结合。这种致动器的特别有利的用途在于用于测试材料，部件，消费产品以及医疗和其他装置(即测试样本)的参数和/或性能的测试机器或设备。通常，测试机器包括一个或多个致动器以施加输入负载和位移。
发明内容
一个总体方面包括电致动器，其具有固定到支撑壳体的第一和第二定子磁场发生组件。设置在支撑壳体中的可移动电枢组件，其包括被配置为提供与所述第一定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供所述可移动电枢组件沿参考轴线的线性运动的第一电枢磁场发生组件和被配置为提供与所述第二定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供所述可移动电枢组件的至少一部分的旋转运动的第二电枢磁场发生组件。所述第二电枢磁场发生组件比所述第二定子磁场发生组件更长或者更短。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。磁场发生组件可以由绕组或磁铁形成：特别是，第一定子磁场发生组件包括绕组，其中第一电枢磁场发生组件包括永磁体；其中第二定子磁场发生组件包括绕组；其中第二电枢磁场发生组件包括绕组。
第一电枢磁场发生组件可具有圆柱形或平面形状。电致动器组件可包括将第二电枢磁场发生组件可旋转地连接到第一电枢磁场发生组件的轴承。轴承可包括推力轴承，角接触轴承，和/或锥形轴承；该推力轴承与被配置为对水平载荷作出反应的附加轴承间隔开。
在一个实施例中，电致动器组件被配置成其中第一电枢磁场发生组件包括中心支撑件，第一和第二磁组件固定到中心支撑件的相对侧。如果需要，中心支撑件可以由比第一和第二磁性组件更软的材料制成。在一个实施例中，第二电枢磁场发生组件用紧固件固定到中心支撑件，其中第二电枢磁场发生组件与中心支撑件间隔开，以便抵靠第一和第二磁性组件。在另一个实施例中，轴在沿第一电枢磁场发生组件的纵向长度延伸的孔内延伸。电致动器组件可包括利用紧固件固定到中心支撑件的端部构件，其中端部构件与中心支撑件间隔开以抵靠第一和第二磁性组件。
在又一个实施例中，轴承将第二电枢磁场发生组件支撑在轴上，该轴至少部分地延伸到第一电枢磁场发生组件中，而在另一个实施例中，轴在沿第一电枢磁场发生组件的纵向长度延伸的孔内延伸。
另一个一般方面包括电致动器组件，其具有支撑壳体，固定到支撑壳体的第一定子磁场发生组件和可移动电枢组件。可移动电枢组件包括具有中心支撑的板组件。电致动器组件还包括第一电枢磁场发生组件，其配置成提供与第一定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供可移动电枢组件沿参考轴线的线性运动，第一电枢磁场发生组件包括第一电枢磁场发生组件。第二磁性组件固定到中心支撑件的相对侧。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。电致动器组件，其中中心支撑件由比第一和第二磁性组件更软的材料制成。电致动器组件包括用紧固件固定到中心支撑件的端部构件，其中端部构件与中心支撑件间隔开以便抵靠第一和第二磁性组件。
附图说明
图1是具有本文公开的致动器的示例性测试机器的立体图；
图1A是具有不同运行配置的致动器的立体图；
图2A是第一致动器的示意性剖视图；
图2B 是第二致动器的示意剖视图；
图3是第一致动器的实施例的立体剖视图；
图4是具有第一轴承配置的致动器的旋转部件的示意性剖视图；
图5是具有第二轴承配置的致动器的旋转部件的示意性剖视图；
图6是具有第三轴承配置的致动器的旋转部件的示意性剖视图；
图7是第四致动器的示意性剖视图；
图8是第五致动器的示意性剖视图；
图9是图1的致动器的示意性立体图；
图10是沿平行于致动器纵轴的轴线截取的图9的致动器的示意性剖视图；
图11是沿垂直于致动器纵轴的轴线截取的图9的致动器的示意性剖视图；
图12是致动器的一端的示意剖视图。
具体实施方式
本公开提供了一种能够线性和/或旋转移位的电致动器。执行器可用于许多不同的应用。在一个非限制性但有利的实施例中，电动致动器设置在图1所示的测试机10中。通常，测试机10包括十字头12，该十字头12可通过未示出的十字头驱动器(马达，齿轮减速器，传动带等)在垂直柱14上移动，其中柱 14又由底座15支撑。具有本文所述方面的电动致动器20安装在十字头12上，以便在垂直柱14上移动。壳体21围绕电动致动器20，并且还安装在十字头12 上以随其移动。提供用户界面24以至少部分地控制电动致动器20和测试机器10，尽管通常，测试机器10还包括生成图形用户界面(GUI)的计算设备，用户可以通过该图形用户界面进一步控制测试机10。在一个替代实施例中，测试机10的尺寸可以由桌面支撑。在图1中，致动器20具有下端，诸如试样的物体可操作地连接到该下端。在图1A中，致动器20具有上端，物体可操作地连接到该上端。应该理解的是，在使用它的应用中，致动器20可以根据需要定向。如本领域技术人员所理解的，电致动器20的部件可具有必要的尺寸以赋予所需的载荷。
图2A和2B示意性地示出了具有线性运动部件25和旋转或扭转运动部件 27的电致动器20的实施例。如图2A所示，电动致动器20包括可动电枢组件 22，其具有固定在其上的第一电枢磁场发生组件23，其具有适于作为线性电动机操作的交替极性的磁场。第一定子磁场发生组件26固定到支撑壳体28，支撑壳体28例如可以固定到图1所示的十字头12上，或者根据致动器20的使用方式，可以使用图1所示的基座或固定装置。
在电枢组件22的一端，在此为下端，设置旋转或扭转运动部件27。旋转或扭转运动部件27包括可旋转(部分和/或完整旋转)以及可线性移动的电枢 34，其具有固定到其上的第二电枢磁场发生组件31，其具有适于作为旋转电动机操作的交替极性的磁场，以及固定到支撑壳体28的第二定子磁场发生组件 30。可旋转电枢34绕轴承组件35A，35B上的中心支撑轴33旋转。在示意性实施例中，支撑板36示意性地示出了可与轴承35A，35B连接的支撑结构，以允许电枢34绕支撑轴33旋转。
绕组控制器40激励电枢22上的第一电枢磁场发生组件和第一定子磁场发生组件26中的至少一个，以及电枢34上的第二电枢磁场发生组件31中和第二定子磁场发生组件30的至少一个，其中每个激励的磁场发生组件相应地包括合适地配置用于产生磁极的绕组，该磁极以所需合适的模式为线性或旋转电动机工作。例如，在一个实施例中，绕组控制器40可以激励第一定子磁场发生组件 26和第二定子磁场发生组件30的绕组，其中在电枢22上的第一电枢磁场发生组件23和在电枢34上的第二电枢磁场发生组件31可包括永磁体。同样，在替代实施例中，电枢磁场发生组件中的一个或两个可包括由绕组控制器40激励的绕组，而定子磁场发生组件中的一个或两个包括磁体。如果电枢磁场发生组件中的一个或两个包括绕组，则提供合适的触点以允许在每个相应电枢的运动存在时激发。
仅作为示例，如果第一定子磁场发生组件26和第二定子磁场发生组件30 均包括绕组，则绕组控制器40激励线性运动部件25的一个或多个定子绕组26 以及旋转或扭转运动部件27的一个或多个定子绕组30，以便实现电枢组件22 相对于支撑壳体28的所需运动。特别地，线性运动部件25的一个或多个定子绕组26的受控激励将导致致动器组件22，特别是可旋转电枢34的轴向位移(在图2A和2B的图示中向上和向下)。如果还希望引起可旋转电枢34的旋转，则绕组控制器40激励一个或多个定子绕组30，以使电枢34绕支撑轴33旋转。
参考图2A和2B中的任一个，电枢34上的第二电枢磁场发生组件31和第二定子磁场发生组件30具有不同的轴向长度。即使电枢34的轴向位置被线性运动部件25移位，这种结构也允许电枢34和定子30的磁场相互作用并由此引起电枢34的旋转。如图2A所示，电枢34上的第二电枢磁场发生组件31轴向长于第二定子磁场发生组件30，而在图2B中，电枢34上的第二电枢磁场发生组件31轴向短于第二定子磁场发生组件30。在图2A所示类型的一个有利实施例中，电枢34上的第二电枢磁场发生组件31包括磁铁，而第二定子磁场发生组件30包括绕组。该实施例是有利的，因为成本通常较低，由于图2A的实施例中绕组的数量与类似配置的图2B的实施例中的更少。
还应注意，线性运动部件25中的电枢的形状可以是如图2A所示的管状的，或者可以是图2B中所示的可移动板的形式。线性运动部件25的电枢例如由在 29处示意性地表示的线性引导件引导。在图2B的实施例中，由于提供的示意性剖视图，未示出电枢上的第一电枢磁场发生组件和第一定子磁场发生组件。第一电枢磁场发生组件将安装在线性引导件29的相对侧上的板构件37(其中一个示出)上。
图3是以类似于图2A中示意性示出的方式构造的示例性可旋转或扭转运动部件27的剖视图。可旋转或扭转运动部件27包括固定到十字头12或与十字头12一体形成作为单个整体的支撑套环50。支撑套环50支撑第二定子磁场发生组件30。电枢34包括端部安装板或构件52，力通过该端部安装板或构件52 施加到例如试样上。在所示的实施例中，端部构件52包括具有足够直径的圆柱形壁54，以便与电枢34相对于在一个实施例中包括绕组的第二定子磁场发生组件30的各种线性位置重叠支撑套环50。圆柱形壁54抑制污染物或其他碎屑与电枢34接触。
端部构件52固定到用于在电枢34上的第二电枢磁场发生组件的圆柱形支撑件60的一端，在一个实施例中，包括与其结合的单个磁体。在与端部构件 52相对的一端，上安装环62固定到电枢34的圆柱形支撑件60上。支撑轴33 延伸穿过电枢34，其中通常以35A，35B安装在其上的轴承组件允许电枢34 的圆柱形支撑件60相对于支撑轴33转动。该实施例中，每个轴承组件35A， 35B包括轴向推力轴承70，轴向推力轴承70构造成通过电枢34上的支撑轴33 和圆柱形支撑件60传递轴向力。轴向推力轴承70例如可包括滚针轴承组件。推力轴承70可操作地连接在圆柱形支撑件60和支撑板74之间。诸如螺母75 的紧固件接合设置在支撑轴33上的螺纹并将电枢组件保持在一起。
在电枢34的上端，推力轴承70可操作地连接在圆柱形支撑件60和设置在支撑轴33上的环形肩部80之间。鉴于推力轴承70通常不适合承载横向负载，在垂直于旋转轴线的情况下，还提供了适合于对这种横向载荷作出反应的附加轴承组件72。例如但不限于，附加轴承组件72可包括滚子轴承。附加轴承72 的内圈固定到支撑轴33，而外圈通过示例固定环86固定到圆柱形支撑件60，固定环86将外圈固定在圆柱形支撑件60的环形凸缘88上。
优选地，旋转或扭转运动部件27的部件在轴向方向上预加载的量大于由致动器20施加的最大轴向载荷，例如从线性运动部件25施加到试样。以这种方式，可以保持电枢组件22，电枢34和端部构件52的精确线性定位可以确保。在所示的实施例中，紧固件90(示出其一部分)将端部构件52固定到圆柱形支撑件60的一端，而紧固件92，类似于紧固件90，将安装环62固定到圆柱形支撑件60在端部构件52相对的一端上。同样，螺母75预加载推力轴承70，以便超过致动器20施加的轴向力。在所示的实施例中，紧固件(其中一个在 77处示出)将支撑轴33安装到线性运动电枢的一端104。
旋转传感器可操作地配置，以便提供指示电枢34旋转的输出信号。旋转传感器可以采用多种形式。在所示的实施例中，示出了编码器，其中具有位置标记的编码器环102安装到安装环62并与安装环62一起旋转。编码器的感测部件(未示出)被适当地安装以便感测编码器环的运动。如果需要，或者替代地，可以提供模拟旋转变压器以测量电枢34的绝对旋转位置。在所示的实施例中，旋转变压器包括安装在设置在支撑轴33中的腔中的固定部件106，同时可旋转元件108延伸穿过设置在支撑轴33中的孔110，并通过紧固件81固定在端部构件52上，使得可旋转元件108随着电枢34的旋转而旋转。所示的每个旋转传感器随着线圈线性地移动。在另一个实施例中，如果需要，不是如图所示那样定位，旋转传感器可以在其端部安装到电枢34。
图4，5和6示意性地示出了用于扭转运动部件27的其他轴承布置，其中相同的附图标记已用于具有与上述相同功能的部件。图4的实施例总体上示出了轴承35A和35B，其允许支撑件60相对于主轴3旋转。固定到支撑轴33的螺母75预加载轴承35A和35B。图2的实施例。图5的实施例类似于图4的实施例，其中轴承85A和85B是角接触轴承。图6的实施例类似于图4的实施例，其中轴承87A和87B是圆锥滚子轴承。这些实施例是可以使用但不应被视为限制的其他示例性轴承布置和组件。这些轴承中的任何一个都可以串联堆叠在一起，以增加承载能力。
图7和8示意性地示出了电动致动器的其他构造，该电动致动器具有能够进行线性和旋转运动的可移动电枢组件。首先参考图7的实施例，电致动器91 包括可相对于支撑结构95移动的电枢组件93。电致动器91包括线性运动部件 97和旋转或扭转运动部件99。与先前实施例不同，其中，旋转或扭转运动部件直接支撑用于给试样或其他部件提供载荷的端部构件101，旋转或扭转运动部件99安装在电枢组件93的相对端。应当注意，旋转或扭转运动部件99示意性地示出，但是可以包括上面讨论的任何特征，特别是关于图2A和2B描述的特征。
在旋转或扭转运动部件99安装在与端部构件101相对的端部上的情况下，支撑轴111安装并构造成在用于线性运动部件97的电枢组件内旋转。上轴承组件103A和下轴承组件103B允许支撑轴111相对于用于线性运动部件97的电枢组件的旋转。通常，至少一个轴承组件被预加载以维持由致动器91施加到例如试样的最大轴向载荷。在所示的示例性实施例中，下轴承组件103B包括推力轴承105A和105B以及径向或侧向承载轴承107。诸如螺母的紧固件109螺纹接合支撑轴111的端部并进一步接合弹簧元件113，例如贝尔维尤型垫圈，其将预加载力传递给推力轴承105A和105B。上轴承103A可包括径向或侧向承载轴承，允许支撑轴111相对于线性运动部件97的电枢旋转。在115处示意性示出的线性轴承引导电枢组件93以相对于支撑结构线性运动。未示出但功能与图2A中所示的相似的合适的电枢和定子磁场发生组件，安装在电枢组件93 和支撑结构95上，以提供电枢组件93的受控线性运动。
在图8中示意性地示出了另一个电动致动器组件131的部分。在该实施例中，旋转或扭转运动部件133将直接支撑端部构件135。与如图7所示的支撑轴111完全延伸穿过线性运动部件97的电枢中的孔不同，支撑轴137仅部分地在线性运动部件143的电枢141中的孔139内延伸。单个轴承组件145允许支撑轴137的旋转。在所示的示例性实施例中，轴承组件145类似于轴承组件 103B，并且包括推力轴承151A和151B以及径向或侧向承载轴承153。图4-6 中示出任意轴承组件都可以使用。诸如螺母的紧固件155可螺纹地接合支撑轴 137的一端，并进一步接合弹簧元件157，例如贝尔维尤型垫圈，其将预加载力传递给推力轴承151A和151B。旋转传感器161光学地监视在支撑轴137上提供的迹象163，以测量其旋转位置。具有图2A中标识的附图标记的电枢和定子磁场发生组件也被指出。
参见图9，10和11所示，电致动器20包括支撑结构120，该支撑结构120 包括相对的侧轨122和将侧轨122的端部连接在一起的上横向构件124。侧轨 122和横向构件124可包括用紧固件或焊接紧固在一起的单独元件。在另一实施例中，侧轨122和横向构件124由单个整体一体地形成在一起。与横向构件 124相对的侧轨122的端部连接到十字头12。在优选实施例中，十字头12包括凹槽130，侧轨122延伸到凹槽130中，安装到凹槽130的下表面132。以这种方式，可以减小组件的总高度。
参见图10和11所示，电致动器20的电枢组件22包括板组件138，板组件138具有包括磁体和平面定子绕组组件142的主表面。定子绕组组件142均安装在支撑结构120上，在优选实施例中，安装在由板组件138的每侧上的相对的侧轨122，横向构件124和十字头12限定的孔板144中。
板组件138包括中心支撑板150，中心支撑板150优选地由诸如铝的轻质材料制成。线性轴承152将中心支撑板150的侧凸缘154连接到侧轨122，以便提供板组件138相对于侧轨122的引导线性运动。磁性组件156均紧固到中心支撑件的相对侧。每个磁性组件156包括背板158，其中磁体(未示出)与其结合。紧固件160将每个后板158固定到中心支撑板150。如果需要，具有用于冷却流体的内部通道164的冷却板162可以固定在支撑结构120的每一侧上并且至少靠近每个定子绕组组件142放置从其中移除热量。
板组件138的结构是特别有利的。通常，该结构是“夹层”结构，包括中心支撑板150和安装在中心支撑板150的相对侧上的磁体背板158。通常，重要的是板组件138非常坚硬。中心支撑板150由相对轻质的材料制成，例如铝，其弯曲不是很硬，但是由于在相对侧安装在其上的磁体背板158，整个结构由于几何形状而变得非常坚硬。
为了防止电源中断时电枢组件22的不受控制的运动，制动组件170(图9) 被配置成在电力损失的情况下阻止或停止电枢组件22的运动。制动组件170 包括至少一个卡钳组件172，卡钳组件172具有间隔开的板，当向电致动器20 供电时，卡钳组件172在其间形成间隙。在所示的实施例中，提供了两个卡钳组件172。每个卡钳组件172固定到支撑结构120，例如，在固定到侧轨122 中设置的孔174之间的侧轨122中的一个中。制动带178在相对的两端连接到中心支撑板150，其中安装支架用于制动带178的端部延伸穿过孔174。制动带 178连接到中心支撑板150，使得制动带178基本上垂直并且基本上平行于电枢组件22的线性运动定位。
当电枢组件22线性移动时，制动带178也以平行路径移动。因为制动带 178在向电致动器20供电时不接触卡钳板，所以当向电致动器20供电时，口径板不对制动带178提供阻力。但是，当电源中断时，卡钳组件172使其板朝向彼此移动。当板朝向彼此移动时，板摩擦地接合制动带178并因此防止电枢组件22的进一步移动。
应该注意的是，电致动器20的旋转或扭转运动部件27不总是需要。而是，在一些应用中可能需要仅具有线性运动部件25的电致动器。在这样的实施例中，线性运动部件25的构造可包括上面讨论的结构。由于在这样的实施例中不存在旋转或扭转运动部件，所以支撑轴33包括如图10所示的支座190。端部构件52使用合适的紧固件固定到单个整体和与支座190的端部一体形成。优选地，支座190安装到板组件138上，以便不具有任何后间隙，或者换句话说，当安装到板组件138时，支座190被预加载。然而，不是直接将支架190安装在中心支撑板150上，使得中心支撑板150承载轴向载荷，而是支座190与后板158的端面接合，以使轴向载荷直接反应到具有磁铁的电枢部件。如图12 所示，在支座190的一端和中心支撑板150的端面202之间提供空间200。合适的紧固件204将支座190安装到中心支撑板150上，例如在支座190中向上延伸的螺栓与设置在中心支撑板150中的螺纹孔208接合。螺栓204被拧紧，直到达到所需的预加载力，该预加载力大于致动器20在操作中施加的轴向力被实现。
应当注意以类似于如上所述将支座190安装到中心支撑板150的方式，该技术也可用于安装旋转和扭转部件27的支撑轴33，以便接合后板158而不是中心支撑板150。再者支撑轴33的端面和中心支撑板150的端面之间设有空间200。合适的紧固件用于将支撑轴33固定到中心支撑板150上。在一个实施例中，提供两个螺栓。螺栓设置在旋转轴线的相对侧上并向上延伸以接合中心支撑板150中的螺纹孔。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (17)

1.一种电致动器组件，包括：
支撑壳体；
第一定子磁场发生组件，其固定在所述支撑壳体上；
第二定子磁场发生组件，其固定在所述支撑壳体上；
可移动电枢组件，其包括：
中心支撑件；
第一电枢磁场发生组件，其固定到所述中心支撑件以与所述中心支撑件一起线性移动并被配置为提供与所述第一定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供所述可移动电枢组件沿参考轴线的线性运动；
轴承，其固定到所述中心支撑件以与所述中心支撑件一起线性移动；和
第二电枢磁场发生组件，其通过所述轴承联接到所述中心支撑件以与所述中心支撑件一起线性移动并被配置为提供与所述第二定子磁场发生组件一起操作的磁场，以提供所述第二电枢磁场发生组件绕所述中心支撑件的旋转运动，所述第二电枢磁场发生组件比所述第二定子磁场发生组件相对于所述参考轴线纵向地更长或者更短，使得所述第二电枢磁场发生组件和所述第二定子磁场发生组件可操作地联接以使所述中心支撑件和所述第二电枢磁场发生组件线性运动。
2.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一定子磁场发生组件包括绕组。
3.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件包括永磁体。
4.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第二定子磁场发生组件包括绕组。
5.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第二电枢磁场发生组件包括绕组。
6.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件呈圆柱形状。
7.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件是平面的。
8.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述轴承包括推力轴承，所述推力轴承与配置来应对水平载荷的额外的轴承间隔开。
9.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述轴承包括角接触轴承。
10.如权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述轴承包括锥形轴承。
11.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述中心支撑件至少部分地延伸到第一电枢磁场发生组件中。
12.根据权利要求11所述的电致动器组件，其中，所述中心支撑件在沿着所述第一电枢磁场发生组件的纵向长度延伸的孔内延伸。
13.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件包括固定到所述中心支撑件的相对侧的第一和第二磁性组件。
14.如权利要求13所述的电致动器组件，其特征在于，所述中心支撑件由比所述第一和第二磁性组件更软的材料制成。
15.根据权利要求14所述的电致动器组件，其中，所述第二电枢磁场发生组件利用紧固件固定到所述中心支撑件，其中，所述第二电枢磁场发生组件与所述中心支撑件间隔开以便抵靠所述第一和第二磁性组件。
16.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件比所述第二定子磁场发生组件相对于所述参考轴线纵向地更长。
17.根据权利要求1所述的电致动器组件，其中，所述第一电枢磁场发生组件比所述第二定子磁场发生组件相对于所述参考轴线纵向地更短。
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