CN110326065B - 电磁式线性致动器 - Google Patents

Abstract

电磁式线性致动器包括具有罩套部段(6)和端部件(5)的壳体(1)、设置在壳体(1)中的线圈装置(2)、该线圈装置(2)具有两个围绕共同轴线(A)延伸、并沿相反方向缠绕的、并且彼此沿轴向错开的线圈(19、20)，和在壳体(1)中沿轴线(A)在两个终端位置之间可滑动地支承的衔铁装置(3)，该衔铁装置(3)具有穿过端部件(5)的轴(8)和布置在轴上的、具有轴向磁化的永磁体(10)和两个在端侧布置在该永磁体上的盘形磁通传导件(11)的永磁体装置(9)。背离轴(8)的自由端的第一线圈(19)在其背离轴(8)的自由端的端部上具有内径减小的区域(27)。在第一线圈(19)中在端侧容纳由磁活性材料构成的芯(28)。在衔铁装置(3)的两个终端位置的每一个中，永磁体装置(9)的轴向长度的至少50％被两个线圈(19、20)之一覆盖。

Description

电磁式线性致动器

本发明涉及电磁式线性致动器。更具体地，本发明涉及一种电磁式线性致动器，包括具有罩套部段和端部件的壳体、设置在壳体中的线圈装置(其具有两个围绕公共轴线沿相反方向缠绕并且彼此轴向错开的线圈)、和在壳体中沿轴线在两个终端位置之间可滑动地支承的衔铁装置(Ankerordnung；亦可称为“电枢装置”)，其具有穿过端部件的轴和布置在其上的永磁体装置，该永磁体装置具有轴向磁化的永磁体和两个布置在该永磁体端侧上的盘形磁通传导件，其中，在衔铁装置的两个终端位置的每一个中，永磁体装置的轴向长度的至少50％与两个线圈之一重叠。

电磁式线性致动器在各种实施形式和使用中是已知的。它们各自的构造形式和个性化造型取决于各自的应用。例如，它们取决于相关应用中存在的可用空间、轴在两个终端位置之间行进所需的调节路程(或者说开关行程)、以及轴必须能够施加在部件上的所需的力。可实现的开关动力学、也就是轴用于从一个末端位置移动到另一个末端位置所花费的时间、对于许多应用来说是非常重要的参数。在此应该考虑的是，在各个方面和功率特征参数之间存在依赖关系。因此，由轴提供的调节力(或开关力)通常与尺寸相关，即较大的线性致动器可以提供较大的调节力。然而，由于需要移动较大的质量，可实现的开关动力学通常受此困扰。此外，开关动力学和开关力彼此相关，因为加速衔铁装置所需的力减小了在衔铁装置的运动阶段中有效的开关力。

对应于开头给出的结构类型的电磁式线性致动器特征在于两个稳定的开关状态的可能性，如其适用于根据JP57-198612A和EP1275886A2所述的线性致动器。因此，它们可以设计为所谓的双稳态致动器，其中轴—由于永磁体装置与壳体的相互作用—可以在线圈装置不加载(通电)的情况下保持其两个终端位置的每一个，但是这以相应的方式部分地也适用于相似的构造形式，其具有不同的永磁体装置的实施形式和/或其与线圈装置的适配形式(例如参照US 3504315 A，US 3503022 A，US 4490815 A，CN 101908420 A，US 3202886A和DE 2423722 A)。除了上面已经讨论的方面之外，在这种双稳态电磁致动器中，作为另一方面，还要考虑在稳定的开关状态下作用在衔铁装置上的力(保持力)；因为较高的保持力通常在衔铁装置的减小的初始加速度方面具有显着的效果，并且因此损害了开关动力学。

US 4071042A公开了一种所述类型的电磁式线性致动器，其如权利要求1的前序部分所述、作为上述特征的补充、特征在于，永磁体装置布置在轴的端侧。然而，该电磁式线性致动器不是设计成双稳态致动器，而是设计用于液压伺服阀的致动，为此目的而追求的是，衔铁装置从平衡的中间位置开始的偏转与线圈装置的通电成比例。

US2014/0028420A1也公开了一种所述类型的电磁式线性致动器。其专门设计使得衔铁装置的运动具有非对称特性。该线性致动器具有改变磁通量的端部环，其定位在壳体的罩套部段的与端部件对置的端部区域上。

US 2004/0100345 A1公开了一种设计用于变速器的电磁式线性致动器。其有两个布置在壳罩形的壳体中的线圈，在它们之间有一个中心的磁通传导件。固定的磁通传导件在端侧插入壳体中，衔铁装置的轴延伸穿过该磁通传导件，在衔铁装置的端侧上布置第一可动的磁通传导件。在固定的磁通传导件和第一可动的磁通传导件之间存在第二可动的磁通传导件，其相对壳体以及衔铁装置都可以移动。根据一个线圈、另一个线圈或两个线圈的通电，衔铁装置占据三个定义的位置中的一个。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种所述类型的电磁式线性致动器，其特征在于与现有技术相比改进的运行性能。在这种意义上，上述类型的高动态工作的电磁式线性致动器尤其应具有特别高的调节力。

根据本发明，所述技术问题这样解决，方式为在这种类型的电磁式线性致动器中，背离轴的自由端的第一线圈在其背离轴的自由端的端部上具有内径减小的区域，其中，第一线圈的内径减小的区域在径向上与永磁体装置交叠，并且在第一线圈中在端侧容纳由磁活性材料构成的芯。在本发明框架内实现的永磁体装置与第一线圈的内径减小区域在径向上的交叠在此应理解为，永磁体装置的外径大于第一线圈的内径减小的区域的内径。在电磁式线性致动器的按照本发明的实施例中可以实现的关键优点是之前未知的(如下面详细描述的)、在定子装置和衔铁装置之间作用的电磁力的理想的特性曲线。作用在衔铁装置上的电磁力的所述曲线—尽管在衔铁装置的第一终端位置中作用在该衔铁装置上的保持力是值得注意的—允许衔铁装置的特别高的初始加速度，其中在衔铁装置的后续的调节路程上作用特别均匀延伸的电磁力，这有利地作用于衔铁装置的进一步的加速以及所提供的开关力。接近调节路程结束时，调节力能够再次显著地升高，这在通常的应用情况中是特别有利的。特别是，在调节路程的大部分中在衔铁装置上施加的电磁力的特别均匀的曲线(或走势)是非常有利的。

本发明的第一个优选的改进方案的特征在于，在端侧容纳在线圈装置的第一线圈中的芯与第一线圈的内径减小的区域的整个轴向延伸部相重叠。这有利于力曲线，该力曲线导致衔铁装置的特别高的初始加速度。

根据本发明的另一个优选的改进设计，当第一线圈和第二线圈之间的轴向距离不明显大于缠绕技术上绝对必要的轴向距离时，则力曲线也是特别有利的。理想地，当线圈装置的第一线圈和第二线圈—特别优选地在非磁性活性材料的共同承载套筒上—连续缠绕时，存在于第一线圈和第二线圈之间的轴向距离局限于为了绕组线的无损地弯曲180°所需的尺寸。在实践中，所讨论的距离应至少不超过缠绕技术上绝对必要的尺寸的50％。

根据本发明的另一个优选改进设计规定，在第一线圈和第二线圈之间不布置磁通传导件。这样的磁通传导件可能会导致不均匀的力曲线并且在电磁式线性致动器的按照本发明的设计方案中对其运行性能产生不利的影响。

本发明的另一个优选的改进方案的特征在于，在衔铁装置的第一终端位置中，其中永磁体装置大于50％地与第一线圈重叠(并且通常轴缩回到端部件中)，在芯和永磁体装置的与之相邻的磁通传导件之间存在轴向间隙。以这种方式，可以对所需的起动力(Losbrechkraft)产生积极的影响，该起动力对于使衔铁装置克服作用的保持力而移出第一终端位置是所需的。以特别简单的方式实现这一点的一种方式在于，轴沿轴向穿过永磁体装置并且一部分从永磁体装置继续突出出来。因此，衔铁装置利用轴的相应突起抵靠在芯上并且永磁体装置的磁通传导件与其保持距离。此外，轴有利地由非磁性活性材料构成，优选地由不锈钢构成。这不仅有利于上述作为衔铁装置的“止挡”的功能，而且还因为可以通过这种方式实现磁感的减小以及与之相关地将磁场集中在永磁体装置的与线圈装置存在相互作用的外周部分是有利的。

此外，根据本发明的另一个优选的改进方案，如果永磁体装置在衔铁装置的第一终端位置中与第一线圈的重叠小于永磁体装置在衔铁装置的第二终端位置中与第二线圈的重叠，则对力曲线是有利的。因此，例如在衔铁装置的第一终端位置中，永磁体装置可以被第一线圈轴向重叠55％至85％，但是在衔铁装置的第二终端位置中被第二线圈更大程度地、以介于65％和100％之间的份额沿轴向重叠。特别优选的范围是永磁体装置在衔铁装置的第一终端位置中被第一线圈轴向重叠65％至75％，并且在衔铁装置的第二终端位置中被第二线圈轴向重叠75％至90％。

又一优选的改进设计的特征在于，壳体的端部件设计为组装和导向块。在这个意义上，壳体的端部件既具有这样的结构特征(例如法兰、旋入螺纹、安装延伸部等)，它们用于将线性致动器附接到具有待致动元件的构造结构(例如，在使用线性致动器用于凸轮轴调节的情况下的内燃机的气缸盖)上，也具有用于引导衔铁装置的结构特征(例如，设计为衔铁装置的轴的滑动引导装置的孔)。在一个特别优选的实施例中，衔铁装置仅在组装和导向块中可滑移引导地被支承。

此外，永磁体装置有利地在其外周上具有至少一个在轴向长度上延伸的补偿通道。这一点在开关动力学方面被证明是有利的；因为这样一来，尽管—对于效率有积极作用的—在永磁体装置和包围它的(处于至少一个补偿通道之外的)线圈装置之间的径向间隙相对较小，当衔铁装置运动时永磁体装置也能以较小阻力(通过至少一个补偿通道)被空气环流。

当线性致动器设计为双线性致动器时，上述本发明的优点以特别明显的方式发挥作用，其中双线性致动器具有两个相互平行的、并排布置的衔铁装置和相应配属的线圈装置，其壳体具有两个分离的罩套部段和一个共同的端部件，两根轴穿过所述端部件。因此，可以在很窄小的空间中实现两个功能，其中端部件可以对于两个单元共同地磁性有效有益于紧凑性。这同样适用于壳体的有利地与端部件对置设置的共同的端板。

优选地，上述双线性致动器具有外壳，该外壳具有围绕壳体的两个罩套的共同的保护帽。保护帽特别优选地与安置在端部件上的法兰板或法兰环密封地相连。

在下文中将参考附图中所示的优选实施例来解释本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的设计为双线性致动器的电磁式线性致动器的轴向截面，

图2以剖切立体图示出了图1的线性致动器，和

图3示出了用于说明在线圈装置的通电开始之后流过线圈装置的电流的曲线、作用在衔铁装置上的合力的曲线以及衔铁装置运动的曲线。

图1和图2中所示的设计为双线性致动器的电磁式线性致动器包括四个功能上的主要部件，其形式为壳体1、两个容纳在其中的线圈装置2、两个衔铁装置3和一个外壳4。

壳体1包括端部件5、两个圆柱形罩套部段6、和与端部件5对置的共同的端板7。这些部件由铁磁材料制成。为了使罩套部段6在端部件5上定心并且位置精确地定位、并同时产生良好的磁流通性能，端部件5在此分别利用凸缘精确配合地在端侧伸入相应的罩套部段6中。在相对的端部区域中，两个罩套部段6分别(彼此相对地)具有凹口，端板7穿过所述凹口。在这些凹口的区域中，两个罩套部段6与端板7对接。此外，端板7尽可能无间隙地贴紧所述罩套部段6的内轮廓。在两个侧壁区段6中的每一个中布置有一个线圈装置2。

两个衔铁装置3分别包括轴8和在其端侧布置的永磁体装置9，永磁体装置9具有轴向磁化的永磁体10和两个布置在该永磁体10上端侧的盘形的磁通传导件11。由非磁性活性材料构成的轴8在此以具有减小直径的轴段轴向地穿过(相应的轴向穿孔的)永磁体装置9，使得该轴8在永磁体装置的对置端侧有一段从磁通传导件11突出并构成超出段或突起12。在相应的永磁体装置9的外圆周上设置有四个在其轴向长度上延伸的补偿通道13。

两个衔铁装置3中每一个的轴8分别在端部件5中沿轴线A可滑动地引导。端部件5为此目的设计为组装和引导块14。它具有轴向延长套口15并且具有两个设计为用于衔铁装置3的相应轴8的滑动传导件的孔16。每个轴8具有两个与孔16相对应的、与之匹配的、相互间隔开的引导部段17、18，轴8在引导部段17、18之间缩窄到减小的直径。轴8穿过端部件5。在图1和2中示出，处于第一终端位置的衔铁装置3位于上方，其带有完全缩入壳体1中的轴8，相对地，处于第二终端位置的衔铁装置处于下方，其带有最大程度地从壳体1伸出的轴8。

线圈装置2分别包括两个线圈19、20，即背离轴8的在端部件5中导引的自由端布置的第一线圈19和第二线圈20，它们围绕轴线A延伸、反向缠绕、并彼此轴向错开。两个线圈19、20容纳在由非磁性活性材料制成的共用的承载套筒21上。承载套筒21的外表面借助于第一端盘22、第二端盘23和中间环24被划分为两个用于容纳第一线圈19或第二线圈20的隔间。第一端盘22和中间环24各自具有贯穿口25用于供所述两个线圈的绕组线穿过，其中所述两个线圈是连续缠绕的、但是在从第一线圈19至第二线圈20的过渡处的缠绕方向反转。壳体1的端板7具有用于各个绕组线穿过的贯穿部26。

第一线圈19在其远离轴8的自由端的端部上分别具有内径减小的区域27。为此目的，承载套筒21相应地设计为阶梯状。第一线圈19在相关区域27中的减小的内径选择为，使得永磁体装置9和第一线圈19在那个具有减小内径的区域27中在环形的交叠区域中相互径向地交叠。

在承载套筒21的端部区域中(无缝隙地贴靠在端板7上的端侧)插入由磁性活性材料构成的芯28。该芯28与第一线圈19的具有减小的内径的区域27的整个轴向延伸长度重叠。为此，它与承载套筒21对应地设计成阶梯状。在衔铁装置3的第一终端位置(如图1和2上方所示)，轴8的从永磁体装置9突出的突起12抵靠在芯28上。通过这种方式，永磁体装置9的与芯28靠近的磁通传导件11相对芯28保持相应的距离，也就是说在芯28和与之相邻的永磁体装置9的磁通传导件11之间存在轴向间隙29。

永磁体装置9的轴向延伸以及第一线圈19和第二线圈20的相应轴向延伸和布置这样相互协调，使得永磁体装置9在衔铁装置3的第一终端位置中与第一线圈19的轴向重叠小于永磁体装置9在衔铁装置3的第二终端位置中与第二线圈20的轴向重叠。因此，永磁体装置9在衔铁装置3的第一终端位置中与第一线圈19的轴向重叠约为70％，而永磁体装置9在衔铁装置3的第二终端位置中与第二线圈20的轴向重叠约为82％。

用于防御外部影响的外壳4包括包围壳体1的两个罩套部段6的共同的保护帽30，该保护帽与安置在端部件5上的法兰环31密封地相连。保护帽30和法兰环31具有相互对准的孔32，其用于通过适当的螺栓将双线性致动器连接到现有结构上。

线性致动器在附图中示出的实施形式在衔铁装置3从第一终端位置向第二终端位置运动的最高的开关动力学和最大开关力方面被优化。在这种实施形式中，考虑到在仅最小尺寸情况下实现简单构造，放弃电磁致动地实现衔铁装置3从第二终端位置到第一终端位置的返回。在该实施例中，这种返回通过单独的、作用在相应的轴8上的外部复位装置进行。然而，所示的双线性致动器也可以改变成以电磁致动方式实现衔铁装置的返回。为此目的，第二线圈20尤其可以沿轴向略微延长并且在其面向轴8的自由端的端部处具有减小的内径的区域，其中第二线圈20的内径减小的区域径向上与永磁体装置9重叠，并且可以在第二线圈20中在端侧上容纳由磁活性材料构成的芯套筒。

图3示出了根据图1和2的示例性构成的、其衔铁装置3的行程分别设计为4.75mm的双线性致动器的突出的性能数据，其中永磁体装置9的直径仅为8mm。在线圈装置2没有通电的情况下(通过相应的永磁体装置9与芯28配合作用)，衔铁装置3以大约9.5N的保持力保持在其第一终端位置中。当线圈装置2通电时，该保持力仅在0.25ms后就被抵消或平衡，并且通过电磁生成力的同样快速地进一步升高，衔铁装置3仅在通电开始后的0.5ms(响应时间)时就开始运动。轴8从芯21上抬离，并且保持力快速地衰减。在通电开始后大约1ms，作用在衔铁装置3上的电磁生成的作用力达到平均8.5N的高度，其几乎在衔铁装置3的整个调节路程上保持以非常高的均匀性。其结果是，衔铁装置3执行连续的加速运动。在接近该运动结束时(在线圈装置2通电开始后约3.2毫秒并且在到达第二终端位置之前的约1mm处)，与衔铁装置3的第二终端位置相配置的保持力越来越多地参与进来，这导致总力或合力的强烈累进地增大。在仅3.5ms时衔铁装置3就已(经过4.75mm的开关路程)到达其第二终端位置。此时继续给线圈装置通电，在此产生的总力约为22N。

Claims (15)

1.一种电磁式线性致动器，包括：

-具有罩套部段(6)和端部件(5)的壳体(1)，

-设置在壳体(1)中的线圈装置(2)，该线圈装置(2)具有两个围绕共同轴线(A)延伸、并沿相反方向缠绕的、并且彼此沿轴向错开的线圈(19、20)，和

-在壳体(1)中沿轴线(A)在两个终端位置之间可滑动地支承的衔铁装置(3)，该衔铁装置(3)具有穿过端部件(5)的轴(8)和布置在该轴(8)上的永磁体装置(9)，该永磁体装置(9)具有轴向磁化的永磁体(10)和两个布置在该永磁体(10)端侧上的盘形磁通传导件(11)，

其中，所述永磁体装置(9)布置在所述轴(8)的端侧上，并且在所述衔铁装置(3)的两个终端位置的每一个中，所述永磁体装置(9)的轴向长度的至少50％与所述两个线圈(19、20)之一重叠，其特征在于，

-背离轴(8)的自由端的第一线圈(19)在其背离轴(8)的自由端的端部上具有内径减小的区域(27)，其中，第一线圈(19)的内径减小的区域(27)在径向上与永磁体装置(9)交叠，并且

-在第一线圈(19)中在端侧容纳由磁活性材料构成的芯(28)。

2.按照权利要求1所述的线性致动器，其特征在于，所述芯(28)与第一线圈(19)的内径减小的区域(27)的整个轴向延伸部重叠。

3.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，第一线圈(19)和第二线圈(20)之间的轴向距离不明显大于缠绕技术上绝对必要的轴向距离。

4.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，在第一线圈(19)和第二线圈(20)之间不布置磁通传导件。

5.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述两个线圈(19、20)容纳在由非磁性活性材料制成的共同的承载套筒(21)上。

6.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，在所述衔铁装置(3)的第一终端位置中，所述永磁体装置(9)的大于50％的部段与第一线圈(19)重叠，此时在所述芯(28)和所述永磁体装置(9)的与之相邻的磁通传导件(11)之间存在轴向间隙(29)。

7.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述轴(8)由非磁性活性的材料构成并且沿轴向穿过所述永磁体装置(9)。

8.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述永磁体装置(9)在衔铁装置(3)的第一终端位置中与第一线圈(19)的重叠小于所述永磁体装置(9)在衔铁装置(3)的第二终端位置中与第二线圈(20)的重叠。

9.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述壳体(1)的端部件(5)设计为组装和导向块(14)。

10.按照权利要求9所述的线性致动器，其特征在于，所述衔铁装置(3)仅在组装和导向块(14)中可滑移引导地被支承。

11.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述永磁体装置(9)在其外周上具有至少一个在轴向长度上延伸的补偿通道(13)。

12.按照权利要求1或2所述的线性致动器，其特征在于，所述线性致动器设计为双线性致动器，该双线性致动器具有两个并排布置的衔铁装置(3)和各自配属的线圈装置(2)，其中，所述壳体(1)具有两个分离的罩套部段(6)和共同的端部件(5)，两根轴(8)穿过所述端部件(5)。

13.按照权利要求12所述的线性致动器，其特征在于，所述壳体(1)具有与端部件(5)对置设置的共同的端板(7)。

14.按照权利要求12所述的线性致动器，其特征在于，所述线性致动器具有外壳(4)，该外壳具有围绕所述壳体(1)的两个罩套部段(6)的共同的保护帽(30)。

15.按照权利要求14所述的线性致动器，其特征在于，所述保护帽(30)与安置在端部件(5)上的法兰环(31)密封地相连。

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