CN1272976A - 磁致动器 - Google Patents

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Abstract

用于压缩机隔膜、活塞或类似物的往复运动的磁致动器。该致动器包括一个带有定子磁极3a、3b、3c的定子、励磁绕组6和一个托板7。非磁性支承臂4a、4b装有弧形磁极2a、2b并驱动一对受压缩的膜5a、5b。通过引入线圈电流,磁极2a、2b被吸向中央定子磁极3b并被外侧磁极3a、3c排斥。绕枢点11产生一扭矩,随之,臂4a、4b的运动驱动膜5a、5b。通过提高由电磁铁产生的磁通改进了性能,并减少了磁通泄漏和干扰。

Description

磁致动器
本发明涉及一种磁致动器。该致动器可被用在一要被驱动的元件的任何应用中，该元件例如为安装成在一预定方向上作往复运动的隔膜、活塞或柱塞。
众所周知，磁致动器是通过一磁场和流过一个或多个线圈或绕组的电流之间的相互作用来工作。通常，磁致动器包括由一个固定的铁心和一与铁心相联的绕组组成的一个电磁铁，其感应一个由软铁磁性材料制成的可移动的衔铁。衔铁是一个或多个永磁体，其安装在一可移动的致动器元件上，该元件与要被致动的元件相连接，例如具有一由一电磁铁感应的永磁体的隔膜泵的隔膜。
GB1557453描述了一种公知的运动磁体致动器，其包括一个固定的软磁性的E形铁心定子组件和两个平行磁化的永磁体，它们被布置成它们朝着定子呈现出相反的磁极。两磁体被连接到一对独立的软磁性杠杆臂上，杠杆臂由一枢点支承并被连接到一压缩机。一单向线圈安装在铁心的中央臂上，当被一交替电流激发时，磁性臂产生一交替扭矩，从而产生位移。
所述的永磁体对被布置成磁化轴相反且两个臂的运动同步，但是，这会产生额外的振动。
上述系统已经证明对于很多产品是成功的，但是它们所能实现的性能被一些因素所限制，而且在制造方面还留有一些缺陷。例如，需要较大的气隙用于由于容差问题产生的机械间隙和枢点的磨损余量，导致了显著的漏磁和形成杂散场。另外，尽管用软磁性臂作为磁体的护铁(back-iron)改进了跨过非磁性臂的磁路，但是软磁性臂的使用还是由于从磁体返回到枢点的软磁分量的延长而沿该臂产生泄漏和杂散场的问题。这些软磁性臂与线圈励磁场的相互作用还产生了使激发力型面(excitation force profile)变形的突起力(saliencyforce)或磁阻。这种装置的另一个固有的特征是出现不平衡的磁力，它们由于朝着软磁性定子组件的摆动臂的分量和磁体的吸引作用在与所要求的运动方向垂直的方向上。这些力能导致枢轴系统上的过度磨损，特别是由于运作时力的循环特性。
对于在这些致动器中的电磁铁的设计，电流的设计由定子的平行齿和槽的设计代表，槽的设计有一个大的磁极区以产生正确的扭矩一位移分布。为了简化叠片的横截面并允许简单的线圈定位，磁极的宽度可沿整个齿的长度延伸。这会导致材料的体积过大。因此材料由于低磁通水平而不能充分利用。另外，该特征导致相对较窄的槽，为了容纳足够的铜绕组但又要考虑“漏电和间隙(creepage andclearance)”，槽通常深而窄，导致了槽漏磁，即由线圈产生的磁通不穿过槽而且在用于产生扭矩的工作气隙处得不到磁通。
本发明的目的在于改进这种系统的结构和性能。
本发明提供了一种磁致动器，其用于一安装成在一预定方向上作往复运动的元件，该致动器包括一永磁体组件，其与该元件连接用于与该元件一起运动，该磁体组件具有至少一对磁极，它们具有彼此相邻且方向垂直于该元件的相似的或相反的磁极面，该致动器还包括一个电磁铁组件，其具有相应的一对相对磁极，相对定位，从而该电磁铁的激发使该永磁体磁极朝一个或其他电磁铁磁极产生运动，其中一个磁性支承件与该永磁体的磁极互连，以提供一个磁通返回通路。
在一优选实施例中，该要被驱动的元件为一柔性隔膜。支承件的作用是使泄漏最小化，保持一个有用的磁体工作点，并提供提高的磁通返回通路且减少正交力。优选地，该磁性支承件独立于该磁体安装，更优选地，该支承件相对于该电磁铁组件位于一静止位置，且平行于该电磁铁的磁极，以限定一气隙，在该气隙内，该磁体自由振动。无论该磁体如何布置，支承件通过增加由电磁铁组件产生的磁通分量来提高性能，电磁铁组件与该磁体相互作用产生扭矩，从而对于一个给定水平的激励，磁通的一个较大的部分将垂直延伸，从电磁铁的磁极面穿过气隙到达支承件，而通常磁通本该有一个很大的磁通边缘效应分量，且该磁通对产生扭矩不起作用。
优选地，该支承件包括一与该磁体的磁极面的轴向尺寸相当的轴向尺寸。优选地，该支承件可包括一托板。
优选地，该支承件可被保持在一固定位置，或更优选地，可使用可调整的安装，以便调整该支承件和该磁体磁极之间的气隙，从而可通过改变磁路的磁通来调整输出，从而调整扭矩。
在一优选实施例中，该托板可以是具有一半径或一近似曲线的形状，根据该电磁铁的磁极面，以保持在该运动磁体的行程内所需的气隙。作为替换，该托板可以是直的或呈V形。
在该优选实施例中，该磁体可具有弧形段，当与一呈放射状外形的托板和磁极面相结合时，该弧形段将在气隙内达到一最小的变化，并因此允许最小的机械间隙。该磁体段可被放射状或完全磁化。但是，在一些例子中，矩形磁体也可以是优选的。
优选地，该磁体组件和该隔膜之间的连接包括可枢转的臂。更优选地，这些臂分别支承该磁极对。
优选地，该磁体组件可被安装成该磁性气隙不被扩展。
优选地，该臂可以是非磁性的，从而由于软磁分量从该磁体延伸回枢点，避免了沿着与磁性臂相联的该臂出现的漏磁和杂散场问题。
非磁性臂的使用使得注射或压力模制塑料得以被考虑，因此减轻了移动的质量，并保持了所要求的刚度和强度。
优选地，该枢点、臂和膜部件可被一体成一单一组件，这大大减少了部件数量并很大程度地增加了可靠性而减少了可能出现的噪音和振动。
而且，与模制的膜部件的机械联接也可通过确保一气密的密封而得以改进。注射模制部件的使用也提高了容差的控制，其与减小不平衡的正交力相结合，使得磁体和电磁铁支承件之间的机械间隙最小化，从而减小了磁性气隙，并提高了磁路效率。
在该优选实施例中，该电磁铁组件包括一E形定子，其包括从外侧齿朝着中心磁极向内伸展的外侧磁极面。该结构允许一较宽、较浅的槽区，以容纳相同容量的线圈，并因此减少槽漏磁。
在另一优选实施例中，该电磁铁组件可包括位置远离该组件其余部分的磁极面。例如，通过延伸齿的长度，线圈和护铁可位于一壳体的外部，该壳体容纳着移动臂和磁体组件。优选地，该定子的磁极面可被模制到确保良好的气体和声音密封的壳体内，而不扩展该有效的磁性气隙。除了改进了气体和声音的密封结构，该特征的优点还有将主热源即线圈远离气动系统中的塑料部件放置，这些部件的性能受温度的影响很大。而且，可更容易地实现根据世界各地市场上不同的电压标准来选择线圈和更换损坏的线圈。
下面将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是本发明一优选实施例的活动磁体致动器示意图；
图2示出了永磁极的安装；
图3示出了由永磁体产生的典型磁场分布；
图4示出了仅由线圈励磁产生的典型磁场分布；
图5是致动器的另一实施例的示意图。
参照图1，该优选实施例中的致动器1有三个定子极柱3a、3b、3c和两个磁极2a、2b，两个独立的臂组件4a、4b被用来驱动一对压缩机隔膜或膜盒(bellows)5a、5b。定子包括两个软磁性部件、一个承载励磁线圈6的E形铁心3、和一个托板(backing plate)7。定子的结构可由层压的或实心的铁磁性材料或适当的混合体构成。
E形铁心的臂(limbs)或齿(teeth)将磁力线引导到在气隙处的三个极柱上，这三个极柱是一个大的主极柱3b和两个侧极柱3a、3c，两个侧极柱与由一槽形成的中央齿等距布置，在槽中装有励磁线圈6。位于中央齿内的励磁线圈6由励磁电压供电，该励磁电压可以是电源电压，或是从一电源分出的交流电压源，或是一经电子整流的直流(dc)电源。线圈可预绕在一绕线管或线圈架上。线圈6和定子齿3被布置成，为了在线圈绕组中的一给定方向的电流，中央极柱3b将在气隙区域产生一个极性的励磁场，而两外侧的极柱3a、3c将产生另一个极性的励磁场。
与第一定子部件相距的是第二静止件或托板7，其为软磁性材料，通过作为磁力线的返回路径来提高由线圈6产生的磁场，并且改善在垂直于磁极面的所需方向上运动的磁力线。托板7的轴向尺寸与磁极面的轴向尺寸相当，且宽度相当于E形铁心外侧齿的外边缘的宽度。这两个尺寸都可以稍微增大以提高托板的效率。
在由定子E形铁心极片3a、3b、3c和托板7限定的气隙中，被定位的是永磁体元件2a、2b，它们通过非磁性的支承臂4a、4b悬挂并可移动。永磁体2a、2b可为弧形或平行六面体截面。尽管出于成本的原因，可优选平行六面体或矩形截面，但是使用臂来支承异型极片和托板，通过保持一个盖住磁体径向运动的恒定气隙，提供了多个优点。当使用弧形片段时，半径磁化和直径或平行磁化均可被考虑。但是，对于成本可取的矩形截面平行磁化也可被使用。永磁体材料可为烧结、注射成形或压力接合的铁素体或稀土。
两个磁体的磁化轴处于垂直于如图1中所示的所需运动方向的方向上，两个磁体朝着定子有相似的磁极。相似的磁极可抵抗振动，但是应有相对的磁化和具有同步的运动。
两个磁体经两个独立的非磁性枢转臂4a、4b而悬挂，两枢转臂使磁体2a、2b沿预期的偏移发生位移。臂4a、4b设置成确保磁体2a、2b的位置大约在遍及整个偏移上的托板7和定子3的中间。
如图2所示，臂4a、4b从上方和下方夹持着磁体2a、2b从而在平行于E形铁心3和托板7的表面上没有额外的材料。因此，对于一个给定的机械间隙，磁性的气隙没有增加。磁体2a、2b通过粘结剂或是通过过度模制(over-moulding)工艺或机械定位法，特别是在可用位置特性进行模制的塑料模制磁体的情况下，可被连接到臂4a、4b上，并夹在臂上。
为了便于有限的圆形振荡，枢点11位于臂上与磁体相反的端部。枢点11可为塑料的一个弯曲部分，或可使用刚性塑料臂的较细部分或一个金属嵌入物。
在致动器的运行过程中，主要的磁通量由永磁体2a、2b产生，磁通量通路大致如图3所示。仅由线圈6激发的磁通量通路如图4所示。
当没有线圈电流时，由于具有突出的软磁性结构的磁体的相互作用出现了一个小的突起力(saliency force)。当磁体大约在偏移的中点和中央极柱3b和两外侧极柱3a、3c的中间时，该突起力位移特性有一个不稳定的平衡位置，且枢转臂4a、4b被布置成，使磁体2a、2b大约位于具有零励磁的该点上。这个零点由柔性枢点11的位置来限定，没有外部的弯曲力作用且具有中央平衡的膜盒。对于一给定方向的线圈6的励磁电流，中央极片3b将产生某一极性的磁场，而两外侧极柱3a、3c将产生另一极性的磁场。磁体2a、2b由于局部磁场的失真将在其附近从外侧极柱3a、3c被排斥并被吸向中央极柱3b，或者反过来，并且将产生一个绕枢点11的扭矩，如果所形成的力足以克服枢点的刚性和由膜盒等产生的载荷力，臂4a、4b将产生一个运动。当磁体朝一给定的极柱位移时，穿过中央臂从而穿过线圈的磁通量迅速增加并感应出一个线圈的反向磁动势(back-mmf)。线圈的匝数被选择成可产生所需的磁动势但同时要考虑被感应的磁动势和可获得的电源电压的水平。磁体2a、2b的运动被机械载荷例如膜盒5a、5b和枢点11的回复力限制。如果不存在机械限制，朝中央位置移位的运动会被两磁体2a、2b的“碰撞”或是被两磁体2a、2b与极柱3b完全对齐的点限制，对于外侧极柱3a、3c而言也是相似的。但是，致动器1通常由正弦变化的电压供电，因此扭矩正弦变化，周期性颠倒。可得到的以促进臂4a、4b惯性的力则由励磁力与膜盒5a、5b和枢点11产生的回复力、例如由气体压缩产生的载荷力和小突起力的相互作用来决定。这些力的数值被选取成臂在所需的行程内振荡。惯性和恢复顺从性可被选择成机械共振频率与达到最大位移和效率的供应频率相一致。
上述可枢转的系统是优选的，它提供了一个简单的支承机构并由于在输出力所需要的点增加了杠杆作用而使输出力放大。例如，如果在磁体和枢点之间臂的大约中点处连接有膜盒/隔膜或其他载荷，则臂上的扭矩由下面公式得出：
T＝F×L              (Nm)
扭矩可被认为关于枢点是连续的，则输出力由下面公式得出： F m = F a L a L m - - - ( N )
La＝臂的总长度
Lm＝到中点的距离
因此，致动器仅需要产生一个比直接驱动所需的力要低的力，尽管它必须产生一个较大的位移。然而，这并不是一个问题，尤其在共振型致动器中。
对于定子，如图1所示的齿的几何形状是优选的，其中使用了一窄齿并附加使用一个大的磁极面。齿的截面区域可被选择成，将磁通密度维持在低于一个可接受的水平上，以避免饱和。考虑到一个大槽区域和最小的线圈端部绕组，可在外侧齿采用相似的技术。在实心定子的情况下，护铁(back iron)和外侧齿可用一个单条来成形，以简化制造。然后，可通过正确考虑相关的弯曲半径而将该外条弯成平行于气隙来制成外侧磁极面。这可通过朝向或远离中央极柱进行弯曲来弯成，朝向中央齿是优选的，因为这能附加槽区而不扩展该装置的总宽度，而且还减小了由较宽的槽造成的槽漏磁。
为了在中央齿3b上使预缠绕的线圈6定位，必须在极片处分割叠片或钢，以便直接插入线圈。只要装配线圈，即可通过使用安装在中央齿上的一个分离的极片来完成。作为替换，中央齿/极片3b可为一分离的组件，其可连接到由护铁和外侧极柱形成的C形铁心。分离的组件便于在特别易受涡旋电流影响的关键部位，即极片和托板，使用低导电材料。
使用与铁心可被分开的E形铁心相耦联的低成本磁性材料在放置线圈6和定子3方面有很多优点。例如，定子主体3和线圈6可被放在壳体12的外侧，磁体-臂-膜盒定位在壳体12内，如图5所示。极片可被模制在壳体壁内，从而确保气密和隔音，而又不会扩展有效的气隙。主要的热源，即励磁线圈被置于远离对温度敏感的气动部件和永磁体。而且，使用可拆卸的线圈和中央齿3b结构可更换坏损的线圈，并根据世界各地市场的需求重新装配不同的线圈。

Claims (17)

1.一种磁致动器，用于一安装成在一预定方向上作往复运动的元件，该致动器包括一永磁体组件，其与该元件连接用于与该元件一起运动，该磁体组件具有至少一对磁极，它们具有彼此相邻的且方向垂直于该元件的相似的或相反的磁极面，该致动器还包括一个电磁铁组件，其具有一对相应磁极，相对定位，从而该电磁铁的激发使该永磁体磁极朝一个或其他电磁铁磁极产生运动，其中一个磁性支承件与该永磁体的磁极互连，以提供一个磁通返回通路。
2.根据权利要求1所述的磁致动器，其特征在于，该磁性支承件独立于该磁体安装。
3.根据权利要求2所述的磁致动器，其特征在于，该支承件相对于该电磁铁组件位于一静止位置且平行于该电磁铁的磁极，以限定一气隙，在该气隙内，该磁体自由振动。
4.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该支承件包括一与该磁体的磁极面的轴向尺寸相当的轴向尺寸。
5.根据权利要求3所述的磁致动器，其特征在于，该支承件可被保持在一固定位置或可使用可调整的安装，以便调整该支承件和该磁体磁极之间的气隙，从而可通过改变磁路的磁通来调整输出，从而调整扭矩。
6.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该支承件包括一托板。
7.根据权利要求6所述的磁致动器，其特征在于，该托板可以是具有一半径或一近似曲线的形状，根据该电磁铁的磁极面，以保持在该运动磁体的行程内所要求的气隙。
8.根据权利要求6所述的磁致动器，其特征在于，该托板可以是直的或呈V形。
9.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该要被驱动的元件为一柔性隔膜。
10.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该磁体组件包括具有弧形段的磁体，该段可被径向或完全磁化。
11.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该磁体组件和该隔膜之间的连接包括可枢转的臂，每一臂分别支承该对磁极中的一个。
12.根据权利要求11所述的磁致动器，其特征在于，该磁体组件可被安装成该磁性气隙不被扩展。
13.根据权利要求11或12所述的磁致动器，其特征在于，该臂是非磁性的。
14.根据权利要求11、12、或13所述的磁致动器，其特征在于，该枢转臂和膜部件被一体成一单一组件。
15.根据前述任一权利要求所述的磁致动器，其特征在于，该电磁铁组件包括一E形定子，其包括从外侧齿朝着中心磁极向内伸展的外侧磁极面。
16.根据权利要求15所述的磁致动器，其特征在于，该电磁铁组件可包括位置远离该组件其余部分的磁极面。
17.根据权利要求16所述的磁致动器，其特征在于，该定子的磁极面可被模制到确保良好的气体和声音密封的壳体内，而不会扩展该有效的磁性气隙。
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