TW202304666A - 電動驅動器 - Google Patents

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阿諾 麥可連寶
提樂 迪曲奇
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列支敦斯登商希爾悌股份有限公司
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Abstract

本發明係關於一種以具有軟磁框架之一湯姆森線圈之方式的高度動態電動驅動器，其包含 一第一勵磁線圈(30)，其繞組高度大於其長度，其因此為扁平的； 一軟磁框架(10)，該第一勵磁線圈(30)配置在該軟磁框架中且其鄰接抵靠該軟磁框架，且該軟磁框架以一罐狀磁鐵之方式構成一開放磁路，該開放磁路包括一外部區域(11)、一底部(12)及一內部區域(13)；且該軟磁框架在其端面上敞開，其中該第一勵磁線圈至少部分地封圍該框架之該內部部分(13)； 一短路電樞(40)，其較佳地至少在其面向該第一勵磁線圈(30)之側上形成中空圓柱，該短路電樞係沿著一軸線以可移動方式安裝，且其在其衝程起始位置中浸入至該框架(10)之該端面開口中且藉此至少部分地封圍該框架(13)之該內部部分， 其中 該框架(10)完全或主要由一軟磁複合材料或一或多個片料堆疊形成，其具有至少1.5 T之一飽和磁通密度及不超過10 6S/m之一特定有效導電率，且該第一勵磁線圈(30)及/或該框架(10)包括用於應變釋放之至少一個構件，特定而言呈一殼體之形式以便在垂直於移動方向之一致動操作期間至少部分地吸收在該第一勵磁線圈(30)上發生之至少徑向力，且其中使用作用於該短路電樞上之勞倫茲力來作功。

Description

電動驅動器
本發明係關於一種電動驅動器，特定而言一高度動態電動驅動器，特定而言以具有軟磁框架之一湯姆森線圈之方式構造。以及關於一種包含該電動驅動器之釘子固定裝置、一種電錘、一種衝擊鑽孔機、一種電弧故障保護裝置、一種電開關、一種短路電流限制器以及一種用於分離一直流電路之混合開關
在各種技術領域中，使用煙火或亦氣動裝置，此係因為電動驅動器並不適合於此等領域。電力驅動器的排除準則特定而言包括： 基於應用，每驅動質量或驅動量不足夠力及/或工作能力 在諸如所謂湯姆森線圈及磁軌炮之高度動態電力直接驅動器中，亦包括其高佈線花費及/或過低效率。
上述情形藉助於各種實施例說明： 釘子固定裝置，且此處特定而言手持式釘子固定裝置，其中例如活塞由於可燃氣體混合物或推進裝藥之燃燒而加速，以便驅動釘子。 電弧故障保護裝置，其中以煙火方式驅動金屬螺栓衝破絕緣板且產生短路以自意外電弧汲取能量。 短路電流限制器，其中煙火裝藥損壞金屬舌件，使得短路電流自金屬舌件之路徑流通至並聯連接之熔絲或節流閥。
自US 6,830,173 B2，知曉具有電動驅動器之釘子固定裝置。
最接近先前技術為ABB的申請案WO2015172824 A1。該申請案展示基於具有初級線圈及圍繞初級線圈之磁通集中器之湯姆森線圈之致動器。磁通集中器由軟磁或軟鐵磁材料(例如，鐵、磁鐵或諸如Permadyne之材料)組成。
本發明之目的因此在於發現(高度動態)電力驅動器，其—如與對應先前技術相比較—可實現較高力常量及/或較高電效率及/或作出較高體積或重量特定的功。
此目的係藉由根據技術方案1之驅動器解決。本發明之較佳態樣為隨附申請專利範圍之標的物。
本發明包含電動驅動器，其包含： 第一勵磁線圈， 軟磁框架，及 短路電樞，其沿著軸線以可移動方式安裝。
驅動器之特徵在於框架具有至少1.0 T之飽和磁通密度及/或不超過10 6S/m之有效比導電率，其中較佳地第一勵磁線圈及/或框架包括用於應變釋放之至少一個構件。飽和磁通密度係指材料之微分磁導率dB/dH變得等於無因次相對磁導率p r之磁場常量的磁通密度，因次假定值μ r= 1作為磁飽和之結果。
特定而言，此為高度動態電動驅動器，特定而言以具有軟磁框架之湯姆森線圈之方式構造。
在一項可能實施方式中，勵磁線圈具有大於其長度之繞組高度，其因此為扁平的。
在一項可能實施方式中，勵磁線圈經配置在軟磁框架中且鄰接抵靠該勵磁線圈。
在一項可能實施方式中，框架表示開放磁路，其包括外部區域、底部及內部區域，且其在其端面處敞開，其中第一勵磁線圈至少部分地封圍該框架之內部部分，且其中短路電樞在其衝程起始位置中浸入至框架之端面開口中且藉此至少部分地封圍框架之內部部分。
在一項可能實施方式中，短路電樞因此至少在其面向第一勵磁線圈之側處形成中空圓柱及/或框架以罐狀磁鐵之方式構造。
在一項可能實施方式中，軟磁框架完全或主要地由軟磁複合材料及/或一或多個片料堆疊形成。
本發明因此特定而言包含電動驅動器，特定而言高度動態電動驅動器，特定而言以具有軟磁框架之湯姆森線圈之方式構造，包含： 第一勵磁線圈，其繞組高度大於其長度，其因此為扁平的； 軟磁框架，該第一勵磁線圈配置在該軟磁框架中且其鄰接抵靠該軟磁框架，且該軟磁框架特定而言以一罐狀磁鐵之方式表示一開放磁路，該開放磁路包括外部區域、底部及內部區域；且該軟磁框架在其端面處敞開，其中該第一勵磁線圈至少部分地封圍該框架之該內部部分； 短路電樞，其較佳地在其面向該第一勵磁線圈之側上形成中空圓柱，該短路電樞係沿著一軸線以可移動方式安裝且其在其衝程起始位置中浸入至該框架之該端面開口中且藉此至少部分地封圍該框架之該內部部分。規定，框架完全或主要地由軟磁複合材料或一或多個片料堆疊形成，其具有至少1.0 T、較佳地至少1.3 T、特定而言較佳地至少1.5 T之飽和磁通密度，以及不超過10 6S/m之特定有效導電率，且第一勵磁線圈及/或框架包括用於應變釋放之至少一個構件，特定而言呈殼體之形式。
應變釋放較佳地至少部分地吸收在垂直於移動方向之致動操作期間在第一勵磁線圈發生之至少徑向力。在電動驅動器中，作用於短路電樞上之勞倫茲力較佳地用於作功。
在一項可能實施方式中，短路電樞浸入至其中之框架之外部區域與內部區域之間的彼空間具有缸套之形狀，其中其縱向軸線對應於驅動器之移動方向及線圈之繞組軸線。
在一項可能實施方式中，由軟磁複合材料製成之框架由數個部分及/或段構成。該數個部分及/或段可彼此以黏合方式接合或封裝(pot)。
框架較佳地由數個部分及/或段構成使得至少減少抗拉應力之發生以便避免在操作期間框架及/或其部分發生破裂。
在一項可能實施方式中，驅動器之短路電樞全部或部分地由非磁性材料、較佳地由導電且非磁性材料，特定而言由可固化鋁合金形成。
在一項可能實施方式中，短路電樞在其底部側，亦即在衝程起始位置中，在短路電樞(40)面向第一勵磁線圈(30)之側上具有良好導電之材料(例如，銅)之環。
較佳地，環嵌入至短路電樞中且特定而言至短路電樞之非磁性材料中及/或與短路電樞以黏合及/或強制(positively)方式連接.
在一項可能實施方式中，環之比導電率相當於純銅之導電率(%IACS)的至少50%。
環例如可由純銅或銅合金或鋁合金或銅基複合材料製成。
在一項可能實施方式中，環完全或主要地具有至少I = sqrt (t * rho / pi * μ)之移動方向擴展，其中t為恰當致動操作期間勵磁線圈中之電流之半值寬度，rho為環之特定電阻，pi為圓周率且μ為磁場常數。
在一項可能實施方式中，短路電樞及/或由短路電樞驅動之活塞全部或部分地由可固化鋁合金(其更佳地以固化狀態存在)形成。
在一項可能實施方式中，短路電樞及/或由短路電樞驅動之活塞全部或部分地由在固化狀態中具有純銅之導電率(%IACS)的＞25%之比導電率的可固化鋁合金形成。
在一項可能實施方式中，電動驅動器至少部分地藉助於電容器放電操作。較佳地，為了致動驅動器，至少一個電容器經由第一勵磁線圈放電。
較佳地，電容器放電係藉由切換一或多個半導體開關來完成，其中半導體開關較佳地為閘流體。
半導體開關可藉由與其串聯連接之飽和電感受到保護以免在操作期間被損壞，此係因為飽和電感經定規格以足夠限制初始電流上升率dl/dt。
驅動器較佳地包括具有至少一個電容器之電容器總成。電容器較佳地為一或多個電解電容器及/或箔及/或薄膜電容器。較佳地，電容器總成包含至少一個箔及/或薄膜電容器。
電容器總成較佳地儲存介於0.1 kJ與10 kJ之間的能量，更佳地多於0.3 kJ。
電容器總成較佳地具有介於0.1 mF與20 mF之間的電容及/或介於0.1 mOhm與100 mOhm之間的電串聯電阻。
在一項可能實施方式中，電動驅動器可包含起重磁鐵或在此起重磁鐵上進行操作，其中在致動操作期間，起重磁鐵之電樞(其例如可由框架之部分，例如底部自身，形成)藉助於主要彈性衝擊將脈衝傳輸至短路電樞以便使該短路電樞加速，且其中電容器放電係經由第一勵磁線圈而與彈性衝擊同步實施。
在一項可能實施方式中，在致動操作期間施加至勵磁線圈之最高電壓不超過600 V，較佳地不超過500 V，更佳地不超過450V。在此狀況下，較佳地使用電解電容器來操作驅動器。
在一項可能實施方式中，在致動操作期間施加至勵磁線圈之最高電壓位於1 kV與2 kV之間。因此，可實現較佳效率。在此狀況下，較佳地使用箔及/或薄膜電容器來操作驅動器。
在一項可能實施方式中，至少框架之主要部分具有小於10 5S/m，較佳地小於10 4S/m之特定有效導電率。
在一項可能實施方式中，框架之材料完全或主要具有飽和磁通密度B s＞ 1.5 T、較佳地B s＞ 1.75 T、更佳地B s＞ 1.9 T。
在一項可能實施方式中，第一勵磁線圈經設計以減少集膚效應之影響，此係因為替代固態個別導體，繞組以一股彼此絕緣之數個個別導體之方式形成，及/或此係因為使用了扁平導線。
在一項可能實施方式中，第一勵磁線圈具有至少30%、較佳地至少40%、更佳地至少50%，甚至更佳地至少60%之銅填充度。
特定而言，銅填充度位於70%與85%之間。
在一項可能實施方式中，第一勵磁線圈經封裝且另外藉助於纖維強化應變釋放抵抗在致動操作期間作用之(勞倫茲)力。
在一項可能實施方式中，應變釋放係藉助框架之外部區域內之纖維強化複合材料以線圈之圓柱形殼體之形式實現。
在一項可能實施方式中，應變釋放係由殼體形成且較佳地存在於至少部分地環繞驅動器之殼體及/或圍繞其圓周之框架中。
殼體較佳地由具有超過700 MPa、較佳地超過1400 MPa之抗拉強度之材料製成。
在一項可能實施方式中，可將纖維複合材料及/或麻時效鋼用於殼體。
在一項可能實施方式中，殼體具有中空圓柱形狀，其軸線與驅動器之移動軸線對應。殼體可在底部側，亦即，在框架之底部之側封閉，例如類似於罐。替代地，殼體可在框之底部之側敞開。
在一項可能實施方式中，至第一勵磁線圈之引線經鉸接。替代地或另外，至第一勵磁線圈之引線可由封閉之外部及內部導體以共軸線電纜之方式形成，其中其不需要經設計成旋轉對稱。在一項可能實施方式中，至第一勵磁線圈之引線經形成為扁平導線，其彼此抵靠而無任何明顯間隙，亦即，其或其絕緣護套彼此接觸或在其之間界定不明顯間隙，特定而言氣隙。「不明顯」此處應理解為引線由於間隙所經受之額外自感應與驅動器之最小自感應(其取決於其操作條件)相比較小。
在一項可能實施方式中，電動驅動器包括圓柱形殼體，該圓柱形殼體由纖維複合材料製成且包含碳纖維之第一織物、一或多個電絕緣材料之第二織物(例如，玻璃、HPPE或芳香聚醯胺纖維)，以及塑膠基質，其中以所謂環形鐵心之方式，電絕緣織物用作碳纖維織物之繞組之間的絕緣中間層以便減弱由交替電磁場造成之渦流。
在一項可能實施方式中，電動驅動器包括由短路電樞驅動之活塞。短路電樞因此可較佳地與活塞剛性連接及/或與其形成整體。然而，短路電樞亦可包括驅動器，該短路電樞藉以作用於與短路電樞分離形成之活塞。
活塞之前段可在電動驅動器之啟動時充當目標以傳輸由驅動器作出之功。
較佳地，活塞以可移位方式安裝在至少一側上，較佳地在其前端之區域中。
較佳地，驅動器包括用於短路電樞及/或活塞之復位裝置，其在驅動器之啟動之後將活塞及/或短路電樞返回至衝程起始位置中。較佳地，復位裝置經設計使得在衝程起始位置中，其將吸持力施加於活塞及/或短路電樞上。在一項可能實施方式中，復位裝置以永久磁性方式操作。
在本發明之一項可能態樣中，活塞之後端穿過框架中之開口。較佳地，在此狀況下，驅動器包括用於短路電樞及活塞之復位裝置，該復位裝置將復歸力施加於活塞之後端上。
活塞可為單零件或多零件設計。在多零件設計中，個別零件並非必需的，但較佳地彼此剛性連接。
復位裝置較佳地配置在背對短路電樞之框架之側上。
復位裝置可包括用於活塞之後端之滑動軸承。
較佳地，復歸力係以永久磁性方式產生。
較佳地，活塞之後端係由軟磁材料形成。活塞之後端可由片料堆疊製作及/或包括狹槽以便減少渦流。
此外，復位裝置可包括一或多個永久磁鐵以產生復歸力。特定來說，復位裝置較佳地包含形成磁路之複數個永磁元件及/或永磁區域之配置，該磁路在活塞返回時漸漸地閉合，此係因為活塞之後端漸漸地移動至配置中之切口。特定而言，配置可具有中空圓柱之形狀。
配置此外可形成海爾貝克(Halbach)陣列。
在本發明之一項可能態樣中，驅動器包含電容器總成及開關，其中藉由閉合開關，經由勵磁線圈完成電容器總成之放電，藉以使短路電樞及/或活塞加速離開其衝程起始位置。
本發明此外包含具有電動驅動器之釘子固定裝置，如上文已描述。特定來說，釘子固定裝置之電動驅動器包含勵磁線圈，軟磁框架及短路電樞沿著軸線以可移動方式安裝，其中框架具有至少1.0 T之飽和磁通密度及/或不超過10 6S/m之特定有效導電率。較佳地，勵磁線圈及/或框架包括用於應變釋放之至少一個構件。
較佳地，驅動器此外經設計，諸如上文已詳細描述。
根據本發明之術語「釘子」不需要任何特定形狀。特定而言，術語「釘子」亦包括螺栓、銷，等。然而，特定而言，本發明申請案之意義上之釘子為具有銷形狀部分之緊固元件。
在一項可能實施方式中，手持式釘子固定裝置此外包含： 至少一個電容器， 至少一個電化學能量儲存裝置， 至少一個開關轉換器， 至少一個開關， 活塞， 用於短路電樞及活塞之復位裝置， 其中為了固定釘子，首先藉助於開關轉換器用來自電化學能量儲存裝置之電能對電容器進行充電，於是使開關閉合以便經由勵磁線圈完成電容器之放電，於是使短路電樞及活塞加速離開其衝程起始位置，且使用活塞來驅動釘子，且然後使用復位裝置來使活塞及短路電樞返回至衝程起始位置。
在一項可能實施方式中，電動驅動器在恰當致動操作期間具有超過100 kN/l、較佳地超過200 kN/l、更佳地超過300 kN/l之最大力密度，每一者皆基於電動驅動器之體積。最大力密度應理解為作用於短路電樞上之最大勞倫茲力與電動驅動器之體積的商。電動驅動器包含框架、勵磁線圈之繞組空間及浸入至圖框中之短路電樞之部分，且特定而言由框架、勵磁線圈之繞組空間及浸入至圖框中之短路電樞之部分組成。
較佳地，電動驅動器之體積因此經定義為框架、勵磁線圈之繞組空間及浸入至圖框中之短路電樞之部分的體積之總和。當短路電樞為浸入至圖框中時，電動驅動器之體積因此較佳地經定義為框架及勵磁線圈之繞組框架的體積之總和。
在一項可能實施方式中，電動驅動器在恰當致動操作期間在力最大值處具有最大力密度。
在一項可能實施方式中，手持式釘子固定裝置經如此形成或包括此額外中之使得在複歸驅動器時，亦即在使短路電樞及活塞返回至其相應衝程起始位置時，防止短路電樞及第一勵磁線圈之間的機械接觸。
較佳地，提供用於短路電樞及/或活塞之可調整止動件，特定而言呈穿過框架之螺絲的形式。特定而言，框架或框架之應變釋放用作止動件。
在一項可能實施方式中，釘子固定裝置之固定能，特定而言可藉由對一或多個電容器進行充電實現之固定能為≥ 10J、較佳地≥ 100J、更佳地≥ 200J。
至少一個電容器較佳地為薄膜電容器或箔電容器。
在一項可能實施方式中，手持式釘子固定裝置包括電解電容器或薄膜或箔電容器，其外殼至少部分地由固定裝置自身之外殼形成，電容器之捲繞部因此不具有其自身之完整外殼。
較佳地，固定裝置之外殼在捲繞部之區域中為金屬且更佳地由鋁合金製成。
在捲繞部之區域中，固定裝置之外殼可具有特定而言呈散熱片之方式之結構表面。
在一項可能實施方式中，電化學能量儲存裝置為蓄電池。
在一項可能實施方式中，至少一個開關為半導體開關，特定而言閘流體。
本發明此外包含由電動驅動器驅動之電錘，如上文已描述。
本發明此外包含衝擊鑽孔機，該衝擊鑽孔機之衝擊機構由電動驅動器驅動(如上文已描述)，或由此驅動器形成。
本發明此外包含具有電動驅動器之電弧故障保護裝置，如上文已描述。
在一項可能實施方式中，電弧故障保護裝置此外包含至少一個電絕緣板及至少一個金屬導電螺栓，其中根據本發明之電動驅動器經致動使得由外部構件進行之對意外電弧之偵測導致以下事實：螺栓由電動驅動器加速以便穿過絕緣板且完成單相或多相短路，以便自意外電弧汲取電力。
本發明此外包含電開關，特定而言電力開關，包含如上文所描述之電動驅動器，且其用於斷開電開關。
本發明此外包含包含此電開關之短路電流限制器。提供由於偵測短路，電動驅動器經致動以斷開開關，且一或多個電感及/或熔絲與電開關並聯電連接。短路之偵測可由外部構件實現。此等構件為已知的。
本發明此外包含具有如上文所描述之開關的用於分離直流電路之混合開關，其中混合開關包括兩個並聯電流路徑，其中第一電流路徑可藉助於第一半導體開關中斷以便首先被關斷之電流流通至包括第二半導體開關之第二電流路徑，其中第一半導體開關較之第二半導體開關具有較低斷路容量及較小串流電阻，且其中根據本發明之開關與第一半導體開關串聯且與第二半導體開關並聯連接，其中半導體開關較佳地自身由呈串聯及/或並聯連接形式之數個個別半導體開關構成。
以下闡釋用於提供對本發明之較佳理解，專門地視為實例且決不應以限制的意義理解。
與上文所提及之ABB之具體應用相比，例示性實施方式中形成為「磁通集中器」之框架(10)係由軟磁框架複合材料(下文中： SMC代表「軟磁複合材料」)及或一或多個軟磁片料堆疊形成，其具有至少1.5 T之飽和磁通密度及不超過10 sS/m之特定有效導電率。較佳地，框架係由具有＜ 10 4S/m之比導電率、B s≥ 1.9 T之飽和磁通密度及μ r≥ 50之最大相對磁導率的SMC形成。此外，關於強度要求，框架材料應經選擇為具有高降伏點。非常適合於實現本發明之SMC為已知的且可以Somaloy品牌名購得。
目前，SMC並未達到已知磁性鐵鈷合金(例如，Vacoflux)之高飽和磁通密度。然而，鑒於本發明所針對且本發明意欲實現之高度動態，大部分個別狀況中之此事實目前較之SMC中之渦流之有效衰減較不重要。
在已知軟磁合金(作為固態材料)的情況下，無法充分達到根據本發明之所要的性質，諸如動態及效率。
本發明之另一基本態樣在於驅動線圈及/或框架之應變釋放，此係因為根據本發明所要之性質可僅以非常高磁壓實現，其導致每一致動操作中之驅動上之強結構應變。除由所謂麻時效鋼製成之殼體(20)外，例如，特定而言亦可考慮纖維複合材料用於框架(10)之應變釋放。針對線圈(30)之應變釋放，可能將高強度纖維或織物與線圈之導電體封裝在一起或用該高強度纖維或織物纏繞該(等)導電體。除其抗張強度外，較佳地選擇纖維材料以具有比導電體自身高之張力模數。最終，線圈可經封裝或外模製，其中封裝化合物較佳地經選擇以在一方面具有相當高固有強度、高降伏點及高張力模數(針對聚合物)，且另一方面儘可能堅固地黏合至導電體或其塗料表面以及纖維材料自身。在驅動器在導致線圈之顯著熱負荷之條件下操作的狀況下，亦應選擇封裝化合物以具有高導熱率；出於此目的，封裝化合物自身可對應地例如與AIN一起填充作為填料。
線圈可能亦可配備有冷卻裝置，特定而言配備有主動或被動液體冷卻，及/或可提供線圈至軟磁框架之堅固熱連接，該軟磁框架又可自身與散熱片熱連接。
最終，本發明將參考實施方式闡釋。圖1及圖2展示具有繞軸線(1)旋轉對稱之軟磁框架(10)之驅動器之第一及第二示範性實施方式的縱向剖面，該軟磁框架之形狀類似於已知罐狀磁鐵之框架，具有圓形下部邊緣、麻時效鋼(20)之應變釋放殼體、直接或間接鄰接抵靠框架(10)之第一勵磁線圈(30)，其例如由纖維強化扁平線形成且其經封裝，其中為寬值集膚效應，每一個別繞組可以並聯連接之一股數個薄(扁平)導線，且由高強度(可固化)鋁合金(例如，7068)製成之短路電樞(40)之方式形成，且其中在面向線圈之側上，嵌入(此處例如)純Cu之卓越導電環(41)。
替代地，可能以黏合或強制方式連接(Cu或Al或與純金屬相比強度大大增加且具有相當良好導電率的Cu合金或Al合金)環(41)，該環例如具有與剩餘短路電樞(40)相同內徑及外徑，其中該短路電樞(40)在其面向第一勵磁線圈(30)之側上。
針對藉助於電腦模擬(FEM)之應用程式之狀況，將判定較佳地符合具體驅動器之構造之所有強度要求。
在圖1中，呈缸套形式之殼體(20)用作沿著其整個軸線長度環繞框架(10)之圓周之應變釋放。在圖2中，殼體(20)另一方面具有除缸套外之底部區域。
在其外部圓周上，短路電樞具有滑動軸承(42)，藉助該滑動軸承將短路電樞以可軸向移位方式安裝在驅動器之外殼(50)中。短路電樞(40)與沿徑向方向延伸之活塞(45)連接，該活塞用於傳遞由短路電樞產生之力。自短路電樞繼續進行，活塞延伸穿過外殼之內部且延伸穿過活塞導引件(49)。較佳地，活塞(45)亦以滑動方式安裝。
較佳地使用在返回驅動器時安全地防止將短路電樞(40)(堅固)固定至第一勵磁線圈(30)上且因此避免對線圈之可能損壞的裝置或設計。
外殼可用作驅動器之防護罩以便滿足對應EMC準則。較佳地，外殼因此由鋁及/或鋁合金製作。
特定而言，諸如合金7068之可固化鋁合金可用於固化條件，此係因為其將高導電率與高機械強度及足夠耐腐蝕性組合在一起。
此外，驅動器可包括較佳較薄的高滲透性軟磁材料(例如，μ金屬)之外部殼體，該軟磁材料亦應具有高飽和極化。此處特定而言可將該軟磁材料視為具有飽和磁通密度＞ 1T (且超過all ＞ 1.2T)之軟磁金屬玻璃或奈米晶形材料之箔(明顯優於μ金屬)。
在圖1中，面向框架(10)之活塞(45)或短路電樞(40)之表面(43)因此經設計為止動件，藉助該止動件界定短路電樞在衝擊起始位置中之位置。止動件(43)可與框架(10)協作。
較佳地，然而，止動件(43)與調整元件協作，藉助該調整元件可在衝程起始位置中調整短路電樞(40)或環(41)之底部側至勵磁線圈(30)的距離。舉例而言，螺絲可經導引穿過框架(10)中之鏜孔(14)且用作可調整觸止。可藉此防止短路電樞(40)或環(41)之底部側在其返回至衝程起始位置時將損壞勵磁線圈(30)。
圖3展示框架(10)可由(在圓形端之框架之外部區域中之)複數個部分構成；在操作中，上述情形提供該等零件相對彼此之移動，藉此可避免相當脆弱SMC之損壞。框架零件同樣經封裝或彼此黏合接合(若可能)，其中固態彈性體黏合良好，降伏點高，其與SMC化學相容，較佳地應選擇為封裝化合物或黏合劑。
至第一勵磁線圈(30)之電引線(52) (其在圖1中示意性展示)應經實現使得此等必有引線儘可能少地損壞框架之可用磁性剖面。為操作驅動器，可藉助於開關(56) (特定而言閘流體)經由勵磁線圈(30)將電容器或電容器組(58)放電。此外，在電容器或電容器組之連接(59)提供自由電力隔通二極體(free-wheeling diode)。特定而言在使用箔電容器及/或薄膜電容器時，該自由電力隔通二極體可能亦被省略。
控制器(55)致動開關(56)且經由開關轉換器(54)此外執行對電容器或電容器組充電。
開關(56)較佳地為半導體開關，特定而言閘流體。
為滿足重量要求，亦對開關轉換器提出最高要求。較佳地，其包括半導體開關，特定而言具有大能帶隙之半導體開關(例如，SiC MOSFET)及高品質磁芯材料(軟磁金屬玻璃及/或奈米晶形合金之上述所有磁芯具有離散氣隙)。
由於線圈之自感應(其無論如何由於通常極其小匝數而較低)由短路電樞額外短路，因此配置之初始感應極其低，此在第一位置中提供巨大動態。為保護閘流體過高，電流率上升dl/dt，其可推薦例如藉由導引引線至驅動器穿過飽和高滲透性環形鐵芯(「磁開關保護」)感應飽和電感(所謂「飽和電抗器」)。另一方面，在設計根據本發明之驅動器之外佈線中必須考慮所有組件之阻抗。勵磁線圈之匝數應根據電壓源及機械負載之阻抗兩者進行調整，其中機械負載例如由短路電樞及可能與其連接之其他零件(諸如活塞)之質量形成。在給定恆定電容及匝數下，根據本發明之驅動器之電效率在待加速之特定質量及與其連接之機械負載處具有最大值。在諸多狀況下，圖中所揭示之驅動器之幾何形狀適合於直接設計用於此方面之應用之高度動態驅動器，無需對其進行最佳化。一般而言，驅動器由於勵磁線圈(30)首先排斥短路電樞(40)而操作，其中相關聯「力常數」隨增加距離快速減小，亦即，在給定信號下，排斥勞倫茲力愈大，勵磁線圈(30)與短路電樞(40)之間的距離愈小。因此，在衝程起始位置中，勵磁線圈(30)及短路電樞(40)必需經配置儘可能彼此接近。
在電解電容器用作電容器時，在致動操作期間由於相對高內部電阻而發生電容器之密集加熱。為改善此問題，可提供在致動操作期間仍關斷電解電容器。上述情形較佳地係藉由阻擋半導體開關或藉由自由電力隔通可能性(特定而言呈自由電力隔通二極體形式)來完成。
電解電容器之歐姆/真實內部電阻大約對應於線圈之歐姆/真實內部電阻。較佳地提供在達到電流最大值之後中斷電解電容器之放電，而電解電容器仍經部分地充電且來自電解電容器之靜電能之大部分已轉換成驅動器區段中之磁場能。
此磁場有關之電流此外可流過相當低阻抗自由電力阻隔二極體或另一低阻抗自由電力阻隔裝置，其較佳地具有比電解電容器自身低效率損失電阻。以此方式，磁場能未必轉換成電解電容器中(例如在其電解質中)之熱。
習用閘流體無法直接關斷。替代地，可使用GTO、IGBT、IGCT、MCT，其可關斷，但亦引發相對高成本。然而，亦可能藉助於特定而言相當小第二閘流體(「輔助閥」)及(小)節流閥，同時藉由關斷或改變至SCR1之閘極之極性來短暫逆轉閘流體(SCR1)中之電流方向。
然而，較佳地，使用箔電容器及/或薄膜電容器，此由於低內電阻不需要此關斷。
與可藉助電解電容器實現之能量密度相比，箔及/或薄膜電容器時鐘具有較低能量密度，但箔及/或薄膜電容器可具有格外低電串聯電阻(ESR)。此地電串聯電阻可大大地增加效率。
箔及薄膜電容器之另一優勢在於其為雙極性。其可忍受極性顛倒，以使得可省略自由電力隔通二極體，此歸因於重量之相關節省在手持式裝置之狀況下特定而言有幫助。
並聯連接之電解電容器與箔/薄膜電容器之組合同樣為可能。
在箔/薄膜電容器中，必須達成一個平衡：能量密度對ESR。此處，用數字判定最佳值(重量/效率—取決於應用之狀況)。
驅動器仍包括用於返回活塞(45)及/或短路電樞(40)的裝置(80)，其在圖1中僅以抽象形式展示為框，且現在將參考圖4a至圖4d藉助於例示性實施方式再次闡釋。圖4c及圖4d以沿著驅動器在兩個端位置中移動之軸線之剖面展示復位裝置。
活塞返回可例如藉助於例如沿著活塞之移動方向具有達至少一個衝程長度之空間擴展之軟磁元件(120)實現，該軟磁元件較佳地經設計成桿形狀，例如具有狹槽之桿形狀片料堆疊或軟磁桿。軟磁元件(120)與活塞連接，較佳地剛性連接，及/或形成活塞之後端。軟磁元件較佳地延伸穿過軸向開口(14)穿過框架且例如經配置在驅動器之底部表面後面。
與軟磁元件成直線，存在永久磁鐵(PM)之配置(100)，其形成在活塞返回使漸漸閉合之磁路，此係因為軟磁元件(120)漸漸移動至配置中。
永久磁鐵之磁通完全或主要地經導引至垂直於移動方向之軟磁零件中。永久磁鐵可以所謂海爾貝克陣列之方式建構以便減少原本需要「背鐵」且因此節省重量且然而提供最小雜散磁場。
在圖4a及圖4b中，展示此等配置之兩個不同態樣，其中箭頭指示永久磁性元件及/或區域之極化之方向。此等為各自呈海爾貝克陣列形式之配置。
藉助海爾貝克陣列，特定而言根據圖4b，可能例如導引由永久磁鐵產生之磁通大部分橫向穿過可移動軟磁元件(120)：沿著水平操作驅動器中之移動方向，「磁場線」因此例如自下面進入「鐵」且在頂部自「鐵」退出。鐵之橫向移動(沿著磁場線，亦即，正交於移動方向)接著僅導致磁場能量之微小改變，此為為什麼此配置幾乎完全無磁性橫向力，該等磁性橫向力原本可負載例如，軸承，例如導引軟磁框架元件之滑動軸承。
在永久磁鐵之配置內，滑動軸承(110)經提供用於軟磁元件。永久磁鐵之配置較佳地環狀環繞軟磁元件及/或滑動軸承及/或具有中空圓柱之形狀。圖5現在展示具有根據本發明之驅動器之根據本發明之釘子固定裝置之例示性實施方式，如其在圖1及/或圖4中詳細展示。關於電動驅動器，因此參考上述表示。
除驅動器之組件(亦即，第一勵磁線圈(30)、軟磁框架(10)、沿著軸線(1)移動安裝之短路電樞(40)及應變釋放(20))外，手持式釘子固定裝置此外包含至少一個電容器(58)、至少一個電化學能量儲存裝置(53) (特定而言呈蓄電池形式)、開關轉換器(54)、開關(56)、活塞(45)，及同樣僅示意性說明的用於短路電樞(40)及活塞(45)的復位裝置(80)。為了固定釘子(70)，首先藉助於開關轉換器(54)用來自電化學能量儲存裝置(53)之電能對電容器(58)進行充電，於是使開關(56)閉合以便完成電容器(58)經由勵磁線圈(30)之放電，於是使短路電樞(40)及活塞(45)加速離開其衝程起始位置，且使用活塞(45)來驅動釘子(70)，且然後使用復位裝置(80)來使活塞(45)及短路電樞(40)返回至衝程起始位置。
釘子中之驅動係藉由活塞(45)之尖端衝擊釘子(70)來實現，釘子例如提供在配置在釘子固定裝置之前部側上之釘匣(68)中。
釘子固定操作係藉由例如藉助按壓鍵(63)來致動觸發開關(52)而觸發。然而，控制器(55)僅允許在釘子固定裝置之尖端已進行接觸時觸發釘子固定操作，該接觸係經由接觸開關(66)偵測。控制器(55)查詢接觸開關(66)及觸發開關(52)且致動接觸開關(54)及開關轉換器(56)。
釘子固定裝置(60)此外包括阻尼器(65)，該阻尼器適合於吸收活塞之動能且可能亦針對可無需花費大量功來固定釘的狀況下防止破壞裝置。在目前狀況下，在外殼(50)之出口處提供阻尼器。
除驅動器外，釘子固定裝置之外殼(61)此外亦環繞電容器(58)，電容器(58)在目前狀況下沿軸線線方向配置在外殼中在驅動器後面。
外殼可用作電容器之外殼，該等電容器因此不需要其自己的殼體。在電容器(58)之區域中，外殼較佳地由金屬製作以便確保高導熱率且因此確保電容器之良好冷卻。
釘子固定裝置之外殼包含處置區域(62)，鍵(63)配置在該處置區域上。特定而言呈蓄電池形式之電化學能量儲存裝置(53)較佳地配置於單獨外殼零件(64)中，該外殼零件可與其餘外殼以可釋放方式連接以便能夠更換電化學能量儲存裝置。
1:軸線 10:框架/軟磁框架 11:外部區域 12:底部 13:內部區域 14:鏜孔/軸向開口 20:殼體/麻時效鋼/應變釋放 30:線圈/第一勵磁線圈/勵磁線圈 40:短路電樞 41:導電環/環 42:滑動軸承 43:止動件 45:活塞 49:活塞導引件 50:外殼 52:電引線/觸發開關 53:電化學能量儲存裝置 54:開關轉換器 55:控制器 56:開關/開關轉換器 58:電容器/電容器組 59:連接 60:釘子固定裝置 61:外殼 62:處置區域 63:鍵 64:外殼零件 65:阻尼器 66:接觸開關 68:釘匣 70:釘子 80:裝置/復位裝置 100:配置 110:滑動軸承 120:軟磁元件
現在將參考例示性實施方式及圖式詳細闡釋本發明。 在附圖中： 圖1展示根據本發明之驅動器之第一例示性實施方式之縱剖面， 圖2以縱剖面展示根據本發明之驅動器之第二例示性實施方式之詳圖，其中僅展示旋轉對稱構造之一半， 圖3展示在圖1中所展示之例示性實施方式中構造軟磁框架之段之數個軸向剖面， 圖4a)至圖4d)展示具有復位裝置之根據本發明之驅動器之另一例示性實施方式，及 圖5展示根據本發明之釘子固定裝置之例示性實施方式。
10:框架/軟磁框架
11:外部區域
12:底部
13:內部區域
14:鏜孔/軸向開口
20:殼體/麻時效鋼/應變釋放
30:線圈/第一勵磁線圈/勵磁線圈
40:短路電樞
41:導電環/環
42:滑動軸承
43:止動件
45:活塞
49:活塞導引件
50:外殼
52:電引線/觸發開關
54:開關轉換器
55:控制器
56:開關/開關轉換器
58:電容器/電容器組
59:連接
80:裝置/復位裝置

Claims (33)

  1. 一種電動驅動器，特定而言高度動態電動驅動器，特定而言該電動驅動器以具有軟磁框架之湯姆森線圈之方式構造，其包含： 一第一勵磁線圈(30)， 一軟磁框架(10)，及 一短路電樞(40)，其沿著軸線以可移動方式安裝， 該電動驅動器之特徵在於 該軟磁框架(10)具有至少1.0 T之飽和磁通密度及/或不超過10 6S/m之有效比導電率。
  2. 如請求項1所述之電動驅動器，其中該第一勵磁線圈(30)及/或該軟磁框架(10)包括用於應變釋放之至少一個構件，及/或其中該第一勵磁線圈(30)具有大於其長度之繞組高度，其因此為扁平的，及/或其中該第一勵磁線圈(30)經配置在該軟磁框架(10)中且鄰接抵靠該軟磁框架(10)。
  3. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其中該軟磁框架(10)表示開放磁路，其包括一外部區域(11)、一底部(12)及一內部區域(13)，且其具有一端面開口，其中該第一勵磁線圈(30)至少部分地封圍該軟磁框架(10)之該內部區域(13)，且其中該短路電樞(40)在其衝程起始位置中浸入至該軟磁框架(10)之該端面開口中且藉此至少部分地封圍該軟磁框架(10)之該內部區域(13)，其中該短路電樞(40)較佳地至少在其面向該第一勵磁線圈(30)之側上形成中空圓柱，及/或其中該軟磁框架(10)較佳地以罐狀磁鐵之方式構造。
  4. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其中該軟磁框架(10)完全或主要由軟磁複合材料及/或一或多個片料堆疊形成。
  5. 如請求項3所述之電動驅動器，其特徵在於該短路電樞(40)浸入至該軟磁框架(10)之該外部區域(11)與該內部區域(13)之間的一空間中，該空間具有缸套之形狀，其中其縱向軸線對應於該驅動器之移動方向及/或該第一勵磁線圈(30)之繞組軸線。
  6. 如請求項4所述之電動驅動器，其特徵在於由軟磁複合材料製成之該軟磁框架(10)係由數個部分及/或段構成，該數個部分及/或段較佳地彼此以黏合方式接合或封裝，其中該軟磁框架(10)較佳地經構成使得至少減少抗拉應力之發生，以便避免在操作期間該軟磁框架(10)及/或其部分發生破裂。
  7. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該驅動器之該短路電樞(40)全部或部分地由一非磁性材料形成，較佳地由可固化鋁合金形成，及/或其中在底部側上，亦即在該衝程起始位置中之該短路電樞在面向該第一勵磁線圈(30)之該短路電樞(40)之側上具有例如銅之良好導電之材料之一環，其中該環較佳地嵌入至該短路電樞中且特定而言至該非磁性材料中及/或與該短路電樞以黏合地及/或確實地方式連接。
  8. 如請求項7所述之電動驅動器，其特徵在於該環之比導電率為純銅之比導電率(%IACS)之至少50%，及/或該環由純銅或一銅或鋁合金或一銅基複合材料製成。
  9. 如請求項7所述之電動驅動器，其特徵在於該環完全或主要具有至少I = sqrt (t * rho / pi * μ)之移動方向擴展，其中t為恰當致動操作期間該勵磁線圈中之電流之半值寬度，rho為該環之特定電阻，pi為圓周率且μ為磁場常數。
  10. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該短路電樞全部或部分地由在固化狀態中具有純銅之比導電率(%IACS)的＞ 25%之比導電率的可固化鋁合金形成。
  11. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該電動驅動器至少部分地藉助於一電容器放電來操作。
  12. 如請求項11所述之電動驅動器，其特徵在於該電容器放電係藉由切換一或多個半導體開關來完成，其中該半導體開關較佳地為閘流體。
  13. 如請求項12所述之電動驅動器，其特徵在於該半導體開關藉由一飽和電感受到保護以免在操作期間被損壞，此係因為該飽和電感經定規格以足夠限制初始電流上升率dl/dt。
  14. 如請求項10所述之電動驅動器，其特徵在於該電動驅動器包含一起重磁鐵或在此起重磁鐵上進行操作，其中較佳地由該軟磁框架(10)之一部分，例如藉由該底部(12)形成之該起重磁鐵之電樞較佳地在致動操作期間藉助於一主要彈性衝擊將一脈衝傳輸至該短路電樞(40)，以便使該短路電樞加速(40)，且其中一電容器放電較佳地經由該第一勵磁線圈(30)而與該彈性衝擊同步實施。
  15. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於在致動操作期間施加至該第一勵磁線圈(30)之最高電壓不超過600V，較佳地不超過500V，更佳地不超過450V，或在致動操作期間施加至該第一勵磁線圈(30)之最高電壓介於1 kV與2 kV之間。
  16. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該軟磁框架(10)之至少主要部分具有小於10 5S/m，較佳地小於10 4S/m之有效比導電率。
  17. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該軟磁框架(10)之材料完全或主要具有＞ 1.5 T、較佳地＞ 1.75 T、更佳地＞ 1.9 T之飽和磁通密度。
  18. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該第一勵磁線圈(30)經設計以減少集膚效應之影響，此係因為替代固態個別導體，繞組以一股彼此絕緣之數個個別導體之方式形成，及/或此係因為使用了扁平導線。
  19. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於該第一勵磁線圈(30)具有至少30%、較佳地至少40%、更佳地至少50%，甚至更佳地至少60%之銅填充度。
  20. 如請求項2所述之電動驅動器，其特徵在於該第一勵磁線圈(30)經封裝，且另外藉由纖維強化來經應變釋放以抵抗在致動操作期間作用之(勞倫茲)力，及/或其特徵在於該應變釋放係藉助於在該軟磁框架(10)之該外部區域內徑向之纖維強化複合材料在該線圈之圓柱形殼體中實現。
  21. 如請求項2所述之電動驅動器，其特徵在於該應變釋放係以殼體之形式形成且較佳地由至少部分地圓周封圍該驅動器之殼體組成，其中較佳地使用具有超過700 MPa、更佳地超過1400 MPa之抗拉強度之材料及/或纖維複合材料及/或麻時效鋼之殼體，及/或其中該殼體較佳地具有中空圓柱之形狀，其軸線與該驅動器之移動軸線對應，其中該殼體較佳地在底部側，亦即在該軟磁框架(10)之該底部(12)之側上封閉。
  22. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其特徵在於至該第一勵磁線圈(30)之引線經鉸接及/或至該第一勵磁線圈(30)之引線係由封閉之外部及內部導體以同軸線電纜之方式形成，其中其較佳地經設計成旋轉對稱，及/或其中至該第一勵磁線圈(30)之引線經形成為扁平導線，其彼此抵靠而無任何明顯間隙。
  23. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其包含一較佳大體上圓柱形殼體，該圓柱形殼體由纖維複合材料組成，且包含碳纖維之一第一織物、一或多個電絕緣材料之一第二織物，例如，玻璃、HPPE或芳香聚醯胺纖維，以及一塑膠基質，其中以所謂環形鐵心之方式，該電絕緣織物用作碳纖維織物之繞組之間的絕緣中間層，以便減弱由交替電磁場造成之渦流。
  24. 如請求項1或2所述之電動驅動器，其包含由該短路電樞驅動之一活塞且該活塞之後端穿過該軟磁框架(10)中之一開口，且包含用於該短路電樞及該活塞之一復位裝置，該復位裝置對該活塞之該後端施加一復歸力，其中該復位裝置較佳地配置在該軟磁框架(10)之背對該短路電樞之側上及/或包括用於該活塞之該後端之滑動軸承。
  25. 如請求項24所述之電動驅動器，其中該活塞之該後端係由軟磁材料形成及/或其中該復位裝置包括一或多個永久磁鐵以產生該復歸力，其中該復位裝置較佳地包含複數個永久磁性元件及/或永久磁性區域之一配置，該複數個永久磁性元件及/或永久磁性區域形成一磁路，該磁路在該活塞返回時漸漸閉合，此係因為該活塞之該後端漸漸地移動至該配置中之一切口中，其中該配置較佳地具有中空圓柱之形狀。
  26. 如請求項24所述之電動驅動器，其包含一電容器總成及一開關，其中藉由閉合該開關，經由該第一勵磁線圈(30)完成該電容器總成之放電，藉以使該短路電樞及該活塞加速離開其衝程起始位置。
  27. 一種電錘，其特徵在於其係由如請求項1至26中一或多項所述之電動驅動器驅動。
  28. 一種衝擊鑽孔機，其特徵在於其衝擊機構係由如請求項1至26中一或多項所述之電動驅動器驅動或係由此驅動器形成。
  29. 一種電弧故障保護裝置，其包含如請求項1至26中一或多項所述之電動驅動器。
  30. 如請求項29所述之電弧故障保護裝置，其進一步包含至少一個電絕緣板及至少一個金屬導電螺栓，其中該(等)電動驅動器經致動使得由外部構件進行之對一意外電弧之偵測會導致以下事實：該(等)螺栓由該(等)電動驅動器加速以便穿過該絕緣板且完成單相或多相短路，以便自該意外電弧汲取電力。
  31. 一種電開關，其包含如請求項1至26中一或多項所述之電動驅動器，該電動驅動器用於斷開該電開關。
  32. 一種短路電流限制器，其包含如請求項31所述之電開關，其特徵在於由於由外部構件進行之對短路之偵測，該電動驅動器經致動以斷開該開關，且其中一或多個電感及/或一熔絲與該電開關並聯電連接。
  33. 一種用於分離一直流電路之混合開關，其包含如請求項31或32所述之開關，其特徵在於其包括兩個並聯電流路徑，其中一第一電流路徑可藉助於一第一半導體開關中斷以便首先被關斷之該電流流通至包括一第二半導體開關之該第二電流路徑，其中該第一半導體開關較之該第二半導體開關具有一較低斷路容量及一較小串流電阻，且其中該開關與該第一半導體開關串聯且與該第二半導體開關並聯連接，其中該等半導體開關較佳地自身由呈串聯及並聯連接形式之數個個別半導體開關構成。
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