CN112421925B - 电磁线性致动器 - Google Patents

Abstract

一种线性致动器包括：第一固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个齿被电线圈围绕；控制器，其产生一组电流，该组电流被施加至所述第一固定部分的相绕组以便沿着阵列的齿生成一定模式的磁极；第二固定部分，其包括交替的磁极的组；以及可移动的输出部分，其包括沿着输出部分的一段长度延伸的线性阵列的极片，该段长度大于致动器的行程长度并且比固定部分的长度更长，由此在使用中可移动的输出部分的该段长度始终位于第一固定部分与第二固定部分之间，其中位于固定部分之间的极片对在第一固定部分的极与第二固定部分的极之间起作用的磁通进行成形，在使用中控制器被布置成通过使第一固定部分的磁极沿着阵列运动而产生输出部分的线性运动。

Description

电磁线性致动器

技术领域

本发明涉及线性致动器，特别地涉及适用于需要沿线的高行程长度的应用的电磁线性致动器。

背景技术

线性致动器为一种产生输出构件(通常，细长杆)的沿着直线或曲线的运动的装置。已知各种类型的线性致动器。最早类型的线性致动器中的一种为螺杆驱动器，其中螺纹杆与螺纹体接合，所述螺纹体可以旋转以便使螺纹杆沿着线性路径运动。包含这些类型的线性致动器的装置被广泛地用于汽车千斤顶中，因为可以通过人力来提供固定部件的旋转。在另一类线性致动器中，可以使用缸中的液压压力来沿着线性路径驱动活塞。

另一种类型的线性致动器为线性马达。这些线性马达以与常规马达类似的方式运行，但是它们具有定子以及在功能上等同于转子的部件，该等同于转子的部件沿线布置而不是围绕轴线缠绕。因此，输出平移运动而非旋转运动。简单的线性马达具有在固定部件上的一组绕组，所述一组绕组产生与安装于活动的细长部件上的一组磁体所产生的磁通模式(flux pattern)相互作用的磁通。通过使磁通模式沿着定子运动，当来自永磁体的磁通模式试图使它们自身与定子所生成的磁通模式对准时，洛伦兹力将使线性构件沿着线性路径运动。

申请人已经认识到，在移动部件上使用永磁体的已知的线性马达尽管能够产生高精度线性运动，但该线性马达在期望产生具有大的行程长度并且可以生成大的线性力的线性致动器的情况下可能是极其昂贵的。为了产生大的力，沿着移动构件布置的磁体必须能够产生高水平的磁通。考虑到在磁体的成分中包含稀土元素，能够产生高水平的磁通的磁体相对昂贵。而且，因为磁体必须沿着构件的整个长度相间隔，所以这将要求在移动构件上使用大量的磁体以用于大的行程长度。这是相当浪费的，因为实际上在任何给定的时间中只有与定子对准的磁体工作，其余的磁体仅是随着输出部分运动而被承载。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种线性致动器，其改善现有技术的线性致动器设计的一些限制。

根据第一方面，本发明提供一种线性致动器组件，其包括：

第一固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿被一匝或多匝电线圈围绕，

控制器，其产生一组电流，该组电流被施加至所述第一固定部分的相绕组以便沿着阵列的齿生成一定模式的磁极，极之间的间距大于所述第一固定部分的相邻齿之间的间距，

第二固定部分，其包括交替的磁极的组，相邻极之间的间距小于控制器所产生的第一阵列的磁极的间距，以及

可移动的输出部分，其包括沿着所述输出部分的一段长度延伸的线性阵列的极片，该段长度大于所述致动器的行程长度并且比固定部分的长度更长，由此在使用中所述可移动的输出部分的该段长度始终位于第一固定部分与第二固定部分之间，其中位于固定部分之间的极片对在所述第一固定部分的极与所述第二固定部分的极之间起作用的磁通进行成形，以及

其中，在使用中所述控制器被布置成通过使所述第一固定部分的磁极沿着所述阵列运动而引起所述输出部分的线性运动。

通过本发明，控制器在第一定子处产生移动的磁通模式，其与来自第二固定部分的、已经通过所述输出部分的极片成形的类似的移动的磁通模式相互作用。具有成形的磁通模式的极的移动速度将低于第一固定部分的极的运动速度但是位于相同的方向上，这为致动器提供一定程度的传动，从而给予高的力密度。因为可移动的阵列仅包括相对低成本的极片，而不是如现有技术中已知的固定的磁体，因此仅使用沿着输出件相间隔的极片而非磁体可以生产成本有效的线性致动器。

所述第一固定部分可以限定两个磁极，所述第二固定部分可以限定两个以上的磁极，并且所述极片可以对来自第二磁极的极的磁通进行成形，以便在来自第一固定部分的磁通与来自第二固定部分的磁通相交的区域中生成两个磁极。

在一种可行的布置中，第二固定部分可以包括由21个磁体生成的21个磁极，并且针对输出部分的沿着其行程的所有位置，输出部分沿着输出部分的位于两个固定部分之间的部分可以承载12个极片，其中第一固定部件生成两个极对，每个极对包括一对北极或一对南极。

因此，在可行的示例中的输出部分将需要沿着其长度具有多于12个极片。

可以使用其它数量的磁极和极片，目的是使极片将来自第二固定部分的磁通的强的、理想的第一谐波耦合至由第一固定部分的绕组和齿所生成的极的匹配模式。

输出部分的极片可以包括含铁金属的极片，最优选地是钢极片。极片可以由不含铁的载体支撑。例如，极片可以被固定至载体上或埋在所述载体内。与现有技术的线性致动器不同，极片不需要是磁体，因为它们的功能仅仅是在两个固定的部分之间的气隙中对来自第二固定部分的磁通进行成形。

所述固定部分可以固定于参考框架中，其中可移动的阵列沿着行程长度相对于所述框架平移。固定的参考框架可以相对于地面固定，或者相对于承载线性致动器的车辆的主体固定。例如，固定的参考框架可以相对于其上固定有线性致动器的平台的参考框架来固定。可以提供比如支架或支撑件的固定设备，以用于将固定部分固定于适当位置中，例如用于将固定部分固定至车辆的主体或车辆的其它的固定的部件。固定设备可以包括用于接收比如螺栓的紧固件的开口。固定设备可以包括固定至第一固定部分和/或第二固定部分的基板或者与第一固定部分和/或第二固定部分成一体的基板。

输出部分可以包括细长的构件，所述细长的构件沿着其长度的主要部分具有恒定的横截面，所述横截面可以在固定部分之间通过。该横截面可以为正方形、矩形或圆形横截面，但是该横截面可以设想为任何的横截面。

输出构件可以具有至少30cm、或至少1m或更长的长度。理论上，不存在对线性致动器的行程的限制，但是实际上，所述限制将取决于摩擦力，并且如果输出部分竖直地移动，则所述限制将取决于输出部分的重量。因为与磁体相比仅需要低成本的极片，所以可以以成本有效的方式实现具有大的行程长度的线性致动器。

第二固定部分可以包括线性阵列的永磁体，每个磁体限定第二固定部分的一个极。磁体可以以交替的北-南模式布置，以便在第二固定部分与输出构件之间的气隙中产生交替的北磁极和南磁极。

在替代方案中，第二固定部分可以包括线性阵列的电磁体。每个电磁体可以包括齿，围绕所述齿缠绕一段导线从而形成线圈。所述线圈可以被供应有来自控制器的电流，其生成限定第二固定部分的极的固定的、非移动的磁通模式。

单个控制器可以驱动第一固定部分和第二固定部分的绕组，但是当然地，当一者需要移动的DC场而另一者需要固定的DC场时，可以将不同模式的电流施加至每个固定部分的线圈。

使用电磁体来生成第二固定部分的极在要使成本最小化的情况下可能是优选的，但是由于欧姆损耗以及潜在地重量的增加而导致线性致动器的电效率的折衷。

申请人已经认识到，具有第一和第二固定部分以及在它们之间的输出部分的上述布置将在输出部分上生成一些侧向力。

因此，输出部分沿着其长度在相间隔的位置处可以由抵抗侧向力的一个或多个轴承组件来支撑。

在替代的布置(如果需要，其可以与轴承的使用相结合)中，线性致动器可以进一步包括：

第三固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿被一匝或多匝电线圈围绕，

所述控制器生成一组电流，该组电流被施加至所述第三固定部分的相绕组以便沿着所述阵列的齿生成与所述第一固定部分相同的交替模式的磁极，以及

第二可移动的输出部分，其包括线性阵列的极片，可移动的输出部分的至少一部分位于所述第二固定部分与所述第三固定部分之间。

极片的数量和位置与第一可移动的输出部分的极片的数量和位置相匹配，并且对在第二固定部分的极与第三固定部分的极之间起作用的磁通进行成形。

这种布置将第二固定部件放置于夹层构造的中间，其中所述夹层构件在每侧上具有一个移动的部分，并且第一固定部分和第三固定部分形成夹层的最外层。

所述两个可移动的输出部分可以机械地连接或者可以由单个整体构件形成。例如，可以存在细长的构件，所述细长的构件沿着其长度具有接收所述第二固定构件的细长的狭缝，两组极片沿着所述狭缝的相对的两侧延伸。

所有的固定部分和移动的部分可以位于单个平面中，其中每个阵列为直线式的。

替代地，固定部分和移动的部分中的每个都可以为轴对称的，并且沿着它们的长度具有圆柱形或部分圆柱形的横截面。

根据第二方面，本发明提供一种线性致动器，用于与控制器一起使用以便形成根据本发明的第一方面的线性致动器组件，致动器主体包括：

第一固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿被一匝或多匝电线圈围绕，

第二固定部分，其包括交替的磁极的组，以及

可移动的输出部分，其包括沿着所述输出部分的一段长度延伸的线性阵列的极片，该段长度大于所述致动器的行程长度并且比固定部分的长度更长，由此在使用中所述可移动的输出部分的该段长度始终位于第一固定部分与第二固定部分之间，其中位于固定部分之间的极片对在所述第一固定部分的极与所述第二固定部分的极之间起作用的磁通进行成形。

附图说明

现在将仅仅通过举例的方式描述本发明的四个实施例，其中：

图1为根据本发明的线性致动器的第一实施例的平面图，其中输出部分朝向致动器行程的一端并处于缩回位置中；

图2为示出了线性致动器的、对应于图1的平面图，其中输出部分朝向致动器行程的相对的端并处于完全伸出位置；

图3为形成图1的线性致动器的一部分的致动器主体的主要部件的示意图；

图4为与图3类似的致动器主体的主要部件的示意图，所述致动器主体形成根据本发明的一方面的线性致动器的第二实施例的一部分；

图5为与图3类似的致动器主体的主要部件的示意图，所述致动器主体形成根据本发明的一方面的线性致动器的第三实施例的一部分；

图6中的(a)示出图1至图5的致动器的第一固定部分或第三固定部分(在第三固定部分存在的情况下)的齿和绕组，图6中的(b)示出在使用第一组电流波形将电流施加至绕组时对应于两个极所生成的磁通模式；以及图6中的(c)示出在施加不同的一组电流波形时所述两个极的模式沿着阵列的齿的移动；

图7中的(a)示出图1的线性致动器的第二固定部分的永磁体的布置，其中不存在输出部分和第一固定部分，图7中的(b)示出输出部分修改磁通的效果，其中同样不存在第一固定部分，以及图7中的(c)示出由于输出部分与第二固定部分的不同的对准而沿着阵列移动的同一被修改的磁通模式，其中输出部分已经向右移动等于相邻极片之间的间距的距离；以及

图8为等距视图，其示出了图2中所示的线性致动器的可能的、替代的第四实施例。

具体实施方式

根据本发明的一方面的线性致动器包括致动器，该致动器具有固定的主体30以及移动的输出部分40。该固定的主体部分被固定至平台50或其它支撑件并且在使用中并不旨在移动。该移动的输出部分40执行工作，并且在使用中沿着路径从如图1中所示的缩回位置至如图2中所示的伸出位置而线性、往复地运动。致动器包括含铁极和电磁体的布置。所述运动由在固定的主体30与移动的输出部分40之间起作用的洛伦兹力产生，并且由控制器20控制，该控制器以将在下文中描述的方式控制通过固定的主体部分30中的电磁体的绕组的电流的流动。

线性致动器可以以各种方式布置，并且第一实施例100在附图的图3中示出。在该实施例中，致动器100包括两个细长的固定部分1、2，所述两个细长的固定部分平行地布置并且隔着气隙彼此面对。移动的输出部分3位于气隙中并且包括细长的杆。所述杆沿着其长轴具有比气隙的长度更长的长度，以使得对于沿着其行程的任何位置，杆的一部分而非整个杆都位于气隙中。可以设置轴承组件(未示出)来侧向地支撑所述杆，以便确保所述杆在两个细长的固定部分之间的气隙中被保持于中心。

细长的固定部分中的第一个固定部分1包括线性阵列的定子齿6，该定子齿从连续的背铁(back iron)7延伸，所述连续的背铁从固定部分的一端延伸至另一端。在该示例中，存在沿着背铁均等地相间隔的12个齿。每个齿6被一匝或多匝电线圈围绕，所述一匝或多匝电线圈形成了一组线圈绕组的一个绕组8。绕组按相位构造，并且绕组连接至控制器的输出件。

控制器生成一组相电流，其被施加至第一固定部分1的绕组8，以便沿着所述阵列的齿生成一定模式的磁极。在该示例中，施加这样的电流波形：该电流波形生成具有两对极(两个北极和两个南极)的模式，其中极之间具有相等的空间。因此，极的数量小于齿的数量。重要的是，通过改变施加至绕组的电流，可以使所述极的模式沿着第一固定部分移动。图6中的(a)至(c)示出如何简单地通过改变施加至绕组的电流来使所述极的模式沿着所述阵列的齿运动。如可以看到的那样，两个极之间的间距并未变化，仅仅是所述模式沿着第一固定部分1运动。

细长的第二固定部分2包括细长阵列的永磁极5，该细长阵列的永磁极沿着固定部分2的长度在北极与南极之间交替。这些永磁极由细长的后挡板支撑。相邻的极之间的间距小于控制器所产生的第一阵列的磁极的间距，并且在该示例中，存在沿着细长的第二固定部分均等地相间隔的21个磁体。在该示例中，第一和第二固定部分具有相同的长度。

可移动的输出部分3包括细长、不含铁的载体9，该载体支撑沿着输出部分的整个长度延伸的线性阵列的极片4。对于输出部分的沿着其行程的任何位置，极片中的12个极片位于两个固定部分之间的气隙中。极片4沿着载体均匀地相间隔。每个极片4包括一部分含铁材料。

气隙中的极片4的存在对来自第二固定部分的磁体5的磁通模式进行成形或扭曲。这可以在图7中看到。在没有极片的情况下，气隙中的来自第二固定部分的磁体5的磁通将如图7中的(a)所示的那样。在输出部分处于适当位置的情况下，该磁通被成形为形成这样的磁通模式：该磁通模式类似于利用第二固定部分上的仅仅两个磁极对所产生的磁通模式，如图7中的(b)所示的那样。实际上，输出部分相对于第二固定部分移动小的距离将导致相同的、但是沿输出部分的运动方向偏移的磁通模式，如图7中(c)中所示的那样。在伪直接驱动马达的背景下可以很好地理解这种成形的原因，并且在University ofSheffield名下的国际专利申请WO 2007/125284中给出了具体的讨论，其中所述概念被用于旋转电机的设计中。

读者将理解的是，来自永磁体5的修改的磁通模式将与来自第一固定部分的电磁体的类似的磁通模式相互作用，并且通过使第一固定部分的极模式移动，洛伦兹力将作用于输出部分的极片4上，从而使所述输出部分移动以便将磁通模式重新对准至输出部分的没有力作用的位置。由于这引起输出部分3的移动，来自第二固定部分的磁通被改变，并且这导致输出部分3以比第一固定部件的极模式的移动速度更慢的速度移动。结果是一种磁性传动形式，这在为线性致动器提供高的力密度的方面是有利的。

图4为根据本发明的一方面的线性致动器200的第二实施例的视图。在该布置中，设置第一固定部件201和移动的输出部分202，它们在形状和功能方面与图3的第一实施例100的那些部件相同。其中，该实施例的不同之处在于第二固定部件203的布置，所述第二固定部件包括一组电磁体204而非一组永磁体。每个电磁体包括齿，导线的线圈以常规方式围绕所述齿缠绕。电磁体204没有被调制，而是简单地通过将电流施加至每个电磁体的绕组来被驱动，所述绕组产生固定的DC场，该DC场在功能上与图3的永磁体所生成的DC场相同。电磁体在被驱动时，针对移动的输出部分202呈现交替的北极和南极。在简单的布置中，每隔一个的齿被串联地缠绕以形成将提供北极的组，并且每个在之间交错的齿被串联地缠绕以形成将形成南极的第二组。

图5为根据本发明的一方面的线性致动器的第三实施例300的视图。在该实施例中，第一固定部件301和第二固定部件302在形状和功能上与第一实施例的那些相同，但是如图所示，存在另外的第三固定部分303，其位于第二固定部分302相对的侧上以便限定第二气隙。输出部分沿着其长度被分成两部分，以便限定围绕第二固定部件延伸的中心狭槽304。该第二固定部件包括用于交替的南北极永磁体的组309的细长支撑件。因此，输出部分可以被认为是形成两个平行、细长的输出部分305、306。所述两个细长的输出部分中的每个均承载相应的一排极片307、308，该两排极片布置于狭槽304的每侧上，使得一组极片位于第一固定部分与第二固定部分之间的气隙中，并且另一组极片位于第二固定部分与第三固定部分之间的相同的气隙中。

通过使第一固定部分301和第三固定部分303相同并且施加相同的电流波形，从而使得气隙在第二固定部分的每侧上均相同，并且通过使两排极片相同，可以消除作用于图3和图4的实施例的输出部分的侧向力。这可以允许省略轴承组件，因为平衡的力将牢固地保持输出轴，从而在使用时防止侧向运动。

当然，通过控制施加至固定部件中的每个固定部件的绕组的电流来补偿任何变化，可以利用不同的部件实现相同的效果。而且，技术人员将理解的是，第二固定部分的永磁体可以被替换为如第二实施例所示的电磁体，而不实质地改变致动器的运行方式。

技术人员将理解的是，在本发明的范围内许多修改都是可能的。特别地，尽管上述三个实施例包括通常全部位于一个平面中的磁体和极片，但是用于磁体的载体可以被布置成使得磁体并非全部位于同一平面中。在图8中以横截面图示出了线性致动器400的这样的设计的示例，其中外部固定部分410包括管，所述管具有沿着其孔相间隔的环形齿420。移动的部分403包括配合在外部固定部分内的较小的管。该较小的管支撑沿着其长度相间隔的环形的含铁极片404。这些极片以虚线示出。第二固定部分405包括杆，所述杆位于移动的部分的孔内并且承载固定的磁体406，所述固定的磁体也以虚线示出。所述两个固定部分在一端处被固定至底板407。

技术人员还将理解的是，在该文献中通篇使用的术语“线性的”旨在涵盖沿着输出部分的线的、与旋转运动不同的平移运动，并且因此在本发明的范围内涵盖沿着直线的线性运动以及沿着曲线的曲线运动。

Claims (10)

1.一种线性致动器组件，所述线性致动器组件包括：

第一固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿均被一匝或多匝电线圈围绕，

控制器，其生成被施加至所述第一固定部分的相绕组的一组电流，以便沿着所述阵列的齿生成一定模式的磁极，所述极之间的间距大于所述第一固定部分的相邻的齿之间的间距，

第二固定部分，其包括交替的磁极的组，所述第二固定部分的相邻极之间的间距小于所述控制器所产生的第一阵列的磁极的所述间距，以及

可移动的输出部分，其包括沿着所述输出部分的一段长度延伸的线性阵列的极片，该段长度大于所述线性致动器组件的行程长度并且比固定部分的长度更长，由此在使用中所述可移动的输出部分的该段长度始终位于所述第一固定部分与所述第二固定部分之间，其中位于固定部分之间的极片对在所述第一固定部分的极与所述第二固定部分的极之间起作用的磁通进行成形，以及

其中，在使用中所述控制器被布置成通过使所述第一固定部分的磁极沿着阵列移动而引起所述输出部分的线性移动。

2.根据权利要求1所述的线性致动器组件，其中，所述第一固定部分限定两个磁极，所述第二固定部分限定多于两个的磁极，并且所述极片对来自第二磁极的极的磁通进行成形以便在来自所述第一固定部分的磁通与来自所述第二固定部分的磁通相交的区域中生成两个磁极。

3.根据权利要求1或2所述的线性致动器组件，其中，可移动的输出部分的极片包括由不含铁的载体支撑的含铁的金属极片。

4.根据权利要求1或2所述的线性致动器组件，其中，可移动的输出部分包括细长的构件，所述细长的构件沿着其长度的主要部分具有恒定的横截面。

5.根据权利要求1或2所述的线性致动器组件，其中，所述第二固定部分包括：线性阵列的永久磁体，每个所述磁体限定所述第二固定部分的一个极；或者线性阵列的电磁体。

6.根据权利要求1所述的线性致动器组件，所述可移动的输出部分为第一可移动的输出部分，所述线性致动器组件还包括：

第三固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿被一匝或多匝电线圈围绕，

所述控制器生成被施加至所述第三固定部分的相绕组的一组电流，以便沿着所述阵列的齿生成与所述第一固定部分相同的交替的模式的磁极，以及

第二可移动的输出部分，其包括线性阵列的极片，所述第二可移动的输出部分的至少一部分位于所述第二固定部分与所述第三固定部分之间。

7.根据权利要求6所述的线性致动器组件，其中，所述第二可移动的输出部分的极片的数量和位置与所述第一可移动的输出部分的极片的数量和位置相匹配，并且对在所述第二固定部分的极与所述第三固定部分的极之间起作用的磁通进行成形。

8.根据权利要求6或7所述的线性致动器组件，其中，所述第一可移动的输出部分和第二可移动的输出部分被机械地连接或者由单个的整体构件形成。

9.根据权利要求1、2和6中的任一项所述的线性致动器组件，其中，所有的固定部分以及所有的可移动的输出部分位于单个平面中，其中每个阵列均为直线式的。

10.一种线性致动器，其用于与控制器一起使用以便形成根据权利要求1至9中的任一项所述的线性致动器组件，所述线性致动器包括：

第一固定部分，其包括线性阵列的定子齿，每个定子齿被一匝或多匝电线圈围绕，

第二固定部分，其包括交替的磁极的组，以及

可移动的输出部分，其包括沿着所述输出部分的一段长度延伸的线性阵列的极片，该段长度大于所述线性致动器组件的行程长度并且比固定部分的长度更长，由此在使用中所述可移动的输出部分的该段长度始终位于所述第一固定部分与所述第二固定部分之间，其中位于固定部分之间的极片对在所述第一固定部分的极与所述第二固定部分的极之间起作用的磁通进行成形。