直线电磁电机制造技术

一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含一个导体，通常是线圈的形式，其中电流基本上垂直于磁场流过，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力。径向磁场由沿其轴向磁化方向取向的永磁体产生，极靴用于集中磁通以沿径向路径通过线圈。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及直线电磁电机，特别涉及(尽管不是唯一地)用于产生直线运动的设备。虽然这种电机常常被称为“直线致动器”，但是本专利技术也可理解为一种虽能运动但适于在变化力的作用下也能保持固定位置的电机。直线电磁致动器(有时称为直线电动机)的一些设计是公知的。先前公知电机的各种结构在WO93／01646中有描述，其涉及具有轴对称性并形成为气缸中的动子式电机的直线电磁装置。这种结构形式的本质优点在于定子磁元件和电枢磁元件之间强大的吸力平衡于中轴线，从而电机轴承无需承受所产生的合成磁力，这就是具有单侧的所谓直线电机的情况。轴对称结构的另一个优点在于电机中的磁场被包含在外壳(是钢或其他合适铁磁材料)内并且其被布置为高效地横切电机的电线圈。而且，在圆柱状的轴对称结构中，运动部件或电枢可方便并可行地在其和致动器的固定件或定子之间承载一个滑动密封，从而能至少在电枢一侧包含大量流体，其用作附加流体致动器或阻尼器。由于许多原因这种电机的最适合的结构是使用永磁体电枢和装有通电线圈的周围定子。最好可通过一个电子控制系统来控制电流的幅值和方向。这种结构允许绕组中产生的热量易于散发到外部环境中，并且其简化了到控制系统的电气连接。这种电机的主要设计参数是电枢和定子的磁场结构，以及对于给定的冲击和推力额定值的电机最合适直径的选择。由电磁电机产生的推力可表示为T=B*I*L其中T为推力，其单位为牛顿，B为磁通密度，其单位为特斯拉，I为导线中的电流，其单位为安培，以及L为导线长度，其单位为米。下面给出必须与磁通横切的铜线的体积关系式V=T／(B*d)其中V为体积其单位为立方米，以及d为导线中的电流密度其单位为安培／平方米。当电机静止时，产生此推力所需的电功率可表示为W=T*r*d／B其中W为功率其单位为瓦特，以及r为电阻率其单位为欧姆米。因此，可以理解，通过保证磁通尽可能多地集中在横切线圈的区域能改善致动器的性能。因此，根据本专利技术的一个方面，提供一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含一个导体，其中电流相对于所述磁场基本垂直流过所述磁场的部分路径，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力，其特征在于用于产生径向磁场的所述装置包括磁化方向取向基本与所述轴平行的一个永磁体，所述轴与其北极和南极的极靴有关，通常径向磁场从极靴的圆周表面延伸出来。直线电磁电机的早期结构是“无铁心“型。也就是说，铜线绕组直接位于磁路的气隙中。从而气隙很大以在可接受的长度中容纳产生所需推力所必要的最小铜线体积。为了使得磁通穿过这样大的气隙，每个相关永磁体的磁长度也很大，从而永磁材料的体积、重量和成本是很大的。在本专利技术的实施例中，优选极靴的轴向长度尽可能的短以使得磁通密度最大化。然而，由于以下更明显的原因，磁铁的轴向长度将优选为小于，并在任何情况下，基本上不大于极靴的轴向长度。然而，在使得极靴的轴向长度最小化的尝试中，加上了这样的条件约束，即，气隙的径向厚度(包括无铁心电机中的铜线)必须接近磁铁长度的一半以最大效率操作。该径向“厚度”被限定为使得能减少线圈，并且这必须与最小化极靴的轴向长度的要求相平衡。当该磁铁或每个磁铁的轴向长度、每个极靴的轴向长度以及气隙的径向“厚度”都基本相同时，完成具体的有效折中。在本专利技术的一个实施例中，直线电磁电机的定子围绕电枢，并在铁磁定子主体的周围槽中装有导体线圈。铁磁定子主体的环电阻，即，相对于感应电流的周围电阻，通过至少一个轴向延伸的沟道而增加，该沟道的深度小于定子主体材料的厚度。优选周围槽沿轴向方向具有对称的环状外形以保持恒定的径向磁阻。电枢优选为邻近定子安装并装有合适的轴承。另一方面，本专利技术提供一种根据任何在先权利要求的直线电磁电机，其特征在于定子沿径向位于电枢中以及所述铁磁套筒位于电枢的径向外表面上。线圈的轴向间距、电气连接和阻抗适于允许通过适合的电子驱动单元来控制电机，在下文将更详细地描述这样的电子驱动单元。用于产生径向磁场的装置包括沿垂直于其平面方向永久磁化的磁性材料的平盘或环。这些环沿电机的中轴串联安装以及具有互相面对并具有插入的铁磁极靴的相似极，从而从相反的磁铁集中磁通并沿理想径向方向导向该磁通到电气线圈。径向磁化的磁性材料套筒位于磁环和极靴的与径向反方向的外缘，从而阻止沿不希望的方向导向磁通，安装到其侧面的所述径向磁化材料上的铁磁套筒距离所述环和极靴较远。另一方面，本专利技术提供一种根据任何在先权利要求的直线电磁电机，其特征在于线圈沿圆弧线或直线的轴向弯曲路径圆周形布置在所述轴的周围。因此，如果电磁致动器包括用于提供代表电枢和定子相对位置信号的位置传感器或与其相关，可以将定子的电线圈连接到用于控制线圈中电流的幅值和方向的电子驱动单元上，以在电枢和定子之间产生的理想轴向力。优选电枢和定子具有圆形断面并装有允许装置被加压以在需要时形成气体弹簧部分的合适的气密封。优选电子驱动单元布置为可产生代表提供到致动器上的电流的信号，这样的信号整体用于调节某些应用中的所述气体弹簧的压力。直线电磁电机的最通用的结构是形成具有周围环绕线圈的定子作为圆筒，并形成具有圆柱形外表面以在定子的内圆柱表面中沿轴向滑动的电枢。这种结构还提供一种恒定磁阻圆柱形定子。通常的错误认为是动子移动是由于线圈作用在电枢上所产生的吸引或排斥的磁作用的存在所产生的，正如螺线管或电磁铁那样。但这不是实际情况。力存在于每个线圈中，是电流和磁通密度的矢量积，从而在它们之间会产生与全部线圈力的矢量和相等的反作用力。由于环形电流被布置为与径向磁通垂直，所以产生轴向力而不是旋转的力。可以认为，这种电机在电气上等效于一个两极无刷的旋转交流伺服电动机，从而可以通过一个很类似的驱动系统来控制。要将这里所述的直线电磁电机连接到这样的控制器上，其主要困难是在直线位移的限定中仅重复几次状态循环。这与等效旋转电机相矛盾，这是因为在等效旋转电机中相应于电动机轴旋转的循环可以重复无限次的。这种困难与传感器的输出信号有关，该传感器必须是并不常具有旋转当量的直线装置。直线位置信号必须转换为具有适当偏差的循环相指令以产生最佳推力。本专利技术也可以理解为一种适于在三相电源中应用的直线电磁电机，其包括具有沿公共轴排列的多个线圈的定子，具有用于产生沿所述轴的径向延伸的磁场的电枢，以及用于给线圈提供电流的控制装置，该电流的幅值和方向导致基本上与所述轴平行的电枢和定子之间产生力，其特征在于由电枢产生的磁场包括用于限定磁场周期的至少两个相反极性的区域，以及每个线圈的轴向尺寸基本上是电枢磁周期的六分之一。因此本专利技术实施例的特征可总结如下电枢由轴向交替次序的永磁体组成，永磁体产生轴向交变极性的径向磁通。电枢上的相似孔心之间的轴向距离被称为电机的磁周期。定子线圈被层叠为一组相同的单元，每个单元的轴向尺寸等于磁周期的六分之一。定子线圈被绕为三个电绝缘相。相被构造为将轴向序列中的每三个线圈分配为相同相并串联连接相同相的全部线圈，但电流方向交替相反。在每组三个相邻线圈中的第二个线圈以与其相邻线圈相反的方向被连接。三个相在距输入端子一定距离的端部被连接到一个星点上。控制装置输出级的功能是对于电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生作用在沿轴可相对运动的两个部件之间的力的直线电磁电机，其一个部件能产生磁场，至少其部分磁场方向基本沿所述轴的径向延伸，以及其另一个部件包括或包含其中电流相对于至少其部分路径上的磁场基本上垂直流过的一个导体，从而在基本上平行于所述轴的所述两个部件之间产生一个力，其特征在于：用于产生径向磁场的所述装置包括磁化方向取向基本与所述轴平行的一个永磁体，所述轴与其北极和南极的极靴有关，通常径向磁场从极靴的圆周表面延伸。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普迈克尔雷蒙德邓尼，
申请(专利权)人：高级运动技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]