线性致动器及用于操作这样的线性致动器的方法与流程

文档序号:11111493
线性致动器及用于操作这样的线性致动器的方法与制造工艺

本发明涉及一种线性致动器以及用于操作这样的线性致动器的方法。在具体的应用领域中,例如当调整气体阀时、当调节节流阀时、用于定位驱动器(例如拾取和放置装置及其它机械手),用于在自动化领域中或者在健康护理行业中的线性致动器,特别是用于患者检查台或治疗装置,对于只精确到低至微米范围而能够获得数厘米的长行程的线性致动器存在需求。

适合的是如果这样的线性致动器被构造成具有最小的可能尺寸,并且在任何可能的地方都能够电动地操作并在没有磨损的情况下长期操作,并且在面对不利的环境条件(尤其是污染)的情况下尽可能地结实。特别理想的是如果这样的线性致动器能够容易地互连。因此,存在需求以在复杂的致动器构造的情况中定位多个线性致动器。这样的线性致动器应该具有最小可能数量的用于线性致动器的电连接的电导体或导体终端,因此,从而最小化所要求的线的总数。

之前在许多设计中公开了线性致动器本身。例如,公开了步进电机,尽管在许多情况中这些步进电机只精确到有限的程度。之前还公开了气动和液压线性驱动器,这些线性驱动器经由二通阀或者经由液压泵而连接到压缩空气贮存器。在这些实施例中,精密调节也是困难的。之前还公开了电动直线电机,这些电动直线电机被设计为电驱动的机器。它们具有快速且精确的结构,但是通常很复杂,并且它们是不能够充分节省空间的设计。另一方面,在压电晶体或磁致伸缩材料的基础上的线性致动器具有在特定领域中的应用,但是它们被设计仅用于非常小的移动路径。尽管在摩擦接触的基础上的压电电机具有执行较大行程的能力,但是它们在其使用寿命方面经常受到限制并且对环境影响敏感。之前也公开了在静电作用机制的基础上的人造肌肉,但是它们在它们的最大功率和使用寿命方面受到了限制。

因此,本发明的目的是提供一种已经针对现有技术的这一背景做出改进的线性致动器。具体地,该线性致动器应当被设计成使得它尽可能地节省空间和/或能够具有最简单可行的电连接。本发明的另外的目的是提供一种用于操作这样的线性致动器的方法。

所述目的由具有在权利要求1中提出的特性化特征的线性致动器以及具有在权利要求15中提出的特性化特征的方法而实现。本发明的另外的优选改进方案能够在相关的从属权利要求、以下描述和附图中体现。

本发明的线性致动器包括螺线管泵,具体地为双室螺线管泵。本发明的线性致动器有利地包括液压连接到螺线管泵的液压缸,该液压缸具有液压活塞。能够借助于螺线管泵来驱动液压活塞进出液压缸。本发明的线性致动器有利地包括贮存器,该贮存器连接到螺线管泵以用于供应或去除液压油。

根据本发明,线性致动器中的螺线管泵具有:至少一个泵线圈、一个多通阀以及至少一个泵电枢,通过给所述至少一个泵线圈供电能够使该至少一个泵电枢移动。另外,在本发明的线性致动器中,螺线管泵包括切换电枢,多通阀能够借助于该切换电枢而切换。根据本发明,通过给至少一个泵线圈供电能够使线性致动器的螺线管泵中的切换电枢移动。

在本发明的线性致动器中,能够借助于多通阀而形成双向泵流动。为了这个目的,多通阀有利地流体连接到螺线管泵的入口和出口。本发明的线性致动器有利地包括用于这个目的的这样的多通阀,该多通阀允许连接到螺线管泵的入口和出口的双向泵流动。在液压缸中被导向的液压活塞能够借助于双向泵流动而被双向地导向。能够切换多通阀从而改变泵流动的方向。根据本发明,通过给至少一个泵线圈供电能够实现多通阀的切换,在任何情况下都需要给该泵线圈供电从而使至少一个泵电枢移动。另一方面,之前公开的线性致动器通常包括单独的泵和多通阀。然而,在每种情况中泵和多通阀需要专用的驱动器,并且因此在每种情况中也需要电控制器以及因此至少一对导体。另一方面,本发明有利地将螺线管泵和多通阀集成在单个装置中,其中,具体地根据本发明所使用的磁流用于操作该泵,并且与此同时用于切换多通阀。因此,对于本发明的线性致动器,这导致特别低的电互连成本。与此同时,能够利用具有螺线管泵的线性致动器来设定高度精确的调整路径,其中,该调整路径基本上不受限制。螺线管泵也不需要大的安装空间并且能够在没有磨损的情况下长期操作,并且特别是在面临不利的环境条件(例如污染)时结实地操作。由于极低的互连成本,所以只需要少量的电线或导体或导体终端,特别是在具有多个线性致动器的构造中。

特别地,本发明的线性致动器只需要一对电导体或者一对导体终端。这样一来,在本发明的线性致动器中,布线成本低并且可靠性特别高。

此外,本发明的线性致动器优选地使用双螺线管泵来代替简单的螺线管泵。在简单的螺线管泵中,体积流量长时间没有降低到零。因此,能够避免体积流量和压力中的脉动及相关缺点,例如由于所引起的振动而导致产生噪声、或者磨损增加。

螺线管泵,以及优选地双螺线管泵,有利地包括罐形磁体。当与通常以其他形式存在的磁轭盘相比时,这样的罐形磁体具有优点:磁轭盘的流体阻尼通常在撞击该磁轭之前不久不成比例地增大。典型的螺线管泵需要额外的减振装置,或者引起用于减小噪声和振动的特别成本(参见,例如EP 1985857)。有利地已将这样的功能机构集成在这一另外的改进方案中,其中,螺线管泵或者双螺线管泵包括罐形磁体。

在本发明的线性致动器中,多通阀有利地是四位二通阀,或者多通阀具有四位二通阀。以此方式,能够特别容易地使来自螺线管泵的泵流动反向,其中,螺线管泵的入口和出口连接到四位二通阀的可切换的入口和出口。

适当地,在本发明的线性致动器的螺线管泵中,能够通过切换电枢的移动来切换多通阀。优选地,为此目的而将多通阀与切换电枢的移动联系起来,使得切换电枢的移动导致多通阀的入口和出口相对于本发明的线性致动器的螺线管泵的入口和出口的空间位移。以此方式,能够特别容易地切换多通阀。

有利地,在本发明线性致动器的螺线管泵中,泵电枢利用磁流耦接到或能够耦接到泵线圈磁轭,其中,切换电枢利用磁流耦接到或能够耦接到泵线圈磁轭。泵线圈磁轭利用磁流一方面耦接到泵电枢以及另一方面耦接到切换电枢的可耦接性允许通过给至少一个泵线圈供电而特别容易地实现切换电枢的移动。

有利地,在本发明的线性致动器的螺线管泵中,存在至少两个泵线圈,该至少两个泵线圈的每一个具有泵线圈磁轭,其中,泵线圈电枢能够在泵线圈磁轭之间或者在至少两个泵线圈磁轭之间移动。有利地,在这种情况中,带有相应的泵线圈磁轭的相应泵线圈属于被构造成双室螺线管泵的螺线管泵的相应室。

在本发明的线性致动器的另外的优选改进方案中,在螺线管泵中存在至少一个流引导机构,借助于该流引导机构,泵线圈磁轭以流引导的方式相互连接。在本发明的线性致动器的另外的优选改进方案中,流引导机构被实施为与螺线管泵中的泵线圈磁轭形成为一体,如之前所述。该另外的改进方案由其特别简单的结构而形成。

在本发明的线性致动器的一个特别优选的另外的改进方案中,在螺线管泵中的流引导机构或在泵线圈磁轭中的至少一个包括永磁体,或者该永磁体设置在流引导机构上或设置在泵线圈磁轭中的至少一个上。在本发明的方法的另外的改进方案中,永磁体能够用作流生成元件,该元件减弱或增强由至少一个泵线圈产生的磁流。以此方式,在本发明的线性致动器中,能够提供磁性自由度以用于借助于切换电枢来切换的目的。

在本发明的线性致动器的另外的有利改进方案中,在螺线管泵中,能够借助于由永磁体产生并且具体地还被引导通过流引导机构的磁流来限定切换电枢。因此,也提供另外的自由度以用于切换电枢的移动。

有利地,在本发明的线性致动器的双室螺线管泵中,至少一个泵线圈被电切换和/或至少一个泵线圈以这样的方式布置:使得由此产生的磁流至少在流引导机构和/或至少一个泵线圈磁轭的一个区域中抵消已经由至少一个永磁体产生的磁流。具体地,能够克服已经由至少一个永磁体产生的磁流。因此,能够借助于至少一个泵线圈来切换。

本发明的线性致动器的螺线管泵理想地只具有一对导体或者一对导体终端,螺线管泵借助于该导体对或导体终端对电连接。以此方式,电互连成本和/或激活本发明的线性致动器的螺线管泵的成本显著地降低,并且因此本发明的线性致动器的布线成本显著地降低。

在这种情况中,特别地该单导体对或者导体终端对与至少一个或多个泵线圈电接触。

在另外的有利改进方案中,被构造成罐形磁体形式的至少两个泵线圈存在于本发明的线性致动器的螺线管泵中,其中,泵电枢和/或切换电枢相对于罐形磁体的罐底被横向地可移动地引导。因此,能够实现特别简单且紧凑的空间结构。

有利地在本发明的线性致动器的螺线管泵中存在二极管,借助于这些二极管,存在于导体对或导体终端对上的信号的正信号部分能够被传输至第一泵线圈,并且负信号部分能够被传输至第二泵线圈。

在根据本发明的用于操作线性致动器的方法中,借助于螺线管泵的至少一个泵线圈的供电而将切换电枢设定在与多通阀的位置相关的预定位置,通过给泵电枢的至少一个泵线圈供电而使泵电枢移动,同时维持预定的位置。以此方式,一方面能够设定切换电枢,使得多通阀被适当地设定以用于泵的操作,其中,在此位置中,泵电枢是可移动的并且螺线管泵在意图的单向操作中进行泵送。

在本发明的方法的另外的有利改进方案中,与为了切换电枢的移动而给至少一个泵线圈供电的程度相比,为了泵电枢的移动而给至少一个泵线圈供电的程度较低。因此,取决于仅意图使泵电枢移动或者也使切换电枢移动,能够设定至少一个泵线圈的激活的幅值。

附图说明

下面在附图中示出的说明性实施例的基础上更详细地描述本发明。在附图中:

图1在原理图中示意性地描绘出具有双室螺线管泵的本发明的线性致动器,该线性致动器具有用于设定泵送方向的多通阀,该阀一方面连接到贮存器,并且另一方面连接到具有液压活塞的液压缸;

图2在纵向截面图中示意性地描绘出根据图1的本发明的线性致动器的双室螺线管泵,该螺线管泵取决于第一和第二泵线圈的激活而处于第一(A)和第二(B)切换位置;

图3在图解表示图中描绘出第一和第二泵线圈的激活;

图4在纵向截面图中示意性地描绘出处于切换电枢的两个切换位置中的根据图2的双室螺线管泵;

图5在纵向截面图中示意性地描绘出根据图2的双室螺线管泵的示意表示中的切换电枢的切换原理;

图6在图解表示图中示意性地描绘出给第一和第二泵线圈供电以用于激活泵电枢和切换电枢;

图7在纵向截面图中示意性地描绘出根据图1的线性致动器;

图8在原理图中示意性地描绘出根据图1和图7的线性致动器的电路;

图9在示意性图解表示图中描绘出用于激活线性致动器的输入信号以及根据图8的线性致动器的电路的线圈信号;

图10在透视图中示意性地描绘出根据图1(A)的本发明的线性致动器的泵电枢,并且在图解表示图中示意性地描绘出与根据图1的本发明的线性致动器的流引导机构一起设置的根据图10(A)的泵电枢;

图11在原理图中示意性地描绘出具有一体的泵电枢的本发明的线性致动器的替代实施例;

图12在原理图中示意性地描绘出本发明的线性致动器的另外的替代实施例。

具体实施方式

图1中所示的线性致动器包括具有二通阀20的双室螺线管泵10,借助于该螺线管泵10,液压流体从贮存器30被泵送至液压缸40的工作区中。液压活塞50在液压缸40中以线性的方式被可移动地导向。通过将二通阀20设定到相应的其它切换位置,双室螺线管泵10的泵送方向能够被反向,使得液压流体从液压缸40的工作区被泵送回贮存器30中。由此,液压活塞50向前或向后移动。

在图2A和图2B中更详细地描绘出双室螺线管泵10的结构。双室螺线管泵10包括两个泵线圈60和70。泵线圈60和70的每一个被构造成罐形磁体的形式。在泵线圈60和70之间存在磁性泵电枢80,该磁性泵电枢80在垂直于泵线圈60、70的罐底平面的方向90上被导向。泵电枢80包括两个软磁性带孔盘100、110,这两个软磁性带孔盘通过非磁性连接管120而连接至彼此,该管在方向90上的纵向长度垂直于泵线圈60、70的罐底平面而延伸。带孔盘100、110的每一个以自由摆动的方式悬挂在隔板130上,在每种情况下该隔板限定并密封液压室140、150。

液压室140和150具有供应管160、170,该供应管经由止回阀180、190相应地排料至泵电枢80的各侧的液压室140、150中。此外,液压室140、150具有出口管200、210,该出口管经由止回阀220、230将料带离液压室140、150。供应管160、170以及出口管200、210相应地在输入侧和输出侧上连在一起,以形成共同的入口240和共同的出口250。

在软磁性带孔盘100、110的内半径上,通过非磁性管260来密封液压室140、150,泵电枢80在该非磁性管260上前后滑动。

通过图3中所示的泵线圈60、70的激活而实现泵送效果(在每种情况中,左旋泵线圈60的供电的电流强度I(曲线EK)或右旋泵线圈70的供电的电流强度I(曲线ZK)被图示为根据时间t变化)。

左旋泵线圈60或右旋泵线圈70被交替供电。作为磁阻原理的结果,泵电枢80被交替地拉至左侧或右侧,即需要适当地关闭磁流路。箭头270、280示出通过泵线圈磁轭290、300的底层(underlying)磁流,在每种情况中该泵线圈磁轭290、300在泵线圈60、70的周界周围而部分地围住该泵线圈,在每种情况中该泵线圈磁轭在泵线圈60、70背对其它泵线圈70、60的一侧上,在每种情况中在泵线圈60、70的周界周围而围住该泵线圈。通过泵电枢80向左或向右的移动,存在于泵线圈60、70和泵电枢80之间的液压容积被交替地减小或增大。该液压容积填充有液压流体,该液压流体在图示的说明性实施例中是硅油或甘油。因此,压力的脉动变化导致液压油从入口240到出口250的单向流动。

为了改变单向流动的方向,设置了形式为四位二通阀的二通阀20,如在图1中所示,该二通阀20通过切换电枢310而移动并因此被切换。如在图4中所示,切换电枢310被集成至双室螺线管泵10中。

在垂直于罐底平面的方向90上,非磁性导向杆320在中心处经过非磁性管260。该非磁性导向杆320能够在垂直于罐底平面的方向90上滑动,该方向在根据图4的表示中是水平的。由软磁性材料制成的切换电枢310附接到非磁性导向杆320。为了使切换电枢310在水平方向上(即,在方向90上)移动,泵线圈磁轭290和泵线圈磁轭300经由流引导机构330连接,该流引导机构330在水平方向90上径向地远离非磁性连接管120。在径向方向上,流引导机构330具有突出部340,该突出部340在非磁性连接管120的方向上径向延伸。

在其位于内部的径向端处,在每种情况中径向延伸的棒磁体350附接到突出部340。切换电枢310也具有对应的突出部360,该突出部360在水平方向上沿切换电枢310延伸至这样的程度:使得当切换电枢310与左旋泵线圈磁轭290或右旋泵线圈磁轭300接触时(图4A和图4B),突出部360在水平方向上与流引导机构330的在径向上面朝内的突出部340始终重叠。如果切换电枢310出现左旋位置处,如在图4A中所描绘,则由于在这一侧上的较低磁阻,所以棒磁体350的磁流主要地在(最小)空气隙之上被传导,并且通过左旋泵线圈磁轭290。这样一来,这里产生使切换电枢310保持在这个位置的保持力。类似地,根据图4B,切换电枢被保持在右旋位置处,也就是说,在每种情况中切换电枢310被保持在其位置,即保持在切换电枢310的左旋位置处和切换电枢310的右旋位置处。

为了使切换电枢310从一个位置移动到下一个位置,使用短时间的高电流信号HSS,如在图6中所描绘。现在通过示例的方式给出如何借助于该短时间的高电流信号HSS而使切换电枢310移动到右侧的解释说明。

右旋泵线圈70处于短时间的高电流信号HSS。作为该电流信号HSS的结果,右旋泵线圈70的温度短时间升高(即,在每种情况中泵线圈60、70实际上没有被设计成用于高水平下的电流,例如在电流信号HSS的情况中所达到的水平)。可替代地,在另外的没有特别示出的说明性实施例中,泵线圈60、70能够被设计用于这样的高电流。

因此,在恢复正常的泵送顺序(也参见图4)之前,右旋泵线圈70能够在短的等待期间冷却。

在图5中描绘出切换操作期间的磁行为。高电流的存在实际上导致泵电枢80被拉到供电的右旋泵线圈70的一侧上,如也在泵送顺序中的情况中那样。然而,泵线圈70的供电太高以至于通过右旋泵线圈磁轭300和泵电枢80的磁路(在右旋泵线圈70周围围住该右旋泵线圈70的细箭头400)迅速地变得过饱和。因此,磁流也将经由双稳态致动器的流引导机构330而流动。用虚线描绘的磁流F在与切换电枢310的保持侧上的棒磁体350的流动方向相反的方向上流动。通过与泵线圈70的供电相结合的电流幅值的适当选择,能够确保泵线圈70在相反方向上的流与棒磁体350的磁流F同样大。这样一来,切换电枢310的保持力被有效地增加。然而,另一方面,磁流410(通过粗线绘制)经由大的空气隙360流动到切换电枢310的右侧。该流动产生最终将切换电枢310拉动到右侧的吸引力。然后,能够将该电流切断,并且由于在图4B中所描绘的流动路径的结果,切换电枢310在该点处保持稳定。

因此,通过简单地过度供电而启动切换操作,即通过具有过大幅值的短时电流信号HSS启动切换操作。

根据在图1中绘制的原理图,致动器作为整体最终互连。该致动器连同对应于图1设置的二通阀20一起示意性地表示在图7中。

使用图8中描绘的电路以便传输经由一对导体而作用在两个泵线圈(泵线圈60和泵线圈70)上的电流信号,如在图3和图6中所描绘。信号源SQ提供具有正信号和负信号分量的单个输入信号ES。线性致动器包括两个二极管D1、D2,借助于这两个二极管,正信号分量EK被切换到泵线圈60上,并且负信号分量ZK被切换到泵线圈70上。其通过示例的方式描绘在图9中。

如在图2中所示,两部分的泵致动器80包括两个磁性带孔盘100、110和非磁性连接管120。为了稳定性的原因,两个带孔盘100、110的连接也能够由另外的稳定连接部件500实现,这些稳定连接部件500作为带孔盘100、110之间的圆柱形支撑元件而额外地设置到非磁性连接管120。

在图4中所示的流引导机构330的突出部340位于带孔盘100和110之间,并且无需是如在图10(B)中所示的旋转对称的实施例,但其可以从四个方向上径向地突出到非磁性连接管120上,该四个方向彼此以直角偏离。

在如图11中所示,能够完全避免使用两部分的电枢。例如,泵电枢80'能够被实现为单个带孔盘100'。然而,在这种情况中,必须在内半径上导向泵电枢80',例如,在这种情况中通过另外的波纹管来导向。在这种情况中,仅能够在双稳态切换电枢310'的方向上将磁流从泵线圈60'、70'中导出到“后部”。因此在这里集成了磁收缩区ENG。

在另外的实施例中,本发明的线性致动器具有薄且细长的构造,即“铅笔状”构造。如在图12中所示,使用纵向波纹管(bellows)LB来代替隔板波纹管,并且两部分泵电枢80''在内半径和外半径上都设置有纵向波纹管LB。通过若干非磁性导向杆FS实现导向。在其它方面,该设计(特别是磁性设计)与图4完全相同。

再多了解一些
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