具有减小性能变化的电磁致动器的制作方法

文档序号:13426444
具有减小性能变化的电磁致动器的制作方法

本发明的实施例大体上涉及电磁致动器,并且更特别地,涉及具有模块化构造的电磁致动器,其提供致动器的容易组装并且允许在其中使用具有宽松尺寸公差的部件,而不影响致动器的性能。



背景技术:

电磁致动器是通常在电力设备中出现的装置,并且提供由内部电磁场提供的工作运动,致动器的运动在这样的电力设备中提供控制或切换功能。电磁致动器通过将自由移动的柱塞或电枢暴露于通过激励静态线圈产生的磁场而提供用于致动的运动。场吸引柱塞或电枢,所述柱塞或电枢转而移动,因此提供所需的致动。可以用电磁致动器来实现不同程度的致动功能,从简单的单周期、单速度动作到致动时间和定位的相当复杂的控制。

一种常用的电磁致动器是永磁体致动器,其利用一个或多个永磁体和电能来控制其中的柱塞的定位。永磁体致动器可以配置成使得其柱塞由于永磁体的磁能而保持在行程位置,电能被施加到线圈以将柱塞移动到不同的行程位置。

许多电磁致动器共同的一个缺点是与制造和组装致动器关联的成本。也就是说,许多现有的致动器包括需要紧密公差的复杂形状的大量加工部件(例如,板,线轴,永磁体,通量传递环,通量传递板,电枢,间隔件,壳体等)以便在致动器中提供足够的保持力以适当地对准/间隔部件,使得致动器可以起作用而不会遭受减小性能。以这样的紧密公差加工这些部件导致制造成本增加。另外,这些组件的复杂形状会增加组装致动器的难度,导致致动器的组装/生产时间增加。

所以,期望提供一种由具有比现有致动器中所需的更宽松公差的部件组装的电磁致动器,这样的部件不影响致动器的保持力和其它性能相关特性。还期望这样的致动器中的部件以简单,较少耗时的方式组装,使得可以减小致动器的组装成本。



技术实现要素:

根据本发明的一个方面,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心,所述线轴包括由非磁性材料形成的线轴。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的线圈和包括多个致动器部件的磁路,所述多个致动器部件至少部分地定位在所述壳体的内部容积内并且定位在所述线轴上或附近,所述多个致动器部件包括永磁体,所述永磁体感应通过所述磁路的磁通量流动从而生成磁力,以及电枢,所述电枢响应于磁力和选择性地提供给所述线圈的电流在通过所述线轴形成的开口内选择性地可移动。所述线轴定位所述磁路的多个部件并使所述磁路的多个部件以所述中心轴线为中心,并且当所述电枢在通过所述线轴形成的开口内移动时提供用于所述电枢的支承表面。

根据本发明的另一方面,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的一个或多个线圈和定位在所述线轴上和附近的磁路,所述磁路还包括顶板,邻近所述顶板定位的管,与所述管相对从所述顶板定位的永磁体,邻近所述永磁体定位在其与所述管相对的一侧的底板,以及从所述顶板轴向地并且超出所述底板延伸的电枢,所述电枢从所述顶板、所述管、所述永磁体和所述底板的每一个径向向内定位。所述顶板、所述管、所述永磁体和所述底板全部以堆叠布置对准,使得由所述永磁体感应的磁通量在轴向方向上流动通过所述磁路。

根据本发明的又一方面,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的一个或多个线圈和包括多个致动器部件的磁路,所述多个致动器部件至少部分地定位在所述壳体的内部容积内并且定位在所述线轴上或附近,所述多个致动器部件包括永磁体,所述永磁体感应通过所述磁路的磁通量流动从而生成磁力,以及电枢,所述电枢响应于由所述永磁体产生的磁通量生成的磁力和选择性地提供给所述一个或多个线圈的电流在通过所述线轴形成的开口内选择性地可移动。所述电磁致动器还包括中心杆,所述中心杆旋入所述电枢的底壁中,使得所述中心杆相对于所述电枢的位置基于所述中心杆旋入所述电枢中的量可变化,所述电枢在通过所述线轴形成的开口内的移动由所述中心杆旋入所述电枢中的量限制。

从以下详细描述和附图将显而易见各种其它特征和优点。

附图说明

附图示出了目前预期用于实施本发明的优选实施例。

在附图中:

图1是根据本发明的实施例的电磁致动器的透视图。

图2是沿着线2-2截取的图1的电磁致动器的横截面图,示出了处于第一轴向位置的电枢和中心杆。

图3是沿着线2-2截取的图1的电磁致动器的横截面图,示出了处于第二轴向位置的电枢和中心杆。

具体实施方式

参考图1和2,示出了根据本发明的实施例的电磁致动器10。形成电磁致动器10的主要部件包括壳体12,顶板14,底板16,管18,线轴20和线圈22,永磁体24,通量传递板26,弹簧28,电枢30,中心杆32,以及可选的间隔件34。如下面将进一步详细描述,这些部件的每一个具体地构造成提供易于加工和组装的电磁致动器10,而没有部件影响致动器的性能相关特性。

电磁致动器10的壳体12是具有大致圆柱形状的中空结构并且围绕致动器的轴线36定位,壳体12由容易可加工的非磁性材料形成,如铝合金(例如6061)或聚合物材料。在示例性实施例中,壳体12在下端由下帽或盖38闭合并且在上端由顶板14闭合。在另一实施例中,上盖(未示出)可以在壳体12上一体地形成于其上端上。下盖38可以通过本发明所属领域的技术人员熟知的任何合适的方式固定到壳体12,如卡扣配合接合。下盖38可以由与壳体12相同的非磁性材料(例如,6061)或由不同的、合适的非磁性材料形成。在一个实施例中,下盖38和顶板14的直径可以延伸到大于壳体12,其中拉杆40可以用于固定下盖38和顶板14(使得不需要上盖),拉杆40固定到径向向外延伸通过壳体12的顶部14的唇缘42。在上盖(未示出)设在壳体12上的替代实施例中,可以认识到不需要拉杆40。

顶板14由诸如例如C12L14钢的易于加工的软磁材料形成,并且包括形成于其中的杆开口44,其能够接收致动器10的中心杆32。在示例性实施例中,顶板14也包括形成于其中的一个或多个定位孔或特征46,其提供线轴20相对于其对准和定位。在一个实施例中,定位孔或特征46是形成于顶板14中的圆柱形凹陷或孔的形式,但是也可以使用凹槽。

如图2中所示,致动器10的线轴20构造为能够使线圈22围绕其缠绕,并且也能够将其它致动器部件相对于其放置在期望的位置(即,部件的引导/对准)。线轴20形成为具有通过线轴20形成圆柱形开口的壁48,从壁48径向向外延伸的多个构造在壁48上成形/形成。尽管线轴20上的这些构造导致具有稍微复杂形状的线轴20,但是线轴20形成为模制部件,使得线轴20的制造变得更容易。在示例性实施例中,线轴20由尼龙材料形成,但是应当认识到具有很低磁导率的其它可模制非磁性材料也可能适合于形成线轴20。

线轴20在本文中描述为大体上包括其上的线圈部分50和对准部分52。线轴20的线圈部分50由从其径向向外延伸的壁48上形成的一对凸缘54、56限定,致动器10的线圈22(或多个线圈)围绕壁48缠绕在由凸缘限定的空间中。凸缘54、56可以被识别为顶部凸缘54和中心凸缘56,并且线轴20的顶部凸缘54定位在顶板14上并固定到其上。在一个实施例中,突起58(例如,圆柱形突起)形成于线轴20的顶部凸缘54上,其与形成于顶板14中的孔46(或凹槽)相互配合以使线轴20相对于顶板14对准,使得线轴20与轴线36轴向对准。然而,尽管顶板14被描述为包括与突起58配合的其中的定位孔46,但是可以认识到,这样的定位孔和突起不需要将线轴20固定在致动器10内和/或致动器10正常工作,原因是它们可能只在制造过程中使用以在线圈缠绕操作期间保持和定位线轴20。

如上所述,线轴20的凸缘54、56的每一个从壁48径向向外延伸,并且凸缘54、56形成为使得间隙存在于凸缘54、56的端部和壳体12的内表面之间。致动器10的管18定位在该间隙中,管18具有的厚度大致等于形成于凸缘54、56和壳体12之间的间隙的宽度。在一个实施例中,管18由诸如例如C12L14钢的容易加工的软磁材料形成,并且用于将线轴20进一步固定在壳体12内,同时也将线圈22围绕线轴20的线圈部分50固定并且防止其任何解绕。

线轴20的对准部分52由中心凸缘56和由与线圈部分50相对的线轴20的端部上的壁48的台阶状构造限定。线轴20的壁48包括具有增加厚度的部段60(邻近中心凸缘),其中台阶62形成于对准部分52中,其中增加厚度的壁部段60减小到更小的厚度。因此对准部分52包括致动器10的部件可以放置在其上并且与其对准的多个特征。

如图2中所示,致动器10的通量传递板26和永磁体24围绕具有增加厚度的壁部段60定位,通量传递板26和永磁体24的每一个具有环形构造(形成为单件或由拼接在一起形成环的独立弧段或规则多边形段(例如,六边形段)组成),其具有的宽度基本上等于在线轴20的壁部段60和壳体12之间形成的间隙的宽度,使得通量传递板26和永磁体24大体上由线轴20保持就位,从而与壳体12的轴线36轴向对准。通量传递板26邻接中心凸缘56的下表面,永磁体24堆叠在通量传递板26上。通量传递板26由诸如例如C12L14钢的容易加工的软磁材料形成,而永磁体24优选由具有高剩磁的材料形成,如钕-硼-铁,钐-钴,或铁氧体,或Alnico,或任何其它高剩磁材料。

仍然参考图2,可以看出致动器10的底板16定位成使得其邻接永磁体24和形成于线轴20的对准部分52中的台阶62。底板16包括邻接永磁体24和线轴20的台阶62并且与其平行的平坦表面64,以及邻近线轴20的壁48形成的圆柱形突起66,圆柱形突起66朝着致动器10的下盖38轴向向下延伸(即,远离台阶62)。底板16围绕线轴20定位并且具有基本等于壳体12的内径的外径,使得底板16大体上由线轴20和壳体12保持就位,从而与壳体12的轴线36轴向对准。根据示例性实施例,底板16由诸如例如C12L14钢的易于加工的软磁材料形成。

基于上面提供的描述和图2中所示的内容,应当理解顶板14、管18、通量传递板26、永磁体24和底板16以堆叠布置被提供。根据示例性实施例,紧固部件68(如顺应性材料或弹簧)邻近底板16围绕其圆柱形突起66定位,紧固部件68压缩并将部件的堆叠布置保持在适当位置并在壳体12内彼此接触。根据示例性实施例,紧固部件68可以由共同提供堆叠部件的这样的固定的卡环、波形弹簧和/或垫圈形成。致动器10的下盖38形成为与紧固部件68相互配合并按压,由此在其下端封闭致动器10。有利地,上述的紧固方法(利用紧固部件68)可以适应来自致动器10的部件的公差叠加的大变化。

如图2中进一步所示,致动器10的电枢30和中心杆32沿着壳体12的轴线36布置,中心杆32由结构上合适的材料(如磁导率很低的非磁性不锈钢)形成,并且电枢30由诸如例如C12L14钢的结构上合适的软磁性材料形成。电枢30定位成穿过形成于下盖38中的孔70(图3),并且接收在由壁48限定的线轴20的中空圆柱形开口内,电枢30可滑动地接合线轴20,原因是形成线轴20的尼龙(或其它合适的材料)提供适合于促进电枢30的滑动运动的材料。中心杆32经由形成于电枢30的底壁74中的孔72接收在电枢30内,中心杆32延伸通过电枢30并且穿过形成于致动器10的顶板14中的杆开口44。中心杆32包括形成在其上或附接到其上的头部76(例如,独立螺母),当作为相对于壳体12轴向移动时其用作中心杆32的端部止动件,头部76也提供致动器10与操作杆联接器78的接合。在示例性实施例中,中心杆32经由形成于其上和孔72中的螺纹(未示出)直接地旋入电枢30中,使得杆32相对于电枢30的定位可以根据需要通过将杆旋入或旋出电枢30而变化,中心杆32因此用作“行程控制螺栓”。在替代实施例中,中心杆32利用与电枢30一致并将行程固定到恒定长度的肩部。

致动器10的弹簧28作为围绕中心杆32并且在电枢30内定位的非磁性材料的螺旋压缩弹簧28被提供,弹簧28与电枢30的底壁74接合。根据一个实施例,间隔件34设在与电枢底壁74相对的弹簧28的端部上并且在弹簧28和顶板14之间延伸以将弹簧28保持在中心杆32上的适当位置,间隔件由非磁性材料(如尼龙)形成。当弹簧28由磁性材料制成时使用间隔件34以在弹簧28中传送磁通量时防止减小磁力。中心杆32穿过间隔件34并且可滑动地接合间隔件34,形成间隔件34的尼龙(或其它合适的材料)提供适于促进中心杆32相对于其的滑动运动的材料。当弹簧28由诸如不锈钢的非磁性材料制成时,致动器10的替代配置消除了间隔件34,弹簧28于是一直延伸到顶板14。

在操作中,在这样的磁体被适当地磁化之后,电枢30在由永磁体24感应的磁通量生成的磁力的影响下保持在图2中所示的位置。该磁通量从磁体24通过顶板14、管18、通量传递板26、底板16和电枢30的堆叠布置并且返回到磁体(它们共同形成磁路),磁通量轴向地而不是径向地行进通过每个部件。由弹簧28和操作杆联接器78施加在电枢30的壁74上的力不足以克服由永磁体24感应的通过电枢30的磁通量的该流动产生的电枢30上的磁力。该磁通量流动通过仅仅高导磁和高磁饱和材料在该磁路中的存在而最大化。

可以通过向线圈22施加适当脉冲的电流将电枢30轴向移动到第二位置,如图3中所示。在减小通过电枢30的磁通量净流量的方向上向线圈22施加这样的脉冲的情况下,该电枢30上的磁力变得小于由弹簧28和操作杆联接器78施加的力,并且电枢30轴向移动,线轴20用作电枢30的支承表面以允许其中的轴向平移。中心杆32与电枢30一起移动,可以与其连接的任何外部连杆(未示出)同样如此,电枢30和中心杆32的平移量基于控制杆32旋入电枢30中的方式/深度是可控制的,即当中心杆32的头部76邻接顶板14时电枢30的平移将停止。其后,当电枢30位于其第二位置时,因此在电枢30下面形成的空气间隙80足够大于电枢30和底板16之间的径向间隙82,大部分磁通量流动通过所述径向间隙。结果,通过电枢30的磁通量流动处于足够减小的水平,使得电枢30上的净磁力小于弹簧28的力。因此,电枢30在第二位置是稳定的。

在具有足够的线圈绕组和施加足够的电流以充分增加通过电枢30的净磁通量流动的致动器10的适当配置中,可以形成磁力,其将克服弹簧28和操作杆联接器78的力,并且使电枢30从其第二稳定位置返回到其第一稳定位置。其后,在由仅由磁体24感应的磁通量流动所形成的磁力的影响下,通过线圈22的电流脉冲的终止将使电枢30紧紧地保持在第一稳定位置。

有利地,图1-3中示出和描述的电磁致动器10的构造提供了具有模块化构造的致动器,其容易组装并且允许在其中使用具有宽松尺寸公差的部件。均构造为简单的环形部件(其易于经由短/容易组装过程围绕线轴堆叠在一起)的顶板14、管18、通量传递板26、永磁体24和底板16的柱状堆叠布置提供用于磁通量的通过每个部件的轴向流动路径而不是径向流动路径,使得这些环形部件的每一个的内径和外径不需要像在许多致动器设计中那样严格控制。例如,这些部件上的公差可以变化0.010至0.015英寸或更大,而不影响致动器的保持力或其它性能相关特性。致动器将有效且一致地执行,只要电枢外径和线轴内径具有紧密且精确的公差,并且只要电枢30的外径与底板16的内径之间的公差具有紧密公差,应当认识到作为模制部件的线轴的构造和作为简单圆柱形部件的电枢的构造以简单和便宜的方式提供其紧密公差。底板16的“L”形横截面增加底板16和电枢30之间的通量传递面积,应当认识到底板的圆柱形突起66可以尺寸确定成保持闩锁力,即使线轴壁厚度增加或电枢外径减小。

此外,顶板14、管18、通量传递板26和底板16的堆叠布置由紧固部件68和来自永磁体24的磁通量紧紧地保持在一起。这意味着无论组件的厚度如何,它们紧紧地保持在一起以保持一致的致动器性能。

在电磁致动器10中,线轴20不仅用于保持线圈22,而且也用作电枢30的支承表面,以及用于磁路中的所有其它部件(即,顶板14,管18,通量传递板26,永磁体24,和底板16)的定位/对准工具。为了在典型的致动器操作时在其中产生流体运动,必须在电枢30和它相对于其平移的钢部件上具有精细的表面光洁度;然而,在电磁致动器10中,只有一个加工表面(即,电枢30)必须被严格地控制以获得流体运动,原因是线轴20用作第二平滑部件,线轴20是模制部件,在其上控制表面光洁度要容易得多。

另外,通过将弹簧28定位在致动器的内部(即,由电枢30、顶板14和壳体12防护),弹簧28被保护免于可能被吸引到永磁体24的金属碎屑。因此,有利地,没有碎屑将能够干扰致动器10的操作。

更进一步地,当中心杆32直接旋入电枢30中并且相对于其可调节时,中心杆32根据需要旋入和旋出电枢30允许不同的行程长度(即,中心杆32用作行程控制螺栓)。因此,致动器10构造为“模块化”致动器,其容易地适合于多个不同行程,使得致动器能够适应与其连接的几种不同机构中的任何一种。致动器10的替代实施例构造为具有恒定行程的模块化致动器。

所以,根据本发明的实施例,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心,所述线轴包括由非磁性材料形成的线轴。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的线圈和包括多个致动器部件的磁路,所述多个致动器部件至少部分地定位在所述壳体的内部容积内并且定位在所述线轴上或附近,所述多个致动器部件包括永磁体,所述永磁体感应通过所述磁路的磁通量流动从而生成磁力,以及电枢,所述电枢响应于磁力和选择性地提供给所述线圈的电流在通过所述线轴形成的开口内选择性地可移动。所述线轴定位所述磁路的多个部件并使所述磁路的多个部件以所述中心轴线为中心,并且当所述电枢在通过所述线轴形成的开口内移动时提供用于所述电枢的支承表面。

根据本发明的另一实施例,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的一个或多个线圈和定位在所述线轴上和附近的磁路,所述磁路还包括顶板,邻近所述顶板定位的管,与所述管相对从所述顶板定位的永磁体,邻近所述永磁体定位在其与所述管相对的一侧的底板,以及从所述顶板轴向地并且超出所述底板延伸的电枢,所述电枢从所述顶板、所述管、所述永磁体和所述底板的每一个径向向内定位。所述顶板、所述管、所述永磁体和所述底板全部以堆叠布置对准,使得由所述永磁体感应的磁通量在轴向方向上流动通过所述磁路。

根据本发明的又一实施例,一种电磁致动器包括壳体,所述壳体限定内部容积并且具有轴向延伸通过其中的中心轴线,以及线轴,所述线轴定位在所述壳体的内部容积内并且相对于其固定成以所述轴线为中心。所述电磁致动器也包括围绕所述线轴缠绕的一个或多个线圈和包括多个致动器部件的磁路,所述多个致动器部件至少部分地定位在所述壳体的内部容积内并且定位在所述线轴上或附近,所述多个致动器部件包括永磁体,所述永磁体感应通过所述磁路的磁通量流动从而生成磁力,以及电枢,所述电枢响应于由所述永磁体产生的磁通量生成的磁力和选择性地提供给所述一个或多个线圈的电流在通过所述线轴形成的开口内选择性地可移动。所述电磁致动器还包括中心杆,所述中心杆旋入所述电枢的底壁中,使得所述中心杆相对于所述电枢的位置基于所述中心杆旋入所述电枢中的量可变化,所述电枢在通过所述线轴形成的开口内的移动由所述中心杆旋入所述电枢中的量限制。

该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明,并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明,包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定,并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求的范围内,只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件,或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

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