专利名称：用于产生线性运动的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于产生线性运动的电磁装置。
由电磁式装置直接产生线性运动的一种装置是由伦敦帝国大学的Laithwaite教授设计的直线电机。该装置可以被当作一种传统的旋转电机，在该电机中定子和电枢已被沿轴向分开且是不转动的。尽管该装置具有较高的效率，但它却具有定子和电枢之间存在相当大的不平衡引力的缺点，从而就不得不使用许多像滑轨或轮式托架这样的装置来维持定子和电枢之间的分离状况。
线性电机的另一种形式是具有像传统电机一样的圆柱形的布局，但产生磁场的元件围绕着轴线横向地布置，从而磁场沿电机轴线方向的极性交替变化。
在专利文献OLS2229711、EP0221228、US4714300、EP0280743、EP0314493、WO93/01646中就公开了像这样的直线电机的例子。
OLS2229711公开了一种具有单一线圈的活塞式直流电机，该活塞受磁场作用在圆柱筒中运动，所述磁场是由轴线方向上沿包围着活塞的圆筒的内表面间隔设置的环形线圈受到连续励磁而产生的。
EP0221228公开了一种装置，在该装置中，使一根主轴产生线性和旋转运动，主轴的线性运动由周边线圈产生，而旋转运动由采用通常方式的轴向圆周线圈产生。
US4714300公开了一种用于防滑制动系统中的压力调节器，在其中，一个插棒式铁芯在纵向变化的磁场的作用下产生在一个腔中沿纵向的来回运动，这些磁场是在该腔体外部的内侧上的绕组和多个围绕插棒式铁芯的外周布置的磁体之间产生的，反之亦然。
EP0280743公开了一种用于注塑机械的螺旋输送机，该机械在位于构成注射螺旋输送机部件的主轴上的磁体和一些围绕主轴的线圈之间的相互作用下作线性运动，且对之施加一个三相交流电流。
EP0314493公开了另一种装置，在该装置中，一个梭形件在两个磁场的相互作用下在腔体中来回运动，其中一个磁场是由位于梭形件上的绕组产生的而另一个磁场是由构成腔体壁的绕组产生的。
WO93/01646公开了另一种装置，在该装置中，一个活塞借助于两个径向磁场的相互作用在圆柱筒中沿着纵向方向被驱动，其中一个磁场由构成圆柱筒壁部分的一系列周边线圈产生的，而另一个磁场则是由构成活塞部分的多个磁体构成，反之亦然。对于许多目的，公开在WO93/01646中的装置非常令人满意。然而，如果WO93/01646的发明被用作一个合成的流体/电磁致动器，则在活塞上和在活塞杆穿过圆柱筒一个端壁的地方处提供流体密封要求就成为一个缺陷，特别是在较重的且偏离轴线的负载条件下会使活塞杆发生弯曲而不精确。同样，活塞和活塞杆的刚性结构意味着该装置的较大的尺寸将使之变得非常笨重。
本发明的目的在于提供一种用于产生线性运动的改进的电磁装置，该装置结构轻巧且横向刚度得到提高。
根据本发明，具体地提供了一种用来产生线性方向的力的电磁装置，包括至少两个可以伸缩滑动的管状元件，其中一个在另一个内部；用来产生第一磁场的装置，该磁场的磁极沿着内部管状部件的至少一部分轴线长度交替变化；用来产生第二磁场的装置，该磁场的磁极沿着外部管状部件的至少一部分轴线长度交替变化；以及用于改变上述两个磁场中的至少一个的装置，以便使这两个磁场相互作用以提供一个趋向于在管状元件之间产生相对运动的轴向力。
最好，在外部管状元件的内表面和内部管状元件的外表面之间设有至少一个密封件，从而防止有害物质进入产生相对运动的装置的那些部件之间。
管状元件的外端可以含有法兰，通过法兰可以将管状元件连接到另一个装置的元件上。
该装置可以这样构造，内部管状元件装着这一组永磁体而外部管状元件装着一组线圈，两者有选择地被励磁以使两个磁场之一产生所述的变化，反之亦然。其他结构可能是两个管状元件都装有电磁线圈，或者永久磁体可以由低磁阻的磁性元件或一个导电的衬套代替，其中在导电衬套中诱发一种涡流。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生线性方向的力的电磁装置，它含有两个杯形元件，其中一个在另一个的里面，且容许两者之间有相对运动；用来产生第一磁场的装置，该磁场的磁极沿着一个杯形元件的至少一部分轴线长度交替变化；用来产生第二磁场的装置，该磁场的磁极沿着另一个杯形元件的至少一部分轴线长度交替变化；以及用于至少改变上述两个磁场中的一个磁场的装置，以便使这两个磁场相互作用以提供一个趋向于在杯形元件之间产生相对运动的轴向力。
最好，在杯形元件之间插有密封件，从而这些密封件就构成一个密闭的空间且其中一个杯形元件有一个开口以便使流体流进或流出该密闭空间。
该装置可以随意地构造成一个运动线圈或运动磁体装置，但是在优选的结构中，外部杯形元件有一个由一些环形线圈组成的电磁元件，这些线圈由铁磁性间隔片分隔开，这些铁磁性间隔片被用来向径向磁场提供一个恒定的磁阻，该磁场起源于一个与内部杯形元件相连的磁场产生元件。与内部杯形元件相连的磁场产生元件最好是一组永磁体。
本发明将通过举例的方式并参照下面的附图进行描述，附图中
图1是体现本发明的用于产生线性运动的电磁装置的一个示意的纵剖面图，图2是本发明第二个实施例的一个示意的纵剖面图，图3是本发明第三个实施例的一个示意的纵剖面图，以及图4是用于实施本发明的用来产生可变磁场的装置的示意的纵剖面图。
参见附图1，用来采用电磁方式产生线性运动的装置100含有一个外部管状元件101，该管状元件在其一个端部具有一个安装法兰102。在外部管状元件101的内侧是一组轴向线圈103，这些线圈安装在一个抛光过的钢质衬套104上。一个内部管状元件105以良好的滑动方式安装在外部管状元件101的衬套104内。该内部管状元件105在其外端部也有一个安装法兰106。内部管状元件105的一部分107上设有一系列环形磁体108，这些环形磁体108用来产生磁场，该磁场在轴向方向交替变化且与线圈103产生的磁场相互作用。环形磁体108的外径基本上与内部管状元件105的余下部分的外径相同。在内部管状元件105从外部管状元件101伸出的地方设有一个密封件109。在工作于外部管状元件101内部的内部管状元件105的一端上安装有一个轴承及清洁环110。该轴承及清洁环110用来限制内部管状元件105的径向偏移和清理外部管状元件101的衬套104的内表面。
该装置还含有一个用于检测内部管状元件105在外部管状元件101中的位置的传感器，但在图中没有表示出来。来自于该传感器的信号被用来控制与线圈组103相连的电源111的动作，该电源111能够产生不同频率、相位和波幅的电流，从而流进线圈103的电流产生一个磁场，该磁场与位于内部管状元件105上的那组磁体108产生的磁场相互作用而产生一个具有要求的大小和方向的轴向电磁力。
该装置这样构造，以便该装置能够承受得起相当大的横向负载。而且，只要管状元件101和105的开口端被堵塞住，密封件109的存在就使得该装置能够用于危险而复杂的环境中。
如果要求，当内部管状元件105在其行程的内限处时，那么内部管状元件105的伸出外部管状元件101外的那一部分可以具有大于或小于余部的直径。而且，法兰102和106上可以安装O型密封圈，从而当这些法兰与其他构件进行组装时与法兰102和106的外表面邻接的部分就被密封住。那么该装置就适于起到一个气动弹簧或致动器的作用并提供一个由电磁方式产生的线性力。
图2所示的是本发明的另一个实施例，它与图1所示的实施例基本一致，不同的是，该实施例中的衬套104是由铜管或铝管201来替代，这些铜管或铝管上可以镀上一种如铬的硬质金属从而也可以起到衬套104的作用。或者，也可以使用一种分离衬套。位于内部管状元件105内的线圈202取代磁体108并在铜管和铝管201中产生涡流，该涡流与线圈202产生的磁场相互作用。对于这两个实施例而言那些相同的元件则具有相同的标号。
图3所示的是本发明的第三个实施例，在该实施例中两个管状元件都被封闭上。
参见图3所示，一个用于用电磁方式产生线性作用力的装置包括两个空心的杯形元件301、302，其中一个元件301可以在另一个元件302内作线性运动。杯形元件301和302中的每一个都分别具有一个管状部分303、304以及分别具有端部封闭元件305和306，两个端部封闭元件分别位于管状部分303和304的外端处以形成一个封闭腔307。和前面一样，一组轴向线圈308容纳于杯形元件302的管状部分304和一个经抛光的钢质衬套309之间。在杯形元件301的内端处有一列沿轴线方向环形排列的一组磁体310，该组磁体产生一个在轴线方向交替变化且和线圈308在其受到适当的电力输入的激励时产生的磁场相互作用的磁场，和前面一样，还含有一个用于检测杯形元件302在外部管状元件301中的位置的传感器，且该传感器产生的信号用来控制电源311的动作，该电源311又能够产生不同频率、相位和波幅的电流，从而线圈308产生一个磁场，该磁场与位于杯形元件301上的那组磁体310产生的磁场相互作用以产生一个具有要求的大小和方向的轴向电磁力。
杯形元件302由一个滑动轴承和密封件312与杯形元件301封接，而杯形元件301的内端由另一个滑动轴承313支承着，在本发明的这种情况下，由于存在端盖305和306，所以没有必要在杯形元件301的内端设置另一个密封件。同前面一样，通过装置的这种设计就可以得到相当大的横向刚度。
密闭腔307的密封使得该装置能够起到一个气动弹簧的作用，是因为其中一个杯形元件相对另一个杯形元件的运动会使密闭腔307的体积产生变化以及由此而造成密闭腔307中可压缩介质的压力的变化。如果其中一个或另一个杯形元件在其中有一个适当的出口，该装置就能够被连接到外部蓄存器内且能够被用来作为气动或液动锤以及起到一个电磁线性力产生器的作用。如果该装置被用作一个致动器，那么这样的结构将在没有从电源311输入电流的情况下使之能够提供一静负载或一个缓变负载。
图4所示的是用于上面所描述的本发明的任何一种形式中的线圈的结构的视图。参见图4，与前面描述的外部元件102、302连系的这组电磁场产生线圈是由一叠环形线圈401构成，其中线圈401被插进由铁磁性材料构成的环402和外部铁磁性间隔环403之间。线圈401、环402以及间隔片403的尺寸使该组件形成一个单独的圆筒形线圈组件404。为了使该组件404相对于由在线圈组件404中移动的元件产生的径向方向的磁场具有一个恒定的磁阻，线圈组件404的各模件都歪扭过一个线圈401的轴向长度。在其他没有图解示出的结构中，环402则被前后歪扭过一转从而平衡由线圈组件404产生的任何偏轴力。
在参照图1和2所描述的本发明的那种方式中，可以使用不只一级伸缩级，而且术语“内部”和“外部”管状元件对于该装置的任何一级都可相应地应用。
权利要求
1.一种用来产生线性方向力的电磁装置，包括至少两个管状元件(101，105)，其中一个可以在另一个内部作伸缩滑动；用来产生第一磁场的装置(103)，该磁场的磁极沿着管状元件(101，105)中的一个(101)的至少一部分轴线长度交替变化；用来产生第二磁场的装置(108)，该磁场的磁极沿着另一个管状元件(105)的至少一部分轴线长度交替变化；以及用于改变上述两个磁场中的至少一个磁场的装置(111)，以便使这两个磁场相互作用以提供一个趋向于在管状元件(101，105)之间产生相对运动的轴向力。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于内部管状元件(105)上有一组与之相连的永磁体(108)，而外部管状元件(101)上有一线圈组件(103)，这些线圈组件有选择地被装置(111)励磁以使这些磁场之一产生所述的变化。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于用来产生第一磁场的装置(202)被用来在一个相连的元件(201)中产生一个涡流，由此产生第二磁场。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于在外部管状元件(101)的内表面和内部管状元件(105)的外表面之间至少含有一个轴承和密封件(109，110)，以便防止有害环境的成分进入产生相对运动的装置的那些部件中。
5.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于管状元件(101，105)中的每一个都具有一个法兰(102，106)，借助于该法兰管状元件可以和某一结构相连。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于每一个法兰(102，106)将所述的结构密封住。
7.一种用来产生线性方向力的电磁装置，包括两个杯形元件(301，302)，其中一个在另一个的里面且容许两者之间有相对运动；用来产生第一磁场的装置(308)，该磁场的磁极沿着两个杯形元件(301，302)一个(302)的至少一部分轴线长度交替变化；用来产生第二磁场的装置(310)，该磁场的磁极沿着另一个杯形元件(301)的至少一部分轴线长度交替变化；以及用于至少改变上述两个磁场中的一个磁场的装置(311)，以便使这两个磁场相互作用以提供一个趋向于在杯形元件(301，302)之间产生相对运动的轴向力。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于用于改变这些磁场中的至少一个磁场的装置(311)包括一个公知类型的电驱动装置，该装置适于改变由一些线圈(308)产生的磁场的位置、速度以及波幅，这些线圈与杯形元件(301，302)中的一个(302)相连。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于用于改变这些磁场中的至少一个磁场的装置(311)是一个多相电源，来自于该电源的输出的频率、相位以及波幅是可以改变的以改变由多个线圈(308)产生的磁场，这些线圈是与电源(311)相连的。
10.如权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于在内部杯形元件(301)从外部杯形元件(302)伸出的位置处含有一个用于产生流体压紧密封的装置(312)
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于封闭于杯形元件之间的空间(307)容纳有流体，由此在杯形元件(301，302)的外端(305，306)上产生一个轴向力。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于封闭空间(307)与外部流体蓄存器相连。
13.如前面任一项权利要求所述的装置，其特征在于管状或杯形元件(101，105，301，302)的横断面是非圆环形的。
14.如前面任一项权利要求所述的装置，其特征在于用于产生这些磁场之一的装置(103，308)包括多个环形的线圈(401)；一些由铁磁性材料组成的且具有同线圈(401)相同轴向长度的外部间隔片(403)；以及一些由铁磁性材料制成的环(402)，这些环被插进这些线圈(401)之间并具有与这些线圈(402)相同的内径和与间隔片(403)相同的外径，这些环和线圈同轴布置，以产生相对于由第二磁场产生装置产生的径向方向磁场的磁阻。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于每一个由线圈(401)、环(402)、间隔片(403)构成的模块组件在整个一圈上被歪扭或移动一段等于一个线圈(401)的轴向长度的距离。
全文摘要
一种用于产生一种线性作用力的电磁装置,包括两个空心元件,其中一个安装在另一个里面并可以沿轴向方向运动;以及与这两个空心元件相连的用来产生在轴向方向上交替变换的磁场的装置,这些磁场彼此相互作用以产生一个所述的轴向方向的力。
文档编号H02K41/03GK1253671SQ98802810
公开日2000年5月17日 申请日期1998年2月20日 优先权日1997年2月24日
发明者菲利普·雷蒙·迈克尔·丹尼 申请人:线性运动技术有限责任公司