机电致动器的制造方法_3

文档序号:9893824阅读:来源:国知局
包括多于两个(旋转对称的构造)或Ξ个("成角度的"构造) 软磁部件,运些软磁部件关于彼此而设置在磁张力下。
[0041] 不同的软磁部件决不能被理解成,它们必定是彼此物理分开的。如上所述,它们也 可W是通过完全饱和的或部分饱和的区域而彼此分开;起决定性的仅仅是运些部件之间 (或者更精确地说,运些区域之间)所需要的磁张力可永磁方式而产生。
[0042] 根据图2a至图2e的所有的驱动器自然也可W具有旋转对称的设计。根据本发明的 具有两个彼此刚性连接的电枢的驱动器在任何情况下都是特别紧凑的;假设使用相同的永 磁体材料,相较于常规的可逆线性螺线管,本发明的驱动器可W被设计为更小的构造体积, 通常小一倍。如果不考虑小型化并且根据本发明的具有两个电枢板的磁体恰好做得与常规 的磁体一样大,则所得到的构造空间可W用来使用大且便宜的低能量密度的永磁体(例如 硬铁氧体)代替小且昂贵的高能量密度的永磁体(特别是稀±磁体)。
[0043] 本发明的另一示例将在W下参照单稳态的可逆线性螺线管来解释。本发明的单稳 态的实施方式由于W下原因而获得:在静态的、非激励的情况下,作用在电枢上或电枢系统 上的磁阻力仅仅大于在一个端部行程位置中的相关的弹黃力,而不大于另一端部行程位置 中的相关的弹黃力。在运方面,弹黃与磁体彼此配合,从而在静态的、非激励的情况下弹黃 力和磁阻力的总和Γ静态的总力")在调节路径的每一点处具有相同的符号。在非激励的情 况下,驱动器因此仅仅在电枢(或电枢系统)处于其一个稳定的端部行程位置中时是稳定 的。根据幅值,(磁力和弹黃力的)总静态力必须大于可能作用在该系统上的摩擦力;在必要 的情况下,相关的静态总力特性必须关于可能的回复力(例如,在单稳态的驱动器必须克服 气动阀时的气动压力,例如用在自动变速装置中)而适应相应的应用。
[0044] 在静态的、非激励的情况下,磁阻力可W并不由在非稳定的端部位置中的磁饱和 来限制。运意味着,由于部分磁回路包括电枢接触定子的粘接表面,因而磁饱和决不应当且 没有在任何区域中遍及总的有效的铁横截面而出现。W运种方式,到目前为止,只要利用为 了激励线圈所需要的电源,通过激励线圈,磁体对抗在该Γ第二")端部行程位置中的弹黃 力也是(中间)稳定的,就可W增大在非激励的、非稳定的端部行程位置中的磁阻力。此处, 磁体应当被设计尺寸为,使得利用尽可能小的电源,实现在"非稳定的"的Γ第二")端部行 程位置中尽可能大的磁阻力的增大,运对于能够使磁体在长的通电持续时间内维持在非稳 定的端部位置中也是重要的。至于弹黃系统,不必是线性的。优选地,它相对于稳定的端部 行程位置具有渐进的特性;也就是说,在中位行程位置的方向上驱动电枢系统的弹黃力在 电枢系统接近稳定的Γ第一")端部行程位置时超出线性地增大。运也可W通过多个线性的 弹黃的组合来实现。
[0045] 磁性原理将参照图3来说明。相对于定子而在图像中的下部的电枢比在图像中上 部的电枢具有更大的铁横截面。因此,由永磁体所产生的磁通量在接触下部的电枢处比接 触上部的电枢处遍及更大的横截面分布。另外,构造了下部的电枢的表面或下部的电枢板 的表面。如果接触区域已经饱和,则产生从非饱和的定子铁到非饱和的电枢铁中几乎平行 延伸的磁通量,术语铁在此处用作与"软磁材料"同义。该平行延伸的磁通量的磁通量密度 小于所使用的铁材料(在使用不同铁材料时小于具有较小的饱和磁通量密度的材料的饱和 磁通量密度)的饱和磁通量密度。通过激励线圈放大该磁通量产生了所需要的磁阻力的增 大。根据图3的驱动器主要是按照比例的并且可W用作FEM仿真的基础。然而,对于本发明的 设计,作为具有两个刚性连接的电枢的单稳态的可逆线性螺线管,运些电枢(电枢板)不必 是不同形状的。磁体系统还可W被设计成,根据本发明在小电流情况下待避免的饱和不会 在任何位置出现,运仅仅是可能的,然而,运是稳定的"位置中的磁阻力为代价。在另一 个实施方式中,上面所描述的所期望的"磁力的"不对称由于W下原因而实现:利用相同构 造的电枢板,不同厚度的防粘接盘用于每一个电枢板或者仅仅提供一个防粘接盘,而一个 电枢板可W直接接触定子。图3示出了根据本发明的单稳态的驱动器的示意性的二维模型 (其中未画出弹黃系统),其中已经论述过的横梁通过磁短路来绘制。因此,例如磁体被建 模,其中烧结的永磁体关于内定子区域的外围W径向或直径方向极化的圆形节段的形式来 布置。内定子部件或区域和外定子部件或区域通过所谓的横梁而彼此连接,所述横梁在各 个圆形节段之间径向地延伸。W运样的方式,总定子可W包括单个的机械制造的部件(尤其 是SMC部件),该机械制造的部件具有通过横梁彼此分开的腔室并且可W被放置到烧结的PM 中。图3中所示出的树脂粘合的永磁体同样被径向地或直径方向地极化。它们不是绝对必要 的,但是有助于补偿杂散耗损。该杂散耗损的补偿还可W通过单个的永磁环在驱动器的单 侧发生;运在对应于稳定的端部行程位置的那一侧处是最好的情况,运是由于在此处应当 产生尽可能高的且不必通过激励线圈而进一步增大的永磁保持力。模制的弹黃可W用作弹 黃系统,其从"外侧"作用在电枢板上,并且在必要的情况下该弹黃经由壳体机械地连接到 定子。然而,弹黃(多个弹黃)也可W关于中屯、(驱动器巧由线或W另一种方式来构造。
[0046] 根据本发明的驱动器的完全不同的实施方式(在此:旋转对称的实施方式)示出在 图4中;弹黃系统再次并未示出。图4中的磁体具有定子11、两个电枢21、22、两个线圈31、32 和推杆71,该推杆71刚性地连接两个电枢。注意:对于根据图4的驱动器,通常有利的是W相 同方式将线圈31、32串联连接。由于磁短路K,磁体可W表现为包括两个单独的磁体的双行 程磁体,该两个单独的磁体背靠背地安装并且共用相同的驱动轴线。永磁体紧固在电枢处 对于本发明的运一实施方式是基本的。在将电枢伸入到定子11中时,该电枢相对于定子11 而设置在磁张力之下。取决于电流方向,激励相关的线圈导致了永磁体上的吸引力或排斥 力,排斥力被转移到电枢。运大大地提高了磁体的设计自由度,运是由于在纯磁阻磁体中, 没有互相排斥作用发生,至少在软磁电枢上没有发生。基本上,磁体在很大程度上对应于插 棒式线圈驱动器,永磁体和励磁线圈在该插棒式线圈驱动器中互换作用。然而,不同于运一 点,永磁体具有额外的(径向的Γ气隙",正如所描述的,在没有额外的(径向的)"气隙"的情 况下,电枢关于定子不能处在(可感知的)磁张力下。在任何情况下,电枢都未在非常巨大的 区域上磁导通地连接至定子11。例如,此处用滑动轴承材料51、52(滑动轴承材料51、52也可 W用作紧急运行轴承;在示出的模型中,在驱动轴处提供用于滑动轴承的空间)填充具体的 径向气隙。运些所需要的径向气隙可W如在图4中被配置成,根据对应的用途影响驱动器的 特性曲线。例如,阶梯部S可W用来在中位行程位置的区域中产生特别高的力转换率,另外 在非激励的情况下,运尤其在某种状况下没有弹黃系统的实施方式中是需要的,W防止电 枢在非限定的位置中的停止。在没有额外的气隙的情况下,没有磁体的部分会在利用较长 的行程产生保持力的位置,运是由于每一电枢在插入定子中太深时,使其永磁体磁短路。
[0047] 例如,永磁体可W形成为直径方向或径向极化的圆形节段。双稳态的驱动器也可 W利用安装成称为背靠背的两个磁体中的仅仅一者来获得,即为"半驱动器",并且真正地 在于另一半用相应地设计尺寸的弹黃或弹黃系统来代替。运种驱动器也必须具有旋转对称 设计。另外,非旋转对称的变型可W利用横向的磁通量导向来实现,W表示具有特别长的行 程的驱动器。根据图4的驱动器的优点在于,利用在使用高能量密度的永磁体时相对长的行 程,它们可W具有非常高的力常数。驱动器是非常通用的。与弹黃系统的组合(其从两个端 部行程位置中的一者沿中位行程位置的方向驱动电枢系统)允许非常快的驱动器具有高的 效率、高的力常数、从而具有高的行程动作但是小的磨损,运是由于在通过弹黃系统达到端 部行程位置之前基本上阻止了电枢速度。相比之下,如果省掉弹黃系统,并且将容易电传导 的金属用作"紧急运行轴承"51、52,则紧急运行轴承同时充当满流致动器并允许使电枢运 动减慢,其中一旦电枢保持快速运动(例如通过摩擦或通过负载),完全静止的力就仅仅在 给定的电流处建立。在调节过程期间,可W说在驱动力和满流制动之间采用动态平衡。"满 流制动器"(在此设计为紧急运行轴承)也减缓了冲击过程,"该满流制动器"也可W紧固至 一个或多个电枢,而代替紧固至定子。紧固至电枢的永磁体(permanent ma即et,PM)也表示 一种磁性弹黃系统。
[0048] 对于特别是具有机械弹黃的高动力驱动器,显而易见的是设计磁体的旋转对称的 实施方式或者至少设计那些具有来自SMC材料的旋转对称的内极的实施方式。在切割工序 中由固体材料机加工的部件更好地适合于较慢的"无弹黃"设计(即,没有机械弹黃或气动 弹黃的设计),尤其是在使用所描述的满流制动器时。一方面,背铁R允许永磁体的容易的装 配,该背铁R对于永磁体还充当邻接部,但同样地大大影响特性并尤其是增大在行程起始处 的力。
[0049] 本发明的另一实施方式的磁回路示意性地示出在图5中。弹黃系统未示出。在此优 选使用一个或多个机械弹黃。该附图是不按照比例的。电枢部件11和电枢部件12优选地被 理解为由金属片材包所形成的电枢板,反过来,所述电枢板具有尽可能刚性的机械连接(未 示出)。21和22是定子部件,定子部件优选由金属片材包形成并通过永磁体31和永磁体32而 相对于彼此设置在磁张力下。驱动器通过激励线圈41、42来操作,其中电容器或电容器组或 PLC能够用作电源,例如化C给出了能够在调节运动期间控制驱动器或者能够根据负载或根 据路径调节运动过程的优点。为了效率的进一步提高,可W使用自由运行的装置,例如相应 地连接的基于M0SFET的AC开关,其允许线圈中的电流利用单独的电源而自由运行。图5在设 计方面类似于图1,但是除了其它的构造差别,还尤其具有一个特定的特征:额外的永磁体 51、52、53、54紧固至(至少)一个电枢板,W影响特性。永磁体51、52、53、54应当是机械稳健 的,并且具有高的矫顽磁性W及尽可能地的具体的或有效的电导率;树脂粘合的NdFeB磁体 或节段、烧结的N沁e郎兹体是特别合适的。作用在永磁体上的磁力可W被理解为作用在它们 的"表面电流"上的洛伦兹力。在
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