力密度改善的电磁致动器及其在电剃刀中的应用

摘要

本发明涉及一种电磁致动器，包括：定子单元（2），其具有宽度LP的N个磁极和围绕所述磁极中的一个磁极（7b）的至少一个线圈（3），其中N≥3；以及磁性部（8），其能够相对于定子单元（2）在行程C上沿相对运动方向移动，并且包括N+1个磁化区（4a、4b、5a、5b），该磁化区（4a、4b、5a、5b）的磁化垂直于所述相对运动方向并且方向交替。根据本发明，磁性部（8）包括用于阻断通过磁化区的磁通量的磁轭（6），磁性部（8）的行程C小于或者等于每个磁极的宽度LP，并且垂直于运动方向的磁化区的厚度小于磁性部（8）的行程C。

说明书

技术领域

本发明一般地说涉及具有有限行程的包括永久磁体的电磁致动器技 术领域。

更具体地说，本发明涉及一种电磁致动器，该电磁致动器包括：至少 一个定子单元和磁性部，该定子单元具有相同宽度LP的N个磁极；以及 围绕所述磁极的至少一个线圈，其中N≥3，并且磁性部可以沿相对运动的 方向在行程C范围内相对于定子单元移动，并且磁性部包括N+1个磁化 区，磁化区在垂直于相对运动的方向上方向交替地起磁，所述运动方向对 应于定子单元的磁极和磁性部的磁化区对齐的方向。

背景技术

可以从国际专利申请WO2009/119450获知这种类型的致动器。

这种致动器使得能够实现能够在相对于弹簧定位时或者在振荡或者 振动机械系统中发生往复运动时使用的电磁装置。

现有技术中已知各种装置，这些装置意图解决其按照所接收的供电电 流而施加的力的线性度这一通常问题，并且还意在产生足够用于多种应用 的力水平。

属于本申请人的文献EP0592647和EP1005714给出了通过磁场之间 的相互作用产生与电流成正比的力的电磁致动器，其中磁场由其所包含的 永久磁体和供电线圈产生。

当这些电磁装置与弹性恢复构件相结合地用于振荡系统时，这些电磁 装置特别有益，其比例特性和可观的力密度使其能够承受重负载（无论是 干负载还是粘性负载）。这种装置包括进行反相运动、削减总运动幅值并 且因此确保致动器达到最佳平衡的两个相同的可动部。其特别用于诸如例 如电剃刀的刀片的对转式机械构件。

该解决方案的缺点在于，实现满意操作的力密度要求大尺寸的结构。 当减小几何尺寸，尤其是减小机构的厚度以实现紧凑构造时，导致出现力 密度不足的情况。

本发明要解决的第一个问题是减小体积，从而实现非常紧凑而不降低 性能的致动器。

当需要使致动器显著小型化时，现有技术的装置所能取得的效果有 限。因此，专利EP0592647和EP1005714的装置呈现非常小的力因数（每 安匝的力），这因为有较大的热量释放而使其不适用于小体积的情形。事 实上，体积的减小导致留给电线圈的空间减小。因此，产生相同的力需要 耗费更多的电能。这样更多的电能将导致非常高的电消耗，因此当系统被 加载时，对于同样电池限制了其使用时长，并将导致更高的焦耳耗散。这 样将使装置发热太高，从而在诸如电剃刀的便携式应用中给用户造成某些 不适，甚至损坏致动器。

上面提到的国际专利申请WO2009/119450提出为了有助于结构简化 而取消铁磁磁轭，由此宣称利用这种电磁结构。

在该专利申请WO2009/119450公开的结构中，减小可动的铁磁部分 确实能够制造出元件数较少的更简单的构造，但是它也要求更大的磁体体 积，最终导致较高的成本，较大的移动质量和总体体积。

本发明试图解决的第二个技术问题是减小所需的磁体体积，仅在实施 与上面提到的现有技术的教导相反的解决方案时才有可能实现。

发明内容

本发明的目的在于通过实现与现有技术的装置相比力密度高的电磁 致动装置，来克服现有技术的缺陷。

更特别的是，相对于现有技术的装置，本发明能够采用减小体积的高 效致动器。

为此，本发明还遵循上述前序部分给出的一般原理，本发明的主要特 征在于，所述磁性部还包括与所述磁化区相邻并且用于阻断通过磁化区的 磁通量的磁轭，其特征在于，磁性部的行程C小于或者等于定子单元的 每个磁极的宽度LP，并且其特征在于，垂直于所述运动方向的所述磁化 区的厚度小于所述磁性部的行程C。

在此使用的语义中，术语“行程”指磁性部相对于定子单元占据的两 个端部位置之间的最大距离。

现有技术

现有技术中已知美国专利申请US20020055695公开了一种具有定子 的致动器，该定子包括分别分布于围绕中心元件布置的电线圈的每侧上的 第一组磁极和第二组磁极。定子上位于线圈的每侧上的磁极的数量相同。 当对线圈加电时，定子上有相同数量的南极和北极。

在现有技术的解决方案中，电线圈不包围磁极而包围将北极与南极分 离开的中心部。

所公开的定子要求特殊设计，如图3a和3b所示，该设计具有一组交 替的封装板，这组封装板整体上构成单元图案。这样必然导致定子的生产 成本提高。

由磁体构成的可动部件在定子的两个对置磁极之间的间隙中运动，并 且没有用于阻断磁通量的磁轭。

作为现有技术的该文献中的图9和10示出是磁化磁极两倍数量的定 子磁极（定子的每个“齿”表示磁极）。

现有技术中还有专利DE102005044176，该专利公开了一种具有两个 极的定子的致动器。

在该解决方案中，芯部的两个磁极的每端朝向磁体的磁体过渡区，即， 使北极与南极分离的区域。当定子相对于卷绕的芯部运动时，每个磁极端 部面对北极（如果定子移动到右侧）或者南极（如果定子移动到右侧）。

因此，从理论上说，磁体产生的并且通过线圈的磁通量是0，而与位 置无关。这样得到不能利用电流产生作用的致动器。

为了利用电流产生力，当定子相对于磁化部运动时，每个磁极都必须 面对不同磁体极性，以确保线圈中的磁通量变化，并且该磁通量变化将产 生电磁力。

在现有技术中已知专利EP1005714，该专利公开了一种磁致动器，该 磁致动器的基本方案相同，并且包括具有两个极的定子和具有3个交替磁 体的一个或者两个可动部。

本发明是通过在相同体积下增大其力因数对专利EP1005714公开的 致动器的磁性结构做修改，而不修改其作为线圈体积和磁导率的固有特 性。

因此，根据本发明，能够生产其体积显著小于为获得具有相同力密度 而根据专利EP1005714的教导生产的致动器所需的体积。

与现有技术WO2009/119450的教导不同，增加软铁磁磁轭使得能够 通过有效地重复阻挡磁通量并限制磁势的损失来显著提高致动器的性能。

将行程C限制到小于或者等于定子单元的磁极的宽度的值能够使力 与磁体质量保持最佳比值，并且使沿着行程保持准线性的力特性。

例如利用钕铁硼（NdFeB）或者钐钴（SmCo）类型的高能磁体能够 将磁化区的厚度限制到小于磁性部的行程C的值，与现有技术的结构相 比这样能够获得较高的单位致动器体积和单位磁体质量的力密度。

在本发明的致动器中，N是例如3，并且优选地，该致动器包括围绕 定子单元的中心磁极的单个线圈。

有利的是，所述磁化区包括至少两个内侧磁化区，沿着所述运动方向， 这两个内侧磁化区具有等于两个连续定子磁极的相应中面之间的长度 LA2，该中面垂直于所述运动方向延伸。

此外，所述磁化区包括至少两个端侧磁化区，该至少两个端侧磁化区 优选地沿着所述运动方向具有介于LP与1.2倍的LP之间的长度LA1。

根据第一种可能的实施例，所述磁化区由固定在磁轭上的独立并且相 邻的磁体形成。

根据另一种可能的实施例，所述磁化区只由单个磁体形成，磁化区被 方向相反地交替磁化的区域并具有长度上小于0.2×LP的过渡区。实际 上，当两个磁化区之间的磁性过渡区大于该因数时，对于同一磁体质量的 力的损失严重。

根据一种变型解决方案，该致动器包括沿相反方向运动的两个可动磁 性部，这样能够补偿这两个部分的运动幅度。

根据另一种变型解决方案，该致动器包括沿交替的方向运动的3个可 动磁性部，这样能够补偿这个3个部分的运动幅度和动量。

有利的是，定子单元通过悬片连接到每个磁性部。

根据特定的变型解决方案，定子单元通过被配置成使所述磁性部返回 其行程C的中央的弹性回复元件连接到每个磁性部。

有利的是，所述线圈被配置成由交流电流供电并且产生所述磁性部相 对于所述定子单元的振动运动。

根据可能的实施例，定子磁极的表面被刻制在柱状壳体上，并且所述 磁性部具有与所述柱状壳体配合的半管形状。

此外，所述磁轭沿所述运动方向在其端部具有切面。

另外，有利的是设置成定子单元的每个磁极都具有宽度LP的顶部和 宽度小于LP的主体。

在一些应用中，本发明的致动器还能够包括磁性传感器和伺服电路， 所述磁性传感器被布置成与所述磁性部相对置并且被配置成提供表示所 述磁性部的绝对位置的输出信号，并且所述伺服电路接收来自所述磁性传 感器的所述输出信号并且被配置成把所述磁性部的位置控制在由提供给 所述伺服电路的设置值所确定的位置。

本发明还涉及上面描述的致动器在包括设置有振动刀片的顶部的电 剃刀中的应用，其特征在于，所述刀片中的每个都与所述致动器的所述磁 性部传动连接。

对于相同的电流、相同的线圈、相同的电功率以及相同的致动器体积， 对文献EP1005714公开的磁性装置的磁体增加两个端侧磁体能够产生增 大4/3倍（即，增加33％）的力因数。

实际上，当N＝3时，并且当一个并且仅唯一一个线圈位于定子单元 的中心磁极上时，例如借助等效电路获得的致动器理论上产生的力F的值 （等于力因数与线圈的安培匝数的乘积）由以下关系式给出：

$F=\frac{{8B}_r\mathrm{LZ}}{3E}\mathrm{ni}$

其中Br是剩磁，L是其在磁化方向上的厚度，Z是其深度，E是包 括磁体的间隙，ni是线圈的安培匝数。

在根据现有技术的包括如上所述的磁轭以及文献EP1005714和 EP0592647中公开的单个线圈的致动器中，施加在参量上的系数 不是8/3而是2。

附图说明

当在此参考附图阅读下面详细描述的、以举例说明而非限制性的方式 给出的各种实施例时，更加容易理解本发明的其它特征和优点，在附图中：

图1是根据第一实施例的致动器的前视图；

图2是根据第二实施例的致动器的主体部分的视图；

图3是根据第一实施例的变型的致动器的前面图；

图4是示出根据包括本身设置有传感器的伺服回路的实施例的致动 器的运转的原理图；

图5是根据第三实施例的致动器的前视图；

图6是根据第四实施例的致动器的主体部分的视图；

图7是示出根据本发明的致动器的主要运行参数的演变的示图，其中 该图所示的参数Lp和La1与本说明书中提到的LP和LA1相同；以及

图8是根据第五实施例的致动器的前视图。

具体实施例

图1示出根据本发明第一实施例的致动器1的前视图。该致动器包括： 定子单元2，该定子单元2主要由定子7以及电线圈3构成，一方面，定 子7由具有各自沿在图1中竖直定向并包含在该图的平面中的轴线方向延 伸的3个磁极7a、7b和7c的软铁磁材料构成；另一方面，电线圈3包围 中心磁极7b。在沿着纵向方向（该纵向方向在图1中水平定向并且包含 在该图的平面中，即沿着与轴向方向垂直并且磁极对准的方向）测量该宽 度的情况下，磁极7a、7b和7c均具有相同的值为LP的宽度。

该致动器还包括磁性部8，该磁性部8与定子单元2平行并与磁极7a、 7b和7c相对，该磁性部8与磁极7a、7b和7c分隔开机械间隙J。该磁 性部8被选择性地沿着纵向方向（即在图1平面中水平地）定向并且相对 于定子单元2被驱动产生行程C的相对运动。定子具有并且只具有一种 通过堆叠相同的钢片而实现的轮廓。

这种磁性部8包括由软铁磁材料制成的磁轭6，磁轭6上布置有四个 磁体，即，两个相同的端侧磁体4a和4b以及两个相同的内侧磁体5a和 5b。端侧磁体4a和4b具有相同的值为LA1的长度，该长度是沿着纵向 方向（即在图1的平面中水平地）测量的。同样，内侧磁体5a和5b具有 相同的值为LA2的长度，该长度也是沿着纵向测量的。

定子具有N个磁极和至少一个围绕所述磁极中的一个的线圈。当N=3 时，如附图所示，当对线圈加电时，两个南极（或者北极）仅存在一个北 极（或者南极）。

四个磁体4a、4b、5a和5b具有相同的值为L的厚度，该厚度是沿 轴向方向（即在图1的平面中竖直地）测量的。磁极的厚度L小于磁性 部8的行程C和磁极LP的宽度。此外，磁体均是沿轴向方向磁化的。图 1所示的每个磁体4a、4b、5a和5b上的宽空白箭头示出轴向方向和这种 磁体的磁化或者极化的方向。因此，必须以两个相邻磁体具有相反极性的 方式磁化磁体4a、4b、5a和5b。因此，在图1中，磁体4a和磁体5b具 有被引向定子单元2的极性，而磁体4b和5a具有被从定子单元2推离的 极性。

磁体与磁轭成为一体，使得磁通量仅通过空气（间隙）的两个厚度， 与现有技术的解决方案相比，这样能够降低磁势的损失，并且避免致动器 的性能降低。

当定子2相对于磁性部8移动时，与定子邻接的每个磁极都面朝不同 的极性。这样能够确保磁体产生的并且通过线圈的磁通量根据位置发生变 化，因此，确保非零电流产生力。

将行程C，即磁性部8沿纵向方向的总移动量限制为致动器7的磁极 7a、7b和7c的最大宽度P。在磁性部8的行程的中间位置，磁体的过渡 区，即磁体4a与5a之间、磁体5a与5b之间以及磁体5b与4b之间的 边界平行于磁极7a、7b和7c的轴向方向（即垂直地）延伸，并且位于磁 极的中部，即，宽度LP的一半。因此，在图1中，示出磁性部8刚好位 于其行程C的中部，其中该行程最多等于LP。

端侧磁体4a和4b具有长度LA1，该长度LA1至少等于磁极7a、7b 和7c的宽度LP。

因此，磁性部8的总长度LM至少等于定子单元2的总长度LT，增 大了一个磁极的宽度LP，这可以表达为：LM≥LT+LP。

为了限制总可动质量，有利的是，支承磁体4a、4b、5a和5b的磁 轭6的长度等于磁体的长度之和，如图1所示。然而由于外部机械性能的 原因，需要考虑增加磁轭6的长度以使得能够实现悬件的机械固定或使外 部构件运动。

图2示出利用反相运动的两个可动磁性部的致动器的实施例，在这种 致动器例如用于致动电剃刀的刀片。尽管涉及可能与图1所示的实施例不 同的实施例，但是该透视图使得能够理解图1所示的所有要素也都沿着垂 直于图1的平面的方向纵深地延伸。图2所示的致动器1包括两个独立的 并且不同的磁性部8a和8b，该磁性部8a和8b分别设置有如上所述的磁 体。磁性部8a中的磁体中的每个磁体均具有与匹配位置的磁性部8b的磁 体的磁性相反的磁性，因此，当围绕定子单元2的中心磁极7b的单个电 线圈3产生磁通量时，两个磁性部8a和8b沿相反的方向运动。因此，当 电流的周期和极性（正和负）改变时，两个磁性部8a和8b以相位相反运 动。对于通过线圈的任意电流，右侧带划线的箭头示出力和运动的方向。

在一种实际可行的实施例中，各种构造参数可以取下面以毫米为单位 表示的值：

LM=22  LA1=3.6  LA2=7.4  LP=3.2  LT=18  L=1.4  J=0.25 C=3

如图3所示，可以在磁性部8a和8b的磁轭6的端部实现切面9以减 轻可动质量。实际上，该切面9形成在无磁作用的区域中，因为磁通量不 通过这些端部。使可动质量变轻除了节省材料和成本还尤其对于给定频率 允许降低对通常与该磁性部8a和8b相关的弹性回复机构或元件所要求的 刚性。

图4是示出装备有伺服环的致动器的运转的原理图。在该回路中，任 选但是优选地，磁性位置传感器10检测磁性部8相对于定子单元2的相 对移动，并且将表示该磁性部8的位置的输出信号发送到伺服电路11。 该伺服电路11例如主要由微控制器构成并且将一组设置值用作瞬态基准 或者平均基准，因此，它能够调节线圈3中的电流从而使磁性部8取基于 设定值的瞬态位置或者平均位置。有利但并非限制性地，相对于定子单元 2可动的磁性部8通过悬片13连接到该定子单元2，该悬片13能够确保 磁性部8相对于定子单元2的相对位置，并且磁性部8还连接到弹性回复 元件12。

图5示出该致动器的第三种可能的实施例，其中磁性部进行旋转运动 而不是简单的平移。然而，图5的致动器包括与上面已描述的致动器相同 的元件，即，对于N=3，包括：定子单元2，由三个磁极构成并且其中心 磁极7c上承载有线圈3；以及磁性部，由承载4个磁体的磁轭6构成， 这4个磁体被交替极化并且具有单向，即径向的磁化方向。

相反，在该实施例中，定子磁极的表面刻制在柱状壳体上，磁性部具 有与柱状壳体配合的半筒形状。

图6示出致动器的第四种可能的实施例，其中该致动器包括相对于定 子单元2可动的3个磁性部8a、8b、8c，定子单元2因此由3个磁性部 共用。优选地，两个外侧的可动磁性部8a、8c相同，并且因此其端侧磁 体和内侧磁体具有相同的磁化。因此，当电流流过线圈3时，该磁性部 8a、8c产生相同的运动。位于两个第一磁性部8a、8c之间的第三磁性部 8b包括磁体，该磁体的极化与两个第一磁性部8a、8c的极化相反。因此， 当同样的电流流过线圈3时，该中心磁性部8b沿与另外两个磁性部8a、 8c相反的方向运动。右侧带划线的箭头给出相对于定子单元2对可动磁 性部8a、8b、8c中的每个施加的力的方向并且因此而运动的相应方向的 例子。

图6所示的实施例具有的优点是，能够完全补偿可动磁性部8a、8b、 8c的总动量。当本发明涉及便携式应用，例如，当可动磁性部8a、8b、 8c用于致动剃刀刀片时，由此改善用户的舒适性。对于该用途，使中心 可动磁性部8b的移动质量等于另外两个可动磁性部8a和8c的总质量。

图7示出作为端侧磁体的长度LA1的函数的力以及力与磁体质量之 比的典型演变。因此，实线A和圆点标记的曲线示出从针对LA1=0.8× LP选取的最大基准值起力与磁体质量之比按百分比的改变，在左侧垂直 轴上示出相应比例。实线B和三角形标记的曲线示出从针对LA1=1.5× LP选取的最大基准值起加电时的力按百分比的改变，在右侧垂直轴上示 出相应比例。

因此，这些曲线示出，为了在电流产生的总的力与对于磁体质量而言 最佳的力之间达到最佳折衷，必须在从LP到1.2×LP的区间内选择LA1 的值。不过，不同的选择有可能导致并非最佳的磁体质量利用，或者致动 器对总体尺寸提供的力不足。然而，应当注意，通过修改宽度LA1，所 获得的无电流作用被微弱地调制，因此它不是相关的尺寸判据。

图8示出致动器的第五种可能的实施例，其中定子7具有3个磁极 7a、7b、7c，每个磁极都具有宽度不同的顶部14和主体。更确切地说， 每个磁极的顶部（14）具有如前面指出的宽度LP，磁极的主体具有小于 LP的宽度，磁极的顶部可以与磁极主体一体制成或者由磁极主体所承载。 有利的是，该替选实施例尤其用于能够在中心磁极7b的周围安装更宽的 线圈3。

在图8中，水平的实心双向箭头示出移动磁性体8在定子单元2上方 能够具有的最大行程C。