具有有限行程及低横向力的可扩展的高动态电磁线性驱动器

摘要

下面将对一种具有有限行程的可扩展的高动态电磁线性驱动器进行描述。该线性执行器的特点是横向力小。根据本发明的一个例子，该线性执行器包括了：定子，该定子包括两个软磁铁心；由软磁材料制成的电枢，其至少在某些截面是扁平的，并且可沿着定子铁心之间的轴移动；至少两个带有软磁铁心的扁平线圈，其绕组高度大，并且被固定在定子(定子线圈)上，其中线圈铁心为软磁定子铁心的一部分或者以导磁形式与定子铁心连接；至少一个带有软磁铁心的扁平线圈(电枢线圈)，其绕组高度大，并且被固定在电枢上，其中线圈铁心为电枢的一部分或者由电枢制成，或者该电枢线圈及其软磁铁心一起卧于扁平式电枢的凹口处；一个明确定义的行程起始位置和终端位置(“多个终端位置”)，一个通过开关控制的装置，用于抵抗反弹力，并将电枢保持在至少一个终端位置上，比如，一个与电枢机械连接在一起的自保持电磁铁或者一个机械啮合装置，一个通过开关控制的供电装置，供电装置包括能量储存器，比如电容性蓄电池，以及至少一个开关。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁线性执行器领域，具体涉及用于弹簧储能操动机构中的弹簧的张紧和保 持。

背景技术

在出版物DE 10 2011 080 065 A1中公开了一个电磁驱动器，它适用于驱动电气开关装 置。出版物DE 10 2011 080 065 A1中的驱动器由电磁铁组成，它们的电枢尤其是在行程起 始位置附近-也就是工作气隙开的大的时候，额外用电动力驱动的。这在至少一个线圈的帮助 下就可以实现，这个线圈与电枢机械连接在一起的，并且通过励磁场和其电流的一个相互作 用对线圈施加了一个力，这个力可传输到电枢上，并且将电枢推向它的行程终端位置(气隙 闭合)。

出版物DE 10 2011 080 065 A1公开了多个结构形式的例子，它们尤其适用于驱动电气 开关装置，这些开关装置包含了成对固定在框架和电枢上，并且同轴放置的(薄层)线圈。 在出版物DE 10 2011 080 065 A1中，这种固定在框架上的线圈被称为“支撑线圈”，附属的 用来额外驱动电枢的线圈被称为“推力线圈”(在这里，通常情况下推力线圈缠绕于环绕电枢 的槽内)。支撑线圈和推力线圈是同轴放置的，在这里行程起始位置中的推力线圈部分拉入到 了支撑线圈中。如果现在这些支撑线圈和推力线圈是反向通电流的，那么在它们之间会出现 一个排斥的相互作用，这个相互作用可额外驱动电枢。

所描述的这种布置的特点在于，在某些特定的前提条件下，在与一般的电磁铁相比，(比 如两个线圈的串联电路的)电感非常小的情况下，而这个力却非常大。如果框架和电枢中的 涡流阻尼足够，那么就可达到特别高的力上升率。

但是出版物DE 10 2011 080 065 A1中列举的结构形式有两个缺点：可扩展性差以及作 用于电枢上的横向力大。“可扩展性差”在此主要指的是在驱动器的最大作用力，位移以及尤 其是保持力(比如对回位弹簧)增加时，电枢的重量增加了很多。电枢重量基本上是以想要 的标称保持力的平方来增长的。这样，在出版物DE 10 2011 080 065 A1中列举的驱动器在 有些时候就不太适用了，比如，要在大型的高压功率开关中使用常用的弹簧储能操动机构的 时候。此外，上述驱动器在运行时(最大)横向力很大，这样就会不可避免地产生制造误差， 对电枢造成(弹性)变形，并且对轴承形成很大的负荷。

因此，本发明的任务在于找出一种设计，它与出版物DE 10 2011 080 065 A1中列举的 结构形式相比，可扩展性要提高，并且横向力要减小。

发明内容

此任务可通过根据权利要求1的一种电磁线性驱动器来完成。

接下来将对一种具有有限行程的可扩展的高动态电磁线性驱动器进行描述。该线性执行 器的特点是横向力小。根据本发明的一个例子，该执行器包括以下部件：

-定子，该定子包含了两个软磁铁心；

-由软磁材料制成的至少部分截面是扁平的电枢，该电枢能够沿定子铁心之间的轴移动；

-至少两个带有软磁铁心的扁平线圈，其绕组高度大，并且被固定在定子(定子线圈) 上，其中线圈铁心为软磁定子铁心的一部分或者以导磁形式与定子铁心连接；

-至少一个带有软磁铁心的扁平线圈(电枢线圈)，其绕组高度大，并且被固定在电枢上， 其中线圈铁心为电枢的一部分，或者是由它制作而成的，或者该电枢线圈及其软磁铁心一起 卧于扁平式电枢的凹口处；

-预先定义的行程起始位置和终端位置(“多个终端位置”)

-至少一个通过开关控制的装置，用于抵抗反弹力，并将电枢保持在至少一个终端位置 上，比如，一个与电枢机械连接在一起的自保持电磁铁或者一个机械啮合装置，

通过开关控制的供电装置，该供电装置包括能量储存器，比如电容性蓄电池，以及至少 一个开关。

电枢和/或定子铁心可由叠片铁心或者树脂粘结的软磁粉末制成。

“至少部分截面是扁平的电枢”在这里指的是，至少可拉入定子内-也就是其铁心之间- 的那部分电枢是扁平：定子铁心之间的距离，以及空隙G基本上都小于电枢的深度O(宽度) (铁心与空隙垂直，与移动方向垂直)，并且也小于电枢沿着移动方向的延伸，电枢(剩余气 隙尽可能小)可在这个空隙G中移动。比如，(长方形)电枢的宽度O至少是空隙G，也就是 定子铁心之间的正常距离的三倍这么大。根据这样的一种结构形式，宽度O至少是空隙G的 五倍，更多的至少是十倍。

由于本发明中的“扁平线圈”是扁平的，因此其长度L(沿线圈轴)比它最小的外径还 要小很多。“大的绕组高度”在这里指的是绕组窗口的高度H(沿着移动方向)既取决于(额 定)行程的数量级，也取决于软磁线圈铁心的延伸K的数量级，比如H＝2/3*S。“绕组窗口” 指的是在运行中用铜填满并且通电的线圈的那些区域。一个结构对称有两个相同长度的绕组 窗口，(与线圈轴垂直)距离与线圈铁心的宽度K相同。绕组窗口沿线性执行器纵轴(与线圈 轴垂直)的尺寸被称为绕组高度H.。

正如上面所提及的那样，通常情况下，扁平线圈的最小外观尺寸(绕组高度的两倍加上 线圈铁心的最小外观尺寸)比其长度要大。根据所列举的例子，绕组高度H至少是线圈长度 L(沿线圈轴)的两倍。根据所列举的另一个例子，绕组高度H至少是线圈长度L的三倍，比 如可以至少是它的五倍。

在这些需考虑电磁功率密度的部件((软)磁以及导电部件)的几何形状方面，该驱动器 的特点是，与移动方向相平行有两个几乎相互垂直的镜面(对称面)，因此，它们的交线(也 等同于纵轴)是一个二重旋转轴，其走向是与移动方向平行的。(电枢是滑动地安放在定子铁 心上的，因此，电枢和定子形成了一个滑动轴承或者配备了类似的滑动轴承)。

从这个对称条件中可得出，定子线圈是成对固定在定子铁心上的：固定在第二个铁心上 的第二个扁平线圈属于固定在第一个铁心上的第一个扁平线圈所有。与亥姆霍兹线圈相比， 这些定子线圈必须同一方向进行通电，那么根据本发明，这两个线圈在运行时就可能产生尽 可能相同大的磁化力(尽量使用相同的定子线圈，并且将它们进行串联，用这样简单的方法 即可实现)。在开关过程中在给定子线圈进行相同方向的通电时，从第一个线圈的铁心中会产 生磁通量(串接)，然后横向通过位于空隙中的扁平式电枢以及电枢线圈，并且进入第二个定 子线圈的铁心。(这也同样适用于第二个线圈，由于这个对称条件，引入到第一个和第二个定 子线圈是随意的)。磁轭再次通过定子铁心和电枢。为了将电枢从行程起始位置推向行程终端 位置(接通过程)，位于定子线圈间的电枢线圈需与定子线圈反向通电，这样它(们)就可产 生一个尽可能与所属的定子线圈一样大的磁化力。根据本发明，必须对供电这样进行分配， 使得位于电枢和定子线圈之间的软磁材料在接通过程期间达到磁饱和，并且局部达到一个超 过软磁材料饱和极化强度的磁通密度。

定子铁心和电枢必须这样进行配备，使得由定子线圈和电枢线圈产生的磁场没有流经值 得一提的气隙。制造误差最多产生一个非常小的气隙。

在行程起始位置上，电枢线圈和所属的定子线圈并不是同轴放置的，更多的是向行程终 端位置移动(比如，一般的绕组高度0.5*H)；根据本发明，可以对所有线圈这样进行通电， 使得电枢线圈和定子线圈从行程起始位置沿着旋转轴离开，在这里作用于电枢线圈的力由它 传输到电枢上，并且将其推向行程终端位置。如果想要回到行程起始位置，那么可将所有电 枢和定子线圈进行相同方向的通电，这样就会(额外)产生一个吸力。

附图说明

接下来将借助于附图中所列举的例子对本发明进行进一步的阐述。这些图示的比例不一 定是正确的，并且本发明也并不仅局限于所描述的这些方面。我们更注重的是对这些以本发 明为基础的原理的进行描述。附图展示的是：

图1按照本发明一个例子的线性执行器的纵向剖面图；

图2图1中的执行器的电枢的俯视图；

图3不同状态下图1中的执行器的模拟B场(图表3a到3e)；

图4带有两个不同的充电电压的驱动电路的第一个例子；

图5带有两个不同的充电电压的驱动电路的第二个例子。

在这些图中，相同的附图标记表示具有相同或者类似含义的相同的或者类似的组件。

具体实施方式

接下来将借助于线性驱动器的一个典型例子来对本发明进行进一步的说明。图1所示的 是一个驱动器范例的纵向剖面图。根据所示的例子，该驱动器并不是旋转对称的。在该例子 中，它是矩形断面。加阴影的面必须理解为钢片剖面；通过将这些硅钢片进行叠装可形成驱 动器的磁路。通过对钢片剖面进行布置可形成放置定子或者电枢线圈的槽，它们是非常扁平 的矩形线圈(带有矩形“铁心”)。这些线圈至少是浇注的，并且可根据需要加强，比如可借 助于一起浇注进去的抗拉强度高的纤维，它们的抗拉模量最好高于电线本身。扁平铜线适合 作为电线来使用，至少优先使用是那些(铜)填充率尽可能高的异形线材。“PM”表示的是永 久磁铁，所属组件中的箭头表示的是它们的极化方向。永久磁铁(最好是钕铁硼，NdFeB)位 于通过定子叠片成型而形成的凹口内。在同一个凹口内有两个另外的(矩形)线圈(保持线 圈)，它们和永久磁铁以及电枢后面的部分作为本发明中所提到的一个用来将驱动器保持在终 端位置上(对抗反弹力)的可用开关控制的装置(在行程终端位置上距离S＝0)，电枢后面的 部分形成了极板。这个保持装置的多倍极距就可以使大幅度降低电枢重量变得可能，并且因 此有利于驱动装置的动力。在接通过程期间，也就是驱动器吸住期间(这就意味着距离L3变 小了)对保持线圈进行通电(激励)，不仅可以提高行程终端位置附近的驱动器的力，也可以 对永久磁铁进行充磁，从而延长其使用寿命。括号中的附图标记——比如行程符号L3(S) ——表示的是各个量(比如行程S)。括号前面的符号表示的是具体的数值(比如在终端位置 上行程S等于长度L3)。

就像在接通过程时那样，对保持线圈进行反向通电(反向激励)可断开保持力(断开过 程)，断开过程中所应用的电流最好要比接通过程时所应用的电流小，这样可增加永久磁铁的 寿命。为了实现定子的机械稳定性(这就意味着要避免大的弯矩)，在永久磁铁范围内的定子 叠片铁心的各个叠片要比其它地方的切得浅一点，这样虽然为线圈的安放保留了足够的空间， 但是这些连续的叠片和其它地方的叠片一起形成了空腔，更确切地说是蜂房，并且可将永久 磁铁放入其中。在这样的设计中必须要注意，这些连续的定子叠片会形成磁短路。(另外的那 些用来构成放置永久磁铁的空腔的叠片不一定是要用软磁材料制作而成的，但是也可以用与 剩余的定子叠片一样的软磁材料制作而成。定子的固定，电枢的安放，以及将力传输到应用 中去是机械制造的常规任务。在进行安放时必须要确保在运行期间电枢只感觉到很小的一个 横向力。定子和电枢线圈的集合(S1、S2，A1、A2)和磁路一起可视为是线性横向磁通设备 的外部结构(它可以在局部深度饱和的情况下工作)。特定的几何条件以及合适的供电设计是 有利于本发明的结构形式的。除了在主要的权利要求中所列举的几何条件之外，以下条件也 适用于该例子：L＜＜K(由于“软磁”桥，见DE 10 2011 080 065 A1)，2xL≦G尤其好。

图2所示的是一个电枢的俯视图，其中B2的尺寸和磁路的结构深度是相同的。在当前的 例子中，比如100个有效厚度为1mm的硅钢片可以叠装成一个深度B2＝100mm的叠片铁心；比 如定子也有着相同的深度。在这里驱动器的可扩展性就是这样的：驱动器可达到的保持力以 及最大力与B2差不多是成直线的——并且因此与驱动器的移动质量几乎是成比例的。(用来 对主要权利要求进行阐释：在当前的例子中，通过O＞＞G可实现“扁平型线圈”。比如O＞ 3·G，或者O＞5·G，或者O＞10·G)。

(扁平型！)电枢线圈一个可能的绕组方向(见图1中的线圈A1)是用流动的箭头来表 示的。另一个结构设计的提示：2xH+K＜O。扁平线圈侧面距离执行器的距离为B1。在实践中， 长度B1等于绕组高度。

借助于2D模拟理解该驱动器的工作原理就很容易(图3a，3b，3c，3d，3e)。在静态模 拟中对B场进行说明；如果铁心叠装的足够好，那么静态的B场和瞬态情况下的B场是非常 类似的。铁心叠装可抑制涡流。为了清楚起见，箭头的长度是求对数的。

模拟仅仅展示的驱动器的断面以及所属的磁路，该驱动器含有扁平电枢和定子线圈的集 合(图1中的A1、A2或者S1、S2)。为了进行通电，线圈必须这样进行串联，使得在接通过 程期间(电枢吸住)，定子和电枢线圈是同向通电的，比如在这里所有的线圈构造都是相同的， 尤其是拥有相同的金属线横截面以及匝数。定子线圈(图1中的S1、S2)的通电是同方向进 行的，电枢线圈(图1中的A1、A2)的通电也是如此；但是定子线圈和电枢线圈中的电流方 向却是相反的。最简单的例子就是通过一个开关，比如半导体开关，通过上述串联方式对一 个电容器进行放电。

参见图3a)，在接通时，驱动器首先有着一个很高的电感，电流上升率低，这样可保护 开关。在这个阶段只有很少的横向(这就意味着可通过水平的对称面穿过电枢)磁通出现。

参见图3b)，然而磁路马上就局部进入了饱和状态。现在这个装置的(磁)作用就类似 于一个差动变压器，电枢线圈和定子线圈的电感部分抵消了，串联电路的自感应瓦解，这就 导致电流上升率迅速增加比如一个数量级(系数10)，并且伴随有一个非常高的力上升率， 这个力上升率(主要)受到“铁”的涡流时间常数或者甚至是“铜”的表面效应的限制。在 选择软磁材料以及其叠装时，以及选择铜线(以及其型材)时必须要考虑这一点。

参见图3c)，所示的是位于1/3行程时的驱动器。在电流保持不变时，线圈集合(S1、 S2，A1、A2)可在其附近产生出最高的力，对电枢所描述部分的磁阻力也为吸引做出了贡献。

参见图3d)，所示的是电枢已经经历2/3行程时的驱动器。

参见图3e)，所示的是处于行程终端位置时的驱动器。即使在这个位置，线圈之间的力 也没有消失。如果是一个完整的驱动器(图3仅展示了图1中的执行器的右面部分，不包括 左侧的自保持电磁铁)当然还要在这个力上加上作用于极板上的磁阻力以及它移动方向中的 元件。

图3a中所描述的情况是在20安匝数时计算得出的，图3b到3e所示的是20.000安匝数 时的情况，它可通过对电容器放电轻松达到。

如果所给出的比例尺寸是以mm为单位的，那么可用20匝的镀铜扁丝作为图1中驱动器 所有的电枢和定子线圈A1、A2，S1、S2。保持线圈有着更高的匝数。

供电装置：最简单的情况就是将一个电容器作为该驱动器的供电装置，它既可进行充电， 也可借助于一个开关，比如一个晶闸管，通过对电枢和定子线圈进行串联来对它进行放电。 在当前的图1的例子中，这些线圈为S1、S2，A1、A2。如果对电枢和定子线圈进行反向通电， 电枢将被推向其行程终端位置。通过弹簧或者通过对电枢和定子线圈进行同向通电或者同时 具备这两个条件可将电枢复位至行程起始位置。为了提高电效率或者为了对力-行程或者力- 时间-特性曲线产生作用，可延迟最大电流的出现，这比如可通过应用一个电感(饱和的或者 线性的)来延迟电容器放电来实现。从延迟链意义上来说，或者根据磁脉冲压缩的原理也可 接通多个电容器和电感。

图4所示的是带有两个不同的充电电压的一个简单的线路布置，它不仅能比一个简单的 电容器放电电路得出一个更好的总效率，而且最主要的是得出的力-行程特性曲线也更均匀， 这个曲线会根据应用(无源)进行调整。这种调整可通过选择合适的组件参数来实现，尤其 是选择合适的电容量和线圈匝数。此外，如果设计合理，那么保持线圈可延迟通电，只有当 电枢在行程终端位置附近的时候，并且极板到极靴的距离已经那么小了，使得对保持线圈的 通电已经可以有效地为从极板处感受到的磁阻力(在移动方向上的)做出贡献的时候，才对 它进行通电。图4所示的是一个用来吸住电枢的线路布置。正如上面所提到的那样，如果要 进行复位，那么必须通过另一个线路布置来产生一个反向激励，为的是减少永久磁铁的保持 力。然后一个与电枢连接在一起的弹簧或者一个弹簧系统将其推回，和/或通过对电枢和定子 线圈进行同向通电来实现复位。

图5所示的是一个供选择的有源线路布置，它应用了多个可断开的半导体开关(比如绝 缘栅双极型晶体管IGBTs)。在这里IGBTs2-2〞ˊ是作为全电桥来使用的。通过发出合适的信 号(控制线路)，该电路可用来对电容器C1-C3进行充电，并且可用来为接通以及断开过程对 其进行放电。为了保护绝缘栅双极型晶体管IGBTs，可通过RC消弧装置(比如缓冲器1和2)， 在接通感性负载时降低电压峰值。电容器C1-C3则分别通过一个自振荡二极管来防止极性变 换。只要绝缘栅双极型晶体管IGBT1以及(至少)IGBT2以及2〞不是导电接通的，就可对电 容器进行充电。如果驱动器最初位于“开”的位置上(工作气隙闭合)，那么IGBT2’以及2 〞的导电线路会通过电容器C3对保持线圈进行通电，它可补偿永久磁铁的保持力。现在一个 弹簧回弹力可将驱动器带到“关”的位置上(工作气隙全开)。根据一个自由选择的时间窗口， 在绝缘栅双极型晶体管IGBT1导电接通后，通过对S1、S2，A1、A2进行串联来对电容性蓄电 池C1-C1〞进行放电，通过这样的方式反过程，也就是吸住电枢。也是可实现的。最好是当 极板进入到对永久磁铁(或者是所属的极靴)的作用区域时，通过IGBTs2’和2〞的绝缘线 路以及IGBTs2和2〞ˊ的导电线路对用一定的时间偏差从电容器C2对保持线圈进行通电。 只要对电枢的位置进行测量(有可能取决于时间)，打开/关闭绝缘栅双极型晶体管IGBTs的 这个过程当然也可通过位置和/或速度来进行控制，已知的测量方法已经有很多种了。

提高效率以及缩短调节时间的可能性：所描述的驱动器不是仅顶着一个弹簧吸住的，而 是补充了一个弹簧系统，这个弹簧系统将电枢从开放位置(行程起始位置)推向闭合位置(行 程终端位置)。为此，要有第二个结构元件来对抗补充的弹簧力，从而将电枢保持在行程起始 位置，比如类似于已进行描述的处于行程终端位置的保持系统的这么一个结构(保持线圈以 及永久磁铁(“自保持电磁铁”))。第二个补充的弹簧系统必须是这样构成的，使得电枢可得 到一个将其从两个顶端位置(行程起始位置和终端位置)向行程中间位置加速的力。在补充 的弹簧系统从行程的某一点开始起制动作用之前，它首先是加快电枢向行程终端位置移动， 这样整个行程上的弹簧力总和就变为零，这是一个有利条件，但并不是强制性的。最终，电 枢穿过整个行程的速度提高了，从而提高了设备的效率：供应给驱动器的电能转化为损耗功 和有效功，有效功与输入能量之间的比例就是效率。有效功是一个最终的行程函数。但是损 耗功——主要是欧姆损耗——是一个时间函数，并且会进一步上升。调节行程走过得越快， 欧姆部分就越少，并且效率就越高。

根据这个方法，调节过程比如可这样进行：将顶着弹簧力将电枢保持在行程起始位置的 元件松开(比如，“保持线圈”的反向激励，这就意味着自保持电磁铁的反向激励)。于是， 弹簧系统首先加快电枢向行程中间位置方向移动。同时或者有一定的延迟，接通对电枢和定 子线圈的通电。它们会额外加快电枢的移动，这样比从静止位置对其进行加速有着更高的效 率。传给电枢的动能在向行程终端位置靠近时再次被储存到弹簧系统中去。