專利名稱：用于產生線性運動的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于產生線性運動的電磁裝置。
由電磁式裝置直接產生線性運動的一種裝置是由倫敦帝國大學的Laithwaite教授設計的直線電機。該裝置可以被當作一種傳統的旋轉電機，在該電機中定子和電樞已被沿軸向分開且是不轉動的。盡管該裝置具有較高的效率，但它卻具有定子和電樞之間存在相當大的不平衡引力的缺點，從而就不得不使用許多像滑軌或輪式托架這樣的裝置來維持定子和電樞之間的分離狀況。
線性電機的另一種形式是具有像傳統電機一樣的圓柱形的布局，但產生磁場的元件圍繞著軸線橫向地布置，從而磁場沿電機軸線方向的極性交替變化。
在專利文獻OLS2229711、EP0221228、US4714300、EP0280743、EP0314493、WO93/01646中就公開了像這樣的直線電機的例子。
OLS2229711公開了一種具有單一線圈的活塞式直流電機，該活塞受磁場作用在圓柱筒中運動，所述磁場是由軸線方向上沿包圍著活塞的圓筒的內表面間隔設置的環形線圈受到連續勵磁而產生的。
EP0221228公開了一種裝置，在該裝置中，使一根主軸產生線性和旋轉運動，主軸的線性運動由周邊線圈產生，而旋轉運動由采用通常方式的軸向圓周線圈產生。
US4714300公開了一種用于防滑制動系統中的壓力調節器，在其中，一個插棒式鐵芯在縱向變化的磁場的作用下產生在一個腔中沿縱向的來回運動，這些磁場是在該腔體外部的內側上的繞組和多個圍繞插棒式鐵芯的外周布置的磁體之間產生的，反之亦然。
EP0280743公開了一種用于注塑機械的螺旋輸送機，該機械在位于構成注射螺旋輸送機部件的主軸上的磁體和一些圍繞主軸的線圈之間的相互作用下作線性運動，且對之施加一個三相交流電流。
EP0314493公開了另一種裝置，在該裝置中，一個梭形件在兩個磁場的相互作用下在腔體中來回運動，其中一個磁場是由位于梭形件上的繞組產生的而另一個磁場是由構成腔體壁的繞組產生的。
WO93/01646公開了另一種裝置，在該裝置中，一個活塞借助于兩個徑向磁場的相互作用在圓柱筒中沿著縱向方向被驅動，其中一個磁場由構成圓柱筒壁部分的一系列周邊線圈產生的，而另一個磁場則是由構成活塞部分的多個磁體構成，反之亦然。對于許多目的，公開在WO93/01646中的裝置非常令人滿意。然而，如果WO93/01646的發明被用作一個合成的流體/電磁致動器，則在活塞上和在活塞桿穿過圓柱筒一個端壁的地方處提供流體密封要求就成為一個缺陷，特別是在較重的且偏離軸線的負載條件下會使活塞桿發生彎曲而不精確。同樣，活塞和活塞桿的剛性結構意味著該裝置的較大的尺寸將使之變得非常笨重。
本發明的目的在于提供一種用于產生線性運動的改進的電磁裝置，該裝置結構輕巧且橫向剛度得到提高。
根據本發明，具體地提供了一種用來產生線性方向的力的電磁裝置，包括至少兩個可以伸縮滑動的管狀元件，其中一個在另一個內部；用來產生第一磁場的裝置，該磁場的磁極沿著內部管狀部件的至少一部分軸線長度交替變化；用來產生第二磁場的裝置，該磁場的磁極沿著外部管狀部件的至少一部分軸線長度交替變化；以及用于改變上述兩個磁場中的至少一個的裝置，以便使這兩個磁場相互作用以提供一個趨向于在管狀元件之間產生相對運動的軸向力。
最好，在外部管狀元件的內表面和內部管狀元件的外表面之間設有至少一個密封件，從而防止有害物質進入產生相對運動的裝置的那些部件之間。
管狀元件的外端可以含有法蘭，通過法蘭可以將管狀元件連接到另一個裝置的元件上。
該裝置可以這樣構造，內部管狀元件裝著這一組永磁體而外部管狀元件裝著一組線圈，兩者有選擇地被勵磁以使兩個磁場之一產生所述的變化，反之亦然。其他結構可能是兩個管狀元件都裝有電磁線圈，或者永久磁體可以由低磁阻的磁性元件或一個導電的襯套代替，其中在導電襯套中誘發一種渦流。
根據本發明的另一方面，提供了一種用于產生線性方向的力的電磁裝置，它含有兩個杯形元件，其中一個在另一個的里面，且容許兩者之間有相對運動；用來產生第一磁場的裝置，該磁場的磁極沿著一個杯形元件的至少一部分軸線長度交替變化；用來產生第二磁場的裝置，該磁場的磁極沿著另一個杯形元件的至少一部分軸線長度交替變化；以及用于至少改變上述兩個磁場中的一個磁場的裝置，以便使這兩個磁場相互作用以提供一個趨向于在杯形元件之間產生相對運動的軸向力。
最好，在杯形元件之間插有密封件，從而這些密封件就構成一個密閉的空間且其中一個杯形元件有一個開口以便使流體流進或流出該密閉空間。
該裝置可以隨意地構造成一個運動線圈或運動磁體裝置，但是在優選的結構中，外部杯形元件有一個由一些環形線圈組成的電磁元件，這些線圈由鐵磁性間隔片分隔開，這些鐵磁性間隔片被用來向徑向磁場提供一個恒定的磁阻，該磁場起源于一個與內部杯形元件相連的磁場產生元件。與內部杯形元件相連的磁場產生元件最好是一組永磁體。
本發明將通過舉例的方式并參照下面的附圖進行描述，附圖中
圖1是體現本發明的用于產生線性運動的電磁裝置的一個示意的縱剖面圖，圖2是本發明第二個實施例的一個示意的縱剖面圖，圖3是本發明第三個實施例的一個示意的縱剖面圖，以及圖4是用于實施本發明的用來產生可變磁場的裝置的示意的縱剖面圖。
參見附圖1，用來采用電磁方式產生線性運動的裝置100含有一個外部管狀元件101，該管狀元件在其一個端部具有一個安裝法蘭102。在外部管狀元件101的內側是一組軸向線圈103，這些線圈安裝在一個拋光過的鋼質襯套104上。一個內部管狀元件105以良好的滑動方式安裝在外部管狀元件101的襯套104內。該內部管狀元件105在其外端部也有一個安裝法蘭106。內部管狀元件105的一部分107上設有一系列環形磁體108，這些環形磁體108用來產生磁場，該磁場在軸向方向交替變化且與線圈103產生的磁場相互作用。環形磁體108的外徑基本上與內部管狀元件105的余下部分的外徑相同。在內部管狀元件105從外部管狀元件101伸出的地方設有一個密封件109。在工作于外部管狀元件101內部的內部管狀元件105的一端上安裝有一個軸承及清潔環110。該軸承及清潔環110用來限制內部管狀元件105的徑向偏移和清理外部管狀元件101的襯套104的內表面。
該裝置還含有一個用于檢測內部管狀元件105在外部管狀元件101中的位置的傳感器，但在圖中沒有表示出來。來自于該傳感器的信號被用來控制與線圈組103相連的電源111的動作，該電源111能夠產生不同頻率、相位和波幅的電流，從而流進線圈103的電流產生一個磁場，該磁場與位于內部管狀元件105上的那組磁體108產生的磁場相互作用而產生一個具有要求的大小和方向的軸向電磁力。
該裝置這樣構造，以便該裝置能夠承受得起相當大的橫向負載。而且，只要管狀元件101和105的開口端被堵塞住，密封件109的存在就使得該裝置能夠用于危險而復雜的環境中。
如果要求，當內部管狀元件105在其行程的內限處時，那么內部管狀元件105的伸出外部管狀元件101外的那一部分可以具有大于或小于余部的直徑。而且，法蘭102和106上可以安裝O型密封圈，從而當這些法蘭與其他構件進行組裝時與法蘭102和106的外表面鄰接的部分就被密封住。那么該裝置就適于起到一個氣動彈簧或致動器的作用并提供一個由電磁方式產生的線性力。
圖2所示的是本發明的另一個實施例，它與圖1所示的實施例基本一致，不同的是，該實施例中的襯套104是由銅管或鋁管201來替代，這些銅管或鋁管上可以鍍上一種如鉻的硬質金屬從而也可以起到襯套104的作用。或者，也可以使用一種分離襯套。位于內部管狀元件105內的線圈202取代磁體108并在銅管和鋁管201中產生渦流，該渦流與線圈202產生的磁場相互作用。對于這兩個實施例而言那些相同的元件則具有相同的標號。
圖3所示的是本發明的第三個實施例，在該實施例中兩個管狀元件都被封閉上。
參見圖3所示，一個用于用電磁方式產生線性作用力的裝置包括兩個空心的杯形元件301、302，其中一個元件301可以在另一個元件302內作線性運動。杯形元件301和302中的每一個都分別具有一個管狀部分303、304以及分別具有端部封閉元件305和306，兩個端部封閉元件分別位于管狀部分303和304的外端處以形成一個封閉腔307。和前面一樣，一組軸向線圈308容納于杯形元件302的管狀部分304和一個經拋光的鋼質襯套309之間。在杯形元件301的內端處有一列沿軸線方向環形排列的一組磁體310，該組磁體產生一個在軸線方向交替變化且和線圈308在其受到適當的電力輸入的激勵時產生的磁場相互作用的磁場，和前面一樣，還含有一個用于檢測杯形元件302在外部管狀元件301中的位置的傳感器，且該傳感器產生的信號用來控制電源311的動作，該電源311又能夠產生不同頻率、相位和波幅的電流，從而線圈308產生一個磁場，該磁場與位于杯形元件301上的那組磁體310產生的磁場相互作用以產生一個具有要求的大小和方向的軸向電磁力。
杯形元件302由一個滑動軸承和密封件312與杯形元件301封接，而杯形元件301的內端由另一個滑動軸承313支承著，在本發明的這種情況下，由于存在端蓋305和306，所以沒有必要在杯形元件301的內端設置另一個密封件。同前面一樣，通過裝置的這種設計就可以得到相當大的橫向剛度。
密閉腔307的密封使得該裝置能夠起到一個氣動彈簧的作用，是因為其中一個杯形元件相對另一個杯形元件的運動會使密閉腔307的體積產生變化以及由此而造成密閉腔307中可壓縮介質的壓力的變化。如果其中一個或另一個杯形元件在其中有一個適當的出口，該裝置就能夠被連接到外部蓄存器內且能夠被用來作為氣動或液動錘以及起到一個電磁線性力產生器的作用。如果該裝置被用作一個致動器，那么這樣的結構將在沒有從電源311輸入電流的情況下使之能夠提供一靜負載或一個緩變負載。
圖4所示的是用于上面所描述的本發明的任何一種形式中的線圈的結構的視圖。參見圖4，與前面描述的外部元件102、302連系的這組電磁場產生線圈是由一疊環形線圈401構成，其中線圈401被插進由鐵磁性材料構成的環402和外部鐵磁性間隔環403之間。線圈401、環402以及間隔片403的尺寸使該組件形成一個單獨的圓筒形線圈組件404。為了使該組件404相對于由在線圈組件404中移動的元件產生的徑向方向的磁場具有一個恒定的磁阻，線圈組件404的各模件都歪扭過一個線圈401的軸向長度。在其他沒有圖解示出的結構中，環402則被前后歪扭過一轉從而平衡由線圈組件404產生的任何偏軸力。
在參照圖1和2所描述的本發明的那種方式中，可以使用不只一級伸縮級，而且術語“內部”和“外部”管狀元件對于該裝置的任何一級都可相應地應用。
權利要求
1.一種用來產生線性方向力的電磁裝置，包括至少兩個管狀元件(101，105)，其中一個可以在另一個內部作伸縮滑動；用來產生第一磁場的裝置(103)，該磁場的磁極沿著管狀元件(101，105)中的一個(101)的至少一部分軸線長度交替變化；用來產生第二磁場的裝置(108)，該磁場的磁極沿著另一個管狀元件(105)的至少一部分軸線長度交替變化；以及用于改變上述兩個磁場中的至少一個磁場的裝置(111)，以便使這兩個磁場相互作用以提供一個趨向于在管狀元件(101，105)之間產生相對運動的軸向力。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于內部管狀元件(105)上有一組與之相連的永磁體(108)，而外部管狀元件(101)上有一線圈組件(103)，這些線圈組件有選擇地被裝置(111)勵磁以使這些磁場之一產生所述的變化。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于用來產生第一磁場的裝置(202)被用來在一個相連的元件(201)中產生一個渦流，由此產生第二磁場。
4.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于在外部管狀元件(101)的內表面和內部管狀元件(105)的外表面之間至少含有一個軸承和密封件(109，110)，以便防止有害環境的成分進入產生相對運動的裝置的那些部件中。
5.如權利要求1、2或3所述的裝置，其特征在于管狀元件(101，105)中的每一個都具有一個法蘭(102，106)，借助于該法蘭管狀元件可以和某一結構相連。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于每一個法蘭(102，106)將所述的結構密封住。
7.一種用來產生線性方向力的電磁裝置，包括兩個杯形元件(301，302)，其中一個在另一個的里面且容許兩者之間有相對運動；用來產生第一磁場的裝置(308)，該磁場的磁極沿著兩個杯形元件(301，302)一個(302)的至少一部分軸線長度交替變化；用來產生第二磁場的裝置(310)，該磁場的磁極沿著另一個杯形元件(301)的至少一部分軸線長度交替變化；以及用于至少改變上述兩個磁場中的一個磁場的裝置(311)，以便使這兩個磁場相互作用以提供一個趨向于在杯形元件(301，302)之間產生相對運動的軸向力。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于用于改變這些磁場中的至少一個磁場的裝置(311)包括一個公知類型的電驅動裝置，該裝置適于改變由一些線圈(308)產生的磁場的位置、速度以及波幅，這些線圈與杯形元件(301，302)中的一個(302)相連。
9.如權利要求7所述的裝置，其特征在于用于改變這些磁場中的至少一個磁場的裝置(311)是一個多相電源，來自于該電源的輸出的頻率、相位以及波幅是可以改變的以改變由多個線圈(308)產生的磁場，這些線圈是與電源(311)相連的。
10.如權利要求7、8或9所述的裝置，其特征在于在內部杯形元件(301)從外部杯形元件(302)伸出的位置處含有一個用于產生流體壓緊密封的裝置(312)
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于封閉于杯形元件之間的空間(307)容納有流體，由此在杯形元件(301，302)的外端(305，306)上產生一個軸向力。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于封閉空間(307)與外部流體蓄存器相連。
13.如前面任一項權利要求所述的裝置，其特征在于管狀或杯形元件(101，105，301，302)的橫斷面是非圓環形的。
14.如前面任一項權利要求所述的裝置，其特征在于用于產生這些磁場之一的裝置(103，308)包括多個環形的線圈(401)；一些由鐵磁性材料組成的且具有同線圈(401)相同軸向長度的外部間隔片(403)；以及一些由鐵磁性材料制成的環(402)，這些環被插進這些線圈(401)之間并具有與這些線圈(402)相同的內徑和與間隔片(403)相同的外徑，這些環和線圈同軸布置，以產生相對于由第二磁場產生裝置產生的徑向方向磁場的磁阻。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于每一個由線圈(401)、環(402)、間隔片(403)構成的模塊組件在整個一圈上被歪扭或移動一段等于一個線圈(401)的軸向長度的距離。
全文摘要
一種用于產生一種線性作用力的電磁裝置,包括兩個空心元件,其中一個安裝在另一個里面并可以沿軸向方向運動;以及與這兩個空心元件相連的用來產生在軸向方向上交替變換的磁場的裝置,這些磁場彼此相互作用以產生一個所述的軸向方向的力。
文檔編號H02K41/03GK1253671SQ98802810
公開日2000年5月17日 申請日期1998年2月20日 優先權日1997年2月24日
發明者菲利普·雷蒙·邁克爾·丹尼 申請人:線性運動技術有限責任公司