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的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]在出版物DE 10 2011 080 065 Al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 Al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)。
[0003]出版物DE 10 2011 080 065 Al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 Al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。
[0004]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。
[0005]但是出版物DE 10 2011 080 065 Al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 Al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。
[0006]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 Al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】
[0007]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。
[0008]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:
[0009]-定子，该定子包含了两个软磁铁心；
[0010]-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；
[0011]-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；
[0012]-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；
[0013]-预先定义的行程起始位置和终端位置(“多个终端位置”)
[0014]-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，
[0015]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。
[0016]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。
[0017]“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。
[0018]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.。
[0019]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。
[0020]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)。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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】
[0024]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:
[0025]图1按照本发明一个例子的线性执行器的纵向剖面图；
[0026]图2图1中的执行器的电枢的俯视图；
[0027]图3不同状态下图1中的执行器的模拟B场(图表3a到3e)；
[0028]图4带有两个不同的充电电压的驱动电路的第一个例子；
[0029]图5带有两个不同的充电电压的驱动电路的第二个例子。
[0030]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】
[0031]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