直線往復電動機的製作方法
2023-06-13 20:27:16
專利名稱：直線往復電動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直線往復電動機，特別是涉及具有在變化負載條件下把往復振幅保持在恆定值上的反饋控制的直線往復電動機。
歐洲專利公開公報EP349077公開了一種用於乾式理髮推子的直線往復電動機，使可動切刀相對於固定切刀往復運動。該直線電動機包括一電磁體作為定子和一永磁體作為振動子以驅動可動切刀。電磁體由固定頻率的電流供電以驅動振動子。當振動子或可動切刀在理髮期間受到重載時，可動切刀只能通過輕微的衝擊而移動，這減小了往復運動的振幅，降低了可動切刀的速度，由此而降低了理髮的鋒利度甚至於不能理髮。在美國專利申請第08/413,201號所涉及的另一種直線電動機實現了在負載狀況變化時保持的往復振幅的反饋控制。該控制試圖在一適當的時刻以可控制的量饋入電能以便於在最小功率需求下保持往復運動的連續。即，在振動子通過反向點後需要短時內使驅動力施加到振動子上。因而，該反向點將被認為是確定給振動子施加驅動力的驅動點。使用一個線圈傳感器來監測往復運動並由於反向點被認為是電壓的過零點而輸出正弦電壓。但是，線圈傳感器很可能會受到在直線電動機固有的電磁體附近所產生的外磁場的作用，而不能給出正確代表實際往復運動的精確輸出，這就使其難於始終如一地給出精確的反向點和驅動點。其結果，就不能在所需時刻施加驅動力。進而，有可能驅動點極大偏離所要求的點達到保護這樣的程度，由於給振動子施加驅動力使其以與振動子正在運動的方向相反的方向移動，而導致不可控制的往復運動。
為了解決上述問題，本發明提供一種直線往復電動機，能夠保證在負載變化條件下保持恆定往復振幅的協調和有效的反饋控制。根據本發明的直線往復電動機包括可動支承在基架上並承載一個永磁體的直線振動子；和固定在基架上並設有電磁體的定子。該電磁體由電源供電以同永磁體相配合而產生使振動子以一直線方向相對於定子移動的電磁驅動力。設置一個彈簧以提供使振動子進行反向直線運動的回覆力，由此給振動子提供直線往復運動。包括一傳感器以監測振動子的直線運動並輸出代表該直線運動的信號。同該傳感器相配合還包括一反向點檢測器，根據來自傳感器的信號，確定振動子的右和左反向點。進而設置一速度檢測器，根據來自傳感器的信號，取得振動子的瞬時速度。一控制器在右和左驅動點上以變化的量給電磁體供電，上述右、左驅動點分別接著右和左反向點而確定，上述變化的量用於把振動子的往復振幅得持在恆定值上。該傳感器包括一光敏器件，其輸出一組脈衝，該脈衝是在振動子每次通過其往復中心時發生。反向點檢測器根據兩個以前脈衝間的時間區間確定反向點。光敏器件可以監測振動子的往復循環，而不會受到為了驅動振動子而在電磁體附近產生的磁場的影響，從而提供精確確定右和左向點以及驅動點的基礎。因此，可以在最佳時刻即驅動點上提供驅動力，該最佳時刻保證精確和可靠的反饋控制以在負載變化條件下給出恆定的往復振幅。
先於緊跟著振動子到達往復中心處的點來確定每個右或左驅動點。這樣確定的驅動點通過試驗而找出以有效地使維持往復運動的功率需求最小。
在一優選實施例中，反向點檢測器確定4個連續脈衝的第一個和第二個之間的右側往復時間區間並確定4個連續脈衝的第二個和第三個之間的左側往復區間。右側往復時間區間對應于振動子在往復運動中心的右側區域移動時的振動子的二分之一周期，而左側往復時間區間對應于振動子在往復運動中心的左側區域內移動時的振動子的後半周期。反向點檢測器把右反向點確定為從第三脈衝延遲二分之一的上述所確定的右側往復時間區間並且把左反向點確定為從第四脈衝延遲二分之一的上述所確定的左側往復時間區間。這樣，就能分別確定右和左反向點以分別很好地反映每半個周期中的運動，由此能夠使反饋控制同實際往復運動更協調。尤其是，即使當真正的往復運動中心與來自光敏器件的輸出脈衝之間存在偏差時，該偏差也能由上述方案很好校正，以給出可靠的右和左反向點以及驅動點。
當光敏器件的輸出脈衝能以與往復運動中心嚴格一致地產生時，其足以以下列方式確定反向點。基準往復時間周期被反向點檢測器確定為三個連續脈衝的第一個和第二個之間的區間，從而對應于振動子的二分之一周期。反向點檢測器把右反向點確定為從第二脈衝延遲二分之一基準往復時間區間並把左反向點確定為從第三脈衝延遲二分之一基準往復時間區間。
驅動力在每半個周期內以相反方向被加給振動子以使每半個周期中的反饋控制實現平滑往復運動。即，控制器周期性地發生第一和二驅動脈衝以便於以交替改變振動子運動方向的方向給電磁體饋電。由此，控制器給出代表隨後產生的第一和第二驅動脈衝之一的方向標誌。包括一輔助傳感器以監測振動子的往復運動並提供代表它的輸出。與該輔助傳感器相關聯的是一方向檢測器，從輔助傳感器的輸出檢測振動子的運動方向。控制器包括一安全防護電路，它僅在由方向檢測器所檢測的運動方向成為與由方向標誌所給出的方向相一致之後允許產生第一或第二驅動脈衝。由該安全防護電路來消除以與振動子正在運動的方向相反的方向施加驅動力的可能性。當振動子因某個原因被制動時才會反常出現這種矛盾。當其出現時，振動子的實際反向點被從根據光敏器件的輸出所確定的所需反向點延遲，以使在振動子通過實際反向點之前以相反的方向而不是所需的方向錯誤地施加驅動力，由此導致不可控的往復運動。在這種狀態下，安全電路禁止驅動力施加給振動子直至振動子通過實際反向點為止，由此能夠以正確的方向施加驅動力，從而可靠地恢復往復運動。
當振動子非正常停止或因重載引起停止時，制動器電路動作以為了安全而停止電動機的工作。為此，制動器電路開始從該反向點計數持續時間，並且每次當所檢測的運動方向成為與方向標誌相一致時使持續時間復位到零。當這樣計數的持續時間超過一臨界點時，制動器電路停止饋電以斷開電動機。
輔助傳感器可以包括一繞組和一個裝在振動子上的傳感器磁體。該繞組響應振動子的運動而產生代表變化的運動方向的正弦波電壓。
本發明的這些以及其他的目的和優點將通過本發明的實施例結合附圖的說明而得到了解。
圖1是根據本發明的一個實施例的直線往復電動機的示意圖；圖2是適合於在乾式理髮推子中使用的直線往復電動相的分解透視圖；圖3是該電動機的振動子的分解透視圖；圖4是表示電動機的電路的方框圖；圖5和6是表示用於電動機的反饋控制的一個方案的時序圖；圖6是表示電動機的反饋控制的另一個方案的時序圖。
圖1從原理上表示包括定子10和振動子30的直線往復電動機的基本構形。定子10被安裝在基架11上並且包括一電磁體20，該電磁體20帶有一個繞在固定在基架11的軛21的鐵心22上的繞組24。連接一驅動25，為了電動機的控制以下述方法用可控制的量給電磁體20提供交流電流。振動子30由彈簧31支承在基架11上，能以一直線方向相對於定子10移動，在振動子30的下端面和軛21的上端面之間具有小的固定的間隙。永磁體32裝在振動子30上，永磁體32被磁化成具有沿著振動30的直線運動方向布置的相反極性的端面。該永磁體30確定了振動子30的下端面並同電磁體20相配合以接收使振動子30移動的電磁驅動力。彈簧31同電動機的磁性柔度的水平分量相配合以給具有固有頻率的振動子30提供一往復運動系統。
圖2和3表示適合於在乾式理髮推子中使用的電動機的一個例子。電磁體20通過軛21上的螺栓26同基架11下端的槽16的扣合而固定懸掛在基架11上。基架11支承一對相反運動的振動子30A和30B，每個振動子30A和30B都具有接頭39A和39B，用於使同外切力(未表示)剪切配合的內切刀(未表示)往復運動以進行剪切。振動子30A和30B分別通過簧片31A和31B懸掛到基架11上，以分別可相對於電磁體20移動。簧片31A和31B被固定在對著機架11的相對上端的其上端上和對著振動子30A和30B的相對下端的其下端上，以使振動子30A和30B可以在機架11的相對側壁12之間移動。振動子30A和30B都具有與電磁體20的上極端面相對的永磁體32A和32B。如圖3所示，振動子30A和30B包括塑料的載架33A和33B，載架33A和33B分別具有整體鑄在內部的金屬構架34A和34B，金屬構架34A和34B給振動子提供堅固性，並且分別形成同簧片31A和31B的連接部35A和35B。一個載架33A以矩形開孔框架的形式置入另一載架33B，該載架33B是通過插入在載架33B的中心柱37與矩形載架33A的相對側壁之間的圈簧36而設置的，圈簧36同相對應的簧片31A和31B相配合以提供恢復力，該恢復力抵銷由電磁體20周明性地產生建立往復運動系統的磁性驅動力。載架33A和33B由轉動支承在基架11上的聯杆38聯結起來，以使振動子30A和30B以相反方向同步地往復運動。
下面對反饋控制進行討論，它包括在電動機中的反饋控制，在負載條件變化時儘可能地保持振動子30的恆定往復振幅。通過光敏器件40和線圈傳感器50的結合來不斷監測振動子的往復運動。光敏器件40被夾持在基架11上並且同固定在載架33A即振動30A上的傳感器板42配合以輸出表示振動子的往復運動中心和速度的信號。傳感器板42具有一個裂口43並位於光敏器件40的溝槽41中，以使該裂口43每次橫過溝槽中的光路時，光敏器件40響應而發出一個脈衝。光敏器件40被布置成當裂口43即5振動子30每次通過其往復運動中心時輸出脈衝。因此，能夠在脈衝輸出時由定時檢測出振動子30的往復運動中心，而且也能由脈衝的寬度檢測出振動子的速度。線圈傳感器50包括一傳感器繞組51，其對著光敏器件40被嵌入基架11的開孔17中，並同放在振動子30A的中心的傳感器磁體52相配合，以在振動子30往復運動時給出正弦波電壓信號。來自線圈傳感50的輸出電壓則代表振動子30正在運動中的瞬時方向。可以使用霍爾效應器件來代替傳感器繞組以給出同樣的正弦波輸出。
下面參照圖4和5來描述反饋控制的細節。設置控制器60來實現根據來自光敏器件40和線圈傳感器50的輸出以改變由電源61通過變換器63給電磁體20供電的反饋控制，以便於保持恆定的往復運動振幅。控制器60同一個脈寬調製器(PWM)62和變換器63相連接，以改變供電的驅動脈衝的脈寬並交替變化饋入電磁體20的電流方向。在電動機起動之後，反饋控制在短時間內就進入工作狀態。在電動機起動時，鑑於振動子30的固有頻率，控制器60允許以計算出的固定定時發出幾個固定脈寬的初始驅動脈衝，直到當達到預定往復運動振幅時振動子30達到穩定振蕩為止。此後，控制器60開始負責在往復運動的每半周確定供電的正確驅動點以及改變供電時間即驅動脈衝的脈寬，以保持恆定往復運動振幅。通過模擬試驗，發現供電的驅動點最好是在振動子通過其右和左反向點後立刻進行。因而驅動點可被確定為從右和左反向點PR和PL延遲一固定的短時時間TX。根據來自光敏器件40的輸出來確定反向點。
在穩定振蕩期間，光器件40輸出一串脈衝，如圖5所示，該脈衝是以振動子30通過往復運動中心時具有對應于振動子30的瞬時速度的脈寬的定時而產生的。光敏器件40的輸出被饋入反向點檢測器45，其從所檢測到的領前的脈衝預料下一個反向點。為了確定下一個右反向點PR，三個以前的脈衝(1)至(3)送到檢測器45中以給出三個以前的脈衝的第一和第二之間的右側往復時間TR區間。該右側往復運動時間區間TR代表振動子30在往復運動中心的右側區域中移動時振動子的二分一區間。從而確定右反向點PR從第三脈衝(3)延遲二分之一的右側往復運動時間區間TR/2。用相同方式通過提取三個以前的脈衝(2)至(4)以給出三個以前脈衝的第二和第三之間的左側往復時間區間TL以代表振動子在往復中心的左側區域中移動時的振動子的後半周，而由檢測器45確定下一個左反向點PL。則左反向點PL被確定為從第三脈衝(4)延遲二分之一的左側往復運動時間周期TL/2。根據這樣獲得的右和左點PR和PL，控制器60把施加驅動脈衝的後續驅動點DP確定為從此延遲固定時間TX。
在穩定振蕩期間，光敏器件42的輸出被饋入檢測振動子30通過往復中心的瞬時速度速度檢測器46，作為來自光敏器件42的脈寬TS的函數。所檢測的速度輸入控制器60，該控制器60以一反饋方式依次改變給電磁體20供電的驅動脈衝的寬度以便於保持恆定往復運動振幅。為了進行與振動子30的運動方向相一致地變化供電的協調的反饋控制，對振動子以給定方向移動的電流量的補償是以振動子在相同方向上移動的檢測速度為基礎的。即，當振動子30正在左移時，反饋控制是根據振動子從右向左移動或反之的檢測速度來進行的。
對於根據右側往復運動時間區間TR和左側往復運動時間區間TL來單獨確定右和左反向點的上述方案，即使當光敏器件40的輸出脈衝不是準確地同振動子的振動中心相一致時，也能精確地確定反向點，例如，當往復運動中心的傳感板42的裂口43偏離中心或從光敏器件40的光路偏離時，由此而使光敏器件在偏離往復運動的時刻輸出脈衝。也能精確地確定反向點。
為了交替地改變饋入電磁休20的電流極性，設置控制器60以產生驅動脈衝。即，控制器60分別輸出第一(右)和第二(左)驅動脈衝以使振動子30右移和左移。但是，在控制器60中最好包括安全保護裝置以檢測振動子的瞬時運動方向，產生正確的驅動脈衝而把驅動力以與振動子正在運動的相同方向加給振動子30。這對於即使當受到外力而以延長振蕩周期過分超出變化範圍的這種方式妨礙往復運動時，仍保持往復運動是特別有利的。當遇到這類非正常狀況時，控制將產生以相反方向施加的驅動力，由此而不能保持往復運動。為了避免該問題並給出往復運動的協調恢復，在控制器60中最好包括安全防護電路70，以檢驗施加下一個驅動力使振動子30移動的方向和振動子30的實際運動方向。設置方向檢測器55以從線圈傳感器50的正弦輸出電壓給出振動子30的實際運動方向。控制器60產生一個方向標誌，代表為了驅動力的連續施加而將要發出的第一(右)和第二(左)驅動脈衝之一。安全防護電路70讓控制器60僅在由方向檢測器55所檢測的運動方向成為與由方向標誌所給定的方向相一致之後才產生第一(右)或第二(左)驅動脈衝。
下面參照圖5的右側來明安全防護電路70的工作。當一個重載在點H以延長振蕩周斯的方向被施加時，來自線圈傳感器50的電壓輸出則相應被調整為具有一個延長的周期。即使在該非正常狀態下，當振動子30被正常預測從左到右改變其方向(如虛線所示)時而不是當振動子30實際上仍向左移(如實線所示)時，控制器60)就會響應而在預測驅動點DP產生右驅動脈衝。但是，在此時，安全防護電路70檢驗實際運動方向。即左與方向標誌即右，並禁止控制器60給出右驅動脈衝直到方向檢測器55發出代表實際運動方向從左變到右的輸出為止。為可靠地從線圈感器50的輸出確定方向的改變，把檢測器設置成在線圈傳感器50的輸出電壓過零後的短時間TO內證實方向的變化。在該方式下，即使在振動子受到重載時也能在正確時刻施加驅動力以恢復往復運動。
控制器還可以包括一制動器電路71，當振動子30在重載下失速時，即當超過來自最後預測反向點PR′或PL′的預定臨界時間期間沒有產生驅動脈衝時，停止供給電功率，也就是，超過來自預測反向點PR′或PL′的預定時間期間仍未從線圈傳感器50的輸出得到振動子30的方向變化。制動器電路71從預測反向點PR′或PL′開始計數時間區間TS，並在每次所檢測的運動方向變為與方向標誌一致時將其置零。當該計數的時間區間TD超過臨界時間期間時，制動器電路71使控制器60停止電磁給體20供電，由此停止電動機的工作。
在上述實施例中，為了對來自光敏器件的輸出脈衝與振動子30的實際往復運動中心之間的偏差進行校正，分別由以前的右側往復運動時間區間TR和左側往復運動時間區間TL來確定右和左反向點PR和PL。但是，在光敏器件40可以同振動子30上的傳感器板42的裂口43正確對中時，如圖6所示，就可以由來自光敏器件的以前的兩個輸出脈衝簡單地確定出右和左的反向點。即，取以前的脈衝來給出共同的往復運動時間區間TC，以使下一個反向點PR和PL被確定為從最後脈衝延遲二分之一的時間區間TC/2。在此情況下，使用所檢測的瞬時速度作為脈寬TS的函數來改變給電磁體連續供電的時間，以保持恆定的往復運動振幅。
在上述實施例中，由振動子30的檢測速度來計算反饋量。但是，同樣可以為了相同的反饋目的用振動子的加速度。在這種意義說明書和權利要求書中所使用的術語＂速度＂包括＂加速度＂的含義。進而可以在不背離本發明的範圍的情況下給振動子和定子設置電磁體和永磁體。
權利要求
1.一種直線往復運動電動機，包括一直線振動子，可動地支承在基架上並承載一永磁體；一定子，固定在所述基架上並具有一電磁體，所述電磁體接受電功率以同永磁體相配合而產生使所述振動子以相對於所述定子的直線方向運動的電磁驅動力；彈簧裝置，給所述振動子施加一恢復力以使直線運動反向，由此給所述振動子提供一直線往復運動；傳感器裝置，用於檢測振動子的直線運動以提供代表其的信號；一反向點檢測器，根據來自所述傳感器裝置的信號確定所述振動子的右和左反向點；一速度檢測器，根據來自所述傳感器裝置的信號，獲得所述振動子的瞬時速度；一控制器，在對所述右和左反向點分別及時後續所確定的右和左驅動點上並以變化的量給所述電磁體供電，以把振動子的往復振動振幅保持為恆定，其特徵在於，所述傳感器裝置包括一光敏器件，輸出一串在每次所述振動子通過其往復運動中心時產生的脈衝，並且所述反向點檢測器根據兩個以前的脈衝之間的時間區間來確定所述反向點。
2.根據權利要求1所述的往復運動電動機，其中每個所述右和左驅動點被確定為先於緊接著所述振動子到達往復運動的中心時的點。
3.根據權利要求1所述的直線往復運動電動機，其中，所述反向點檢測器確定4個連續脈衝的第一和第二之間的右測往復運動時間區間並確定所述4個連續脈衝的第二和第三之間的左側往復運動時間區間，所述右側往復運動時間區間對應於所述振動子在往復運動中心的右側區域中運動時的振動子的二分之一周期，所述左側往復運動時間區間對應於所述振動子在往復運動中心的左側區域運動時的振動子的後半周期；其中，所述反向點檢測器把所述右反向點確定為從所所述第三脈衝延遲所述右側往復運動時間區間的二分之一併把所述左反向點確定為從第四脈衝延遲所述左側往復運動時間區間的二分之一。
4.根據權利要求1所述的直線往復運動電動機，其中，所述反向點檢測器確定三個連續脈衝的第一和第二之間的基準往復時間區間，所述基準往復時間區間對應于振動子的二分之一周期並且其中，所述反向點檢測器把所述右反向點確定為從所述第二脈衝延遲所述基準往復時間區間的二分之一併把所述左反向點確定為從所述第三脈衝延遲所述基準往復時間區間的二分之一。
5.根據權利要求1所述的直線往復運動電動機，其中，所述控制器周期性地產生第一和第二驅動脈衝，用於以交替改變所述振動子運動方向的方向給電磁體饋電；所述控制器產生一方向標誌，標誌代表其後將要產生的的第一和第二驅動脈衝中的一個；所述電動機包括輔助檢測裝置，該裝置監測振動子的往復運動以提供代表其的輸出；設置一方向檢測器以從所述輔助檢測裝置的輸出檢測振動子的變化的運動方向；所述控制器包括一安全防護電路，其僅在由所述方向檢測器所檢測的運動方向變成與由所述方向標誌所給出的方向相一致時才允許發出第一或第二驅動脈衝。
6.根據權利要求5所述的直線往復運動電動機，其中，所述控制器包括一制動器電路，其從反向點開始計數時間區間並且每次在所檢測的運動方向變為同方向標誌一致時將時間區間置零，並且當時間區間超出預定臨界限度時停止供電。
7.根據權利要求5所述的直線往復運動電動機，其中，所述輔助檢測裝置包括一安裝到所述基架上的繞組和一裝載在所述振動子上的傳感器磁體，所述繞組產生一正弦波信號，其代表響應于振動子的運動的所述變化的運動方向。
8.根據權利要求5所述的直線往復運動電動機，其中，所述輔助檢測裝置包括一安裝到所述基架上的霍爾效應器件和一裝載在所述振動子上的傳感器磁體，所述霍爾效應器件產生一正弦波信號，其代表響應于振動子的運動的所述變化的運動方向。
全文摘要
一種直線往復運動電動機，能夠發出在負載變化的條件保持恆定的往復運動振幅的協調和有效的反饋控制。它包括一載有永磁體的振動子和一具有電磁體的定子。電磁體被供電以在相對於定子的直線方向上產生使振動子移動的電磁驅動力。設置一彈簧以給振動子提供恢復力，使振動子直線往復運動。光敏器件能夠監測振動子的往復運動周期而不受由電磁體產生的用以驅動的振動子的磁場的影響，以能夠保持振動子的恆定往復運動振幅的變化的量給電磁體供電。則其提供了一個可靠的基礎以精確確定反向點的及驅動點。因此，以在最佳時刻施加驅動力以精確和可靠地進行反饋控制。
文檔編號H02K33/06GK1150716SQ9611039
公開日1997年5月28日 申請日期1996年5月31日 優先權日1995年5月31日
發明者本橋良, 棚橋正雄, 天谷英俊, 前川多喜夫, 岡本豐勝, 伊吹康夫, 克洛德·烏代, 丹尼爾·普魯達姆 申請人:松下電工株式會社