大行程永磁體電磁驅動裝置及其控制方法
2023-10-17 19:14:44 1
專利名稱：大行程永磁體電磁驅動裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及電學領域中的電磁驅動裝置及控制方法，特別涉及一種大行程永磁體 電磁驅動裝置及其控制方法。
背景技術：
本發明人在2009年11月26日申請的申請號為200910234647. X的發明公開了一 種永磁體電磁驅動裝置，這種電磁驅動裝置拋棄了傳統上的基於閉合磁路的採用動鐵和靜 鐵結構，而採用開放的磁路系統，無需導磁材料構成閉合磁路，不存在磁路間隙問題，從而 能產生較大的行程，並在大行程範圍內提供比較均衡的電磁力。原發明的永磁體電磁驅動裝置所採用的線圈個數和動磁鐵個數較少，適合於對行 程要求不太高的場合。當增加線圈和(或)動磁鐵個數，並採用適當的控制方法時可以進一 步增大動磁鐵的行程和提供更大的電磁力。當在線圈外面增加鐵磁性材料構成的外套時， 也能增加電磁力。由此本發明人在原發明的基礎上研製出能提供任意行程的或更大電磁力 的大行程永磁體電磁驅動裝置及其控制方法。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術中電磁驅動裝置行程小，電磁力變化 大等不足之處，提供一種結構簡單、低功率驅動的全新結構的電磁驅動裝置。本裝置及其控 制方法可應用到各種需要大行程電磁驅動的設備中。本發明是通過以下技術方案實現的所述大行程永磁體電磁驅動裝置也是由動磁 鐵、輸出件、基體及線圈組成。與專利200910234647. X不同的是本發明可採用任意多個線 圈和多個動磁鐵，即所述線圈為N個，N大於或等於1 ；所述動磁鐵為M個，M大於或等於 1 ；每個線圈都與基體內部的圓柱形空腔同軸，沿軸線方向各線圈間隔適當距離；每個線圈 既可以單獨通電使用，也可以與其他線圈適當組合連接通電使用；沿軸線方向各動磁鐵間 隔適當距離被固定在輸出件軸線上；M個沿軸線方向充磁的動磁鐵和輸出件一起構成可在 空腔中沿軸線方向運動的部件。針對每一種不同線圈個數和動磁鐵個數的驅動裝置，採用 不同的控制方法，可以獲得不同的行程和提供儘量大或均衡的電磁力(實際上是指總電磁 力，即各線圈對每個動磁鐵產生的電磁力的合力)。動磁鐵、輸出件、基體、電磁力、磁場力以及其他一些概念與專利200910234647. X 規定相同。例如動磁鐵的形狀為圓柱體，包括一切接近圓柱體的形狀，包括不是圓柱體而 在實際應用中能夠令人滿意的起到圓柱體所起作用的任意形狀，也包括兩端變形、中間開 孔等稍變形的圓柱體，也包括由多個沿軸向充磁的圓片狀或圓環狀永磁鐵疊合而成的圓柱 體。又例如所述的基體，是指能為動磁鐵提供運動空間即圓柱形的空腔，同時外面能放置或 纏繞線圈的主體部分。電磁力是指通電線圈對動磁鐵產生的作用力。在控制方法中需要確定動磁鐵的位置，根據動磁鐵和線圈之間的相對位置變化改 變線圈的通電狀態，獲取動磁鐵位置的方法主要有兩種一種方法是根據試驗確定，即對於固定負載和給定結構的線圈和固定的工作電流情況下，通過反覆試驗測量動磁鐵從一個 位置運動到另一個位置所需時間，從一個線圈幾何中心運動到另一個線圈幾何中心所需時 間，以這些時間為參考，採用固定時間法，到了所需時間就認為動磁鐵到達了某個位置；這 種方法的優點是結構簡單，控制方便；其缺點是控制可靠性差，負載變化時控制不準確。另 一種方法是在永磁體電磁驅動裝置上加裝檢測動磁鐵位置的部件或傳感器或電路。可採用 幹簧管、開關霍爾元件、線性霍爾元件、光電管、線圈、微動位置開關、編碼盤等任何元件任 何方法配合適當電路確定動磁鐵的位置。在大行程永磁體電磁驅動裝置上安裝1個或多個 動磁鐵位置檢測部件，可使運動控制準確。為了減弱外界磁場對動磁鐵的幹擾，同時也增加電磁力，可以在永磁體電磁驅動 裝置的外面套一個由導磁材料，即鐵磁性材料製成的外套，外套與線圈或基體同軸，該外套 也可稱為外磁軛。最簡單的辦法就是將永磁體電磁驅動裝置裝入一截低碳鋼管中，鋼管的 長度與電磁驅動裝置的長度接近。比較好的辦法是用矽鋼片疊合構成外套，永磁體電磁驅 動裝置的軸線在每一片矽鋼片所在平面內。除了在線圈外面有矽鋼片外，相鄰線圈之間也 可被矽鋼片填充。增加外套雖然能使最大電磁力有所增加，但在同樣的行程範圍內，電磁力 變化也增大，不再平緩。換言之，滿足最小電磁力情況下，行程會減小。為了使動磁鐵有更大的行程，增加線圈的個數，一般線圈的個數多於動磁鐵的個 數，選取N大於或等於1，M小於或等於N，M最小為1。例如，當N = 10，M = 1時，動磁鐵 可以從第1個線圈的外端運動到第10個線圈的外端，行程可大於相鄰兩個線圈幾何中心之 間距離的9倍。為了提供更大的電磁力，可增加動磁鐵的個數，選取N大於或等於1，M等於N+1。 例如，N= 1，即同一個線圈在其電流不變的情況下，M = 2時所提供的總電磁力接近M= 1 時的2倍。一種控制大行程永磁體電磁驅動裝置的方法，首先沿軸線方向從起端向末端將N 個線圈依次編號為1、2、…、N，沿同樣的方向將M個動磁鐵依次編號為1、2、…、M;然後，根 據當前線圈和動磁鐵的相對位置及計劃控制運動的方向判斷對哪些線圈通電及通電方向； 控制動磁鐵運動，具體步驟及原則如下(1)凡是當前某線圈幾何中心與其最接近的動磁鐵幾何中心之間的距離既小於該 線圈長度的1/4，又小於該動磁鐵長度的1/4時，該線圈不通電。因為當線圈的幾何中心與 動磁鐵的幾何中心接近時，電磁力急劇減小，這時線圈通電，能源效率是很低的。(2)某線圈通電的方向應滿足其對最近動磁鐵產生的電磁力方向與計劃控制運動 的方向相同。即線圈通電對其靠近目的地一側的動磁鐵產生推力，對其遠離目的地一側的 動磁鐵產生吸引力。(3)位於兩端動磁鐵外側的線圈是否都通電，需綜合考慮；若位於動磁鐵1靠近起 端一側的所有線圈通電時都對該動磁鐵產生與計劃控制運動的方向相同的電磁力，由於距 離動磁鐵很遠地方的線圈產生的電磁力很小，應該考慮該較遠處線圈是否有必要也通電； 如果提供大的電磁力是主要因素，能源消耗是次要因素，則該線圈就通電，以便對動磁鐵提 供較大的電磁力；如果電源效率是主要因素，電磁力是次要因素，則該線圈就不必通電，僅 距離動磁鐵較近的部分線圈通電，以便提高能源效率；同理，位於動磁鐵M靠近末端一側的 所有線圈通電時都對該動磁鐵產生與計劃控制運動的方向相同的電磁力，距離動磁鐵很遠
5地方的線圈是否有必要也通電根據同樣原則確定。(4)若控制電路不能改變線圈電流方向，只存在通電和斷電兩種狀態，則只考慮線 圈對動磁鐵的吸引力，即動磁鐵靠近目的地一側的線圈對其產生吸引力，使其向目的地方 向運動。電磁力為推力時，可能使永磁體退磁，即降低永磁體使用壽命。(5)在電磁力作用下，動磁鐵向計劃方向運動，在運動過程中隨時檢測或判斷線圈 與動磁鐵之間的相對位置，並根據上述(1) (2) (3) (4)原則確定通電的線圈及改變通電方 向，直到動磁鐵運動到達目的地。只有隨時檢測每一個線圈與每一個動磁鐵之間的相對位 置，並據此確定該線圈是否通電及通電方向，才能能源效率提高，使電磁力的方向與計劃運 動的方向相同。大行程永磁體電磁驅動裝置在工作中有可能遇到負載突然變化，電磁驅動力太 小，動磁鐵不能正常到達行程的終點。所以在控制過程中，最好還包含超時檢測程序，即經 過一段時間，按正常程序動磁鐵應當運動到達行程的終端而實際上未到達，則說明運動中 受到阻力過大或電磁力太小，動磁鐵被停在途中。出現這種情況，或者報警，或者各線圈斷 電同時報警指示。報警後可以採取人工手動的方法，將動磁鐵移動到正常位置。另外，各種永磁體電磁驅動裝置中線圈和動磁鐵尺寸的選擇依據是每個動磁鐵 的軸線方向長度是每個線圈軸線方向長度的0. 3 3倍，最好長度相等或接近。每個動磁 鐵的直徑是動磁鐵長度的0. 3 5倍，最好直徑等於其軸線方向長度。當動磁鐵的個數和線圈的個數都大於1時，並不一定要求相鄰兩個線圈幾何中心 之間的距離等於相鄰兩個動磁鐵幾何中心之間的距離。只要保證各個線圈通電方向滿足使 各個動磁鐵產生相同方向的電磁力即可。特別是當相鄰的兩個動磁鐵幾何中心之間的距離 等於1.5倍相鄰的兩個線圈幾何中心之間的距離時，控制不存在死區，可在整個行程中獲 得比較均衡的電磁力，實現無零電磁力的點。本發明與現有技術相比有如下的積極效果動磁鐵行程大，行程可以根據需要任 意設計，只要線圈個數足夠多，就能獲得任意大的行程。
圖1是多個動磁鐵時，動磁鐵與輸出件之間的連接結構圖，沿軸線剖開的斷面圖；圖2是一種基體、線圈、線圈骨架、蓋板，輸出件和動磁鐵之間的連接結構圖，沿軸 線剖開的斷面圖；圖3是由2個線圈和1個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置結構圖，沿軸 線剖開的斷面圖；圖4是由5個線圈和1個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置結構圖，沿軸 線剖開的斷面圖；圖5是由5個線圈和3個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置結構圖，沿軸 線剖開的斷面圖；圖6A和圖6B是一種由2個動磁鐵和1個線圈構成的大行程永磁體驅動裝置結 構圖，以及在線圈電流方向不同情況下動磁鐵位置的兩種狀態示意圖，沿軸線剖開的斷面 圖；圖7A和圖7B是一種由5個動磁鐵和4個線圈構成的大行程永磁體驅動裝置結構圖，以及在線圈電流方向不同情況下動磁鐵位置的兩種狀態示意圖，沿軸線剖開的斷面 圖；圖8是一種帶兩端動磁鐵位置檢測的由5個線圈和1個動磁鐵構成的大行程永磁 體電磁驅動裝置結構圖，沿軸線剖開的斷面圖；圖9A是一種帶兩端位置檢測的、含鐵磁性外套的由5個線圈和2個動磁鐵構成的 大行程電磁驅動裝置沿軸線剖開的斷面示意圖；圖9B是對應裝置中間位置，即線圈23中心 處，沿垂直於軸線剖開的斷面示意圖；上述各圖中基體內供動磁鐵運動的圓柱形空腔0 ；動磁鐵1，多動磁鐵結構中的1 號動磁鐵11、2號動磁鐵12、3號動磁鐵13、4號動磁鐵14 ；線圈2，多線圈結構中的1號線 圈21、2號線圈22、3號線圈23、4號線圈24、5號線圈25 ；基體3，線圈骨架31 ；輸出件5 ； 動磁鐵右邊的墊片63，動磁鐵右邊的固定螺母65，動磁鐵左邊的固定螺母66，中間開孔的 蓋板7，空腔右端的軟質墊片71，空腔左端的軟質墊片72，空腔左端的蓋板74，左端蓋板的 固定螺釘82，左端檢測動磁鐵位置的幹簧管91，右端檢測動磁鐵位置的幹簧管99，左端檢 測動磁鐵位置的位置開關901，右端檢測動磁鐵位置的位置開關909，由矽鋼片疊合構成的 外套100。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作詳細描述。實施例一多動磁鐵結構中動磁鐵與輸出件之間的連接圖1是本實施例。其中，動磁鐵1為軸線上開孔的圓柱體釹鐵硼磁鐵，輸出件5 的螺杆部分穿過動磁鐵的孔，動磁鐵的孔直徑略大於螺杆直徑。緊貼在動磁鐵兩端面的是 非導磁材料的墊片，墊片外面是螺母，擰緊螺母將動磁鐵固定在輸出件上，為防止動磁鐵破 損，可以在墊片與動磁鐵間加一層軟質墊片，起保護套作用。通過螺母，可方便調整各個動 磁鐵之間的距離，即每個動磁鐵在輸出件上的位置。輸出件為非導磁材料的帶螺紋的杆。實施例二一種基體、線圈、線圈骨架、蓋板，輸出件和動磁鐵之間的連接結構圖2是本實施例。基體3是一個硬質薄壁塑料圓管，管內空間就是動磁鐵活動的 空間，即空腔0。線圈2預先繞制在線圈骨架31上，然後線圈骨架31套在基體3的外面並 固定。中間開圓孔的蓋板7卡套或螺紋連接在基體3的端部，輸出件5的杆穿過蓋板中央 的小孔能自由活動。動磁鐵1被固定在輸出件5的帶螺紋部分。線圈2通電後對動磁鐵1產生電磁力作用，帶動輸出件5運動，輸出件5就將力或 運動形式輸出滿足所需要的驅動功能。實施例三一種由2個線圈和1個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置圖3是本實施例，即N = 2，M = 1。基體3為一體化結構，沿圓柱體的軸線開通孔 作為基體內部空腔0，基體外面有凹槽，用於纏繞線圈21和22。線圈21和22幾何中心之 間的距離一般取單個線圈長度的1到10倍，最好是5倍左右。為減弱動磁鐵運動到空腔兩 端撞擊蓋板發出的噪聲，蓋板內側加有軟質墊片71和72。實施例四一種由5個線圈和1個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置圖4是本實施例，即N = 5，M = 1。基體3是一個硬質薄壁塑料圓管，管內空間就 是動磁鐵活動的空間，即空腔0。各線圈預先繞制在線圈骨架上，然後線圈骨架套在基體3的外面並固定。中間開圓孔的蓋板7卡套或螺紋連接在基體3的端部，輸出件5的杆穿過 蓋板中央的小孔能自由活動。動磁鐵1被固定在輸出件5的帶螺紋部分。實施例五一種由5個線圈和3個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置圖5是本實施例，即N = 5，M = 3。在輸出件的杆上固定著3個動磁鐵11、12和 13。5個線圈等間距固定在基體3的外面，相鄰兩個動磁鐵幾何中心之間的距離等於相鄰 兩個線圈幾何中心之間的距離。相鄰兩個動磁鐵沿軸線方向的磁場相反，例如，如果動磁鐵 11左端為N極，右端為S極，那麼動磁鐵12左端應為S極，右端為N極，動磁鐵13左端為N 極，右端為S極。其他與實施例四相同。實施例六一種由1個線圈和2個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置圖6A和圖6B是本實施例，即N = 1，M = 2。圓柱形基體3的中央纏繞線圈2。基 體內部的空腔0的長度，即基體的長度小於或等於兩個動磁鐵幾何中心之間距離的2倍，使 兩個動磁鐵不能同時運動到線圈的同一側。動磁鐵11和12磁極性相反，保證線圈通電時， 對一個動磁鐵的電磁力為吸引力，對另一個的電磁力為推力。實施例七一種由4個線圈和5個動磁鐵構成的大行程永磁體電磁驅動裝置圖7A和圖7B是本實施例，即N = 4，M=5。4個線圈等間距固定在基體3的外 面，基體3為硬質薄壁塑料圓管。5個動磁鐵等間距固定在輸出件的杆上，相鄰兩個動磁鐵 幾何中心之間的距離等於相鄰兩個線圈幾何中心之間的距離。基體的長度，即空腔0的長 度以及相鄰動磁鐵之間的距離設定，要滿足動磁鐵11隻能在線圈21的左側運動，動磁鐵15 只能在線圈24的右側運動。相鄰兩個動磁鐵的磁極性相反。實施例八一種帶兩端動磁鐵位置檢測的由5個線圈和1個動磁鐵構成的大行程 永磁體電磁驅動裝置圖8是本實施例，與實施例四不同的地方有兩點一是動磁鐵的行程稍短，只能在 線圈21和25之間運動；二是在線圈21和25的外側分別裝有幹簧管91和99，用於檢測動 磁鐵是否運動到達空腔的兩端，即動磁鐵位置檢測。動磁鐵運動到左端時，動磁鐵的磁場使 常開幹簧管91吸合；動磁鐵離開左端後，幹簧管斷開，所以，幹簧管91起到位置檢測作用。 調整幹簧管的方位，即幹簧管與動磁鐵軸線之間的夾角，可改變其靈敏度。線圈21通電時 產生的磁場也會對幹簧管91起作用，多數情況下通過調整幹簧管91的方位可以實現動磁 鐵1能使它吸合而線圈21不能使它吸合。為了使位置檢測準確，最好是在幹簧管的外面直 接纏繞數匝到幾十匝線圈(一般在10匝左右)，該線圈與線圈21串聯，並使該線圈在幹簧 管內產生的磁場方向與線圈21產生的磁場方向相反，起到抵消或減弱線圈21對幹簧管91 的幹擾。通電線圈25對幹簧管99的影響與此類似，同樣方法處理。顯然，也可以用霍爾元 件代替幹簧管。除此之外，還可以採用光電檢測、微動開關等方法檢測動磁鐵位置。上述僅介紹了檢測動磁鐵是否到達行程的兩端的方法。類似方法也可用於檢測動 磁鐵是否到達某個線圈的幾何中心，將幹簧管安裝到某個線圈的外面，並調整幹簧管的方 位，當動磁鐵運動到該線圈幾何中心時幹簧管被吸合。實施例九第一種控制實施例三裝置的方法參考圖3，本實施例適宜2個線圈幾何中心之間距離為3到10倍單個線圈長度的 情況，線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力也有推力。假定動磁鐵1初始位置在空腔 0的左端，控制動磁鐵在空腔中來回運動的步驟如下。(1)線圈21通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向右運動，到達線圈21的幾何中心附近時，線圈21斷電，動磁鐵1帶動 輸出件5繼續向右運動；(2)此時或稍後線圈21反向通電(反向通電是指與最近一次線圈 中的電流方向相反的方向通電)，線圈22通電，線圈21對動磁鐵的電磁力為推力，線圈22 對動磁鐵的電磁力為吸引力；(3)當動磁鐵到達線圈22的幾何中心附近時，線圈21和22 斷電，動磁鐵1繼續向右運動；(4)此時或稍後線圈22反向通電，對動磁鐵1的電磁力為推 力，使動磁鐵保持在空腔的右端；(5)要使動磁鐵向左運動，線圈22斷電，然後反向通電，對動磁鐵1的電磁力為吸 引力，動磁鐵1向左運動，到達線圈22的幾何中心時，線圈22斷電；(6)此時或稍後線圈22 反向通電，對動磁鐵1的電磁力為推力，同時線圈21通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力， 動磁鐵繼續向左運動；(7)當動磁鐵到達線圈21的幾何中心時，線圈21和22斷電，動磁鐵 1繼續向左運動；(8)此時或稍後線圈21反向通電，對動磁鐵1的電磁力為推力，使動磁鐵 保持在空腔的左端。從而，動磁鐵1帶動輸出件5完成一次來回運動。實施例十第二種控制實施例三裝置的方法參考圖3，本實施例適宜2個線圈幾何中心之間距離為1到5倍單個線圈長度的情 況，線圈中電流方向不需要改變，只存在有和無兩種通電狀態，通電時電磁力只有吸引力。 假定動磁鐵1初始位置在空腔0的左端，控制動磁鐵在空腔中來回運動的步驟如下。(1)線 圈21通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向右運動，到達線圈21的幾何中心附近 時，線圈21斷電，動磁鐵1帶動輸出件5繼續向右運動；⑵此時或稍後線圈22通電，線圈 22對動磁鐵的電磁力為吸引力，動磁鐵繼續向右運動；(3)當動磁鐵到達線圈22的幾何中 心附近時，線圈22斷電，動磁鐵1繼續向右運動到空腔的右端；(4)要使動磁鐵向左運動，線圈22通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵1 向左運動，到達線圈22的幾何中心時，線圈22斷電，動磁鐵繼續向左運動；(5)此時或稍後 線圈21通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵繼續向左運動；(6)當動磁鐵到達線圈 21的幾何中心時，線圈21斷電，動磁鐵1繼續向左運動到空腔的左端。從而，動磁鐵1帶動 輸出件5完成一次來回運動。實施例i^一 第三種控制實施例三裝置的方法參考圖3，本實施例適宜2個線圈幾何中心之間距離為3到10倍單個線圈長度的 情況，而且動磁鐵只在線圈21和22之間運動；線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力 也有推力。假定動磁鐵1初始位置在線圈21和22之間距線圈21更近的地方，而且被線圈 21的電磁力吸引而保持在該位置，控制動磁鐵在2個線圈之間來回運動的步驟如下。(1) 線圈21斷電，同時或稍後線圈21反向通電，線圈22通電，線圈21對動磁鐵1的電磁力為 推力，線圈22對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向右運動，直到接近線圈22的位置，線 圈21斷電，線圈22繼續通電對動磁鐵1吸保持，完成從左向右的運動。(2)要使動磁鐵向 左運動，線圈22斷電，同時或稍後線圈22反向通電，線圈21通電，線圈22對動磁鐵1的電 磁力為推力，線圈21對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向左運動，直到接近線圈21的 位置，線圈22斷電，線圈21繼續通電對動磁鐵1吸保持，完成從右向左的運動。從而，動磁 鐵1帶動輸出件5完成一次來回運動。實施例十二 第一種控制實施例四裝置的方法參考圖4，本實施例適宜相鄰兩個線圈幾何中心之間距離為3到10倍單個線圈長度的情況，線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力也有推力。假定動磁鐵1初始位置在 空腔0的左端，控制動磁鐵在空腔中從左向右運動的步驟如下。(1)線圈21通電，對動磁 鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向右運動，到達線圈21的幾何中心附近時，線圈21斷電，動 磁鐵1帶動輸出件5繼續向右運動；⑵此時或稍後線圈21反向通電(反向通電是指與最 近一次線圈中的電流方向相反的方向通電)，線圈22通電，線圈21對動磁鐵的電磁力為推 力，線圈22對動磁鐵的電磁力為吸引力；(3)當動磁鐵到達線圈22的幾何中心附近時，線 圈21和22斷電，動磁鐵1繼續向右運動；(4)此時或稍後線圈22反向通電，對動磁鐵1的 電磁力為推力，同時線圈23通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力；(5)當動磁鐵到達線圈23 的幾何中心附近時，線圈22和23斷電；(6)此時或稍後線圈23反向通電，對動磁鐵1的電 磁力為推力，同時線圈24通電，對動磁鐵的電磁力為吸引力；(7)當動磁鐵到達線圈24的 幾何中心附近時，線圈23和24斷電；(8)此時或稍後線圈24反向通電，對動磁鐵1的電磁 力為推力，同時線圈25通電，對動磁鐵的電磁力為吸引力；(9)當動磁鐵到達線圈25的幾 何中心附近時，線圈24和25斷電；(10)此時或稍後線圈25反向通電，對動磁鐵的電磁力 為推力，使動磁鐵保持在空腔的右端。同理可控制動磁鐵在空腔中從右向左運動。實施例十三第二種控制實施例四裝置的方法參考圖4，本實施例適宜相鄰兩個線圈幾何中心之間距離為3到10倍單個線圈長 度的情況，而且動磁鐵只在線圈21和25之間運動；線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸 引力也有推力。為了保證動磁鐵僅在線圈21和25之間運動，空腔兩端應加軟質墊片阻擋 動磁鐵，使其不超過線圈21和25的幾何中心。假定動磁鐵1初始位置在線圈21和22之 間距線圈21更近的地方，而且被線圈21的電磁力吸引而保持在該位置，控制動磁鐵在線圈 21和25之間從左向右運動的步驟如下。(1)線圈21斷電，同時或稍後線圈21反向通電， 線圈22通電，線圈21對動磁鐵1的電磁力為推力，線圈22對動磁鐵1的電磁力為吸引力， 動磁鐵向右運動，直到接近線圈22的位置，線圈21和22斷電，此時或稍後線圈23通電對 動磁鐵1的電磁力為吸引力；動磁鐵利用慣性繼續向右運動，經過線圈22的幾何中心後，線 圈22反向通電，對動磁鐵的電磁力為推力。(2)當動磁鐵接近線圈23位置時，線圈22和 23斷電，此時或稍後線圈24通電對動磁鐵1的電磁力為吸引力；動磁鐵利用慣性繼續向右 運動，經過線圈23的幾何中心後，線圈23反向通電，對動磁鐵的電磁力為推力。(3)當動磁 鐵接近線圈24位置時，線圈23和24斷電，此時或稍後線圈25通電對動磁鐵1的電磁力為 吸引力；動磁鐵利用慣性繼續向右運動，經過線圈24的幾何中心後，線圈24反向通電或不 通電，對動磁鐵的電磁力為推力或零，動磁鐵繼續運動到接近線圈25的位置並被線圈25的 電磁力吸保持。同理，可控制動磁鐵從右向左運動。實施例十四第三種控制實施例四裝置的方法參考圖4，本實施例適宜2個線圈幾何中心之間距離為1到5倍單個線圈長度的情 況，線圈中電流方向不需要改變，只存在有和無兩種通電狀態，通電時電磁力只有吸引力。 假定動磁鐵1初始位置在空腔0的左端，控制動磁鐵在空腔中向右運動的步驟如下。(1)線 圈21通電，對動磁鐵1的電磁力為吸引力，動磁鐵向右運動，到達線圈21的幾何中心附近 時，線圈21斷電，動磁鐵1帶動輸出件5繼續向右運動；⑵此時或稍後線圈22通電，線圈 22對動磁鐵的電磁力為吸引力，動磁鐵繼續向右運動；(3)當動磁鐵到達線圈22的幾何中 心附近時，線圈22斷電，動磁鐵繼續向右運動；(4)此時或稍後線圈23通電，線圈23對動磁鐵的電磁力為吸引力，動磁鐵繼續向右運動；(5)當動磁鐵到達線圈23的幾何中心附近 時，線圈23斷電，動磁鐵繼續向右運動；(6)此時或稍後線圈24通電，線圈24對動磁鐵的 電磁力為吸引力，動磁鐵繼續向右運動；(7)當動磁鐵到達線圈24的幾何中心附近時，線圈 24斷電，動磁鐵繼續向右運動；(8)此時或稍後線圈25通電，線圈25對動磁鐵的電磁力為 吸引力，動磁鐵繼續向右運動；(9)當動磁鐵到達線圈25的幾何中心附近時，線圈25斷電， 動磁鐵繼續向右運動到空腔的右端。同理，可控制動磁鐵從右向左運動到空腔的左端。實施例十五一種控制實施例五裝置的方法參考圖5，本實施例適宜相鄰兩個線圈幾何中心之間距離為3到10倍單個線圈長 度的情況，線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力也有推力。假定動磁鐵11初始位置 在空腔0的左端，動磁鐵13的初始位置在線圈22和23之間，控制動磁鐵在空腔中向右運 動的步驟如下。(1)線圈21、22和23通電，通電方向滿足線圈21產生對動磁鐵11吸引 的電磁力，對動磁鐵12為推力；線圈22產生對動磁鐵12為吸引力，對動磁鐵13為推力；線 圈23產生對動磁鐵13為吸引力。在這些力作用下，動磁鐵帶動輸出件5向右運動。當動 磁鐵11接近線圈21的幾何中心時，線圈21、22和23斷電，同時線圈24通電，對動磁鐵13 產生吸引力，動磁鐵繼續向右運動。(2)當動磁鐵11經過線圈21的幾何中心後，線圈21、 22和23反向通電(反向通電是指與最近一次線圈中的電流方向相反的方向通電)，動磁鐵 繼續向右運動。(3)當動磁鐵11到達線圈22的幾何中心附近時，線圈21、22、23和24斷 電，同時線圈25通電，對動磁鐵13產生吸引力，動磁鐵繼續向右運動。(4)當動磁鐵11經 過線圈22的幾何中心後，線圈22、23和24反向通電，動磁鐵繼續向右運動。(5)當動磁鐵 11到達線圈23的幾何中心附近時，線圈22、23、24和25斷電；動磁鐵將依靠慣性繼續向右 運動。(6)當動磁鐵11經過線圈23的幾何中心後，線圈23、24和25反向通電，或者其中之 一或之二反向通電，其餘斷電，依靠通電線圈的電磁力使動磁鐵13保持在空腔的右端。同 理，可控制動磁鐵在空腔中向左運動。實施例十六一種控制實施例六裝置的方法參考圖6A和6B，本實施例線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力也有推力。 控制動磁鐵在空腔中來回運動的步驟如下。(1)線圈2通電，對動磁鐵11產生吸引的電磁 力，對動磁鐵12為推力；動磁鐵帶動輸出件5向右運動並使動磁鐵12保持在右端。(2)當 線圈2反向通電時，對動磁鐵11產生推力，對動磁鐵12產生吸引力，動磁鐵將向左運動，並 時動磁鐵11保持在左端。實施例十七一種控制實施例七裝置的方法參考圖7A和7B，本實施例線圈中電流方向需改變，電磁力既有吸引力也有推力。 控制動磁鐵在空腔中來回運動的步驟如下。(1)線圈21、22、23和24同時正向通電，線圈 21對動磁鐵11產生吸引的電磁力，對動磁鐵12為推力；線圈22對動磁鐵12產生吸引力， 對動磁鐵13產生推力；線圈23對動磁鐵13產生吸引力，對動磁鐵14產生推力；線圈24對 動磁鐵14產生吸引力，對動磁鐵15產生推力；因此，5個動磁鐵帶動輸出件5向右運動並 使動磁鐵15保持在右端。(2)當線圈21、22、23和24同時反向通電時，上述各電磁力方向 相反，5個動磁鐵帶動輸出件5向左運動，並使動磁鐵11保持在左端。實施例十八一種控制實施例八裝置的方法參考圖8，本實施例各線圈中電流方向不需改變，只有通電和斷電兩種狀態，電磁力只有吸引力，即線圈通電時，對動磁鐵產生吸引力。控制動磁鐵1在空腔中運動的步驟如 下。(1)根據兩個位置檢測傳感器狀態，確定當前動磁鐵所在的位置；根據計劃控制的運動 方向(即目的地)確定線圈是否需通電，若目的地與當前動磁鐵所在位置相同，則不需要通 電控制。(2)否則需通電控制，若當前動磁鐵在左端，目的地在右端，則控制過程是線圈21 斷電，線圈22通電，動磁鐵1向右運動；當運動到線圈23幾何中心附近時線圈23斷電，線 圈24通電；當運動到線圈24幾何中心時線圈24斷電，線圈25通電；動磁鐵將運動到右端， 位置傳感器99將檢測到。(3)若從線圈21斷電、22通電時開始計時，到所設定的超時時間 為止，傳感器99未檢測到動磁鐵到達右端，則報警，同時所有線圈斷電，等待人工處理；通 常超時時間設定為0. 5秒到1秒。從左端運動到右端，實際所需時間通常在30毫秒到100 毫秒之間，根據負載大小，線圈電流大小而有所不同。顯然，控制圖8裝置動磁鐵運動也可採用實施例十三的方法，這裡不再贅述。實施例十九一種帶兩端動磁鐵位置檢測的、含鐵磁性外套的由5個線圈和2個動 磁鐵構成的大行程電磁驅動裝置及其控制方法參見圖9A和圖9B，該電磁驅動裝置主要有三個特點一是該驅動裝置還包含一個 由矽鋼片疊合構成的外套100，套在線圈的外面和填充在相鄰線圈之間。二是在基體內部空 腔0的兩端安裝有用於檢測動磁鐵到達終點的位置檢測開關901和909。動磁鐵運動到左 端時，動磁鐵11碰觸開關901使其閉合；動磁鐵離開左端後，開關901斷開，901起到位置 檢測作用。同理，開關909檢測動磁鐵12是否運動到空腔的右端。三是兩個動磁鐵幾何中 心之間的距離等於相鄰兩個線圈幾何中心之間距離的1. 5倍，且相鄰兩個線圈之間的間隔 接近一個線圈的長度，一般取線圈長度的0. 5 2倍。控制本實施例中輸出件運動可採用多種方法，既可採用線圈電流方向可變的方 法，又可採用通電方向不變的方法。下列兩種方法均類似步進電機的控制方法，採用定時間 間隔步進法。控制方法一，兩個動磁鐵沿軸線方向的磁極性相反，各線圈均可正反方向通電，假 定初始位置在左端，使其向右運動的控制步驟如下(1)初始位置處，動磁鐵11的幾何中心在線圈21幾何中心的右側，動磁鐵12的幾 何中心在線圈23的左側，靠線圈22通電產生的電磁力保持在該位置。控制開始，線圈22 斷電，然後線圈22反向通電，線圈22對動磁鐵11產生吸引力，對動磁鐵12產生推力，輸出 件向右運動。(2)經過一段時間，例如10毫秒，線圈22斷電，線圈23通電，線圈23對動磁鐵11 產生吸引力，對動磁鐵12產生推力，輸出件繼續向右運動。(3)經過一段時間，如10毫秒，線圈23斷電，線圈24通電，線圈24對動磁鐵11產 生吸引力，對動磁鐵12產生推力，輸出件繼續向右運動，並保持在右端。(4)若要使其向左運動，與上述過程相反。即首先線圈24斷電，然後反向通電，線 圈24對動磁鐵11產生推力，對動磁鐵12產生吸引力，輸出件向左運動。以此類推，輸出件 將運動到左端。控制方法二，兩個動磁鐵沿軸線的磁極性方向相同，各線圈只有兩種狀態，即通電 和斷電狀態，這對控制電路要求較低，不需要改變電流方向。假定初始位置在左端，使其向 右運動的控制步驟如下
12
(1)初始位置處，動磁鐵11的幾何中心在線圈21幾何中心的右側，動磁鐵12的幾 何中心在線圈23的左側，靠線圈21通電產生的電磁力保持在該位置。控制開始，線圈21 斷電，然後線圈23通電，線圈23對動磁鐵12產生吸引力，輸出件向右運動。(2)經過一段時間，例如10毫秒，線圈23斷電，線圈22通電，由於此時線圈22對 動磁鐵11產生的吸引力大於對動磁鐵12產生的吸引力，輸出件繼續向右運動。(3)經過一段時間，例如10毫秒，線圈22斷電，線圈24通電，線圈24對動磁鐵12 產生吸引力，輸出件繼續向右運動。(4)經過一段時間，例如10毫秒，線圈24斷電，線圈23通電，由於此時線圈23對 動磁鐵11產生的吸引力大於對動磁鐵12產生的吸引力，輸出件繼續向右運動。(5)經過一段時間，例如10毫秒，線圈23斷電，線圈25通電，線圈25對動磁鐵12 產生吸引力，輸出件繼續向右運動，並被吸保持在右端。(6)若要使其向左運動，與上述過程相反，各線圈通電方向不變即可。本實施例類似於實施例十八，可以通過兩端的位置檢測器901和909判斷初始位 置和終點位置。也可加入超時未到終點報警。上述實施例均沒考慮回復力機構，可以參考本人申請號為200910234647. X的發 明加入回復力機構，通電時向一端運動，斷電時由回復力作用向另一端運動。上述各實施例 均可加入多個位置檢測部件，用於精確檢測輸出件或動磁鐵的位置，並根據精確位置進行 運動控制。增加這些機構仍然在本發明的保護範圍內。最後，上述實施例僅是舉例說明，可以對實施方式做出變更或修改，而不背離本發 明的原理和實質。凡採用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均落在本發明的 保護範圍之內。
權利要求
大行程永磁體電磁驅動裝置，是由動磁鐵、輸出件、基體及線圈組成；其特徵在於所述線圈為N個，N大於或等於1；所述動磁鐵為M個，M大於或等於1；每個線圈都與基體內部的圓柱形空腔同軸，沿軸線方向各線圈間隔適當距離；每個線圈既可以單獨通電使用，也可以與其他線圈適當組合連接通電使用；沿軸線方向各動磁鐵間隔適當距離被固定在輸出件軸線上；M個沿軸線方向充磁的動磁鐵和輸出件一起構成可在空腔中沿軸線方向運動的部件。
2.根據權利要求1所述的大行程永磁體電磁驅動裝置，其特徵在於它還包含1個或 多個用於檢測動磁鐵位置的部件。
3.根據權利要求1或2所述的大行程永磁體電磁驅動裝置，其特徵在於它還包含由 鐵磁性材料構成的外套，套在線圈的外面或者既套在線圈外面又填充在相鄰線圈之間，夕卜 套與線圈或基體同軸。
4.根據權利要求1或2或3所述的大行程永磁體電磁驅動裝置，其特徵在於N大於或 等於1，M小於或等於N，M最小為1。
5.根據權利要求1或2或3所述的大行程永磁體電磁驅動裝置，其特徵在於N大於或 等於1，M等於N+1。
6.一種控制權利要求1或2或3所述的大行程永磁體電磁驅動裝置的方法，首先沿軸 線方向從起端向末端將N個線圈依次編號為1、2、…、N，沿同樣的方向將M個動磁鐵依次 編號為1、2、…、M ；然後，根據當前線圈和動磁鐵的相對位置及計劃控制運動的方向判斷對 哪些線圈通電及通電方向；控制動磁鐵運動，具體步驟及原則如下(1)凡是當前某線圈幾何中心與其最接近的動磁鐵幾何中心之間的距離既小於該線圈 長度的1/4，又小於該動磁鐵長度的1/4時，該線圈不通電；(2)某線圈通電的方向應滿足對距離它最近動磁鐵產生的電磁力方向與計劃控制運動 的方向相同；(3)位於兩端動磁鐵外側的線圈是否都通電，需綜合考慮；若位於動磁鐵1靠近起端一 側的所有線圈通電時都對該動磁鐵產生與計劃控制運動的方向相同的電磁力，由於距離動 磁鐵很遠地方的線圈產生的電磁力很小，應該考慮該較遠處線圈是否有必要也通電；如果 提供大的電磁力是主要因素，能源消耗是次要因素，則該線圈就通電，以便對動磁鐵提供較 大的電磁力；如果電源效率是主要因素，電磁力是次要因素，則該線圈就不必通電，僅距離 動磁鐵較近的部分線圈通電，以便提高能源效率；同理，位於動磁鐵M靠近末端一側的所有 線圈通電時都對該動磁鐵產生與計劃控制運動的方向相同的電磁力，距離動磁鐵很遠地方 的線圈是否有必要也通電根據同樣原則確定；(4)若控制電路不能改變線圈電流方向，只存在通電和斷電兩種狀態，則只考慮線圈對 動磁鐵的吸引力，即動磁鐵靠近目的地一側的線圈對其產生吸引力，使其向目的地方向運 動；(5)在電磁力作用下，動磁鐵向計劃方向運動，在運動過程中隨時檢測或判斷線圈與動 磁鐵之間的相對位置，並根據上述(1) (2) (3) (4)原則確定通電的線圈及改變通電方向，直 到動磁鐵運動到達目的地。
7.根據權利要求6所述的控制方法，其特徵在於在控制過程中，還包含超時檢測程 序，即經過一段時間，按正常程序動磁鐵應當運動到達行程的終端而實際上未到達，則說明運動中受到阻力過大或電磁力太小，動磁鐵被停在途中；出現這種情況，或者報警，或者各線圈斷電同時報警。
全文摘要
本發明公開了一種大行程永磁體電磁驅動裝置及其控制方法，所述的裝置是由動磁鐵、輸出件、基體及線圈組成。當增加線圈和(或)動磁鐵個數，並採用適當的控制方法時可以增大動磁鐵的行程和提供更大的電磁力。只要線圈數量足夠多，就能提供任意大的行程或更大的電磁力。控制方法是根據具體的大行程電磁驅動裝置，在適當的時間切換各個線圈通電或斷電及通電的方向，實現大行程的運動控制。
文檔編號H02K33/18GK101873045SQ20101017516
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者蹇興亮 申請人:蹇興亮