CN101185229A - 长比例行程执行电动机 - Google Patents

Abstract

提供了一种长比例行程执行电动机，该长比例行程执行电动机的力－行程特性提供了长行程，在该长行程中，输出大小上与激励电流成比例的恒力，且在实际使用中不涉及任何问题，同时不会对行程产生任何限制，从而可有效地使用行程。长比例行程执行电动机(1)包括磁回路、和可移动地设在磁回路内的电枢(3)，所述磁回路构造成使由非磁性材料制成的间隔件(12)置于由磁性材料制成的引导部件(11)与由磁性材料制成的套筒(13)之间。引导部件(11)靠近于间隔件(12)的端部截面轮廓的与电枢(3)相反的一侧呈现为满足以上表达式7中的两个公式的曲线，其中，X是引导部件的轴向坐标；X轴的正向是通过施加激励电流而使电枢被吸引的方向；Y是引导部件上的沿正交于X轴的方向的坐标。

Description

长比例行程执行电动机

技术领域

本发明涉及一种比例螺线管，其充当用于执行伺服阀等的精确控制的驱动源，尤其涉及一种长比例行程执行电动机(force motor)，其被构造成延长比例行程，在该比例行程中，可执行控制以根据施加到线圈的电流准确地将电枢移动到所需位置并使电枢抵抗负载变化保持在所需位置。

背景技术

比例螺线管的行程包括比例行程部分和非比例行程部分。在比例行程部分中，螺线管可产生大致与施加到线圈的电流成比例的磁力，且电枢的位置可通过磁力控制。在非比例行程部分中，不可执行这种控制。通常，仅使用比例行程部分。

传统比例螺线管通常具有大约2或3mm的上述比例行程长度、且具有大的体积。从而，比例螺线管具有比例范围(上述比例行程)的10倍以上的长度，使得制造成本增加。

专利文献1示出了用于延长行程的比例范围的传统方法的示例。

图11是公开于专利文献1中的比例螺线管的说明图。

图11(a)是剖视图，示出了除缠绕在筒管上的线圈、和形成磁路径的轭铁以外的比例螺线管的基本部分。

静止磁芯101在其朝向电枢102侧的端部处具有环状凸出部103。环状凸出部103具有向着中心轴线延伸的截头锥形表面103a、和形成在环状凸出部103中的中心凹部108。

电枢102在其朝向静止磁芯101侧的端部处具有环状凸出部104，环状凸出部104被接收在凹部108中。环状凸出部104具有锥形凹部104b，该锥形凹部104b具有从中心轴线向外延伸的锥形表面104a。

如图11(b)所示，静止磁芯101的具有向内延伸的截头锥形表面103a的环状凸出部103、和电枢102的具有向外延伸的锥形表面104a的环状凸出部104以相互交叠的方式移动的这种锥形部分具有包括线性段的力-行程特性曲线。

在图11(b)中，线B和线C之间的特性曲线111是大致恒定的力-行程特性曲线，线C与线E之间的特性曲线112示出了超行程。当需要超过特性曲线111的另外行程间隔时，使用超行程。线A和线B之间的虚线特性曲线110通常是不良的力升高特性曲线。

为了消除力升高特性曲线110，厚度等于线A和线B之间的长度的非磁性黄铜垫片105作为止挡件设置在线B和线A之间的一部分行程处。具体地讲，垫片105被固定到推杆106，使得设置在静止磁芯101的凹部108的表面与电枢102的凸出部104的端面之间。

专利文献1：日本特开平S61-287108。

在专利文献1所描述的示例中，大致恒定的磁力-行程特性曲线111具有大约3.3mm的长度，这不是非常长的行程。大致恒定的磁力-行程特性曲线111在图中表现为直线。然而，图仅仅示出了粗略的特性曲线，且恒定的磁力-行程特性曲线的获得并没有得到本领域普通技术人员的认可。使用了其中静止磁芯101的具有向内延伸的截头锥形表面103a的环状凸出部103、和电枢102的具有向外延伸的锥形表面104a的环状凸出部104以相互交叠的方式移动的锥形部分的技术可以被理解为用于窄的行程范围的技术。而且，锥形凹部104b长，因此难以加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种行程与总尺寸的比值高的长比例行程执行电动机。

本发明的另一目的是提供这样一种长比例行程执行电动机，与传统情况相比，该长比例行程执行电动机能够相对于其总尺寸提供较长的比例行程。

本发明的长比例行程执行电动机可特别地应用于需要4mm或更大的比例行程的应用场合。

为了实现上述目的，本发明在主要考虑对行程的比例范围有影响的因素例如引导部件的结构、电枢的结构和执行电动机的总结构的情况下采用以下方案。

(1)长比例行程执行电动机包括：磁回路，所述磁回路构造成使由非磁性材料制成的间隔件置于由磁性材料制成的引导部件与由磁性材料制成的套筒之间；以及由磁性材料制成的、且可移动地安装在所述磁回路的内部中的电枢。所述引导部件靠近于所述间隔件的端部截面轮廓的与所述电枢相反的一侧包括位于满足以下表达式1中的两个公式的曲线上的多个点。

[表达式1]

$\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dX}}>0,$

$\frac{d^{2}Y}{d{X}^2}>0,$

其中，X是引导部件的轴向坐标；X轴的正向是通过施加激励电流而使电枢被吸引的方向；Y是引导部件上的沿着正交于X轴的方向的坐标。

下面描述上述特征。所述引导部件的端部的截面轮廓的径向外侧的曲线被形成为表达式1中的两个公式所表示的曲线。具体地讲，如在引导部件的端部的截面轮廓上所看到的，满足表达式1中的两个公式的曲线从该截面轮廓的前端侧(与间隔件接触)的径向内端(朝向电枢侧，且用作参考点)向外(向着与电枢相反的一侧)形成。这样，引导部件的端部的外周表面呈现曲面的形式，该曲面的截面具有上述曲线。

外侧横截面形状由满足表达式1中的两个公式的曲线限定的引导部件端部的外周曲面产生以下效果：电枢的比例行程中的位置0对应于图11(b)中的恒力行程中的位置B，且在与位置0对应的初始阶段之后，总磁导与行程的比值的增加速率随着电枢的前行陡然增大。通过该方法，磁回路的总磁导即使在2或3mm的行程之后也不会下降，从而，磁力保持恒定的行程可为4mm或更大。

上述截面曲线轮廓是精致的，从而难以加工。因此，为了在实际中基本实现截面轮廓的曲线的作用和为了便于加工，多个台阶部分设置成使引导部件的端部的截面轮廓的上述径向外曲线(满足表达式1中的两个公式)上的多个点位于所述台阶部分的相应拐角处；换言之，使所述台阶部分的凹入拐角离散地位于曲线上。具有这种台阶部分的引导部件端部与截面轮廓具有满足表达式1中的两个公式的径向外曲线的引导部件端部大致产生相同的效果。

(2)在根据上述(1)的长比例行程执行电动机中，所述曲线被形成，使得在所述引导部件的存在所述电枢的内侧上测量的所述曲线与所述套筒之间的距离比在所述引导部件的与所述电枢相反的外侧上测量的所述曲线与所述套筒之间的距离小。

(3)在根据上述(1)或(2)的长比例行程执行电动机中，所述引导部件的截面轮廓具有包括多个台阶部分的形状，所述多个台阶部分被形成为使所述截面轮廓的曲线上的多个点位于所述台阶部分的相应凹入拐角处。

(4)在根据上述(1)至(3)中任一的长比例行程执行电动机中，所述电枢朝向所述引导部件侧的侧表面的一部分被形成为锥形表面，使得所述电枢与所述引导部件之间的径向间隙向着所述引导部件增大。

(5)在根据上述(1)至(4)中任一的长比例行程执行电动机中，所述电枢具有包括三个或更多个台阶部分的凹部。

(6)根据上述(1)至(5)中任一的长比例行程执行电动机还包括磁力产生部分和弹性件。所述磁力产生部分被构造，使得线圈设置在由构成磁路径的所述引导部件、所述套筒、和由磁性材料制成的壳体限定的空间中；使得所述引导部件和所述套筒经由所述间隔件连接在一起，从而形成具有圆柱形形状的串联磁回路；使得构成磁路径的所述电枢可移动地设置在圆柱形串联磁回路内；以及使得所述电枢与串联磁回路之间的相对位置通过向所述线圈施加电流改变，从而在所述电枢与串联磁回路之间产生大小上与施加电流大致成比例的磁力。所述弹性件与所述电枢和串联磁回路之间的相对位置的变化大致成比例地变形，从而产生与磁力相反指向的弹力。

通过采用上述解决方案，本发明产生以下效果。

本发明可实现先前不存在的长比例行程。

由于传统上出现于行程的初始阶段的不良的力升高特性可被改进成实际可用的恒力特性，因此，行程可从起始到终点得到有效利用。由于长比例执行电动机的轴向长度可根据有效行程的长度确定，因此，与传统情况相比，轴向长度可得到缩短。

锥形表面形成在电枢的径向外侧，且具有不同直径的多个环状台阶部分连续地形成在引导部件的径向外侧。从而便于制造。

通过使电枢的凹部和引导部件的环状凸出部为抛物面，可形成没有不起作用的磁路径，从而，结构可得到简化。

而且，由于电枢的外侧表面被形成为锥形表面，因此，可在电枢与引导部件之间、以及在电枢与套筒的圆柱形内表面之间形成间隙。该间隙的存在可改进力-行程特性中的不良的力升高特性。

附图说明

图1是本发明的长比例行程执行电动机的纵向剖视图；

图2是曲线图，示出了在施加到电机的不同激励电流下的根据本发明的实施例1的长比例行程执行电动机的输出与行程之间的关系；

图3是说明图，以灰度级示出了在0mm的行程和0.062A的激励电流下的磁通密度的分布；

图4是说明图，以灰度级示出了在1mm的行程和0.062A的激励电流下的磁通密度的分布；

图5是说明图，以灰度级示出了在2mm的行程和0.062A的激励电流下的磁通密度的分布；

图6是说明图，以灰度级示出了在3mm的行程和0.062A的激励电流下的磁通密度的分布；

图7是说明图，以灰度级示出了在4mm的行程和0.062A的激励电流下的磁通密度的分布；

图8是说明图，概括了图3至图7的高磁通密度区域的变化；

图9是说明图，概括了已参看图8进行的研究结果；

图10是用于说明电枢的结构对本发明的长比例行程执行电动机的电磁力的影响；以及

图11是专利文献1中公开的比例螺线管的说明图。

附图标记的描述：

1：长比例行程执行电动机

2：轴

2a：滚花

3：电枢

3a：锥形表面

3b：端部

3c、3d、3e：台阶部分

3f：凹部

4：前保持部件

4a、6a：通孔

5、7：滑动轴承

6：后保持部件

8：压缩弹簧

10：线圈

11：引导部件

11a：端部板部分

11b：圆柱形部分

11c：环状凸出部

11d、11e、11f：台阶部分

11g：纵向

12：间隔件

13：套筒

13a：端部板部分

13b：圆柱形部分

13c：面

14：壳体

15：间隙

具体实施方式

下面，描述本发明的解决方案的推导过程。此外，将参看附图详细地描述本发明的实施例。

为使本发明的执行电动机的磁力大小上与激励电流成比例，磁回路中的除引导部件的端部和电枢的端部以外的构件设计成在额定激励电流内具有满足下面的表达式2中的两个公式的磁导率：

[表达式2]

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dH}}>0,$

$\frac{\mathrm{d\&mu;}}{\mathrm{dh}}=\frac{d^{2}B}{d{H}^2}<0,$

其中，μ是材料的磁导率；B是磁回路的构件中的磁通密度；H是施加到磁回路的构件的磁场强度。

执行电动机的磁力满足下面的表达式3：

[表达式3]

$F=\frac{1}{2}{I}^2{N}^2\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dX}}=\frac{1}{2}{I}^2{N}^2\frac{d}{\mathrm{dX}}\left(\frac{1}{R}\right),$

其中，F是执行电动机的磁力；I是施加到线圈的激励电流；N是线圈的匝数；P是磁回路的总磁导；R是磁回路的总磁阻；X是电枢的行程。从表达式3显见，当激励电流和匝数恒定时，使磁力保持为恒定值的必要和充分条件是，总磁导与行程的比值的变化速率保持为恒定值。

本发明中的串联磁回路的总磁阻是磁回路的各构件的磁阻之和。通过施加激励电流而被施加到磁回路的总磁通势是要施加到磁回路的各构件的磁通势之和。当激励电流和线圈的匝数是恒定的时，执行电动机的总磁通势变得是恒定的。在这种情况下，随着电枢从比例行程中的位置0前行，引导部件的端部和电枢的端部的磁阻越来越低，即引导部件的端部和电枢的端部的磁导增大。因此，施加到磁回路的除引导部件的端部和电枢的端部以外的部分的磁通势增大，从而，磁场强度增大，使得磁通密度B增大。如表达式2所表示的，磁回路中的除引导部件的端部和电枢的端部以外的每个构件的磁通密度随着其中的磁场强度的增大而增大；然而，增速连续降低。因此，对于磁回路中的除引导部件的端部和电枢的端部以外的构件，磁导与行程的比值的变化速率连续降低。为了使磁回路的总磁导与行程的比值的变化速率沿着最长可能行程保持恒定，根据上述专利文献1公开的传统方案，使引导部件的端部和电枢的端部为锥形形式，从而对于引导部件的端部和电枢的端部，磁导与行程的比值的变化速率随着电枢从比例行程中的位置0前行而增大。在这种情况下，引导部件的端部的锥形截面轮廓的倾斜线满足表达式4中的两个公式：

[表达式4]

$\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dX}}>0,$

$\frac{d^{2}Y}{d{X}^2}>0,$

然而，根据该方案，磁回路的总磁导与行程的比值的变化速率仅在2或3mm的行程内是恒定的。为了实现4mm或更大的比例行程，根据已基于电磁场分析软件的数字模拟结果和试验研究结果获得的本发明的解决方案，引导部件的端部的截面轮廓的外曲线满足表达式1中的两个公式。外侧横截面形状由满足表达式1中的两个公式的曲线限定的引导部件端部的外周曲面产生以下效果：电枢的比例行程中的位置0与图11(b)中的恒力行程中的位置B对应，且在与位置0对应的初始阶段之后，总磁导与行程的比值的增大速率随着电枢的前行而陡然增大。通过这点，磁回路的总磁导甚至在2或3mm的行程之后也不降低，从而，磁力恒定的行程可为4mm或更大。

截面轮廓的上述曲线是精致的，因此难于加工。从而，为了在实际中大致保持截面轮廓的曲线的作用以及为了便于加工，多个台阶部分设置成使引导部件的端部的截面轮廓的上述径向外曲线(满足表达式1中的两个公式)上的点位于所述台阶部分的相应拐角处；换言之，设置成使台阶部分的拐角离散地位于曲线上。具有这种台阶部分的引导部件端部与截面轮廓具有满足表达式1中的两个公式的径向外曲线的引导部件端部产生大致相同效果。

在一些情况下，由于引导部件的圆柱形部分因执行电动机受到的结构限制而为薄壁，因此上述曲线不可延长。在这种情况下，通过如图1所示地使电枢的端部的外表面为锥形从而增强引导部件的端部的作用，本发明的另一解决方案实现了4mm或更大的比例行程。与上述专利文献1的示例相比，由于锥形部分存在于电枢的径向外表面上，因此对于引导部件的端部和电枢的端部，磁导与行程的比值的变化速率随着电枢的前行而大大增大，这是因为电枢的横截面面积具有更大的增大速率且空气间隙降低。此外，便于加工和测量。

为了使执行电动机沿着4mm或更大的比例行程输出较恒定的电磁力，如图1所示，本发明在电枢的径向内表面上提供了多个台阶部分，从而，提供了用于通过电枢的横截面面积的变化精细地调节所要求的位置的磁导的方案。

上面所描述的内容概括如下。

本发明的解决方案(1)：

在具有长比例行程的长比例行程执行电动机中，使串联磁回路的引导部件的端部的截面轮廓为满足表达式1中的两个公式的曲线。

这可将比例行程延长到例如4mm或更大，且可产生大致线性的引力-行程特性曲线。而且，对于不同的驱动电流，均可产生大致线性的引力-行程特性曲线。

在以下描述的实施例中，上述曲线通过一系列台阶部分大致形成，即，一系列台阶部分被形成为使曲线上的点与台阶部分的相应拐角对应。作为实际形成特殊曲线的替代方法，特殊曲线可容易地通过简单的加工过程例如切削出台阶部分大致形成。由于磁阻有效地作用而使得磁通不会通过台阶部分的凸出拐角，因此，如果形成了被磁通通过的路径，则对于用作磁路径的路径，台阶部分形成在该路径的外侧不会引起任何问题。

此外，上述表达式1与表达式4明显不同，表达式4用于上述专利文献1中公开的比例螺线管的锥形表面。

例如，在具有圆柱形部分的壁厚为2.5mm的引导部件、且具有5mm的比例行程的执行电动机的情况下，引导部件的前端部的截面轮廓的曲线满足下面的表达式5，

[表达式5]

Y＝0.030X²+0.304X+0.620

当引导部件的圆柱形部分具有2.5mm的壁厚时，本发明实现4mm和5mm的比例行程。本发明也可实现较长的比例行程。在具有5mm的比例行程的执行电动机的情况下，执行电动机的尺寸与具有4mm的比例行程的执行电动机的尺寸相同，除了引导部件的端部和电枢的端部的尺寸以外。不同的是，台阶部分的数目、引导部件的端部的直径、和电枢的端部的锥形表面的角度。

通过采用本发明的上述解决方案(1)，即，使串联磁回路的引导部件的端部的截面轮廓为满足表达式1中的两个公式的曲线的方案，引力-行程特性曲线具有实际要求水平的线性度。当所需线性度水平相当高时，换言之，当所需线性度在微观下也处于高的水平时，本发明的上述解决方案(1)与用作精细调节方案的下述解决方案(2)相组合。

本发明的解决方案(2)：

在具有延长的比例行程的长比例行程执行电动机中，使电枢的端部的径向外表面为锥形表面，使得电枢与引导部件之间的间隙向着引导部件的端部增大。这产生以下效果：在行程的初始阶段，间隙的磁阻增大，从而降低磁引力，随着行程的推进，间隙逐渐降低，从而建立大致恒定的引力特性。锥形表面相对于引导部件的径向内表面的角度可任意确定。

通过采用本发明的上述解决方案(1)、即用于使串联磁回路的引导部件的端部的截面轮廓为满足表达式1中的两个公式的曲线的方案，以及采用本发明的解决方案(2)、即用于使电枢的端部的径向外表面为锥形表面的方案，引力-行程特性曲线具有实际所需水平的线性度。当所需的线性度水平极其高时，换言之，即使在超微观下观察时也要求具有线性的情况下，本发明的上述解决方案(1)和(2)与用作精细调节方案的下述解决方案(3)相组合。

本发明的解决方案(3)：

在具有延长的比例行程的长比例行程执行电动机中，电枢构造成使环状凸出部从柱的轴向端部凸出。具有不同直径的多个，在此为三个，台阶部分从环状凸出部的端部连续形成在电枢中，从而形成凹部。为了使执行电动机沿着比例行程输出较恒定的电磁力，凹部充当用于通过改变电枢的横截面面积精细地调节所需位置的磁导的方案，从而，建立大致恒定的引力特性。

如图1所示，对于应用了解决方案(1)的长比例行程执行电动机来说，解决方案(2)和(3)的选择应用的效果将得到验证。

图10是用于解释电枢的结构对本发明的长比例行程执行电动机的电磁力的影响。

在此讨论的电枢的径向外表面上的锥形表面在图1中表示为锥形表面3a。类似地，在此讨论的形成在电枢的径向内表面上的台阶部分在图1中表示为台阶部分3c、3d和3e。

在图10中，特性曲线T1是在激励电流为0.093A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上存在锥形表面；电枢的径向内表面上存在台阶部分。

类似地，特性曲线T2是在激励电流为0.279A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上存在锥形表面；电枢的径向内表面上存在台阶部分。

特性曲线T3是在激励电流为0.093A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上不存在锥形表面；电枢的径向内表面上存在台阶部分。

类似地，特性曲线T4是在激励电流为0.279A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上不存在锥形表面；电枢的径向内表面上存在台阶部分。

特性曲线T5是在激励电流为0.093A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上存在锥形表面；电枢的径向内表面上不存在台阶部分。

类似地，特性曲线T6是在激励电流为0.279A的情况下的电磁力-行程特性曲线；电枢的径向外表面上存在锥形表面；电枢的径向内表面上不存在台阶部分。

这些特性下面概括于表1中。

[表1]

电枢的结构对执行电动机的电磁力的影响

T(情况编号)行程	T1	T2	T3	T4	T5	T6
							0.00	1.75	7.30	2.30	8.45	1.75	7.55
1.00	1.75	7.85	2.07	8.40	1.75	7.70
							2.00	1.85	7.95	2.20	8.60	1.85	7.10
3.00	1.70	7.95	1.75	8.00	1.70	7.30
							4.00	1.70	7.70	1.50	7.25	1.70	7.85

从图10中的特性曲线显见，尽管提供了先前不存在的长行程，但电磁力特性得到了大大改善。例如，在电枢的径向外表面上存在锥形表面、电枢的径向内表面上存在台阶部分的情况T1和T2下，特性曲线具有同一激励电流的相应组中最高的线性度，且被认为实际上是直的。在电枢的径向外表面上存在锥形表面、电枢的径向内表面上不存在台阶部分的情况T5和T6下，特性曲线具有同一激励电流的相应组中第二高的线性度，且被认为是大致直的、实际中不存在问题。

在电枢的径向外表面上不存在锥形表面、电枢的径向内表面上存在台阶部分的情况T3和T4下，特性曲线具有同一激励电流的相应组中第三高的线性度，且被认为与传统相应情况相比具有大大提高的线性度、实际中不存在问题。

总之，如上所述，本发明的解决方案(3)可提高行程-电磁力特性曲线的线性度。而且，本发明的解决方案(2)可比本发明的解决方案(3)更能提高行程-电磁力特性曲线的线性度。

因此，通过将本发明的解决方案(1)与解决方案(2)和解决方案(3)合适组合，与仅采用解决方案(1)的情况相比，行程-电磁力特性可得到更好提高。

实施例

本发明实质上是基于解决方案(1)、需要时另外又与解决方案(2)和解决方案(3)组合实施的。

下面，将参看附图描述采用了本发明的所有解决方案(1)、(2)和(3)的实施例。对实施例所作的以下描述将阐明本发明的解决方案(1)、(2)和(3)的基本构造、作用、效果等。

图1是根据本发明的实施例的长比例行程执行电动机1的剖视图。

电枢3经由轴2的表面上的滚花2a固定到轴2。

电枢3具有柱部分和从柱部分的轴向端部凸出的环状凸出部3A。环状凸出部3A的径向外表面被形成为具有小的倾角θ的锥形表面3a。具有不同直径的多个台阶部分3c、3d和3e从环状凸出部3A的端部3b连续形成在电枢3中，从而形成凹部3f。从端部3b到台阶部分3c的轴向长度L31比从台阶部分3c到台阶部分3d的轴向长度L32和从台阶部分3d到台阶部分3e的轴向长度L33长。优选地，台阶部分定位成使将台阶部分的凹入拐角连起来的线为抛物线的形式。此外，抛物面可替代由台阶部分形成的连续台阶表面。

轴2的一个端部***通过由非磁性材料制成的前保持部件4的通孔4a，并由设在前保持部件4中的滑动轴承5支撑。轴2的另一端部***通过由非磁性材料制成的后保持部件6的通孔6a，并由设在后保持部件6中的滑动轴承7支撑。

起着压缩弹簧的作用、且提供与电磁力相反的力的弹簧8设置成与前保持部件4接触、和与电枢3的凹部3f接触。通过调节激励电流的幅度，电枢可移动到并保持在行程中的弹簧力与电磁力相平衡的任何位置处。

激励线圈10容纳在具有矩形、管状截面的磁回路(引导部件、间隔件、套筒和壳体)内。

引导部件11由磁性材料特别是铁磁性材料制成，且构造成使圆柱形部分11b连接到环状端部板部分11a的内周。圆柱形部分11b未连接到端部板部分11a的自由端部用作环状凸出部11c。多个台阶部分11d、11e和11f以使沿着圆柱形部分11b的纵向的长度11g从外周向内周增大的方式连续地设在环状凸出部11c上。优选地，台阶部分定位成使将台阶部分的凹入拐角连起来的线为抛物线的形式。而且，抛物面可替代由台阶部分形成的连续台阶表面。

设在作为引导部件11的圆柱形部分的环状凸出部11c上的具有不同直径的多个台阶部分11d、11e和11f被形成为使具有不同直径的相邻台阶部分之间的径向厚度差向着电枢逐渐降低。

套筒13由磁性材料特别是铁磁性材料制成，且构造成使圆柱形部分13b连接到环状端部板部分13a的内周。圆柱形部分13b的与端部板部分13a相反的自由端部被形成为正交于轴向的面13c。

非磁性材料例如合成树脂被填充在引导部件11的圆柱形部分11b与套筒13的圆柱形部分13b之间，从而形成间隔件12。间隔件12向着电枢偏移通过引导部件11和套筒13的磁通。

引导部件11的圆柱形部分11b的径向内表面(内周面)、间隔件12的径向内表面、和套筒13的圆柱形部分13b的径向内表面构成用于使电枢3可光滑移动的连续圆柱形表面。为了根据行程的推进在电枢3的径向外表面3a与引导部件11的圆柱形部分11b的径向内表面之间、以及在电枢3的径向外表面3a与套筒13的圆柱形部分13b的径向内表面之间形成间隙15，电枢3的径向外表面3a被形成为锥形表面。

圆柱形壳体14由磁性材料制成，且局部构成磁路径。壳体14设置成封闭包括引导部件11、间隔件12和套筒13且具有类似于有点方的字符U的截面的磁回路的开口。

根据实施例1的结构的特征1，电枢3的径向外表面3a被形成为锥形表面，从而提供了用于根据行程的推进在电枢3的径向外表面3a与引导部件11的圆锥形部分11b的径向内表面之间、以及在电枢3的径向外表面与套筒13的圆柱形部分13b的径向内表面之间形成间隙15的方案。

根据实施例1的结构的特征2，具有不同直径的多个台阶部分从环状凸出部3A的端部连续形成在电枢3中，从而形成凹部3f。

根据实施例1的结构的特征3，具有不同直径的多个台阶部分以使圆柱形部分11b的长度11g从外周向内周增大的方式形成在引导部件11的环状凸出部11c上。

根据实施例1的结构的特征4，引导部件的端部的径向外表面和电枢的端部的径向内表面以接近抛物面的方式呈现出多个连续形成的台阶部分的形式。通过这种特征，电磁力-行程特性曲线可以使得力保持恒定的行程延长。

(特性)

表2和图2示出了实施例1的长比例行程执行电动机中的输出与行程之间的关系。

[表2]

执行电动机中的输出-行程

	电流(A)	功率(W)	行程中各点处的输出(N)
								0mm	1mm	2mm	3mm	4mm
			1	0.062	0.293	0.800	0.850						0.900	0.900	0.850
2	0.093	0.660						1.700	1.750	1.800	1.750	1.650
			3	0.124	1.173	2.700	2.700						2.950	2.800	2.650
4	0.155	1.833						3.500	3.900	3.900	3.900	3.700
			5	0.186	2.640	4.300	5.150						4.850	4.950	4.750
6	0.217	3.593						5.500	6.200	5.850	6.000	5.750
			7	0.248	4.693	6.250	7.000						6.900	6.950	6.850
8	0.279	5.939						7.300	7.850	7.950	7.950	7.650
			9	0.310	7.549	8.400	8.650						8.950	8.900	7.550

关于表2和图2中的单位，电流通过安培(A)表示。功率通过瓦特(W)表示；输出通过牛顿(N)表示。

如图2所示，输出与行程之间的关系如下。在小的激励电流下，例如，在0.062A和0.092A下，特性曲线沿着0mm至4mm范围内的整个行程几乎是直的。在其他电流下，作为比例执行电动机，特性曲线在使用中不存在问题。

在0.186A和0.217A的电流下，在图2中，特性曲线在0mm至1mm范围内的行程处出现一些波动。然而，在行程的范围中，工作点(特性曲线与压缩弹簧的弹力曲线的交点)不存在；因此，实际中不存在问题。

(磁路径的形状的验证)

在形成磁路径方面，上述实施例的电枢3和引导部件11的形状的有效性将参看电磁场仿真结果进行描述。接着，磁路径的形状将从磁通密度的密集程度获知。引导部件的材料的饱和磁通密度是1.67特斯拉。

图3是说明图，以灰度级示出了当电枢位于0mm的行程处时在0.062A的激励电流下的磁通密度的分布。

可看出在电枢的凸出端部和引导部件的凸出端部处形成磁路径。某部分的阴影越浅，通过该部分的磁通密度就越低。从图3显见，当电枢位于该位置时，通过磁回路的磁通主要受引导部件的最末端的台阶部分的壁厚和电枢的端部的锥形表面的角度限制。

图4是说明图，以灰度级示出了当电枢位于1mm的行程处时在0.062A的激励电流下的磁通密度的分布。

从图4显见，当电枢位于该位置时，通过磁回路的磁通主要受引导部件的最末端的台阶部分与第二台阶部分之间的凹入拐角的位置、和电枢的端部的锥形表面的角度限制。此外，从图4显见，基本没有磁通通过第二台阶部分的凸出拐角部分。

图5是说明图，以灰度级示出了当电枢位于2mm的行程处时在0.062A的激励电流下的磁通密度的分布。

从图5显见，当电枢位于该位置时，通过磁回路的磁通主要受引导部件的第二台阶部分与第三台阶部分之间的凹入拐角的位置、引导部件的最末端的台阶部分与第二台阶部分之间的凹入拐角的位置、和电枢的端部的锥形表面的角度限制。此外，从图5显见，基本没有磁通通过第二台阶部分的凸出拐角部分。

图6是说明图，以灰度级示出了当电枢位于3mm的行程处时在0.062A的激励电流下的磁通密度的分布。

从图6显见，当电枢位于该位置时，通过磁回路的磁通主要受引导部件的第二台阶部分与第三台阶部分之间的凹入拐角的位置、引导部件的最末端的台阶部分与第二台阶部分之间的凹入拐角的位置、和电枢的端部的锥形表面的角度限制；而且，磁通密度在第三台阶部分与第四台阶部分之间的凹入拐角的位置处开始上升。此外，从图6显见，基本没有磁通通过第二台阶部分的凸出拐角部分和第三台阶部分的凸出拐角部分。

图7是说明图，以灰度级示出了当电枢位于4mm的行程处时在0.062A的激励电流下的磁通密度的分布。

从图7显见，与图6相比，当电枢位于该位置时，通过磁回路的磁通主要受引导部件的第二台阶部分与第三台阶部分之间的凹入拐角的位置、引导部件的最末端的台阶部分与第二台阶部分之间的凹入拐角的位置、和电枢的端部的锥形表面的角度限制；而且，在第三台阶部分与第四台阶部分之间的凹入拐角的位置处磁通密度高，且在电枢中磁通密度高。此外，从图7显见，基本没有磁通通过第二台阶部分的凸出拐角部分、第三台阶部分的凸出拐角部分和第四台阶部分的凸出拐角部分。

图8是说明图，概括了图3至7的磁通密度的变化。电枢和引导部件之间的位置关系是当电枢位于4mm的行程处。表示高磁通密度区域的虚线对应于图3至7中的那些区域。

将从通过引导部件的台阶部分的磁通密度的变化并参看图8描述为获得恒定的磁力所需的引导部件的截面轮廓。类似地，将描述电枢的所需截面轮廓。

根据行程，需要引导部件的区域G1，但在端部包括一些边沿部分。由于以下原因，对于磁路径的形成来说，需要该结构。当电枢位于0mm的比例行程处时，引导部件的最末端的台阶部分的薄壁厚度、和电枢与引导部件之间的宽的空气间隙提供了高的磁阻。高的磁阻降低了通过磁回路的磁通，且使得磁通部分泄漏，从而，抑制了在前述专利文献1中公开的比例螺线管的情况下会出现的通常在行程的初始阶段观察到的不良的力升高特性。

基本没有磁通通过区域G2、区域G4和区域G5；因此，对磁路径的形成来说，不需要这些区域，从而，这些区域可省去。需要区域G3。

根据行程，需要电枢的区域A1，但在端部包括一些边沿区域。如前所述，需要该结构，这是因为该结构抑制了在前述专利文献1中公开的比例螺线管的情况下会出现的通常在行程的初始阶段观察到的不良的力升高特性。基本没有磁通通过区域A2和区域A4，因此，不需要这些区域，从而可省去这些区域。需要区域A3。

图9是说明图，概括了已参看图8进行的研究结果。

在磁回路方面，图8中的电枢的凹部的截面轮廓通过图9的线La表示，引导部件的台阶部分的截面轮廓通过图9的线Lg表示。在图9中，线La和线Lg是电枢和引导部件的截面轮廓的各部分的外形，每个截面轮廓具有多个连续形成的台阶部分，如在省去之后从截面轮廓可看到的是，对提供恒定磁力的磁回路的形成不起作用的那些区域。如图9所示，线La和线Lg是抛物线。图8中出现的线La和线Lg是图9的线La和线Lg，它们在图8中为参考目的而被示出。

通过采用用于近似长比例行程执行电动机的倾斜表面的连续台阶部分，便于制造，这是因为加工这种台阶部分是容易的。

Claims (6)

1.一种长比例行程执行电动机，包括：磁回路，所述磁回路构造成使由非磁性材料制成的间隔件置于由磁性材料制成的引导部件与由磁性材料制成的套筒之间；以及由磁性材料制成、且可移动地安置在所述磁回路的内部的电枢，其中，所述引导部件靠近于所述间隔件的端部截面轮廓与电枢相反的一侧包括位于满足以下表达式6中的两个公式的曲线上的多个点：

[表达式6]

$\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dX}}>0,$

$\frac{d^{2}Y}{d{X}^2}>0,$

其中，X是引导部件的轴向坐标；X轴的正向是通过施加激励电流而使得电枢被吸引的方向；Y是引导部件上沿着正交于X轴的方向的坐标。

2.如权利要求1所述的长比例行程执行电动机，其特征在于，所述曲线被形成，使得在所述引导部件的存在所述电枢的内侧上测量的所述曲线与所述套筒之间的距离比在所述引导部件的与所述电枢相反的外侧上测量的所述曲线与套筒之间的距离小。

3.如权利要求1或2所述的长比例行程执行电动机，其特征在于，所述引导部件的截面轮廓具有包括多个台阶部分的形状，所述多个台阶部分被形成为使所述截面轮廓的曲线上的多个点位于所述台阶部分的相应凹入拐角处。

4.如权利要求1至4中任一所述的长比例行程执行电动机，其特征在于，所述电枢朝向所述引导部件侧的侧表面的一部分被形成为锥形表面，使得所述电枢与所述引导部件之间的径向间隙向着所述引导部件增大。

5.如权利要求1至4中任一所述的长比例行程执行电动机，其特征在于，所述电枢具有包括三个或更多个台阶部分的凹部。

6.如权利要求1至5中任一所述的长比例行程执行电动机，其特征在于，它还包括磁力产生部分和弹性件，其中，所述磁力产生部分被构造，使得线圈设置在由构成磁路径的所述引导部件、所述套筒、和由磁性材料制成的壳体限定的空间中；使得所述引导部件和所述套筒经由所述间隔件连接在一起，从而形成具有圆柱形形状的串联磁回路；使得构成磁路径的所述电枢可移动地设置在圆柱形串联磁回路内；以及使得所述电枢与串联磁回路之间的相对位置通过向所述线圈施加电流改变，从而，在所述电枢与串联磁回路之间产生大小上与施加电流大致成比例的磁力；其中，所述弹性件与所述电枢和串联磁回路之间的相对位置的变化大致成比例地变形，从而产生与磁力相反指向的弹力。

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