CN1930762A - 具有振荡电枢部件和弹簧的线性驱动单元 - Google Patents

Abstract

驱动单元(10)包含励磁线圈(11)、磁性电枢部件(15)、以及至少一个弹簧(2、2′)，通过所述线圈的磁场将磁性电枢部件(15)设置在轴向(x)的中心位置(Mp)附近的振荡振动运动中，以固定的方式将弹簧(2、2′)固定在固定位置(B、B′)，并且弹簧(2、2′)的振荡端(A、A′)与电枢部件(15)搭合，沿运动方向起作用。在电枢部件(15)的中心位置(Mp)，为了在平衡位置时对电枢部件进行适当地偏移，将弹簧(2、2′)与电枢部件(15)的搭合点(A、A′)关于固定位置(B、B′)轴向偏移预定距离(Δx)。

Description

具有振荡电枢部件和弹簧的线性驱动单元

技术领域

本发明涉及一种线性驱动单元

-包含至少一个励磁线圈，

-包含磁性电枢(armature)部件，通过线圈的磁场将该磁性电枢部件设置在轴向的中心位置附近的线性振荡运动中，以及

-包含至少一个弹簧，以固定的方式将弹簧进行固定，并且弹簧的振荡端对电枢部件沿运动方向起作用。

背景技术

从JP 2002-031054 A中推导出相应的驱动单元。

特别使用相应的驱动单元，来将压缩机的泵活塞设置为线性振荡运动。因此，也将包含这种压缩机和线性驱动单元的***称为线性压缩机(见最初提到的JP-A说明书)。

在相应的已知线性压缩机中，拥有通常是圆盘形的片弹簧的电枢部件(见最初提到的JP-A说明书)构成了具有某种特征振荡频率的弹簧质量***。如果线性压缩机在50Hz上(即在主频上)振荡，根据常规的现有技术，将结合电枢质量对两个片弹簧的弹簧常数进行设计，使得弹簧质量***的特征频率是50Hz。此外，弹簧的平衡位置对应于所期望的电枢振荡的中心位置。在运行期间，这样设计的线性压缩机仅提供有限的效率并且显示相对较低的启动性能。

因此，本发明的目标是改善具有上述特征的线性驱动，使得其相对于现有技术来说具有较高的效率并且允许其更容易更快速地启动。

发明内容

为了实现该目标，线性驱动单元包含在权利要求1中指定的特征。从而，在电枢部件的中心位置上，将弹簧对电枢部件的作用点相对于弹簧的固定位置轴向地移位预定距离。在这种情况下，将电枢部件的中心位置理解为电枢部件振荡期间在其两个最大横向偏移之间所选定的位置。

当电枢部件位于其平衡位置时，作为对弹簧给定预压力的结果，然后将该电枢部件朝向相对于中心位置的一侧移位。

特别地，与驱动单元的该实施例相关的优点可见于较低的电损耗、较高的效率、以及更容易对电枢运动进行控制和调整的事实之中。另外，改善了驱动单元的启动性能。

从从属权利要求中推导出根据本发明的驱动单元的多个优选实施例。同时，可以将根据权利要求1的实施例与从属权利要求中的一个的特征相结合，或者优选地与多个从属权利要求的多个特征相结合。因此，可以将下列特征额外地提供给驱动单元：

-特别地，可以将所述至少一个弹簧配置为片弹簧，在横向于电枢部件的运动方向上固定该片弹簧。

-另外，可以在中心位置的两侧上提供多个弹簧。特别地，当使用片弹簧时，可能因此保持和控制电枢部件。

-此外，可以将电枢部件连接到压缩机的至少一个泵活塞上，其中，在远离压缩机的方向上提供所述至少一个弹簧在电枢部件上的作用点的轴向位移。特别地，该措施改善了包含电枢部件和活塞的***的启动性能。

-特别地，可以优选使用具有低弹簧常数或刚度的弹簧。以这种方式构成的弹簧特别适合于其作用点在根据本发明的电枢部件上的移位。

-根据弹簧的弹簧常数优选地选择所述至少一个弹簧的作用点的轴向移位。

-另外，如果选择了所述至少一个弹簧的弹簧常数，使得与总振荡质量相符的驱动单元的特征频率低于驱动磁力的频率，那么将特别有利。

从以前未讨论的权利要求和附图中获得根据本发明的驱动单元的更多有利实施例。

附图说明

以下参考附图对本发明进行详细说明。在附图中：

图1是示意图，其示出了贯穿根据本发明的驱动单元的横截面的对称轴的上部；

图2示出了在该驱动单元中的电枢运动和电作用力(electricallyinfluenced force)；以及

图3示出了用于设计弹簧的仿真结构。

具体实施方式

可以将本身已知的作用于电枢部件的振荡/运动方向的弹簧用于本发明的驱动单元。看起来特别适合于使用至少一个弹簧，最好使用两个片弹簧。为下文的示例性实施例选择这些片弹簧。这些片弹簧以在垂直于弹簧平面的振荡/运动的方向上的低刚度或者弹簧常数k，使得仍然可以获得足够好的横向稳定性或者将振荡的电枢部件保持在垂直于其运动方向上。当然，还可以使用诸如螺旋或者圈状弹簧的其它类型的弹簧。还可以以已知的方式为侧向引导提供支撑物。

图1主要示意性地示出了贯穿本发明的两部件线性驱动单元10的横截面的上部，即该图仅示出了位于对称轴S一侧的单元部分，该对称轴S沿振荡的轴向延伸。相应的结构对称的驱动单元本身已知(例如：见US 6 323 568 B1)。根据本发明的驱动单元10包含至少一个励磁线圈11，该励磁线圈11拥有至少一个相关的携带磁通量的磁轭体12。磁枢或者电枢部件15位于该磁轭体的中心沟道形开口或者狭缝形间隙13中。该电枢包含两个永磁铁9a和9b，其中一个轴向地排列在另一个之后，该两个永磁铁的相反的磁化方向由箭头线m1和m2指示。该电枢可以在线圈11的变化磁场中沿着轴向方向执行振荡运动，其中，其在中心位置Mp附近振荡。在轴向方向x上距离该中心位置的最大偏移，即振幅，由+L₁或-L₂表示。

如图中进一步所指示的，对电枢15的延伸部分作用于中心位置Mp两侧的作用点A或A′的两个片弹簧2和2′应该是固定的，以使得它们在所示的电枢15的中心位置沿x方向施加力。这里，x₀和-x₀表示弹簧2和2′在形成预压力情况下的作用点A和A′的(初始)位置，该预压力是通过电枢部件15将其两个磁部件9a和9b关于中心位置Mp对称排列所获得的。所述至少一个弹簧的弹簧常数k被很好地形成，使得与整个振荡质量m协同的驱动单元的特征频率

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}$

低于要由励磁线圈产生的驱动磁力的频率。可以通过计算的方法确定k值。

在根据本发明的驱动单元中，移除了弹簧力的电枢的平衡位置被朝向一侧移位预设距离Δx。相关的预拉紧力应该横向地沿着x方向起作用，其中，压缩机V或者其泵活塞位于x方向上。为了实现该目的，电枢15的至少一侧轴向地转变到横向延伸部分16，这里未详细表达，该横向延伸部分16刚性连接在压缩机V的泵活塞上。连接到线性驱动单元的线性压缩机的对应压缩机以及它们的各个部件属于现有技术(例如：见前述JP_2002-031054_A或者US 6 323 568 B1)。因此，将不对它们进行描述。

图1示出了当在其振荡运动期间精确位于对称于中心位置Mp时的电枢15。因此，在该位置处，将可靠地固定在固定点B或B′处的弹簧2和2′在其作用点A或A′处朝向远离压缩机侧的一侧弯曲距离Δx。结果是，在弹簧力不起作用的平衡位置中，电枢被从其(所示的)中心位置朝向压缩机V移位。

对于图2中的曲线，假定电枢15的中心点在点x_＝_-L₂和x_＝_+L₁之间运动，其中，例如，L₁和L₂各是大约10mm。作为例子，该图还示出了以N为单位的电作用力F_el(曲线K1)和以mm为单位的位置x(曲线K2)关于以秒为单位的时间的函数。由具有增大的线宽的表示为Ru的虚线指示电枢方向的反转位置。

包含驱动单元和压缩机的***的弹簧设计原理

对于下文的分析，假定线性驱动单元10，其电枢15连接到压缩机V的泵活塞上。为简便起见，假定L₁＝L₂＝L。

作用在电枢上的电磁力F_el的幅度为零或者具有固定值，力的符号总是可以被选择为使得该力作用在运动的方向上。电场力F_el仅对于距离的一部分a是非零的(0＜a＜1；在这里将a称为“工作循环”)。令k为运动方向上的弹簧常数的总和，并且令x₀为弹簧相对于电枢的中心位置的平衡位置。

对于 其对应于远离压缩机的返回行程，由等式(1)给出提供给电枢的电能：

表1

          E_el-＝F_el·2L·a                       等式(1)

并且从电枢一端的中心点x＝+L到电枢另一端的中心点x＝-L，弹簧势能如等式(2)变化：

表2

         ΔE_Spring＝(k/2)(-L-x₀)²-(k/2)(L-x₀)²   等式(2)

两个能量必须是相同的，即：

表3

         ΔE_Spring＝E_el-                         等式(3)

对于

其对应于朝向电枢的前向行程，由等式(4)给出提供给电枢的电能(相反)：

表4

         E_el+＝F_el·2L·a                        等式(4)

并且从电枢一端的中心点x＝-L到电枢另一端的中心点x＝+L，弹簧势能变化-ΔE_Spring。

对于恒定的振幅L，在一次振荡中提供的总的电能E_el＝E_el++E_el-以及可忽略的摩擦必须等于压缩机中使用的能量E_comp。

因此，由等式(5)获得电场力(假定为常数)：

表5

$F_{\mathrm{el}}=\frac{E_{\mathrm{comp}}}{4L\·a}$ 等式(5)

如果给定了弹簧常数k和电能E_el-(即电力F_el、振幅L和工作循环a)，那么可以通过将等式(1)和等式(2)代入等式(3)来计算所需的弹簧平衡位置：

表6

$x_0=\frac{E_{\mathrm{el}-}}{2k\·L}=\frac{F_{\mathrm{el}}\·2L\·a}{2k\·L}=\frac{F_{\mathrm{el}}\·a}{k}$ 等式(6)

从等式(6)可以看出：

弹簧必须总是沿正方向被预压缩，并且预压缩的距离越短，弹簧常数k越大。

用于弹簧设计的方法

应该将弹簧设计为：电枢关于x＝0在磁轭中对称地振荡(即：在x＝-L和x＝+L之间)，其中，电枢振荡的频率f近似地对应于目标值f_target。

对于给定的电枢质量、振幅L和压缩机特性，振荡频率f仅取决于两个量：弹簧常数k和工作循环a。

其支持：

●k越大，f越大；

●a越小，f越大。

可以如下设计弹簧：

1.在争取弹簧的最佳设计的标准情况下，指定振幅L并且确定压缩机能量E_comp。

2.指定工作循环a并且根据等式(5)计算电力F_el(或者计算与该力相对应的线圈电流)。

3.指定弹簧常数k并且使用等式(6)计算弹簧平衡位置x₀。

4.对为图3假定的弹簧压缩机质量***进行仿真，并且确定振荡频率f。

5.如果f和目标值f_target相互差距太大，返回2(改变工作循环a)或者3(改变弹簧常数k)。

示例计算

示例计算涉及已知压缩机，该压缩机具有冲程2L＝20mm和标准压力条件(p_max-p_min＝(7.7-0.6)bar)。由于假定死体积小到趋于零，所以它不产生恢复力。在这些条件下，压缩机中每次振荡所做的机械功是0.7753J。如果机械能应该是40W，那么所需的振荡频率是51.6Hz。

在根据图3的仿真方框图中，m(质量)和c(摩擦系数)的值分别为90g和0.336Ns/m。

在下文的表中，应该将工作循环a和弹簧常数k视为初始量，而将电场力F_el、弹簧平衡位置x₀和振荡频率f视为计算结果。

表7

工作循环a[-]	弹簧常数K[N/mm]	电场力Fel[N]	平衡位置X0[mm]	频率F[Hz]
					1.00.80.50.7	2.502.502.505.00	19.424.238.827.7	7.87.87.83.9	35.240.446.251.0

参考列表：

2、2′片弹簧

9a、9b永磁铁

10驱动单元

11励磁线圈

12磁轭体

13沟道形开口

15电枢

16延伸部分

M1中心线

Mp中心位置

S对称轴

A、A′作用点

m1、m2磁化方向

x轴向延伸

Δx位移

L₁、L₂偏移

x₀初始位置

B、B′固定点

V压缩机

K1、K2曲线

F_el力

Ru反转方向的位置

Claims (6)

1、本发明涉及一种线性驱动单元，其包含至少一个励磁线圈，包含磁性电枢部件，通过所述线圈的磁场将所述磁性电枢部件设置为沿轴向在中心位置附近进行线性振荡运动，以及包含至少一个弹簧，以固定的方式将该弹簧进行固定，并且该弹簧的振荡端对所述电枢部件沿运动方向起作用，其特征在于：在所述电枢部件(15)的中心位置(Mp)处，将所述弹簧(2、2′)在所述电枢部件(A、A′)上的作用点(A、A′)相对于其固定位置(B、B′)轴向地移位预定距离(Δx)。

2、如权利要求1所述的驱动单元，其特征在于：

将所述至少一个弹簧(2、2′)配置为片弹簧，在所述电枢部件(15)的运动方向的横向方向上拉紧该片弹簧。

3、如权利要求1或者2所述的驱动单元，其特征在于：

在所述中心位置(Mp)的两侧提供多个弹簧(2、2′)。

4、如前述权利要求中的任何一项所述的驱动单元，其特征在于：

将所述电枢部件(15)连接到压缩机(V)的至少一个活塞上，其中，在远离所述压缩机(V)的方向上提供所述弹簧(2、2′)在所述电枢部件(15)上的所述作用点(A、A′)的所述轴向位移(Δx)。

5、如前述权利要求中的任何一项所述的驱动单元，其特征在于：

至少一个具有低刚度的弹簧(2、2′)。

6、如前述权利要求中的任何一项所述的驱动单元，其特征在于：

取决于所述弹簧(2、2′)的弹簧刚度选择所述弹簧(2、2′)的所述作用点(A、A′)的所述轴向位移(Δx)。

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