本發(fā)明屬于一種電-磁-機械轉(zhuǎn)換設備，特別是一種混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器。

背景技術(shù)：

電磁直線執(zhí)行器是一種將電能、磁能直接轉(zhuǎn)換成往復直線運動形式的機械能而不需通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的元件，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、組合性強、維護方便等優(yōu)點。工業(yè)自動化、流體傳動、車輛電控系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展不僅擴大了直線運動控制的應用范圍，而且對直線運動控制提出了越來越高的精度和動態(tài)響應等要求。電磁直線執(zhí)行器的應用日趨廣泛，但是具有較高精度和高動態(tài)響應性能的電磁直線執(zhí)行器價格昂貴，于是對滿足相關(guān)應用要求的經(jīng)濟性較好的電磁直線執(zhí)行器的需求也日益增強。

專利號為200710067212.1的《低功耗耐高壓雙向線性馬達》中有效解決了傳統(tǒng)比例閥、伺服閥閥芯驅(qū)動裝置控制電流較大以至功耗較大的問題，但是由于該發(fā)明為了在取得較低功耗的同時克服輸出位移-力特性的非線性，導致其工作行程較小，輸出力較小；另外，其結(jié)構(gòu)較為復雜、導磁套以及隔磁環(huán)的加工工藝要求較高，進而影響了其經(jīng)濟性和應用的廣泛性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器，克服了工作行程小、工作氣隙較大、輸出力小、結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴、工作消耗高等問題。

本發(fā)明的目的的技術(shù)解決方案為：一種混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器，包括端蓋、殼體、線圈骨架、線圈、第一永磁環(huán)和第二永磁環(huán)、導磁環(huán)、動鐵和H型功率驅(qū)動模塊；端蓋、殼體、線圈骨架、線圈、第一永磁環(huán)、第二永磁環(huán)、導磁環(huán)和動鐵均為同軸回轉(zhuǎn)體。線圈骨架、線圈、第一永磁環(huán)、第二永磁環(huán)、導磁環(huán)和動鐵均設置在殼體內(nèi)，殼體無蓋，端蓋設置在殼體的無蓋端，其外壁與殼體過渡配合，端蓋與殼體之間依次設置第一永磁環(huán)、導磁環(huán)和第二永磁環(huán)，第一永磁環(huán)、導磁環(huán)和第二永磁環(huán)的外壁與殼體以及端蓋之間形成的第一空腔內(nèi)設有線圈骨架，線圈纏繞在線圈骨架上，并與H型功率驅(qū)動模塊的輸出端連接；第一永磁環(huán)、導磁環(huán)和第二永磁環(huán)的內(nèi)壁與殼體以及端蓋之間形成的第二空腔內(nèi)設有動鐵，動鐵在第二空腔內(nèi)沿軸向運動。

所述第一永磁環(huán)和第二永磁環(huán)磁極方向沿軸向相反。

所述端蓋、殼體、導磁環(huán)和動鐵均為軟磁材料。

所述端蓋、殼體、導磁環(huán)、動鐵、第一永磁環(huán)和第二永磁環(huán)在永磁體極化磁場的作用下緊密貼合。

所述H型功率驅(qū)動模塊在控制信號下產(chǎn)生正反向控制電流，并施加到線圈中以控制動鐵的運動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：

（1）可作為各類自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，實現(xiàn)高速、較高精度的直線直接驅(qū)動與運動控制；在要求直線執(zhí)行器體積和質(zhì)量較小、輸出位移和驅(qū)動力較大，精度較高。

（2）動鐵在行程非中心位置時，永磁環(huán)極化磁場在動鐵上產(chǎn)生指向偏離端的磁力，所以不需端部要保持電流，可以有效降低執(zhí)行器的功耗。

（3）利用永磁環(huán)產(chǎn)生的極化磁場，增大輸出力，有效降低了電-機械轉(zhuǎn)換機構(gòu)的功耗。應用永磁環(huán)數(shù)量少且都為軸向充磁，裝配難度大大降低，有效降低加工、裝配過程消耗。

（4）設計柔性化：針對不同應用目標，設計、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得不同的靜態(tài)力特性；進一步選擇不同類型控制硬件，優(yōu)化電流控制策略，適應性強，應用范圍廣泛。

（5）結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于加工、裝配和維護。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器示意圖。

圖2是基于本發(fā)明混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器的三穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器樣機二維圖。

圖3是基于本發(fā)明混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器的三位四通電液閥三維圖。

圖4是本發(fā)明混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器的可實現(xiàn)力特性示意圖，其中圖（a）存在嚴重非線性；圖（b）具有較好的線性度。

具體實施方式

結(jié)合圖1，一種混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器，包括端蓋1、殼體8、線圈骨架4、線圈5、第一永磁環(huán)3和第二永磁環(huán)7、導磁環(huán)6、動鐵2和H型功率驅(qū)動模塊9，端蓋1、殼體8、線圈骨架4、線圈5、第一永磁環(huán)3、第二永磁環(huán)7、導磁環(huán)6和動鐵2為同軸回轉(zhuǎn)體，線圈骨架4、線圈5、第一永磁環(huán)3、第二永磁環(huán)7、導磁環(huán)6和動鐵2均設置在殼體8內(nèi)，殼體8無蓋，端蓋1設置在殼體8的無蓋端，其外壁與殼體8過渡配合，端蓋1、第一永磁環(huán)3、導磁環(huán)6、第二永磁環(huán)7和殼體8在第一永磁環(huán)3和第二永磁環(huán)7磁力作用下緊緊貼合在一起。端蓋1與殼體8之間依次設置第一永磁環(huán)3、導磁環(huán)6和第二永磁環(huán)7，第一永磁環(huán)3、導磁環(huán)6和第二永磁環(huán)7的外壁與殼體8以及端蓋1之間形成的第一空腔內(nèi)設有線圈骨架4，線圈骨架4尺寸與所述第一空腔相同，線圈5纏繞在線圈骨架4上。動鐵2位于殼體8與端蓋1之間，第一永磁環(huán)3、導磁環(huán)6和第二永磁環(huán)7的內(nèi)壁與殼體8以及端蓋1之間形成的第二空腔內(nèi)設有動鐵2，動鐵2在第二空腔內(nèi)沿軸向運動，其軸向運動的距離，即為執(zhí)行器的工作行程。H型功率驅(qū)動模塊9與線圈5連接，H型功率驅(qū)動模塊9提供可控的正反向驅(qū)動電流。

第一永磁環(huán)3和第二永磁環(huán)7磁極方向沿軸向相反。端蓋1、殼體8、導磁環(huán)6和動鐵2均為軟磁材料。線圈5的控制電流由H型功率驅(qū)動模塊9提供；在控制電流的作用下，感應磁場與永磁場作用的合磁場在端蓋 1、殼體8、第一永磁環(huán)3、第二永磁環(huán)7、導磁環(huán)6和動鐵2上形成磁通回路。根據(jù)磁通路中最小磁阻原理，產(chǎn)生合磁場對動鐵2的驅(qū)動力。動鐵2在端蓋1與殼體8之間沿軸向作直線運動，運動規(guī)律可由線圈5電流控制。動鐵2在非中位時總會受到永磁環(huán)對其作用的指向某端的軸向力，所以執(zhí)行器工作時不需要端部保持電流以減小運行功耗。

動鐵2與第一永磁環(huán)3、導磁環(huán)6以及第二永磁環(huán)7之間存在潤滑油液，以減少摩擦力減少零件之間的磨損。動鐵2與導磁環(huán)6之間需要氣隙較小以確保電磁能的有效利用，同時導磁環(huán)6對動鐵2起到一定的支撐與導向作用。

圖中所示為一種常用的H型功率驅(qū)動電路：H型雙極可逆PWM功率驅(qū)動電路。此驅(qū)動電路由一組互補的PWM信號控制，由4個具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、損耗小的功率場效應管(MOSFET）和4個續(xù)流二極管(FWD）組成。MOSFET采用雙極性驅(qū)動，可減少I/O使用數(shù)量。4個MOSFET中V₁和V₄為一組，由信號U₁驅(qū)動；V₂和V₃為一組，由信號U₂驅(qū)動；驅(qū)動電路輸出電壓的大小由輸入驅(qū)動電路電壓和PWM信號的占空比決定；在每個PWM周期里，當U₁為高電平時，U₂為低電平，此時V₁和V₄導通，V₂和V₃截止，電流沿著虛線軌跡從執(zhí)行器L端流入，從R端流出，設定此時通過執(zhí)行器的電流為正向；反之則通過執(zhí)行器的電流為反向，H型功率驅(qū)動電路確保了執(zhí)行器的雙向輸出功能。

實施例一

以三穩(wěn)態(tài)直線執(zhí)行器為例

結(jié)合圖2，三穩(wěn)態(tài)直線執(zhí)行器以混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器為基礎(chǔ)，動鐵2與輸出桿10相連以輸出位移和力；輸出桿10設置在安裝套11中心，兩端均穿出安裝套11，安裝套11與殼體8通過螺紋連接。輸出桿10位于安裝套11內(nèi)的桿身中心設有凸臺，第一彈簧12一端固定在殼體8上，另一端固定在所述凸臺頂面，第二彈簧13一端固定在安裝套11底部，另一端固定在所述凸臺底面，在第一彈簧12和第二彈簧13的共同作用下，使得動鐵2位于行程的中心。動鐵2在行程兩端時，彈簧力小于永磁環(huán)極化磁場對動鐵2的吸力，因此動鐵2也可穩(wěn)定于行程兩端。對置彈簧的引入，可以根據(jù)應用需要調(diào)節(jié)執(zhí)行器整體輸出力特性；可一定程度的提高動鐵2在行程端部位置時的啟動響應，減小動鐵2對執(zhí)行器端部的撞擊。三穩(wěn)態(tài)直線執(zhí)行器可用于直接驅(qū)動直線運動機構(gòu)，具有體積小、質(zhì)量輕、輸出力大、行程較大、低功耗等優(yōu)點。

實施例二

以直驅(qū)式三位四通電液閥為例：

結(jié)合圖3，將混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器應用于流體閥閥芯的直接驅(qū)動?；旌蟿畲攀降秃闹本€執(zhí)行器設置在三位四通電液閥14一端，混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器的動鐵2與閥芯直接連接，為閥芯提供往復直線運動所需的力和位移；混合勵磁式低耗直線執(zhí)行器的殼體8 與三位四通電液閥14的閥體通過法蘭15連接。

結(jié)合圖4，合理的設計彈簧以及執(zhí)行器相關(guān)參數(shù)，可以得到滿足不同應用需求的輸出力位移特性。圖4 a）中所示執(zhí)行器的力-位移特性的特點在于：端部保持力大，但存在嚴重非線性，不利于高精度應用的需求，可應用于直驅(qū)式三位四通換向閥。圖4 b）中所示執(zhí)行器力-位移特性的特點在于：存在一定端部保持力，并且具有較好的線性度，具有應用于以直驅(qū)式三位四通伺服閥的潛力。同時，配合以合適的控制硬件：當只需要開環(huán)控制時選擇廉價的單片機，當需要精度較高的閉環(huán)控制時則選擇以ARM或者DSP為核心的電控單元，使得執(zhí)行器在滿足應用需求的同時具有更高的經(jīng)濟性。