专利名称：大行程永磁体电磁驱动装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电学领域中的电磁驱动装置及控制方法，特别涉及一种大行程永磁体 电磁驱动装置及其控制方法。
背景技术：
本发明人在2009年11月26日申请的申请号为200910234647. X的发明公开了一 种永磁体电磁驱动装置，这种电磁驱动装置抛弃了传统上的基于闭合磁路的采用动铁和静 铁结构，而采用开放的磁路系统，无需导磁材料构成闭合磁路，不存在磁路间隙问题，从而 能产生较大的行程，并在大行程范围内提供比较均衡的电磁力。原发明的永磁体电磁驱动装置所采用的线圈个数和动磁铁个数较少，适合于对行 程要求不太高的场合。当增加线圈和(或)动磁铁个数，并采用适当的控制方法时可以进一 步增大动磁铁的行程和提供更大的电磁力。当在线圈外面增加铁磁性材料构成的外套时， 也能增加电磁力。由此本发明人在原发明的基础上研制出能提供任意行程的或更大电磁力 的大行程永磁体电磁驱动装置及其控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中电磁驱动装置行程小，电磁力变化 大等不足之处，提供一种结构简单、低功率驱动的全新结构的电磁驱动装置。本装置及其控 制方法可应用到各种需要大行程电磁驱动的设备中。本发明是通过以下技术方案实现的所述大行程永磁体电磁驱动装置也是由动磁 铁、输出件、基体及线圈组成。与专利200910234647. X不同的是本发明可采用任意多个线 圈和多个动磁铁，即所述线圈为N个，N大于或等于1 ；所述动磁铁为M个，M大于或等于 1 ；每个线圈都与基体内部的圆柱形空腔同轴，沿轴线方向各线圈间隔适当距离；每个线圈 既可以单独通电使用，也可以与其他线圈适当组合连接通电使用；沿轴线方向各动磁铁间 隔适当距离被固定在输出件轴线上；M个沿轴线方向充磁的动磁铁和输出件一起构成可在 空腔中沿轴线方向运动的部件。针对每一种不同线圈个数和动磁铁个数的驱动装置，采用 不同的控制方法，可以获得不同的行程和提供尽量大或均衡的电磁力(实际上是指总电磁 力，即各线圈对每个动磁铁产生的电磁力的合力)。动磁铁、输出件、基体、电磁力、磁场力以及其他一些概念与专利200910234647. X 规定相同。例如动磁铁的形状为圆柱体，包括一切接近圆柱体的形状，包括不是圆柱体而 在实际应用中能够令人满意的起到圆柱体所起作用的任意形状，也包括两端变形、中间开 孔等稍变形的圆柱体，也包括由多个沿轴向充磁的圆片状或圆环状永磁铁叠合而成的圆柱 体。又例如所述的基体，是指能为动磁铁提供运动空间即圆柱形的空腔，同时外面能放置或 缠绕线圈的主体部分。电磁力是指通电线圈对动磁铁产生的作用力。在控制方法中需要确定动磁铁的位置，根据动磁铁和线圈之间的相对位置变化改 变线圈的通电状态，获取动磁铁位置的方法主要有两种一种方法是根据试验确定，即对于固定负载和给定结构的线圈和固定的工作电流情况下，通过反复试验测量动磁铁从一个 位置运动到另一个位置所需时间，从一个线圈几何中心运动到另一个线圈几何中心所需时 间，以这些时间为参考，采用固定时间法，到了所需时间就认为动磁铁到达了某个位置；这 种方法的优点是结构简单，控制方便；其缺点是控制可靠性差，负载变化时控制不准确。另 一种方法是在永磁体电磁驱动装置上加装检测动磁铁位置的部件或传感器或电路。可采用 干簧管、开关霍尔元件、线性霍尔元件、光电管、线圈、微动位置开关、编码盘等任何元件任 何方法配合适当电路确定动磁铁的位置。在大行程永磁体电磁驱动装置上安装1个或多个 动磁铁位置检测部件，可使运动控制准确。为了减弱外界磁场对动磁铁的干扰，同时也增加电磁力，可以在永磁体电磁驱动 装置的外面套一个由导磁材料，即铁磁性材料制成的外套，外套与线圈或基体同轴，该外套 也可称为外磁轭。最简单的办法就是将永磁体电磁驱动装置装入一截低碳钢管中，钢管的 长度与电磁驱动装置的长度接近。比较好的办法是用硅钢片叠合构成外套，永磁体电磁驱 动装置的轴线在每一片硅钢片所在平面内。除了在线圈外面有硅钢片外，相邻线圈之间也 可被硅钢片填充。增加外套虽然能使最大电磁力有所增加，但在同样的行程范围内，电磁力 变化也增大，不再平缓。换言之，满足最小电磁力情况下，行程会减小。为了使动磁铁有更大的行程，增加线圈的个数，一般线圈的个数多于动磁铁的个 数，选取N大于或等于1，M小于或等于N，M最小为1。例如，当N = 10，M = 1时，动磁铁 可以从第1个线圈的外端运动到第10个线圈的外端，行程可大于相邻两个线圈几何中心之 间距离的9倍。为了提供更大的电磁力，可增加动磁铁的个数，选取N大于或等于1，M等于N+1。 例如，N= 1，即同一个线圈在其电流不变的情况下，M = 2时所提供的总电磁力接近M= 1 时的2倍。一种控制大行程永磁体电磁驱动装置的方法，首先沿轴线方向从起端向末端将N 个线圈依次编号为1、2、…、N，沿同样的方向将M个动磁铁依次编号为1、2、…、M;然后，根 据当前线圈和动磁铁的相对位置及计划控制运动的方向判断对哪些线圈通电及通电方向； 控制动磁铁运动，具体步骤及原则如下(1)凡是当前某线圈几何中心与其最接近的动磁铁几何中心之间的距离既小于该 线圈长度的1/4，又小于该动磁铁长度的1/4时，该线圈不通电。因为当线圈的几何中心与 动磁铁的几何中心接近时，电磁力急剧减小，这时线圈通电，能源效率是很低的。(2)某线圈通电的方向应满足其对最近动磁铁产生的电磁力方向与计划控制运动 的方向相同。即线圈通电对其靠近目的地一侧的动磁铁产生推力，对其远离目的地一侧的 动磁铁产生吸引力。(3)位于两端动磁铁外侧的线圈是否都通电，需综合考虑；若位于动磁铁1靠近起 端一侧的所有线圈通电时都对该动磁铁产生与计划控制运动的方向相同的电磁力，由于距 离动磁铁很远地方的线圈产生的电磁力很小，应该考虑该较远处线圈是否有必要也通电； 如果提供大的电磁力是主要因素，能源消耗是次要因素，则该线圈就通电，以便对动磁铁提 供较大的电磁力；如果电源效率是主要因素，电磁力是次要因素，则该线圈就不必通电，仅 距离动磁铁较近的部分线圈通电，以便提高能源效率；同理，位于动磁铁M靠近末端一侧的 所有线圈通电时都对该动磁铁产生与计划控制运动的方向相同的电磁力，距离动磁铁很远
5地方的线圈是否有必要也通电根据同样原则确定。(4)若控制电路不能改变线圈电流方向，只存在通电和断电两种状态，则只考虑线 圈对动磁铁的吸引力，即动磁铁靠近目的地一侧的线圈对其产生吸引力，使其向目的地方 向运动。电磁力为推力时，可能使永磁体退磁，即降低永磁体使用寿命。(5)在电磁力作用下，动磁铁向计划方向运动，在运动过程中随时检测或判断线圈 与动磁铁之间的相对位置，并根据上述(1) (2) (3) (4)原则确定通电的线圈及改变通电方 向，直到动磁铁运动到达目的地。只有随时检测每一个线圈与每一个动磁铁之间的相对位 置，并据此确定该线圈是否通电及通电方向，才能能源效率提高，使电磁力的方向与计划运 动的方向相同。大行程永磁体电磁驱动装置在工作中有可能遇到负载突然变化，电磁驱动力太 小，动磁铁不能正常到达行程的终点。所以在控制过程中，最好还包含超时检测程序，即经 过一段时间，按正常程序动磁铁应当运动到达行程的终端而实际上未到达，则说明运动中 受到阻力过大或电磁力太小，动磁铁被停在途中。出现这种情况，或者报警，或者各线圈断 电同时报警指示。报警后可以采取人工手动的方法，将动磁铁移动到正常位置。另外，各种永磁体电磁驱动装置中线圈和动磁铁尺寸的选择依据是每个动磁铁 的轴线方向长度是每个线圈轴线方向长度的0. 3 3倍，最好长度相等或接近。每个动磁 铁的直径是动磁铁长度的0. 3 5倍，最好直径等于其轴线方向长度。当动磁铁的个数和线圈的个数都大于1时，并不一定要求相邻两个线圈几何中心 之间的距离等于相邻两个动磁铁几何中心之间的距离。只要保证各个线圈通电方向满足使 各个动磁铁产生相同方向的电磁力即可。特别是当相邻的两个动磁铁几何中心之间的距离 等于1.5倍相邻的两个线圈几何中心之间的距离时，控制不存在死区，可在整个行程中获 得比较均衡的电磁力，实现无零电磁力的点。本发明与现有技术相比有如下的积极效果动磁铁行程大，行程可以根据需要任 意设计，只要线圈个数足够多，就能获得任意大的行程。
图1是多个动磁铁时，动磁铁与输出件之间的连接结构图，沿轴线剖开的断面图；图2是一种基体、线圈、线圈骨架、盖板，输出件和动磁铁之间的连接结构图，沿轴 线剖开的断面图；图3是由2个线圈和1个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置结构图，沿轴 线剖开的断面图；图4是由5个线圈和1个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置结构图，沿轴 线剖开的断面图；图5是由5个线圈和3个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置结构图，沿轴 线剖开的断面图；图6A和图6B是一种由2个动磁铁和1个线圈构成的大行程永磁体驱动装置结 构图，以及在线圈电流方向不同情况下动磁铁位置的两种状态示意图，沿轴线剖开的断面 图；图7A和图7B是一种由5个动磁铁和4个线圈构成的大行程永磁体驱动装置结构图，以及在线圈电流方向不同情况下动磁铁位置的两种状态示意图，沿轴线剖开的断面 图；图8是一种带两端动磁铁位置检测的由5个线圈和1个动磁铁构成的大行程永磁 体电磁驱动装置结构图，沿轴线剖开的断面图；图9A是一种带两端位置检测的、含铁磁性外套的由5个线圈和2个动磁铁构成的 大行程电磁驱动装置沿轴线剖开的断面示意图；图9B是对应装置中间位置，即线圈23中心 处，沿垂直于轴线剖开的断面示意图；上述各图中基体内供动磁铁运动的圆柱形空腔0 ；动磁铁1，多动磁铁结构中的1 号动磁铁11、2号动磁铁12、3号动磁铁13、4号动磁铁14 ；线圈2，多线圈结构中的1号线 圈21、2号线圈22、3号线圈23、4号线圈24、5号线圈25 ；基体3，线圈骨架31 ；输出件5 ； 动磁铁右边的垫片63，动磁铁右边的固定螺母65，动磁铁左边的固定螺母66，中间开孔的 盖板7，空腔右端的软质垫片71，空腔左端的软质垫片72，空腔左端的盖板74，左端盖板的 固定螺钉82，左端检测动磁铁位置的干簧管91，右端检测动磁铁位置的干簧管99，左端检 测动磁铁位置的位置开关901，右端检测动磁铁位置的位置开关909，由硅钢片叠合构成的 外套100。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细描述。实施例一多动磁铁结构中动磁铁与输出件之间的连接图1是本实施例。其中，动磁铁1为轴线上开孔的圆柱体钕铁硼磁铁，输出件5 的螺杆部分穿过动磁铁的孔，动磁铁的孔直径略大于螺杆直径。紧贴在动磁铁两端面的是 非导磁材料的垫片，垫片外面是螺母，拧紧螺母将动磁铁固定在输出件上，为防止动磁铁破 损，可以在垫片与动磁铁间加一层软质垫片，起保护套作用。通过螺母，可方便调整各个动 磁铁之间的距离，即每个动磁铁在输出件上的位置。输出件为非导磁材料的带螺纹的杆。实施例二一种基体、线圈、线圈骨架、盖板，输出件和动磁铁之间的连接结构图2是本实施例。基体3是一个硬质薄壁塑料圆管，管内空间就是动磁铁活动的 空间，即空腔0。线圈2预先绕制在线圈骨架31上，然后线圈骨架31套在基体3的外面并 固定。中间开圆孔的盖板7卡套或螺纹连接在基体3的端部，输出件5的杆穿过盖板中央 的小孔能自由活动。动磁铁1被固定在输出件5的带螺纹部分。线圈2通电后对动磁铁1产生电磁力作用，带动输出件5运动，输出件5就将力或 运动形式输出满足所需要的驱动功能。实施例三一种由2个线圈和1个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置图3是本实施例，即N = 2，M = 1。基体3为一体化结构，沿圆柱体的轴线开通孔 作为基体内部空腔0，基体外面有凹槽，用于缠绕线圈21和22。线圈21和22几何中心之 间的距离一般取单个线圈长度的1到10倍，最好是5倍左右。为减弱动磁铁运动到空腔两 端撞击盖板发出的噪声，盖板内侧加有软质垫片71和72。实施例四一种由5个线圈和1个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置图4是本实施例，即N = 5，M = 1。基体3是一个硬质薄壁塑料圆管，管内空间就 是动磁铁活动的空间，即空腔0。各线圈预先绕制在线圈骨架上，然后线圈骨架套在基体3的外面并固定。中间开圆孔的盖板7卡套或螺纹连接在基体3的端部，输出件5的杆穿过 盖板中央的小孔能自由活动。动磁铁1被固定在输出件5的带螺纹部分。实施例五一种由5个线圈和3个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置图5是本实施例，即N = 5，M = 3。在输出件的杆上固定着3个动磁铁11、12和 13。5个线圈等间距固定在基体3的外面，相邻两个动磁铁几何中心之间的距离等于相邻 两个线圈几何中心之间的距离。相邻两个动磁铁沿轴线方向的磁场相反，例如，如果动磁铁 11左端为N极，右端为S极，那么动磁铁12左端应为S极，右端为N极，动磁铁13左端为N 极，右端为S极。其他与实施例四相同。实施例六一种由1个线圈和2个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置图6A和图6B是本实施例，即N = 1，M = 2。圆柱形基体3的中央缠绕线圈2。基 体内部的空腔0的长度，即基体的长度小于或等于两个动磁铁几何中心之间距离的2倍，使 两个动磁铁不能同时运动到线圈的同一侧。动磁铁11和12磁极性相反，保证线圈通电时， 对一个动磁铁的电磁力为吸引力，对另一个的电磁力为推力。实施例七一种由4个线圈和5个动磁铁构成的大行程永磁体电磁驱动装置图7A和图7B是本实施例，即N = 4，M=5。4个线圈等间距固定在基体3的外 面，基体3为硬质薄壁塑料圆管。5个动磁铁等间距固定在输出件的杆上，相邻两个动磁铁 几何中心之间的距离等于相邻两个线圈几何中心之间的距离。基体的长度，即空腔0的长 度以及相邻动磁铁之间的距离设定，要满足动磁铁11只能在线圈21的左侧运动，动磁铁15 只能在线圈24的右侧运动。相邻两个动磁铁的磁极性相反。实施例八一种带两端动磁铁位置检测的由5个线圈和1个动磁铁构成的大行程 永磁体电磁驱动装置图8是本实施例，与实施例四不同的地方有两点一是动磁铁的行程稍短，只能在 线圈21和25之间运动；二是在线圈21和25的外侧分别装有干簧管91和99，用于检测动 磁铁是否运动到达空腔的两端，即动磁铁位置检测。动磁铁运动到左端时，动磁铁的磁场使 常开干簧管91吸合；动磁铁离开左端后，干簧管断开，所以，干簧管91起到位置检测作用。 调整干簧管的方位，即干簧管与动磁铁轴线之间的夹角，可改变其灵敏度。线圈21通电时 产生的磁场也会对干簧管91起作用，多数情况下通过调整干簧管91的方位可以实现动磁 铁1能使它吸合而线圈21不能使它吸合。为了使位置检测准确，最好是在干簧管的外面直 接缠绕数匝到几十匝线圈(一般在10匝左右)，该线圈与线圈21串联，并使该线圈在干簧 管内产生的磁场方向与线圈21产生的磁场方向相反，起到抵消或减弱线圈21对干簧管91 的干扰。通电线圈25对干簧管99的影响与此类似，同样方法处理。显然，也可以用霍尔元 件代替干簧管。除此之外，还可以采用光电检测、微动开关等方法检测动磁铁位置。上述仅介绍了检测动磁铁是否到达行程的两端的方法。类似方法也可用于检测动 磁铁是否到达某个线圈的几何中心，将干簧管安装到某个线圈的外面，并调整干簧管的方 位，当动磁铁运动到该线圈几何中心时干簧管被吸合。实施例九第一种控制实施例三装置的方法参考图3，本实施例适宜2个线圈几何中心之间距离为3到10倍单个线圈长度的 情况，线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力也有推力。假定动磁铁1初始位置在空腔 0的左端，控制动磁铁在空腔中来回运动的步骤如下。(1)线圈21通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向右运动，到达线圈21的几何中心附近时，线圈21断电，动磁铁1带动 输出件5继续向右运动；(2)此时或稍后线圈21反向通电(反向通电是指与最近一次线圈 中的电流方向相反的方向通电)，线圈22通电，线圈21对动磁铁的电磁力为推力，线圈22 对动磁铁的电磁力为吸引力；(3)当动磁铁到达线圈22的几何中心附近时，线圈21和22 断电，动磁铁1继续向右运动；(4)此时或稍后线圈22反向通电，对动磁铁1的电磁力为推 力，使动磁铁保持在空腔的右端；(5)要使动磁铁向左运动，线圈22断电，然后反向通电，对动磁铁1的电磁力为吸 引力，动磁铁1向左运动，到达线圈22的几何中心时，线圈22断电；(6)此时或稍后线圈22 反向通电，对动磁铁1的电磁力为推力，同时线圈21通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力， 动磁铁继续向左运动；(7)当动磁铁到达线圈21的几何中心时，线圈21和22断电，动磁铁 1继续向左运动；(8)此时或稍后线圈21反向通电，对动磁铁1的电磁力为推力，使动磁铁 保持在空腔的左端。从而，动磁铁1带动输出件5完成一次来回运动。实施例十第二种控制实施例三装置的方法参考图3，本实施例适宜2个线圈几何中心之间距离为1到5倍单个线圈长度的情 况，线圈中电流方向不需要改变，只存在有和无两种通电状态，通电时电磁力只有吸引力。 假定动磁铁1初始位置在空腔0的左端，控制动磁铁在空腔中来回运动的步骤如下。(1)线 圈21通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向右运动，到达线圈21的几何中心附近 时，线圈21断电，动磁铁1带动输出件5继续向右运动；⑵此时或稍后线圈22通电，线圈 22对动磁铁的电磁力为吸引力，动磁铁继续向右运动；(3)当动磁铁到达线圈22的几何中 心附近时，线圈22断电，动磁铁1继续向右运动到空腔的右端；(4)要使动磁铁向左运动，线圈22通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁1 向左运动，到达线圈22的几何中心时，线圈22断电，动磁铁继续向左运动；(5)此时或稍后 线圈21通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁继续向左运动；(6)当动磁铁到达线圈 21的几何中心时，线圈21断电，动磁铁1继续向左运动到空腔的左端。从而，动磁铁1带动 输出件5完成一次来回运动。实施例i^一 第三种控制实施例三装置的方法参考图3，本实施例适宜2个线圈几何中心之间距离为3到10倍单个线圈长度的 情况，而且动磁铁只在线圈21和22之间运动；线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力 也有推力。假定动磁铁1初始位置在线圈21和22之间距线圈21更近的地方，而且被线圈 21的电磁力吸引而保持在该位置，控制动磁铁在2个线圈之间来回运动的步骤如下。(1) 线圈21断电，同时或稍后线圈21反向通电，线圈22通电，线圈21对动磁铁1的电磁力为 推力，线圈22对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向右运动，直到接近线圈22的位置，线 圈21断电，线圈22继续通电对动磁铁1吸保持，完成从左向右的运动。(2)要使动磁铁向 左运动，线圈22断电，同时或稍后线圈22反向通电，线圈21通电，线圈22对动磁铁1的电 磁力为推力，线圈21对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向左运动，直到接近线圈21的 位置，线圈22断电，线圈21继续通电对动磁铁1吸保持，完成从右向左的运动。从而，动磁 铁1带动输出件5完成一次来回运动。实施例十二 第一种控制实施例四装置的方法参考图4，本实施例适宜相邻两个线圈几何中心之间距离为3到10倍单个线圈长度的情况，线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力也有推力。假定动磁铁1初始位置在 空腔0的左端，控制动磁铁在空腔中从左向右运动的步骤如下。(1)线圈21通电，对动磁 铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向右运动，到达线圈21的几何中心附近时，线圈21断电，动 磁铁1带动输出件5继续向右运动；⑵此时或稍后线圈21反向通电(反向通电是指与最 近一次线圈中的电流方向相反的方向通电)，线圈22通电，线圈21对动磁铁的电磁力为推 力，线圈22对动磁铁的电磁力为吸引力；(3)当动磁铁到达线圈22的几何中心附近时，线 圈21和22断电，动磁铁1继续向右运动；(4)此时或稍后线圈22反向通电，对动磁铁1的 电磁力为推力，同时线圈23通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力；(5)当动磁铁到达线圈23 的几何中心附近时，线圈22和23断电；(6)此时或稍后线圈23反向通电，对动磁铁1的电 磁力为推力，同时线圈24通电，对动磁铁的电磁力为吸引力；(7)当动磁铁到达线圈24的 几何中心附近时，线圈23和24断电；(8)此时或稍后线圈24反向通电，对动磁铁1的电磁 力为推力，同时线圈25通电，对动磁铁的电磁力为吸引力；(9)当动磁铁到达线圈25的几 何中心附近时，线圈24和25断电；(10)此时或稍后线圈25反向通电，对动磁铁的电磁力 为推力，使动磁铁保持在空腔的右端。同理可控制动磁铁在空腔中从右向左运动。实施例十三第二种控制实施例四装置的方法参考图4，本实施例适宜相邻两个线圈几何中心之间距离为3到10倍单个线圈长 度的情况，而且动磁铁只在线圈21和25之间运动；线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸 引力也有推力。为了保证动磁铁仅在线圈21和25之间运动，空腔两端应加软质垫片阻挡 动磁铁，使其不超过线圈21和25的几何中心。假定动磁铁1初始位置在线圈21和22之 间距线圈21更近的地方，而且被线圈21的电磁力吸引而保持在该位置，控制动磁铁在线圈 21和25之间从左向右运动的步骤如下。(1)线圈21断电，同时或稍后线圈21反向通电， 线圈22通电，线圈21对动磁铁1的电磁力为推力，线圈22对动磁铁1的电磁力为吸引力， 动磁铁向右运动，直到接近线圈22的位置，线圈21和22断电，此时或稍后线圈23通电对 动磁铁1的电磁力为吸引力；动磁铁利用惯性继续向右运动，经过线圈22的几何中心后，线 圈22反向通电，对动磁铁的电磁力为推力。(2)当动磁铁接近线圈23位置时，线圈22和 23断电，此时或稍后线圈24通电对动磁铁1的电磁力为吸引力；动磁铁利用惯性继续向右 运动，经过线圈23的几何中心后，线圈23反向通电，对动磁铁的电磁力为推力。(3)当动磁 铁接近线圈24位置时，线圈23和24断电，此时或稍后线圈25通电对动磁铁1的电磁力为 吸引力；动磁铁利用惯性继续向右运动，经过线圈24的几何中心后，线圈24反向通电或不 通电，对动磁铁的电磁力为推力或零，动磁铁继续运动到接近线圈25的位置并被线圈25的 电磁力吸保持。同理，可控制动磁铁从右向左运动。实施例十四第三种控制实施例四装置的方法参考图4，本实施例适宜2个线圈几何中心之间距离为1到5倍单个线圈长度的情 况，线圈中电流方向不需要改变，只存在有和无两种通电状态，通电时电磁力只有吸引力。 假定动磁铁1初始位置在空腔0的左端，控制动磁铁在空腔中向右运动的步骤如下。(1)线 圈21通电，对动磁铁1的电磁力为吸引力，动磁铁向右运动，到达线圈21的几何中心附近 时，线圈21断电，动磁铁1带动输出件5继续向右运动；⑵此时或稍后线圈22通电，线圈 22对动磁铁的电磁力为吸引力，动磁铁继续向右运动；(3)当动磁铁到达线圈22的几何中 心附近时，线圈22断电，动磁铁继续向右运动；(4)此时或稍后线圈23通电，线圈23对动磁铁的电磁力为吸引力，动磁铁继续向右运动；(5)当动磁铁到达线圈23的几何中心附近 时，线圈23断电，动磁铁继续向右运动；(6)此时或稍后线圈24通电，线圈24对动磁铁的 电磁力为吸引力，动磁铁继续向右运动；(7)当动磁铁到达线圈24的几何中心附近时，线圈 24断电，动磁铁继续向右运动；(8)此时或稍后线圈25通电，线圈25对动磁铁的电磁力为 吸引力，动磁铁继续向右运动；(9)当动磁铁到达线圈25的几何中心附近时，线圈25断电， 动磁铁继续向右运动到空腔的右端。同理，可控制动磁铁从右向左运动到空腔的左端。实施例十五一种控制实施例五装置的方法参考图5，本实施例适宜相邻两个线圈几何中心之间距离为3到10倍单个线圈长 度的情况，线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力也有推力。假定动磁铁11初始位置 在空腔0的左端，动磁铁13的初始位置在线圈22和23之间，控制动磁铁在空腔中向右运 动的步骤如下。(1)线圈21、22和23通电，通电方向满足线圈21产生对动磁铁11吸引 的电磁力，对动磁铁12为推力；线圈22产生对动磁铁12为吸引力，对动磁铁13为推力；线 圈23产生对动磁铁13为吸引力。在这些力作用下，动磁铁带动输出件5向右运动。当动 磁铁11接近线圈21的几何中心时，线圈21、22和23断电，同时线圈24通电，对动磁铁13 产生吸引力，动磁铁继续向右运动。(2)当动磁铁11经过线圈21的几何中心后，线圈21、 22和23反向通电(反向通电是指与最近一次线圈中的电流方向相反的方向通电)，动磁铁 继续向右运动。(3)当动磁铁11到达线圈22的几何中心附近时，线圈21、22、23和24断 电，同时线圈25通电，对动磁铁13产生吸引力，动磁铁继续向右运动。(4)当动磁铁11经 过线圈22的几何中心后，线圈22、23和24反向通电，动磁铁继续向右运动。(5)当动磁铁 11到达线圈23的几何中心附近时，线圈22、23、24和25断电；动磁铁将依靠惯性继续向右 运动。(6)当动磁铁11经过线圈23的几何中心后，线圈23、24和25反向通电，或者其中之 一或之二反向通电，其余断电，依靠通电线圈的电磁力使动磁铁13保持在空腔的右端。同 理，可控制动磁铁在空腔中向左运动。实施例十六一种控制实施例六装置的方法参考图6A和6B，本实施例线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力也有推力。 控制动磁铁在空腔中来回运动的步骤如下。(1)线圈2通电，对动磁铁11产生吸引的电磁 力，对动磁铁12为推力；动磁铁带动输出件5向右运动并使动磁铁12保持在右端。(2)当 线圈2反向通电时，对动磁铁11产生推力，对动磁铁12产生吸引力，动磁铁将向左运动，并 时动磁铁11保持在左端。实施例十七一种控制实施例七装置的方法参考图7A和7B，本实施例线圈中电流方向需改变，电磁力既有吸引力也有推力。 控制动磁铁在空腔中来回运动的步骤如下。(1)线圈21、22、23和24同时正向通电，线圈 21对动磁铁11产生吸引的电磁力，对动磁铁12为推力；线圈22对动磁铁12产生吸引力， 对动磁铁13产生推力；线圈23对动磁铁13产生吸引力，对动磁铁14产生推力；线圈24对 动磁铁14产生吸引力，对动磁铁15产生推力；因此，5个动磁铁带动输出件5向右运动并 使动磁铁15保持在右端。(2)当线圈21、22、23和24同时反向通电时，上述各电磁力方向 相反，5个动磁铁带动输出件5向左运动，并使动磁铁11保持在左端。实施例十八一种控制实施例八装置的方法参考图8，本实施例各线圈中电流方向不需改变，只有通电和断电两种状态，电磁力只有吸引力，即线圈通电时，对动磁铁产生吸引力。控制动磁铁1在空腔中运动的步骤如 下。(1)根据两个位置检测传感器状态，确定当前动磁铁所在的位置；根据计划控制的运动 方向(即目的地)确定线圈是否需通电，若目的地与当前动磁铁所在位置相同，则不需要通 电控制。(2)否则需通电控制，若当前动磁铁在左端，目的地在右端，则控制过程是线圈21 断电，线圈22通电，动磁铁1向右运动；当运动到线圈23几何中心附近时线圈23断电，线 圈24通电；当运动到线圈24几何中心时线圈24断电，线圈25通电；动磁铁将运动到右端， 位置传感器99将检测到。(3)若从线圈21断电、22通电时开始计时，到所设定的超时时间 为止，传感器99未检测到动磁铁到达右端，则报警，同时所有线圈断电，等待人工处理；通 常超时时间设定为0. 5秒到1秒。从左端运动到右端，实际所需时间通常在30毫秒到100 毫秒之间，根据负载大小，线圈电流大小而有所不同。显然，控制图8装置动磁铁运动也可采用实施例十三的方法，这里不再赘述。实施例十九一种带两端动磁铁位置检测的、含铁磁性外套的由5个线圈和2个动 磁铁构成的大行程电磁驱动装置及其控制方法参见图9A和图9B，该电磁驱动装置主要有三个特点一是该驱动装置还包含一个 由硅钢片叠合构成的外套100，套在线圈的外面和填充在相邻线圈之间。二是在基体内部空 腔0的两端安装有用于检测动磁铁到达终点的位置检测开关901和909。动磁铁运动到左 端时，动磁铁11碰触开关901使其闭合；动磁铁离开左端后，开关901断开，901起到位置 检测作用。同理，开关909检测动磁铁12是否运动到空腔的右端。三是两个动磁铁几何中 心之间的距离等于相邻两个线圈几何中心之间距离的1. 5倍，且相邻两个线圈之间的间隔 接近一个线圈的长度，一般取线圈长度的0. 5 2倍。控制本实施例中输出件运动可采用多种方法，既可采用线圈电流方向可变的方 法，又可采用通电方向不变的方法。下列两种方法均类似步进电机的控制方法，采用定时间 间隔步进法。控制方法一，两个动磁铁沿轴线方向的磁极性相反，各线圈均可正反方向通电，假 定初始位置在左端，使其向右运动的控制步骤如下(1)初始位置处，动磁铁11的几何中心在线圈21几何中心的右侧，动磁铁12的几 何中心在线圈23的左侧，靠线圈22通电产生的电磁力保持在该位置。控制开始，线圈22 断电，然后线圈22反向通电，线圈22对动磁铁11产生吸引力，对动磁铁12产生推力，输出 件向右运动。(2)经过一段时间，例如10毫秒，线圈22断电，线圈23通电，线圈23对动磁铁11 产生吸引力，对动磁铁12产生推力，输出件继续向右运动。(3)经过一段时间，如10毫秒，线圈23断电，线圈24通电，线圈24对动磁铁11产 生吸引力，对动磁铁12产生推力，输出件继续向右运动，并保持在右端。(4)若要使其向左运动，与上述过程相反。即首先线圈24断电，然后反向通电，线 圈24对动磁铁11产生推力，对动磁铁12产生吸引力，输出件向左运动。以此类推，输出件 将运动到左端。控制方法二，两个动磁铁沿轴线的磁极性方向相同，各线圈只有两种状态，即通电 和断电状态，这对控制电路要求较低，不需要改变电流方向。假定初始位置在左端，使其向 右运动的控制步骤如下
12
(1)初始位置处，动磁铁11的几何中心在线圈21几何中心的右侧，动磁铁12的几 何中心在线圈23的左侧，靠线圈21通电产生的电磁力保持在该位置。控制开始，线圈21 断电，然后线圈23通电，线圈23对动磁铁12产生吸引力，输出件向右运动。(2)经过一段时间，例如10毫秒，线圈23断电，线圈22通电，由于此时线圈22对 动磁铁11产生的吸引力大于对动磁铁12产生的吸引力，输出件继续向右运动。(3)经过一段时间，例如10毫秒，线圈22断电，线圈24通电，线圈24对动磁铁12 产生吸引力，输出件继续向右运动。(4)经过一段时间，例如10毫秒，线圈24断电，线圈23通电，由于此时线圈23对 动磁铁11产生的吸引力大于对动磁铁12产生的吸引力，输出件继续向右运动。(5)经过一段时间，例如10毫秒，线圈23断电，线圈25通电，线圈25对动磁铁12 产生吸引力，输出件继续向右运动，并被吸保持在右端。(6)若要使其向左运动，与上述过程相反，各线圈通电方向不变即可。本实施例类似于实施例十八，可以通过两端的位置检测器901和909判断初始位 置和终点位置。也可加入超时未到终点报警。上述实施例均没考虑回复力机构，可以参考本人申请号为200910234647. X的发 明加入回复力机构，通电时向一端运动，断电时由回复力作用向另一端运动。上述各实施例 均可加入多个位置检测部件，用于精确检测输出件或动磁铁的位置，并根据精确位置进行 运动控制。增加这些机构仍然在本发明的保护范围内。最后，上述实施例仅是举例说明，可以对实施方式做出变更或修改，而不背离本发 明的原理和实质。凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的 保护范围之内。
权利要求
大行程永磁体电磁驱动装置，是由动磁铁、输出件、基体及线圈组成；其特征在于所述线圈为N个，N大于或等于1；所述动磁铁为M个，M大于或等于1；每个线圈都与基体内部的圆柱形空腔同轴，沿轴线方向各线圈间隔适当距离；每个线圈既可以单独通电使用，也可以与其他线圈适当组合连接通电使用；沿轴线方向各动磁铁间隔适当距离被固定在输出件轴线上；M个沿轴线方向充磁的动磁铁和输出件一起构成可在空腔中沿轴线方向运动的部件。
2.根据权利要求1所述的大行程永磁体电磁驱动装置，其特征在于它还包含1个或 多个用于检测动磁铁位置的部件。
3.根据权利要求1或2所述的大行程永磁体电磁驱动装置，其特征在于它还包含由 铁磁性材料构成的外套，套在线圈的外面或者既套在线圈外面又填充在相邻线圈之间，夕卜 套与线圈或基体同轴。
4.根据权利要求1或2或3所述的大行程永磁体电磁驱动装置，其特征在于N大于或 等于1，M小于或等于N，M最小为1。
5.根据权利要求1或2或3所述的大行程永磁体电磁驱动装置，其特征在于N大于或 等于1，M等于N+1。
6.一种控制权利要求1或2或3所述的大行程永磁体电磁驱动装置的方法，首先沿轴 线方向从起端向末端将N个线圈依次编号为1、2、…、N，沿同样的方向将M个动磁铁依次 编号为1、2、…、M ；然后，根据当前线圈和动磁铁的相对位置及计划控制运动的方向判断对 哪些线圈通电及通电方向；控制动磁铁运动，具体步骤及原则如下(1)凡是当前某线圈几何中心与其最接近的动磁铁几何中心之间的距离既小于该线圈 长度的1/4，又小于该动磁铁长度的1/4时，该线圈不通电；(2)某线圈通电的方向应满足对距离它最近动磁铁产生的电磁力方向与计划控制运动 的方向相同；(3)位于两端动磁铁外侧的线圈是否都通电，需综合考虑；若位于动磁铁1靠近起端一 侧的所有线圈通电时都对该动磁铁产生与计划控制运动的方向相同的电磁力，由于距离动 磁铁很远地方的线圈产生的电磁力很小，应该考虑该较远处线圈是否有必要也通电；如果 提供大的电磁力是主要因素，能源消耗是次要因素，则该线圈就通电，以便对动磁铁提供较 大的电磁力；如果电源效率是主要因素，电磁力是次要因素，则该线圈就不必通电，仅距离 动磁铁较近的部分线圈通电，以便提高能源效率；同理，位于动磁铁M靠近末端一侧的所有 线圈通电时都对该动磁铁产生与计划控制运动的方向相同的电磁力，距离动磁铁很远地方 的线圈是否有必要也通电根据同样原则确定；(4)若控制电路不能改变线圈电流方向，只存在通电和断电两种状态，则只考虑线圈对 动磁铁的吸引力，即动磁铁靠近目的地一侧的线圈对其产生吸引力，使其向目的地方向运 动；(5)在电磁力作用下，动磁铁向计划方向运动，在运动过程中随时检测或判断线圈与动 磁铁之间的相对位置，并根据上述(1) (2) (3) (4)原则确定通电的线圈及改变通电方向，直 到动磁铁运动到达目的地。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于在控制过程中，还包含超时检测程 序，即经过一段时间，按正常程序动磁铁应当运动到达行程的终端而实际上未到达，则说明运动中受到阻力过大或电磁力太小，动磁铁被停在途中；出现这种情况，或者报警，或者各线圈断电同时报警。
全文摘要
本发明公开了一种大行程永磁体电磁驱动装置及其控制方法，所述的装置是由动磁铁、输出件、基体及线圈组成。当增加线圈和(或)动磁铁个数，并采用适当的控制方法时可以增大动磁铁的行程和提供更大的电磁力。只要线圈数量足够多，就能提供任意大的行程或更大的电磁力。控制方法是根据具体的大行程电磁驱动装置，在适当的时间切换各个线圈通电或断电及通电的方向，实现大行程的运动控制。
文档编号H02K33/18GK101873045SQ20101017516
公开日2010年10月27日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者蹇兴亮 申请人:蹇兴亮