專利名稱：具有振蕩電樞部件和彈簧的線性驅(qū)動單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線性驅(qū)動單元-包含至少一個勵磁線圈，-包含磁性電樞(armature)部件，通過線圈的磁場將該磁性電樞部件設(shè)置在軸向的中心位置附近的線性振蕩運動中，以及-包含至少一個彈簧，以固定的方式將彈簧進行固定，并且彈簧的振蕩端對電樞部件沿運動方向起作用。
背景技術(shù)：
從JP 2002-031054 A中推導(dǎo)出相應(yīng)的驅(qū)動單元。
特別使用相應(yīng)的驅(qū)動單元，來將壓縮機的泵活塞設(shè)置為線性振蕩運動。因此，也將包含這種壓縮機和線性驅(qū)動單元的系統(tǒng)稱為線性壓縮機(見最初提到的JP-A說明書)。
在相應(yīng)的已知線性壓縮機中，擁有通常是圓盤形的片彈簧的電樞部件(見最初提到的JP-A說明書)構(gòu)成了具有某種特征振蕩頻率的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。如果線性壓縮機在50Hz上(即在主頻上)振蕩，根據(jù)常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)，將結(jié)合電樞質(zhì)量對兩個片彈簧的彈簧常數(shù)進行設(shè)計，使得彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的特征頻率是50Hz。此外，彈簧的平衡位置對應(yīng)于所期望的電樞振蕩的中心位置。在運行期間，這樣設(shè)計的線性壓縮機僅提供有限的效率并且顯示相對較低的啟動性能。
因此，本發(fā)明的目標是改善具有上述特征的線性驅(qū)動，使得其相對于現(xiàn)有技術(shù)來說具有較高的效率并且允許其更容易更快速地啟動。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)該目標，線性驅(qū)動單元包含在權(quán)利要求1中指定的特征。從而，在電樞部件的中心位置上，將彈簧對電樞部件的作用點相對于彈簧的固定位置軸向地移位預(yù)定距離。在這種情況下，將電樞部件的中心位置理解為電樞部件振蕩期間在其兩個最大橫向偏移之間所選定的位置。
當(dāng)電樞部件位于其平衡位置時，作為對彈簧給定預(yù)壓力的結(jié)果，然后將該電樞部件朝向相對于中心位置的一側(cè)移位。
特別地，與驅(qū)動單元的該實施例相關(guān)的優(yōu)點可見于較低的電損耗、較高的效率、以及更容易對電樞運動進行控制和調(diào)整的事實之中。另外，改善了驅(qū)動單元的啟動性能。
從從屬權(quán)利要求中推導(dǎo)出根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動單元的多個優(yōu)選實施例。同時，可以將根據(jù)權(quán)利要求1的實施例與從屬權(quán)利要求中的一個的特征相結(jié)合，或者優(yōu)選地與多個從屬權(quán)利要求的多個特征相結(jié)合。因此，可以將下列特征額外地提供給驅(qū)動單元-特別地，可以將所述至少一個彈簧配置為片彈簧，在橫向于電樞部件的運動方向上固定該片彈簧。
-另外，可以在中心位置的兩側(cè)上提供多個彈簧。特別地，當(dāng)使用片彈簧時，可能因此保持和控制電樞部件。
-此外，可以將電樞部件連接到壓縮機的至少一個泵活塞上，其中，在遠離壓縮機的方向上提供所述至少一個彈簧在電樞部件上的作用點的軸向位移。特別地，該措施改善了包含電樞部件和活塞的系統(tǒng)的啟動性能。
-特別地，可以優(yōu)選使用具有低彈簧常數(shù)或剛度的彈簧。以這種方式構(gòu)成的彈簧特別適合于其作用點在根據(jù)本發(fā)明的電樞部件上的移位。
-根據(jù)彈簧的彈簧常數(shù)優(yōu)選地選擇所述至少一個彈簧的作用點的軸向移位。
-另外，如果選擇了所述至少一個彈簧的彈簧常數(shù)，使得與總振蕩質(zhì)量相符的驅(qū)動單元的特征頻率低于驅(qū)動磁力的頻率，那么將特別有利。
從以前未討論的權(quán)利要求和附圖中獲得根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動單元的更多有利實施例。


以下參考附圖對本發(fā)明進行詳細說明。在附圖中圖1是示意圖，其示出了貫穿根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動單元的橫截面的對稱軸的上部；圖2示出了在該驅(qū)動單元中的電樞運動和電作用力(electricallyinfluenced force)；以及圖3示出了用于設(shè)計彈簧的仿真結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
可以將本身已知的作用于電樞部件的振蕩/運動方向的彈簧用于本發(fā)明的驅(qū)動單元?？雌饋硖貏e適合于使用至少一個彈簧，最好使用兩個片彈簧。為下文的示例性實施例選擇這些片彈簧。這些片彈簧以在垂直于彈簧平面的振蕩/運動的方向上的低剛度或者彈簧常數(shù)k，使得仍然可以獲得足夠好的橫向穩(wěn)定性或者將振蕩的電樞部件保持在垂直于其運動方向上。當(dāng)然，還可以使用諸如螺旋或者圈狀彈簧的其它類型的彈簧。還可以以已知的方式為側(cè)向引導(dǎo)提供支撐物。
圖1主要示意性地示出了貫穿本發(fā)明的兩部件線性驅(qū)動單元10的橫截面的上部，即該圖僅示出了位于對稱軸S一側(cè)的單元部分，該對稱軸S沿振蕩的軸向延伸。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)對稱的驅(qū)動單元本身已知(例如見US 6 323 568 B1)。根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動單元10包含至少一個勵磁線圈11，該勵磁線圈11擁有至少一個相關(guān)的攜帶磁通量的磁軛體12。磁樞或者電樞部件15位于該磁軛體的中心溝道形開口或者狹縫形間隙13中。該電樞包含兩個永磁鐵9a和9b，其中一個軸向地排列在另一個之后，該兩個永磁鐵的相反的磁化方向由箭頭線m1和m2指示。該電樞可以在線圈11的變化磁場中沿著軸向方向執(zhí)行振蕩運動，其中，其在中心位置Mp附近振蕩。在軸向方向x上距離該中心位置的最大偏移，即振幅，由+L1或-L2表示。
如圖中進一步所指示的，對電樞15的延伸部分作用于中心位置Mp兩側(cè)的作用點A或A′的兩個片彈簧2和2′應(yīng)該是固定的，以使得它們在所示的電樞15的中心位置沿x方向施加力。這里，x0和-x0表示彈簧2和2′在形成預(yù)壓力情況下的作用點A和A′的(初始)位置，該預(yù)壓力是通過電樞部件15將其兩個磁部件9a和9b關(guān)于中心位置Mp對稱排列所獲得的。所述至少一個彈簧的彈簧常數(shù)k被很好地形成，使得與整個振蕩質(zhì)量m協(xié)同的驅(qū)動單元的特征頻率f0=12πkm]]>低于要由勵磁線圈產(chǎn)生的驅(qū)動磁力的頻率?？梢酝ㄟ^計算的方法確定k值。
在根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動單元中，移除了彈簧力的電樞的平衡位置被朝向一側(cè)移位預(yù)設(shè)距離Δx。相關(guān)的預(yù)拉緊力應(yīng)該橫向地沿著x方向起作用，其中，壓縮機V或者其泵活塞位于x方向上。為了實現(xiàn)該目的，電樞15的至少一側(cè)軸向地轉(zhuǎn)變到橫向延伸部分16，這里未詳細表達，該橫向延伸部分16剛性連接在壓縮機V的泵活塞上。連接到線性驅(qū)動單元的線性壓縮機的對應(yīng)壓縮機以及它們的各個部件屬于現(xiàn)有技術(shù)(例如見前述JP_2002-031054_A或者US 6 323 568 B1)。因此，將不對它們進行描述。
圖1示出了當(dāng)在其振蕩運動期間精確位于對稱于中心位置Mp時的電樞15。因此，在該位置處，將可靠地固定在固定點B或B′處的彈簧2和2′在其作用點A或A′處朝向遠離壓縮機側(cè)的一側(cè)彎曲距離Δx。結(jié)果是，在彈簧力不起作用的平衡位置中，電樞被從其(所示的)中心位置朝向壓縮機V移位。
對于圖2中的曲線，假定電樞15的中心點在點x_＝_-L2和x_＝_+L1之間運動，其中，例如，L1和L2各是大約10mm。作為例子，該圖還示出了以N為單位的電作用力Fel(曲線K1)和以mm為單位的位置x(曲線K2)關(guān)于以秒為單位的時間的函數(shù)。由具有增大的線寬的表示為Ru的虛線指示電樞方向的反轉(zhuǎn)位置。
包含驅(qū)動單元和壓縮機的系統(tǒng)的彈簧設(shè)計原理對于下文的分析，假定線性驅(qū)動單元10，其電樞15連接到壓縮機V的泵活塞上。為簡便起見，假定L1＝L2＝L。
作用在電樞上的電磁力Fel的幅度為零或者具有固定值，力的符號總是可以被選擇為使得該力作用在運動的方向上。電場力Fel僅對于距離的一部分a是非零的(0＜a＜1；在這里將a稱為“工作循環(huán)”)。令k為運動方向上的彈簧常數(shù)的總和，并且令x0為彈簧相對于電樞的中心位置的平衡位置。
對于 其對應(yīng)于遠離壓縮機的返回行程，由等式(1)給出提供給電樞的電能表1Eel-＝Fel·2L·a 等式(1)并且從電樞一端的中心點x＝+L到電樞另一端的中心點x＝-L，彈簧勢能如等式(2)變化表2ΔESpring＝(k/2)(-L-x0)2-(k/2)(L-x0)2等式(2)兩個能量必須是相同的，即表3ΔESpring＝Eel-等式(3)對于 其對應(yīng)于朝向電樞的前向行程，由等式(4)給出提供給電樞的電能(相反)表4Eel+＝Fel·2L·a等式(4)并且從電樞一端的中心點x＝-L到電樞另一端的中心點x＝+L，彈簧勢能變化-ΔESpring。
對于恒定的振幅L，在一次振蕩中提供的總的電能Eel＝Eel++Eel-以及可忽略的摩擦必須等于壓縮機中使用的能量Ecomp。
因此，由等式(5)獲得電場力(假定為常數(shù))
表5Fel=Ecomp4L·a]]>等式(5)如果給定了彈簧常數(shù)k和電能Eel-(即電力Fel、振幅L和工作循環(huán)a)，那么可以通過將等式(1)和等式(2)代入等式(3)來計算所需的彈簧平衡位置表6x0=Eel-2k·L=Fel·2L·a2k·L=Fel·ak]]>等式(6)從等式(6)可以看出彈簧必須總是沿正方向被預(yù)壓縮，并且預(yù)壓縮的距離越短，彈簧常數(shù)k越大。
用于彈簧設(shè)計的方法應(yīng)該將彈簧設(shè)計為電樞關(guān)于x＝0在磁軛中對稱地振蕩(即在x＝-L和x＝+L之間)，其中，電樞振蕩的頻率f近似地對應(yīng)于目標值ftarget。
對于給定的電樞質(zhì)量、振幅L和壓縮機特性，振蕩頻率f僅取決于兩個量彈簧常數(shù)k和工作循環(huán)a。
其支持●k越大，f越大；●a越小，f越大。
可以如下設(shè)計彈簧1.在爭取彈簧的最佳設(shè)計的標準情況下，指定振幅L并且確定壓縮機能量Ecomp。
2.指定工作循環(huán)a并且根據(jù)等式(5)計算電力Fel(或者計算與該力相對應(yīng)的線圈電流)。
3.指定彈簧常數(shù)k并且使用等式(6)計算彈簧平衡位置x0。
4.對為圖3假定的彈簧壓縮機質(zhì)量系統(tǒng)進行仿真，并且確定振蕩頻率f。
5.如果f和目標值ftarget相互差距太大，返回2(改變工作循環(huán)a)或者3(改變彈簧常數(shù)k)。
示例計算示例計算涉及已知壓縮機，該壓縮機具有沖程2L＝20mm和標準壓力條件(pmax-pmin＝(7.7-0.6)bar)。由于假定死體積小到趨于零，所以它不產(chǎn)生恢復(fù)力。在這些條件下，壓縮機中每次振蕩所做的機械功是0.7753J。如果機械能應(yīng)該是40W，那么所需的振蕩頻率是51.6Hz。
在根據(jù)圖3的仿真方框圖中，m(質(zhì)量)和c(摩擦系數(shù))的值分別為90g和0.336Ns/m。
在下文的表中，應(yīng)該將工作循環(huán)a和彈簧常數(shù)k視為初始量，而將電場力Fel、彈簧平衡位置x0和振蕩頻率f視為計算結(jié)果。
表7

參考列表2、2′片彈簧9a、9b永磁鐵10驅(qū)動單元11勵磁線圈12磁軛體13溝道形開口
15電樞16延伸部分M1中心線Mp中心位置S對稱軸A、A′作用點m1、m2磁化方向x軸向延伸Δx位移L1、L2偏移x0初始位置B、B′固定點V壓縮機K1、K2曲線Fel力Ru反轉(zhuǎn)方向的位置
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種線性驅(qū)動單元，其包含至少一個勵磁線圈，包含磁性電樞部件，通過所述線圈的磁場將所述磁性電樞部件設(shè)置為沿軸向在中心位置附近進行線性振蕩運動，以及包含至少一個彈簧，以固定的方式將該彈簧進行固定，并且該彈簧的振蕩端對所述電樞部件沿運動方向起作用，其特征在于在所述電樞部件(15)的中心位置(Mp)處，將所述彈簧(2、2′)在所述電樞部件(A、A′)上的作用點(A、A′)相對于其固定位置(B、B′)軸向地移位預(yù)定距離(Δx)。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動單元，其特征在于將所述至少一個彈簧(2、2′)配置為片彈簧，在所述電樞部件(15)的運動方向的橫向方向上拉緊該片彈簧。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的驅(qū)動單元，其特征在于在所述中心位置(Mp)的兩側(cè)提供多個彈簧(2、2′)。
4.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的驅(qū)動單元，其特征在于將所述電樞部件(15)連接到壓縮機(V)的至少一個活塞上，其中，在遠離所述壓縮機(V)的方向上提供所述彈簧(2、2′)在所述電樞部件(15)上的所述作用點(A、A′)的所述軸向位移(Δx)。
5.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的驅(qū)動單元，其特征在于至少一個具有低剛度的彈簧(2、2′)。
6.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的驅(qū)動單元，其特征在于取決于所述彈簧(2、2′)的彈簧剛度選擇所述彈簧(2、2′)的所述作用點(A、A′)的所述軸向位移(Δx)。
全文摘要
驅(qū)動單元(10)包含勵磁線圈(11)、磁性電樞部件(15)、以及至少一個彈簧(2、2′)，通過所述線圈的磁場將磁性電樞部件(15)設(shè)置在軸向(x)的中心位置(Mp)附近的振蕩振動運動中，以固定的方式將彈簧(2、2′)固定在固定位置(B、B′)，并且彈簧(2、2′)的振蕩端(A、A′)與電樞部件(15)搭合，沿運動方向起作用。在電樞部件(15)的中心位置(Mp)，為了在平衡位置時對電樞部件進行適當(dāng)?shù)仄?，將彈?2、2′)與電樞部件(15)的搭合點(A、A′)關(guān)于固定位置(B、B′)軸向偏移預(yù)定距離(Δx)。
文檔編號H02K33/06GK1930762SQ200580007112
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
發(fā)明者約翰內(nèi)斯·賴因施克, 京特·里斯 申請人:Bsh博世和西門子家用器具有限公司