线性电机
阅读说明：本技术 线性电机 (Linear motor ) 是由 塞缪尔·科克里尔 爱德华·海恩斯 于 2020-01-03 设计创作，主要内容包括：一种线性电机(LEM)包括：安装在外壳中的至少一个定子,外壳和定子限定工作缸；工作缸内的两段式中心芯,其中芯的两段同轴、分离并悬臂安装在工作缸内；在工作缸与两个中心芯段之间的圆柱形定子孔腔；和一个或多个中空平移体,每个平移体可在定子孔腔内轴向移动,使得中心芯的每段被一个或多个平移体的部分横贯,从而在相应平移体与定子之间形成外部磁路气隙。(A Linear Electric Motor (LEM) comprising: at least one stator mounted in the housing, the housing and stator defining a working cylinder; the two-section type central core in the working cylinder, wherein the two sections of the central core are coaxial and separated, and a cantilever is arranged in the working cylinder; a cylindrical stator bore between the working cylinder and the two central core segments; and one or more hollow translatory bodies, each of which is axially movable within the stator bore such that each segment of the central core is traversed by a portion of the one or more translatory bodies, thereby forming an external magnetic circuit air gap between the respective translatory body and the stator.)
技术领域
本发明涉及一种线性电机。
背景技术
这种线性电机可用于各种应用，包括但不限于：用作自由活塞发动机线性发电机，其中燃烧压力作用在平移体上以产生有用的电力输出；用作气体膨胀机，其中高压气体作用在平移体上以产生有用的电力输出；用作气体压缩机，其中电输入引起平移体的移动以对气体加压；用在液压系统中，其中平移体的移动引起工作室内的液压流体的位移，或者工作室内的液压流体的位移引起平移体的移动；以及用作致动器，其中电输入引起平移体的移动以产生期望的致动效果。
这种致动器可用在位移和振动测试系统、制造过程和机器人技术中。在位移和振动测试系统应用中，致动器可用于向测试对象施加循环力或运动模式(motion profile)。测试对象可以是材料样本、分立部件、部件的子系统组件，或成品。这种测试的目的可以是确定测试对象对所施加的力或位移功能的耐久性。替代地，测试可以寻求表征测试对象对所施加的力或位移功能的响应。
汽车工业广泛使用这种测试致动器，用于子组件测试和成品测试。测试致动器通常布置成支撑车辆或车辆的某部分，诸如一个或多个车轮或悬架部件。
特别地，在车辆测试应用中，本发明可以用作道路模拟器车辆测试系统的一部分，其中车辆的每个角部通常支撑在单独的致动器上。支撑可以直接提供于车辆的车轮，或者可以提供于其他部件，诸如悬架部件、转向轴(stub axle)或支撑臂。在某些情况下，致动器可以应用于车辆的车身。然后，致动器的运动可以模拟车辆在各种路面和其他地形上的移动。因此，测试环境是受控制的，其中表示不同行驶速度和路面状况的力或位移输入功能可以应用于车辆。例如，通过改变高频位移的幅度，可以模拟更粗糙或更平滑的路面。替代地，可以应用极端负载，来模拟道路中的坑洞和其他较大特征。这种测试可以用于车辆开发中以降低行驶噪音，并确保车辆悬架部件对于预期的行驶条件范围是足以胜任并且耐用的。
为了模拟表征在代表性行驶速度下的道路负载的高频位移，伺服液压系统通常用作汽车测试系统的基础。在这些系统中，伺服液压动力组产生高压液压流体，然后使用一个或多个伺服阀将高压液压流体输送到液压致动器。这些系统存在许多众所周知的缺点。
首先，液压油和伺服液压动力组部件的惯性限制了道路负载功能的实际频率(其可以产生至大约150Hz)。这远远低于准确代表了由20mm或更小尺度的特征表征的路面粗糙度所必须的性能水平，并且还低于已知的输入振动频率，该频率会激发车辆结构中的共振进而产生不希望的驾驶室噪音。
其次，伺服液压系统在测试设施内需要昂贵且专用的基础构架，其可能极为庞大，并且仍必须相对靠近液压致动器定位以限制在系统内移动的油的惯性。此外，该基础构架需要专业人员操作和维护专业知识。
第三，伺服液压系统是大型电力消费者，使得其操作昂贵，并且增加了汽车开发和制造的碳排放足迹。
第四，伺服液压系统可能极为嘈杂，使得难以在由于测试对象的响应而产生的噪声与测试致动器系统本身的相关噪声之间区分。
由于这些缺点，对于某些汽车测试应用和其他测试致动器应用，采用了线性电磁致动器来代替伺服液压系统。线性电磁致动器具有响应更快、更紧凑、更易于操作和维护、更高效和更少噪声的优点。
在若干这样的系统中，提供弹簧和/或气压缸，以使现有技术中描述的致动器能够将静负载通过或沿着电机平移体施加至测试对象。该布置允许在操作之前调节致动器的固定力分量，以便在测试开始之前平衡测试对象重量和/或确保测试对象处于正确的位置。
US7401520教导了一种用于测试车辆的完整系统，该系统包括多个装置，多个装置中的每个包括用于支撑车辆的车轮的至少一部分框架和被至少部分地容纳在框架内的线性电磁致动器，线性电磁致动器具有可移动的磁体并且在使用中向车轮施加受控的基本竖直的力。每个装置被布置用以在多个受支撑的车轮的相应一个上独立地施加受控的基本竖直的力，并且多个空气弹簧(有时称为气囊)或者替代地机械弹簧(来自包括盘簧、扭簧和片簧的组)被提供以提供所支撑的车辆的找平。
这种系统存在许多缺点。
首先，对气囊或机械弹簧与轮板或电机移动器之间的承载机械连接的需求增加了移动组件的惯性质量。该额外的惯性降低了致动器在给定位移下能够实现的峰值频率。
其次，使用诸如气囊或机械弹簧的顺从性构件引入了在测试致动器系统中产生不期望的共振的可能性，从而损害了施加给测试对象的输入功能的完整性。
第三，由于需要在每个致动器测试框架内联接离散的弹簧与电机组件，因此US7401520所教导的布置需要不必要的结构复杂度，导致整个设备的成本和尺寸增加。
US8844345教导了一种以受控方式向测试物(诸如机动车辆)赋予运动的装置。基座在其上安装有线性电磁马达，该线性电磁马达具有第一端和第二端，第一端连接到基座。气压缸和活塞组合具有第一端和第二端，第一端连接到底座，使得气压缸和活塞组合与线性电磁马达大体平行。线性电磁马达与气压缸和活塞组合的第二端共同连接到可动构件，该可移动构件另外附接到用于测试物的安装件。用于线性电磁马达及气压缸和活塞组合的控制系统驱动气压缸和活塞组合，以支撑测试物和线性电磁马达的大量静负载，从而对测试物赋予受控运动。
这种系统存在许多与先前关于US7401520所描述的那些缺点相类似的缺点。
首先，对于离散的气压缸和活塞组合、承载可动构件和用于测试对象的安装件的要求给移动组件增加了相当大的惯性质量。该额外的惯性降低了致动器在给定位移下能够实现的峰值频率。
其次，使用气压缸和活塞组合而不是气囊或机械弹簧时，由于气压缸和活塞之间的滑动密封而引入摩擦。该摩擦将影响施加给测试对象的净力，并且还可能导致致动器的磨损和寿命缩短。
第三，由于需要在每个致动器测试框架内联接电机、气压缸、可动构件和用于测试对象的安装件，因此US8844345教导的构造需要不必要的结构复杂度，导致整体设备的成本和尺寸增加。
WO2018/142137教导提供一种具有壳体的线性电机。壳体由典型的圆柱形壁和限定中空内部的端壁形成。内部保持定子，通常是管状线性电机定子，其具有从定子的一端轴向延伸到另一端的圆柱形孔。因此，壳体和定子限定了工作缸。中心芯至少相对于定子14轴向固定在工作缸内，并且在这种构造中，在中心芯固定点处固定到端壁。中心芯的上端被中空的平移体包围，使得平移体在中心芯上和中心芯外侧滑动。
中心芯和定子在它们之间限定了定子孔腔。定子孔腔是圆柱形环形空间，平移体可在其中相对于定子轴向移动。平移体与定子之间存在外部磁路气隙。在该示例性实施例中，外壳并且因此定子被刚性保持，并且平移体在定子内和中心芯上移动。
中心芯的主要功能是在定子孔内提供平移体的同轴位置，以及用于平移体运动的线性轴承，该轴承通常分布在定子的整个长度上，以便支撑由定子产生的电机侧负载。如果同轴位置没有精确对准，产生的电机侧向负载会导致线性轴承过载以及随之而来的摩擦和磨损。
线性电机还可包括工作室，其中工作室体积的变化引起平移体的运动，然后平移体的运动在一个或多个线圈中感应出电流，或者其中由一个或多个线圈中的电流引起的平移体的运动引起工作室的体积的变化。这种系统的例子包括：用作自由活塞发动机线性发电机，其中燃烧压力作用在平移体上以产生有用的电力输出；用作气体膨胀机，其中高压气体作用在平移体上以产生有用的电力输出；用作气体压缩机，其中电输入引起平移体的移动以对气体加压；用在液压系统中，其中平移体的移动引起工作室内的液压流体的位移或者工作室内的液压流体的位移引起平移体的移动。
当使用这种设备作为电动机或发电机而作用于容纳在工作室内的流体上时，上面关于使用线性电机作为致动器所述的许多问题也存在，因此也实现了类似的益处。特别地，自由活塞发动机线性发电机必须有效地控制活塞的运动，以实现有效和低排放燃烧所期望的一致的压缩和膨胀比。在现有技术中，对活塞运动控制的挑战被广泛认为是在自由活塞发动机形式可被成功开发和商业化之前必须解决的主要挑战。通常在自由活塞发动机中使用的线性电机很少能够实现期望的运动控制水平，因为相对于可由电机施加的力，这些机器具有高活塞质量。该度量或其倒数(单位运动质量的力)有时被称为“特定力(specificforce)”，是自由活塞发动机运动控制的最重要的决定因素。
在使用线性电机作为电动机或发电机以作用于工作室内包含的流体的其他应用中，良好的活塞运动控制性能也是必不可少的，这些其他应用包括自由活塞式气体膨胀机(例如，在兰金循环废热回收系统或制冷循环内)、自由活塞式气体压缩机和自由活塞泵，因为活塞运动决定了在冲程的末端达到的压力或排量。因此，活塞的冲程位置的末端中的任何不受控制的变化直接影响到设备的功能。
发明内容
本发明旨在解决上述问题中的一个或多个。
根据本发明，提供了一种线性电机(LEM)，包括：安装在壳体中的至少一个定子，该壳体和至少一个定子限定工作缸；工作缸内的两段式中心芯，其中芯的两段同轴、分离并悬臂安装在工作缸内；位于工作缸与两个中心芯段之间的圆柱形定子孔腔；以及一个或多个中空平移体，每个平移体可在定子孔腔内轴向移动，使得中心芯的每段被一个或多个平移体的一部分横贯，从而在相应平移体与定子之间形成外部磁路气隙。
这种LEM是有益的，因为对于LEM的给定输出，它减少了中心芯的任何单个部件的悬臂长度。或者，它允许给定几何形状的LEM具有更大的功能行程长度，从而增加给定尺寸和形状的LEM的输出。
这可以通过参考图21和图22描述的以下内容进一步理解:
具有中心芯的线性电机的几何形状可以用五个线性尺寸来表征；
1)定子长度S
2)功能行程长度F
3)中心芯长度C
4)中心芯轴承长度B
5)平移体长度T
定子在与平移体接合时可以在平移体上产生力，以便与平移体交换有用功。功能冲程长度F是平移体与定子之间的相对运动量，在此期间完成了有用功。有用功是轴向电机力(牛顿，通常与S成比例)和平移体轴向运动(米，通常等于F)的乘积，导致产生有用的电能输出或有用的机械运动输出(牛顿.米)。在其他条件相同的情况下，增加S和F会增加机器的有用功输出。
长度为C的中心芯的主要功能是提供平移体在定子孔内的同轴位置，以及用于平移体运动的线性轴承，该轴承通常分布在定子S的整个长度上，以支撑由定子产生的机电侧负载，即S＝B。如果同轴位置没有精确对准，则产生的机电侧负载导致线性轴承过载以及随之而来的摩擦和磨损。
在这种构造中，中心轴承的功能通常要求平移体内侧的轴颈在整个行程中保持接合，因此T>S+F，
对于任何给定的径向几何形状：
i)电机力通常均匀地施加在定子的单位长度上
ii)平移体质量通常与平移体长度成比例。
因此，对于需要高特定力(力/质量)的应用，最好将T/S降至最低。如果T>S+F，也就是T/S>1+F/S的情况，因此为了使T/S最小化，在其他约束条件下，定子长度与平移体长度的比值S/F应最大化。
中心芯提供的同轴位置精度受到以下因素的影响：(i)电机侧负载作用下的悬臂弯曲，其随着悬臂长度的三次方增长，以及(ii)中心芯轴线与悬臂根部平面之间的制造公差(包括直线度和垂直度)，其随着悬臂长度线性增长。
对于给定的电机侧负载(与S成比例)，将中心芯的悬臂长度C减半因而会导致弯曲冲击减少八倍，并且对由中心芯提供的平移体-定子同心度约束的机械公差冲击减少一半。
出于这个原因，为了最大化有用功输出，在其他约束条件下，中心芯长度与定子长度和功能冲程的比率(即C/S和C/F)应该最小化。
在如图2所示的具有单个中心芯的LEM中，为了使中心芯在定子的整个长度上提供线性轴承，中心芯长度的长度C>F+S。
因此，也存在C/S>F/S+1和C/F>1+S/F的情况。
在具有分裂中心芯的LEM中，中心芯的长度C>F+S/2，因此也是C/F>1+1/2(S/F)的情况。
因此，在两个或更多个段中提供中心芯，每个段都可以由它自己的悬臂单独支撑，这意味着在为高特定力设计的机器中(其中S/T和S/F都最大化)：
a)单位定子长度的悬臂长度(C/S)可以减半
b)单位功能行程长度的悬臂长度(C/F)可以减半。
在实施例中，其中两个中心芯面向共同的中心室，对于给定的悬臂长度C，每个独立平移体的行程可以组合成作用在共同工作室上的有效功能行程长度(F＝2×F’)的两倍，使得单位功能行程长度的悬臂长度(C/F)可以减半。
芯段优选是相对的，并且可以指向彼此。
每个芯段可以从外壳的端部向轴向中心延伸。
单个平移体可以在两个芯段上移动。
平移体可以包括在平移体的一段上向内突出的至少一个元件，该至少一个元件可以在中心芯之间自由往复运动。至少一个突出的元件可以提供力耦合特征件，其他元件可以连接或邻接到该力耦合特征件。在一个示例中，力耦合特征件可以采取中心支撑件的形式，该中心支撑件位于两个芯之间，并且随着平移体在两个中心芯段之间往复运动。
力耦合特征件可以没有开口，从而可以在力耦合特征件与相应中心芯段的自由端之间限定一对室，使得每个室内的压力作用在力耦合特征件的表面上。可以作为力耦合特征件的中央支撑件可以采取实心壁的形式。
至少一个中心芯段可以是中空的。力连接杆可以被连接到平移体的内部，并且可以延伸穿过中空的芯段。力耦合特征件的目的是将力连杆连接到平移体，使得力可以通过力连接杆施加到平移体，导致电流的产生，因此可以采取任何合适的形式。
力连接杆可以被连接到力耦合特征件。
可以提供两个平移体，使得第一平移体和第二平移体可以在各自的中心芯段上移动，以在各自的平移体与定子之间形成单独的外部磁路气隙。
定子可以由两部分形成，分离的定子部件与每个中心芯相关联。
两个平移体可以在它们之间限定中心室，使得室内的压力作用在两个平移体的表面上。
两个平移体可以位于同一个工作缸中。
上面限定的本发明可以包括以下一个或多个。
上述具有两部分芯的线性电机可以包括：安装在外壳中的定子，外壳和定子限定工作缸；工作缸内的中心芯，在两者间限定圆柱形的定子孔腔；中空的平移体，其可在工作缸内轴向移动，延伸到定子孔腔中，并在平移体与定子之间形成外部磁路气隙；在中心芯与平移体之间的至少一个挠性件(flexure)或轴承，其提供平移体在定子孔腔内的同轴定位，其中中心芯相对定子轴向固定。
轴承或挠性件可以是流体轴承，其可以是气体轴承，并且通常适用于其中工作缸包含气体的应用。替代地，流体轴承可以是液体动压轴承或静压轴承，其通常适用于其中工作缸包含液体的应用。如果说明书涉及使用流体轴承，则应将其视为意味着气体轴承、液体动压轴承和静压轴承中的任何一种轴承。流体轴承可以提供平移体和中心芯的同轴定位。
借助于这种构造，特别是在中心芯和平移体之间的流体轴承，不需要超出定子下端的额外平移体长度以保持与定子下方的外部流体轴承接合，并且因此，对于相同的电磁力，显著减小了平移体的质量。除了提供平移体和中心芯的同轴(并因此同心)定位之外，流体轴承还提供反作用力以对抗由线性电机定子产生的任何侧向负载。在中心芯上并在电机定子的上端和下端内设置流体轴承减小了定子和流体轴承之间的侧向负载力传递路径的长度。由平移体向轴承位置的侧向负载力传递可导致轴承之间的梁弯曲或导致向单个轴承的任一侧的悬臂弯曲。这种弯曲可能导致平移体和中心芯之间的非同心定位，并且进而导致平移体和定子之间的非同心定位，并因此是不希望的。因此，本发明的构造减少了对额外平移体质量的需求，该额外平移体质量是用以提供足够的平移体刚度来限制在电机定子侧向负载的作用下的平移体弯曲。因此，本发明能够以与替代构造相比单位移动质量更大的电机力来维持线性电机定子和平移体之间的同轴(并因此同心)关系。
至少一个流体轴承优选地安装在中心芯上，并且在中空的平移体的内部的一部分上形成的轴承表面上滑行。流体轴承通常是单独的部件，其提供从供给部到轴承间隙中的气体或液体轴承流体的流动。将流体轴承定位在固定的中心芯上而不是在平移体上避免了该部件的额外质量对平移体移动质量的贡献。轴承轴颈表面可以形成在中空平移体的结构上，并且不需要向平移体添加单独部件。因此，这种构造允许在保持平移体的移动质量最小的情况下结合流体轴承功能，以将由电机定子产生的侧向负载传递到中心芯中。
至少一个流体轴承优选地限定平移体和定子的同轴(并因此同心)定位以及它们之间的外部磁路气隙。因此，这种构造允许在保持平移体的移动质量最小的情况下结合低摩擦流体轴承功能，以相对于中心芯和磁路气隙精确地定位平移体。
可以使用迷宫式密封件，其中通过在平移体中提供一系列环形通道，来控制工作室与流体轴承之间的流体流动和压力差。迷宫式密封件是一种非接触式密封件，通常用于活塞膨胀机和压缩机应用中。在本发明中，应用迷宫式密封件消除了否则将与接触式密封件相关联的摩擦，并且还消除了对于流体轴承和工作室之间的单独的流体压力释放特征的需求。
LEM可进一步包括在工作缸内的至少一个工作室和/或预加载室，用于向平移体施加力。工作室和/或预加载室优选地与定子孔和轴承间隙同轴。借助于这种构造，本发明允许工作室和/或预加载室紧密集成在LEM的结构内，并有助于减小机器的整体尺寸。预加载室包含在高压下供应的流体，并且在平移体上施加净力。在致动器构造中，这有助于平衡测试对象的重量和/或确保在测试开始之前测试对象处于正确的位置。这种紧密集成还消除了为在工作室和/或预加载室与平移体之间提供负载路径而对单独的机械元件的需要，从而减小了移动质量。
使用刚性壁元件来形成预加载室也避免使用顺从性材料，例如在气囊或机械弹簧中使用的顺从性材料。这减少了致动器系统共振的影响，否则可能影响到应用于测试对象的输入功能。
这种构造还提供了尺寸(特别是其宽度)紧凑的致动器或LEM，。
提供至少一个流体轴承在平移体和定子之间提供非常低的摩擦界面。与滑动接触轴承中通常发现的相比，这种构造提供了更低的机械摩擦和磨损，并且是在没有滚动元件轴承的往复质量损失(reciprocating mass penalty)的情况下提供了这种优点。因此，由于系统的低惯性，这种构造允许更高频率的操作。此外，流体轴承可以形成有效的非接触式压力密封件的一部分，以保持任何工作室中的压力，而没有与接触式密封件相关联的摩擦。
本发明涉及一种磁路气隙。出于本发明的目的，该术语是指相对渗透率接近空气的间隙。该间隙可包含或可不包含空气或其他流体。这种用法在电机领域中是众所周知的。
一个或多个轴承轴颈可以提供在平移体的内表面和外表面中的任一个或两个上。
预加载室可以像弹簧一样起作用，其中该室具有非零弹簧刚度，使得预加载力随着平移体移动而改变。在替代构造中，该室可以布置成使得其具有零弹簧刚度。预加载室可设置有至少一个导管，用于调节室内的压力。这种导管允许将预加载室内的压力调节到恒定值，从而提供零弹簧刚度构造。
电机可以是动磁型，其中磁体固定到可移动的平移体。与其他电机类型相比，动磁型机器提供了单位移动质量的高电机力。一个实施例使用动磁机器的子类型，通常已知为开槽机，其中磁通回路由导磁材料承载，并且磁通量由流入设置在该材料内的槽中的铜线圈中的电流切断。
动磁机器的替代子类型通常被已知为无槽机器，其提供更高的峰值力和更低的齿槽力，但效率低于开槽机器类型。替代实施例可以使用其他已有的线性电机类型，包括磁通切换和开关磁阻机器。这些机器类型中的每一种都不包括平移体中的磁体，允许平移体在与内部燃烧和兰金循环热回收应用相关的较高温度下运行，而没有磁性材料劣化以及随之而来的电机性能受损的风险。
端壁的可移动部分的移动优选地与定子孔同轴，这有助于最小化LEM的宽度。磁路气隙优选为圆柱形。
对于致动器，测试对象安装点优选地固定到平移体，通常在其上端。可以提供锚定点，来代替测试对象安装点，或者也可以提供锚定点以及测试对象安装点。锚定点是可以供外部元件固定、结合或以其它方式连接至的位置，而测试对象安装点是一种专门为将力传递给测试对象而提供的锚定点。
流体轴承优选地作用于在平移体的内表面上的流体轴承轴颈上。作为替代或作为补充，流体轴承作用于在平移体的外表面上的流体轴承轴颈上。
LEM可以进一步包括连接到平移体的编码器，该编码器通常感测一个或多个位置或速度。编码器可以使用至少一个光学传感器、磁性传感器或机械传感器。编码器通过确定平移体的位置和/或速度来辅助控制致动器。
至少一个轴承间隙可包括围绕平移体布置的多个轴向延伸的弓形截面通道。轴承间隙可以是圆柱形或包括两个或更多个弓形段。
LEM可以包括容纳一个或多个冷却通道的壳体。这些冷却特征通过去除由定子中流动的电流产生的热而允许将更高的电机力施加到平移体。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的一个示例，其中：
图1是构造为致动器的线性电机(LEM)，示出截面AA；
图2是中间冲程的穿过图1的LEM的轴向截面AA；
图3是替代的LEM的外部视图，示出截面BB和CC；
图4是穿过图3的LEM的轴向截面BB，示出中心芯和内部流体轴承；
图5是垂直截面BB，示出内部流体轴承和外部流体轴承；
图6是垂直截面BB，示出冲程顶部或“上死点”位置；
图7是垂直截面BB，示出冲程底部或“下死点”位置；
图8是垂直截面AA的放大图，示出磁路气隙和轴承轴颈细节；
图9是轴向截面CC，示出同心的磁路气隙和轴承间隙；
图10是轴向截面CC，示出内部流体轴承的替代构造；
图11是截面BB，示出具有中心芯和内部定子的替代方案；
图12是轴向截面BB，示出具有不对称偏置预加载室的另一替代构造；
图13是垂直截面BB，示出具有中心芯、内部和外部流体轴承及平移体流体轴承的另一替代方案；
图14是垂直截面BB的放大图，详细示出迷宫式密封件的示例实施例；
图15是轴向截面BB，示出其中中心芯穿过平移体的替代构造；
图16是示出挠性件的使用的放大的轴向截面BB。
图17是穿过LEM的垂直截面，示出第一分裂/两部分芯构造；
图18是穿过LEM的垂直截面，示出第二分裂/两部分芯构造；
图19是穿过LEM的垂直截面，示出第三分裂/两部分芯构造；
图20是穿过LEM的垂直截面，示出第四分裂/两部分芯构造；和
图21和22例示表征线性电机的五个线性尺寸。
具体实施方式
图1是作为致动器10操作的第一LEM的外部视图，其具有运动轴线20和用于其它截面图的各个平面位置，其中平移体(稍后示出)沿着运动轴线20移动。
图2示出具有壳体11的致动器10。壳体11可以由单个部件形成。可选地，壳体11可以由几个部件的组件形成，包括但不限于圆柱形壁和端壁。壳体11可以包括多个部件，即多个壁，这些部件形成一个或多个附加的壳体，包括但不限于室外壳(限定预加载室)或定子外壳(限定定子)。壳体11由典型的圆柱形壁12并由端壁13形成，从而限定中空内部。内部保持定子14，定子14通常是管状线性电机定子，其具有从定子的一端16轴向延伸到另一端17的圆柱形孔15。因此，壳体和定子限定工作缸53。中心芯34在工作缸内相对于定子14至少轴向固定，并且在这种构造中，中心芯34在中心芯固定点40处固定到端壁13。中心芯34的上端被中空的平移体18包围，使得平移体在中心芯34上和中心芯34外侧滑动。
中心芯34和定子在它们之间限定定子孔腔51。定子孔腔是圆柱形环形空间，平移体18在该定子孔腔内可相对于定子14轴向移动。在平移体与定子之间存在外部磁路气隙21(见图9)。在该示例实施例中，外壳并且因此定子被刚性地保持，并且平移体18在定子14内并且在中心芯上移动。
单个伸长的内部流体轴承35被安装在中心芯上，并且在该示例中，在壳体11中没有提供外部流体轴承。流体轴承与定子14长度基本相同，使得由电机产生的任何侧向负载由流体轴承在相同轴向位置中施加的相反力来匹配。
在替代示例中，轴承可以由一个或多个挠性件52替换或补充，如图16所示。这在其中平移体的移动较小(通常小于2mm)的应用中尤其合适。这样的应用可以包括但不限于例如在车辆悬架系统中施加短动力输入(motive input)以控制驾驶动力学的系统。特别地，在给定的通常有限的头上空间(headroom)的情况下，对悬架系统(尤其是安装在车辆内的悬架系统)施加阻尼力的系统。挠性件可以采用中心芯和平移体之间的板簧、叶簧、隔膜或其他弹性或柔性元件的形式，并且可以具有或可不具有轴向孔或间隙。挠性件的其他示例在US 5522214中示出。在任一示例中，挠性件或流体轴承约束平移体的径向运动，并提供平移体在定子孔腔内的同轴定位。
室外壳28限定预加载室29。在该示例中，室外壳位于壳体内，并由端壁13保持。然而，室外壳可以形成端壁，并且不一定必须在壳体11内。进入预加载室的开口30由平移体的端部19a封闭。以这种方式，平移体的滑动移动改变了预加载室的体积。预加载室还设置有至少一个导管47a，通过该导管47a可以供应加压流体以在平移体上提供必要的力。室29容纳流体，该流体通常是气体(但也可以是液体)，其在高压下供应并且在平移体18上施加净力，以平衡测试对象的重量和/或确保在测试开始之前测试对象处于正确位置。作为替代或作为补充，可以通过形成在中心芯34的上端与平移体18之间的室50来执行等效的预加载室功能。
平移体18在圆柱形定子孔15内的滑动移动改变了预加载室29的体积，因此产生与活塞在缸内移动相同的效果。预加载室29中的工作流体优选是可压缩气体，然而该流体也可以是不可压缩的液体，例如液压流体，平移体18的运动将其移动通过导管47a。与气囊类型的预加载力系统相比时，这种构造导致改进的测试对象输入信号质量，在气囊类型的预加载力系统中，平移体运动和相关的气体体积变化通过顺从性元件的形状变化来适应，该顺从性可能导致不希望的系统表现，例如共振或衰减。
在所描述的任何示例中，预加载室由侧壁29a、第一端壁29b、平移体18并由中心芯34的外表面形成，侧壁29a可以是或可以不是圆柱形壁，第一端壁29b通常由端壁13或外壳12的内表面形成，并且相对于侧壁29a固定。因此，室29通常是环形的。预加载室可以不是完全封闭的体积，并且除了导管47a之外，在平移体18、中心芯34和室外壳28之间可以存在其他小间隙。出于预加载室体积的定义的目的，任何这样的间隙都被认为是表面29a、29b和19a的整体部分。可以在该实施例或任何其他实施例中提供一个或多个密封件，例如聚合物气体密封件，以防止加压流体从预加载室通过这种间隙的显著泄漏。
预加载室29的体积通过平移体的移动而变化。第一端壁29b还可包括可移动元件，其可与平移体一起改变预加载室的体积。这种结构不太优选，因为需要更复杂的控制。作为替代或作为补充，可以将另外的壁元件安装在平移体18上，以用作第二端壁的可移动部分。以这种方式，平移体本身可以不限定预加载室的部分，而是可以与平移体一起移动的附加元件限定预加载室的部分。预加载室可沿轴线20具有均匀的截面。
平移体18的上端19b延伸出致动器10的上端，并设置有锚定点33。锚定点可以用于测试对象。锚定点可以是平板或其他表面，测试对象在其自身重量下被定位并保持在锚定点上，例如，车辆搁在轮胎上，每个轮胎定位成与测试致动器接触。替代地，锚定点可以包括一个或多个固定装置，用于将平移体牢固地固定到测试对象或供输入施加至的外部系统的一部分。这可以包括穿过平移体的端部的一个或多个孔。
在优选实施例中，编码器主体32位于中心芯上并且允许安装在中空平移体18的上端的内部部分上的编码器标尺(encoder scale)31保持在致动器内。在该示例中，编码器是位置编码器，并且编码器标尺是轴，但是编码器标尺也可以是平坦表面，并且编码器类型也可以是速度/速率编码器。编码器主体32位于中心芯34的上端内，但是可以位于任何合适的位置，并提供关于平移体的位置和/或速度/速率的信息，以确保可以控制致动器。
图3可以是作为发电机操作的线性电机(LEM)60的外部视图，其具有运动轴线20和用于其它截面图的平面BB和CC的位置，平移体(稍后示出)沿着运动轴线20移动。在随后的附图中，对于等效部件，使用与图1和2中相同的附图标记。
图4示出LEM 60的截面图。LEM 60与致动器10相同，差异在于，在上端处、即在预加载室29的相反端处添加了工作室42，移除了测试对象安装点33，并且添加了导管47b以允许进出工作室42的流体连通。工作室可以是内燃机的燃烧室、用于膨胀高压气体或两相混合物以产生电力的膨胀室、用于使用电力对气体或两相混合物加压的压缩室、或者是用于接收和排出液压流体或其他液体的液压室。工作室可以作用在平移体18上以产生运动，然后该运动在定子14的线圈中感应出电流。
图4中的工作室42显示为具有与圆柱形定子孔15相似的直径。在替代实施例中，工作室可以相对于圆柱形定子孔15具有更小或更大的直径，并且在这种情况下，工作缸53和平移体18可以是阶梯形的，每个典型地具有与定子孔15相似直径的一段和与工作室42相似直径的另一段。
随后的附图均描绘了LEM60，但是除了工作室特有的那些特征之外，本文中公开的任何特征将同样适用于图1和2的致动器。例如，任何的流体轴承构造都可以用在致动器10中，就像用在LEM60中一样容易。
提供预加载室29，以将受控制的力施加到平移体18并且用于对抗或平衡可由工作室中的工作流体施加到平移体的任何力。预加载室29的这个功能是在平移体远离其“上死点位置”(即其在工作室42内移动的最高范围)的向下冲程期间，存储当充当发电机时尚未由电机回收的平移体能量。在平移体到达其下死点位置之后，由于预加载室在平移体远离下死点的向上冲程期间在平移体上施加力而实现该能量向平移体18的返回，允许线性电机在返回冲程中继续作为发电机返回上死点。预加载室29内的流体压力可以通过预加载室导管47a来控制，预加载室导管47a另外可以在预加载室的体积随着平移体18的运动而变化时，允许预加载工作流体被排出至预加载室或从预加载室排出。预加载室29可以填充有与在工作室42中使用的相同的流体(例如，在兰金循环气体膨胀机应用的情况下的兰金循环流体)。替代地，预加载室29可以填充有根据应用要求选择的另一种流体，其可以是气体、液体或两相混合物。如果使用气体作为预加载室流体，则预加载室可以用作反弹室，其中工作流体气体的压力在预加载室的体积减小时升高，导致在图7所示的“下死点”平移体位置处或附近的峰值预加载室力。预加载室的该反弹室功能用于减少平移体在冲程的底部处停止和改变方向所花费的时间，从而提高了自由活塞发动机、气体膨胀机或利用工作室和预加载室的其它装置的工作频率和功率强度。
图5示出替代轴承构造，其中提供了内部流体轴承35a以及外部流体轴承22a。如果需要，可以提供多个外部流体轴承或内部流体轴承。
图6和图7例示中空平移体18在图6中的冲程顶部或“上死点”位置与图7中的冲程底部或“下死点”位置之间的运动，该运动与流体轴承的构造无关。在图6中的冲程顶部，平移体18的下端基本上邻近定子14的下端，并且在该位置，预加载室29的体积处于其最大值，并且工作室的体积42处其最小值。在这种构造中，由于内部流体轴承35，因此不需要超出定子17的下端的额外平移体长度来保持与在其它情况中在定子17的下端下方可能需要的外部流体轴承接合，因此对于相同的电磁力，明显减小了平移体18的质量。在图7中的冲程下端，平移体18的上端稍微高于上部流体轴承22a的高度，但在实践中，上端可以进一步突出，或者甚至与流体轴承22a的上端齐平。
在图8和图9的视图中示出内部轴承间隙37和磁路气隙21的更多细节。图8还示出外部轴颈23在平移体上的位置。这是供任何外部流体轴承22a作用于其上的表面。还示出内部轴颈表面36，其是供任何内部流体轴承35作用于其上的表面。轴颈表面通常加工到平移体上的适当位置，因此，不需要为此目的将附加的元件连接到平移体，并且除非使用相应的流体轴承，否则通常不会提供。
平移体通过流体轴承35保持在同轴位置，流体轴承35限定了在流体轴承35的外表面与平移体的内表面上的一个或多个轴颈36之间的内部轴承间隙37。如果还设置一个或多个外部流体轴承22a，则任何外部流体轴承22a的内表面与平移体的外表面的轴承间隙和磁路气隙21可以是连续的。任何轴承间隙和任何磁路气隙的相对尺寸取决于平移体、定子和流体轴承的尺寸。轴承间隙通常小于磁路气隙，从而通过流体轴承的高径向刚度更有效地控制磁路气隙厚度。
虽然流体轴承(无论是内部还是外部)通常是具有多孔结构的环形元件，在压力下通过该多孔结构供应气体或其他流体以在轴承间隙处提供承载功能，但是任何的流体轴承都可以采用如图10所示的形式，其中流体轴承由围绕(对于外部轴承)供轴承作用于其上的轴颈表面或在供轴承作用于其上的轴颈表面内部(对于内部轴承)分开的多个流体轴承靴44形成。虽然示出两个轴承靴44，但是三个或四个轴承靴是可能的，并且实际上，根据致动器的尺寸和轴承靴经受的负载，也可以有更多数量的轴承靴。轴承靴优选相等地间隔开以在平移体上提供均匀的负载并保持平移体相对于定子的同轴定位。流体轴承可以由大体多孔的材料例如碳形成。作为替代，也可以通过在一个或多个实心轴承或轴承靴部件内加工一系列离散孔来提供流体轴承孔隙。
图11示出可替代地由两个或更多个流体轴承形成的内部流体轴承(具有或不具有外部流体轴承)。在该示例中，内部流体轴承由上部内部流体轴承35a和下部内部流体轴承35b代替，并且此外，外部流体轴承22a也示出在定子的顶部。
内部流体轴承的分隔允许利用之间的轴向空间，在这种情况下，通过包括安装在中心芯34上的内部定子38，以提供每单位平移体移动质量更大的电机力。这显著增加了作用在工作室上的致动器或LEM装置的动态性能。内部定子38可以用于许多不同的构造，例如具有上部内部流体轴承和下部外部流体轴承(或反之)，并且不限于图11中所示的特定构造。
图12示出预加载室29不需要是均匀的形状，预加载室本身也不需要与致动器的其余部分同轴。预加载室29的不对称偏移可以用在先前图中的任何构造中，并且可以导致具有不均匀的截面和/或非圆柱形侧壁的预加载室。
图13示出另一种替代构造，其中另外的内部流体轴承25设置在平移体18自身中。平移体轴承25安装在平移体上并可与平移体一起移动。另一个轴承轴颈表面48形成在工作室42的内表面上，并且轴颈间隙形成在轴颈表面48与平移体轴承25之间。
图14示出迷宫式密封件46，其中通过在平移体中提供一系列环形通道46a来控制工作室42与流体轴承35之间的流体流动和压力差。迷宫式密封件是非接触密封件，通常用于活塞膨胀机和压缩机应用中。在本发明中使用迷宫式密封件消除了否则将与接触式密封件相关联的摩擦，并且还去除了在流体轴承和工作室之间对单独通风口的需求。
图15示出另一变型，其中中心芯34一直延伸通过平移体18，使得平移体是中空管并且在任一端不封闭。中心芯在两端处通过固定点40固定到外壳上，以便保持其在LEM内的径向和轴向位置。在使用中，平移体将沿着中心芯上下滑动。这种构造为中心芯提供了更牢固的固定，以减小中心芯的悬臂弯曲程度，否则可能导致平移体19和定子14之间的非同心性。这种构造允许工作室42和预加载室29在尺寸和截面积上的等效，使得预加载室29能够替代地用作第二工作室。另外，这种构造减小了作用在活塞上的工作室42的面积，因此有利于高压工作流体应用。在这种应用中，由工作室压力施加在平移体的端部上的力可能会超过线性电机和预加载室的容量，以吸收工作室在单个冲程过程中施加的功。在该变型中，可以使用任何先前的轴承构造。
图17例示LEM 60中最简单的分裂芯构造。LEM 60包含许多与图15所示的LEM 10的实施例相同的特征，并且这些特征用相同的附图标记表示。
在图17中，提供了下部61中心芯段和上部62中心芯段。每个芯段61、62悬臂安装到外壳11的相应端部，因此芯段在它们指向彼此时彼此相对。由此，我们指的是每个中心芯段在邻近外壳11的相应端部的端部61a、62a处(轴向地、横向地和旋转地)固定就位，而另一端部61a、62b是自由的。每个芯段61、62被提供有位于自身外部的轴承65、66，该轴承65、66作用在中空平移体18的内部。轴承典型地位于定子14的一段附近，在该示例中，定子14是单个定子。
两个芯段61、62是同轴的，因此，以类似于图15所示的方式，平移体通过在轴承65、66上并沿着轴承65、66滑动而沿着工作缸的整个长度自由移动。因此，在这种情况下具有固定体积的中心室67由平移体和两个中心芯段的自由端61a、62a限定。平移体18与壳体11的下部和上部一起限定了下部室63和上部室64。这些室中的一个或两个可以是工作室，即在其中(例如通过碳氢化合物的燃烧)产生力并施加到平移体从而引起运动并因此在定子的线圈中产生电流的室。
在图17的示例中，平移体18是简单的中空薄壁管，并且始终由每个轴承65、66的至少一部分支撑。因此，通过将中心芯分成两段，图17的构造允许平移体沿着工作缸的整个长度移动，同时被支撑在两个轴向位置，以帮助保持适当和精确的对准。与图15所示的LEM10的实施例相比，LEM60的较短的中心芯段一起在工作缸的整个长度上提供了必要的支撑，同时减小了弯曲冲击和对每个芯段的悬臂安装的机械公差冲击。因此，在该示例中，以及在图18至图20所示的其他示例中，由圆柱形壳体壁12和圆柱形定子孔15限定的公共工作缸包含两个悬臂安装的中心芯。
图18示出对图17的构造的略微修改，其中平移体被提供有中央支撑件70，该中央支撑件70用作力耦合特征件延伸穿过平移体的宽度，随着平移体在两个中心芯段之间往复运动。在最简单的形式中，该中央支撑件70可以是连杆或梁，其用于抵住平移体并减少平移体中心部分例如通过平移体壁向内弯曲的方式的任何变形。
在图18所示的示例中，中央支撑件70采用实心壁的形式，从而将平移体的内部分成上部71部件和下部72部件。每个平移体部件在其相应的中心芯段和轴承上滑动，并且在中心支撑件的表面、平移体的径向外壁与相应的中心芯段62、61的端面之间限定相应的室73、74。这些室73、74中的一个或两个可以是工作室，即在其中(例如通过碳氢化合物的燃烧)产生力并施加到平移体从而引起运动并因此在定子的线圈中产生电流的室。室29中的一个或两个可以是预加载室或反弹室。
图19显示使用两段式中心芯的进一步的示例。在该示例中，上部中心芯62是中空的，从而允许力连接杆80通过中心支撑件70连接到平移体。在该版本中，中央支撑件70可以采取许多不同的形式，包括延伸穿过平移体的杆或梁、根据图18的实心壁，或者可以简单地是从平移体18的内表面延伸的一个或多个突出部分，力连接杆80安装在该突出部分上。
通过力耦合特征件连接到平移体的力连接杆可用于向平移体18施加力，使得在定子14中产生电流。在替代构造中，定子14中的电流流动可以引起平移体的运动，这进而导致力连接杆的运动，从而将有用功传递到LEM之外。室29可以是反弹室和/或预加载室。
下中心芯61也显示为中空的，但是没有力连接杆，尽管每个中心芯可以包括相应的力连接杆。
图20例示又一个示例，其中提供了两个平移体90、91。每个平移体90、91在其相应的中心芯61、62和轴承65、66上并沿着它们移动，并经过相应的定子14。定子14在该示例中被示为分为两个部件，但是原则上它可以是在两个芯上延伸的单个定子。两部件定子可以用在前面的任何示例中。每个平移体90、91具有相应的外端面90’、91’，外端面90’、91’与工作缸的壁一起限定了中央工作室42。因此，该工作室同样地作用在两个端面90’、91’上，从而同时驱动每个平移体90、91。
图20中的工作室42显示具有与圆柱形定子孔15相似的直径。在替代实施例中，工作室可以具有相对于圆柱形定子孔15更小或更大的直径，并且在这种情况下，工作缸53和平移体90、91可以是阶梯状的，每个平移体典型地具有与定子孔15相似直径的一段和与工作室42相似直径的另一段。
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