CN100390907C - 具有增加的比例冲程的加力马达 - Google Patents

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Abstract

本发明的加力马达(10)通过所设计的内部元件的机械结构来控制局部磁场。该机械结构把加力马达中的磁场分为三个部分。由第一部分中的磁场产生的电枢上的力随着电枢(18)朝外壳(26)移动而按指数规律增加。当电枢(18)接近外壳(26)时，由第二部分和第三部分中的磁场产生的电枢(18)上的力，将平衡第一部分中的磁场力的上升。因此，获得在长的冲程上的平缓的曲线。

Description

具有增加的比例冲程的加力马达
技术领域
本发明主要涉及一种线性致动的加力马达，该马达仅需要低电源输入却提供长的比例冲程。更具体地讲，本发明涉及一种控制局部磁场分布以便提供长的比例冲程的技术。
背景技术
图1示出了传统加力马达的截面图。传统的加力马达包括一个安装在轴承2中的轴1，轴承安装在外壳3内。电枢4安装在轴上。两个弹簧5和6安装在具有位于弹簧之间的电枢的轴上。当没有净轴向力施加在电枢上时，弹簧保持电枢位于中性点位置。该电枢轴能自由地沿轴向在轴承上滑动。永久磁铁7位于电枢的周围。两个以相同方向缠绕的线圈8和9位于永久磁铁的每一侧。
永久磁铁产生一个磁场Bp。当线圈被激励时，线圈产生一个磁场Bi。因为线圈以相同的方向缠绕，因此，在永久磁铁的一侧由线圈产生的磁场Bi和磁场Bp方向相同，而在永久磁铁的另一侧，线圈产生的磁场Bi沿相反的方向。因此，在永久磁铁一侧的合成磁场为Bp+Bi，在永久磁铁的另一侧为Bp-Bi。如图2所示。电枢上产生的电磁力和磁场的平方成正比并能以下等式计算。
F＝KB2                等式1
其中F＝电磁力
    B＝磁通密度
    K＝常数
利用等式1，当线圈被激励时，加力马达的电枢上的净力可以根据以下等式计算：
Ffm＝K{(Bp+Bi)2-(Bp-Bi)2}
＝4KBpBi    等式2
对于线圈产生和Bi相同的磁场的比例螺线管，因此利用等式1，电枢上的净力能被计算如下：
F ps = KB i 2 等式3
现在如果   Bp＞Bi    然后
4Bp＞＞Bi
所以   Ffm＞＞Fps
因此，对于给定的线圈激励值(例如电流)，加力马达通过使用永久磁铁在电枢上产生较大的净力。所以，对于一个给定的力的要求，加力马达能在与比例螺线管相比较低的功率输入下操作。如果Bp假设为等式2中的常数，就很清楚得知该净力和线圈产生的磁场成比例。
Ffm＝CBi             等式4
其中   C＝4KBp   假设Bp＝常数
因为    Bi与I成比例
其中I为提供给线圈的电流，
Ffm与I成比例
例如，电枢上的净力和提供给线圈的电流成比例。
但是，仅当电枢在中性位置时，Bp能被假设为常数。当电枢移动远离中性位置时，Bp改变。当电枢移动时，在电枢一侧的Bp增加而在电枢另一侧的Bp减少。结果是，电枢上的净力大大增加。因此，在传统的加力马达中，仅仅在小的冲程范围内，例如0.01至0.03英寸内，力与冲程成比例。
美国专利No.5787915描述了具有永久磁铁和线圈的传统加力马达。但是，它并没有给出任何提供增加的比例冲程的方法。
美国专利No.3900822(第822号专利)描述了在绕线管的一侧具有圆锥形极块的传统的比例螺线管。当螺线管被激励时，电枢被推到一侧并进入圆锥形极块。该圆锥形极块提供漏磁通通路因此减少电枢上净力的增加。和第822号专利相类似的比例螺线管与本发明的加力马达相比，在电枢上产生相同大小的电磁力需要更高的功率输入。
如第822号专利教导的那样，圆锥形极块的使用没有使得比例冲程实质的增加。另外，当使用圆锥形极块时，电枢上净力的均衡性和稳定性均由于提供到线圈的电流(I)的增加或电磁铁插棒位置的改变而变得更加糟糕。
发明内容
上面所述的专利没有一个给出具有长比例冲程以及低的功率输入的加力马达的教导，其中该比例冲程具有平缓的力-冲程特性(F-S曲线)。
本发明的加力马达通过一种独特设计的内部元件机械结构来控制局部磁场，从而克服了上述现有技术的缺点。该机械结构把加力马达中的磁场分为三个部分。在运行中，当电枢沿轴向朝冲程的末端移动时，通过磁场施加在电枢上的力在第一个部分按指数规律增加。同时，由在第三个部分的磁场施加的力与第一部分相比具有较小的增加或者减少。当电枢朝止挡移动时，在第二部分的磁通的数量增加。磁场的方向和电枢移动的方向垂直并因此在移动方向不产生任何力，从而减少电枢上的总力。通过调节与三个部分有联系的机械参数，电枢上的净轴向力能被控制，因此对于给定的功率值，在一个长冲程上提供一个水平的力-冲程的曲线。
本发明的一个目的是提供一种加力马达，其与传统的比例螺线管相比，具有低功率输入和长比例冲程，其中具有一个平缓的F-S曲线，利用该低功率输入可以获得希望的电磁力。这些和其他目的通过提供一个外壳和在外壳中可沿着轴向移动的电枢实现，其中电枢和外壳的形状配合以产生加力马达的水平的F-S曲线。本发明进一步提出一种通过形成加力马达中的第一部分、第二部分和第三部分从而控制加力马达中磁场以获得水平F-S曲线的方法，其中第一部分具有第一磁场，该磁场产生电枢上的力，该力随着电枢接近外壳而增加。
本发明还提供一种外壳，其具有内壁的，一个从内壁伸出的圆柱形伸出部作为止档以限制电枢的移动，以及一个形成在内壁上的凹面。由轴承支承的电枢位于外壳内。电枢包括一个连接到圆锥形部分的圆柱形部分。电枢和外壳的形状相互配合以产生加力马达的水平的F-S曲线。
本发明的技术方案如下：
根据本发明，提供一种加力马达，包括：成形的外壳，其具有第一圆锥面；以及安装在成形的外壳内的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面；安装在所述外壳内并围绕所述电枢布置的永久磁铁；安装在所述外壳内并与所述永久磁铁的第一侧相邻的第一线圈；安装在所述外壳内并与所述永久磁铁的与第一侧相对的第二侧相邻的第二线圈；其中，由所述永久磁铁和第一、第二线圈产生的磁场穿过所述第一和第二圆锥面，其中，所述第一和第二圆锥面的形状相配合以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线。优选地，电枢由具有不同磁特性的多种材料中的一种以上的材料制成。
优选地，外壳由具有不同磁特性的多种材料中的一种以上的材料制成。
优选地，该马达包括：第一部分；第二部分；以及第三部分；第一、第二和第三部分形成于电枢和外壳之间，其中由第一部分中磁场在电枢上产生的力通过由第二部分和第三部分中的磁场在电枢上产生的力而平衡，从而产生一个平缓的F-S曲线。
优选地，第一部分、第二部分和第三部分由具有不同磁特性的材料制成。
优选地，电枢上产生的力在0.0至0.16英寸的冲程长度上为常数。
优选地，成形的电枢包括：圆柱形部分；圆锥形部分，该圆锥形部分的大端大于所述圆柱形部分；以及形成在圆柱形部分和圆锥形部分连接处的圆柱形表面，该圆柱形表面从所述圆柱形部分的外表面延伸到所述圆锥形部分的大端的末端。
优选地，圆柱形部分、圆锥形部分和在圆柱形部分与圆锥形部分连接处的圆柱形表面由具有不同磁特性的材料制成。
优选地，成形的外壳包括：内壁；从内壁伸出的圆柱形伸出部；以及形成于内壁上的凹面。
优选地，内壁、从内壁伸出的圆柱形伸出部以及形成于内壁上的凹面由具有不同磁特性的材料制成。
优选地，进一步包括：安装在外壳内的绕线管；以及安装在绕线管内的永久磁铁，绕线管使磁铁与电枢隔离，从而防止杂质沉积在电枢上。
优选地，进一步包括：位于绕线管与电枢之间的圆柱层，该圆柱层由导电体制成，并固定地连接到电枢上，因此减弱由于震动和冲击引起的电枢的移动。
优选地，进一步包括：安装在电枢上的垫片，该垫片与圆柱形伸出部配合以限制加力马达冲程长度。
优选地，包括：由内壁和圆柱形部分形成的第一部分；由圆柱形表面和圆柱形伸出部分形成的第二部分；以及由圆锥形部分和凹的圆锥形表面形成的第三部分，其中，由第一部分中磁场在电枢上产生的力通过由第二部分和第三部分中的磁场在电枢上产生的力平衡，从而产生一个平缓的F-S曲线。
根据本发明，又提供一种控制加力马达中的磁场以获得平缓的F-S曲线的方法，该方法包括以下步骤：形成具有第一磁场的第一部分，该第一磁场产生一个电枢上的力，该力随着电枢接近外壳而增加；形成加力马达中的第二部分，该第二部分具有第二磁场；以及形成加力马达中的第三部分，该第三部分具有第三磁场；其中随着电枢接近外壳，由于第二部分中的第二磁场和第三部分中的第三磁场造成的电枢上的力，与由第一部分中的第一磁场在电枢上产生的力对抗平衡，从而产生平的F-S曲线。
根据本发明，又提供一种加力马达，包括：外壳，该外壳包括内壁、从内壁伸出的圆柱形伸出部分以及形成在内壁上的凹面；以及安装在外壳内的电枢，该电枢具有圆柱形部分、圆锥形部分以及在圆柱形部分和圆锥形部分连接处的圆柱形表面，该圆锥形部分的大端大于所述圆柱形部分，该圆柱形表面从所述圆柱形部分的外表面延伸到所述圆锥形部分的大端的末端；其中电枢和外壳的形状相配合以产生加力马达的平缓的F-S曲线。
优选地，导电圆柱层位于永久磁铁的磁场中，以便任何因为冲击或者振动引起的移动将感应生成导电层中的电动势，从而减弱移动。
根据本发明，又提供一种加力马达，包括：成形的外壳，该成形的外壳具有第一圆锥面；以及安装在成形的外壳中的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面；其中选择第一圆锥面的角度和第二圆锥面的角度，以便穿过第一、第二圆锥面的磁场和穿过成形电枢和成形外壳的第一、第二圆锥面之外的其他部分的磁场结合，以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线。
根据本发明，还提供一种加力马达，包括：成形的外壳，其具有第一圆锥面；安装在成形的外壳内的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面，选择第一圆锥面的角度和第二圆锥面的角度，以便穿过第一、第二圆锥面的磁场与穿过成形电枢和成形外壳的第一、第二圆锥面之外的其他部分的磁场结合，以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线；安装在外壳内的绕线管；安装在绕线管内的永久磁铁，绕线管使磁铁与电枢隔离，从而防止杂质沉积在电枢上；以及位于绕线管与电枢之间的圆柱层，该圆柱层由导电体制成，并固定地连接到电枢上，因此减弱由于震动和冲击引起的电枢的移动。
优选地，进一步包括：安装在电枢上的垫片；以及形成于外壳中的圆柱形伸出部，所述垫片与圆柱形伸出部配合以限制加力马达冲程长度。
优选地，导电圆柱层位于永久磁铁的磁场中，以便任何因为冲击或者振动引起的移动将感应生成导电层中的电动势，从而减弱移动。
本发明的进一步特征和优点将在阅读完下面详细的说明后显得更加清楚，其中详细的说明仅通过示例的方式参照附图而给出，其中不同附图中相应的参考标记指示相应的部分。
附图说明
图1是现有技术的加力马达的截面图；
图2示出了图1的加力马达中产生的磁场；
图3是本发明的加力马达的截面图；
图4是本发明的加力马达的另一个实施例的截面图；
图5是图3的细节E的加力马达的配合机械结构的放大图；
图6是由图5的配合部分形成的三个部分的F-S曲线的总体视图；
图7示出了图1的传统加力马达具有较大斜率的F-S曲线，以及图4的加力马达平缓的F-S曲线。
图8示出了图3的加力马达的F-S曲线。
具体实施方式
图3示出了本发明的加力马达的截面图。图4示出了本发明的加力马达的另一个实施例的截面图。加力马达10包括一个可滑动地安装在轴承14和16中的轴12。电枢18固定地安装在轴12上。弹簧22和24沿着轴12安装，在电枢18的两侧分别安装一个。轴12、轴承14和16、以及电枢18和弹簧22和24的组合件安装在外壳26中。绕线管28被封装在外壳26中并位于电枢18的周边。绕线管28形成三个隔室。在中央隔室中有一个永久磁铁32。绕线管28防止磁铁32的杂质落到电枢18上。线圈34和36位于由绕线管28形成的隔室中的磁铁32的每一侧。
电枢18绕轴12而对称，并包括一个连接到圆柱形部分42(图3)的基座38，而圆柱形部分连接到圆锥形部分44，圆锥形部分具有圆柱面62(由埋头孔形成)。在图3的实施例中，圆锥形部分44的大端大于圆柱形部分42。在图4的实施例中，基座38连接到圆锥形部分44，该圆锥形部分具有圆柱形表面62，该圆锥形部分转而连接到圆柱形部分42。在图4的实施例中，圆锥形部分44的大端大于圆柱形部分42。电枢18和外壳26都由形成磁路的铁磁材料制成。不锈钢垫片46安装在电枢18的圆柱形部分42上。通过改变不锈钢垫片46的厚度，沿轴12的电枢18的行程可以增加或减少；一个较厚的不锈钢垫片46导致行程距离变短。在绕线管28和电枢18之间，沿着电枢18的外围，有一个圆柱形铜层48，该铜层固定的连接到电枢18。铜层48感应产生反电动势(back EMF)，以减弱由于振动、冲击和加速而产生的不希望的电枢移动。
外壳26的内壁56形成一个止挡52。止挡52的形状和电枢18的形状相配合以提供对配合形状周围区域中的磁场的控制。止挡52包括一个从外壳26的内壁56中伸出的圆柱形伸出部54。止挡52还具有形成在壁56上的凹形圆锥面58。圆锥形表面58和电枢18上的圆锥形部分44对应。圆柱形伸出部分54和圆柱形部分42对应并和钢垫片46配合以决定电枢18的最大冲程长度。
当线圈34和36被电流I激励时，产生磁场Bi。根据传统加力马达先前描述的那样，磁场Bi与磁场Bp相互作用。这两个磁场的作用相结合从而在电枢18上产生一个净力Ffm。但是，与传统加力马达相比，对于给定I的力Ffm在较长的冲程长度保持恒定，原因在下面解释。
本发明的加力马达10具有成形的电枢18和止挡52。电枢18和止挡52之间的磁场被分成三个部分。图5是电枢18和止挡52的配合机械结构的放大图。在图5中还示出了由互相配合的机械结构形成的三个部分。图6示出了配合机械部分形成的三个部分中的力的总体显示。
第一部分是磁场Ф1，该磁场形成在圆柱形部分42和内壁56之间。这等同于在具有平表面电枢的螺线管内侧的磁场。当螺线管朝止挡引入时，由该磁场产生的力的特性基本上呈指数的增长(参见图6中的曲线A)。
第二部分是磁场Ф2，该磁场位于电枢18上的圆锥形部分44和圆柱形伸出部分54的表面64之间。因为表面62的更大部分沿着表面64滑动，Ф2增加。因为Ф2垂直于电枢18移动的方向，所以在移动的方向不产生任何显著的有效力。图6中的线B是由Ф2产生的力的总体显示，在整个冲程长度上大约为0。
第三部分是磁场Ф3，该磁场位于电枢18上的圆锥部分44和止挡52上的圆锥表面58之间。这等同于在圆锥形表面电枢螺线管中的力。由Ф3产生的力的曲线特性比第一部分要平坦(参见图6的总体视图的曲线C)。
当电枢被引入时，第二部分的磁场Ф2将磁通从第一部分和第三部分带走。因此，由Ф1和Ф3产生的力实际上由于第二部分的漏磁通的增加而减少，并且由第一部分和第三部分的磁场产生的力-冲程曲线下降(参见图6的曲线A’和C’)。
施加到加力马达10的电枢18上的合成力Ffm是由曲线A’，B和C’表示的力的总和。例如
Ffm＝FФ1+FФ2+FФ3          等式5
因此，通过调整电枢18和止挡52上的配合机械结构，例如，通过改变配合机械元件的形状、大小和角度，一个预期的力-冲程特性曲线能被实现。力-冲程特性的调整也可以通过使用具有不同磁特性的材料来实现。一个平缓的F-S曲线有利地允许使用具有较小弹簧常数的弹簧，从而具有宽的控制范围和更加精确的控制。
图7示出了如图1所示的传统加力马达和如图4所示的本发明的加力马达10的F-S曲线以用作比较。图8示出了如图3所示的加力马达10的实施例的F-S曲线。图3和图4的实施例分别在0.0至0.065英寸和0.0至0.16英寸的冲程长度区间中具有平缓的F-S曲线，而传统加力马达仅仅具有0.0至0.025英寸的比例冲程。用于获得该曲线的该加力马达具有相同的外部尺寸，使用相似的磁铁和相似的线圈，具有同样的电枢直径。马达之间仅有的不同是，前面描述的与加力马达10有关的配合机械结构。传统加力马达的F-S曲线具有较大的斜率和较短的冲程。另一方面，加力马达10的F-S曲线在相当长的冲程上非常平坦，比例冲程长度(0.15英寸)是传统加力马达的比例冲程长度(0.025英寸)的六倍。在图7中，基本恒定的力在0.2至2磅(lbs)之间，对于任何曲线具有最大为约0.2磅的波动。在图8中，基本恒定的力在0.4至5.5磅之间，对于任何曲线具有约1.5磅的波动。
即使在斜率不趋向0时，本发明也能控制F-S曲线的斜率。如图8所示，有一个很小的斜率。
本发明的优选实施例被描述已经被描述，根据本发明的上述公开，对于本领域的技术人员而言，不同的改进将很明显并都落在附属权利要求的范围之内。例如，可以以与这里所描述的不同方式来改变形状和尺寸或者机械结构的位置，从而控制局部磁场。局部磁场控制也可以通过使用具有不同磁特性的不同材料来实现。

Claims (18)

1.一种加力马达，包括：
成形的外壳，其具有第一圆锥面；以及
安装在成形的外壳内的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面；
安装在所述外壳内并围绕所述电枢布置的永久磁铁；
安装在所述外壳内并与所述永久磁铁的第一侧相邻的第一线圈；
安装在所述外壳内并与所述永久磁铁的与第一侧相对的第二侧相邻的第二线圈；
其中，由所述永久磁铁和第一、第二线圈产生的磁场穿过所述第一和第二圆锥面，
其中，所述第一和第二圆锥面的形状相配合以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线。
2.如权利要求1所述的加力马达，其中电枢由具有不同磁特性的多种材料中的一种以上的材料制成。
3.如权利要求1所述的加力马达，其中外壳由具有不同磁特性的多种材料中的一种以上的材料制成。
4.如权利要求1所述的加力马达，其中电枢上产生的力在0.0至0.16英寸的冲程长度上为常数。
5.如权利要求1所述的加力马达，其中成形的电枢包括：
圆柱形部分；
圆锥形部分，该圆锥形部分的大端大于所述圆柱形部分；以及
形成在圆柱形部分和圆锥形部分连接处的圆柱形表面，该圆柱形表面从所述圆柱形部分的外表面延伸到所述圆锥形部分的大端的末端。
6.如权利要求5所述的加力马达，其中圆柱形部分、圆锥形部分和在圆柱形部分与圆锥形部分连接处的圆柱形表面由具有不同磁特性的材料制成。
7.如权利要求5所述的加力马达，其中成形的外壳包括：
内壁；
从内壁伸出的圆柱形伸出部；以及
形成于内壁上的凹的圆锥形表面。
8.如权利要求7所述的加力马达，其中内壁、从内壁伸出的圆柱形伸出部以及形成于内壁上的凹的圆锥形表面由具有不同磁特性的材料制成。
9.如权利要求7所述的加力马达，进一步包括：
安装在外壳内的绕线管；以及
所述永久磁铁安装在绕线管内，绕线管使永久磁铁与电枢隔离，从而防止杂质沉积在电枢上。
10.如权利要求9所述的加力马达，进一步包括：
位于绕线管与电枢之间的圆柱层，该圆柱层由导电体制成，并固定地连接到电枢上，因此减弱由于震动和冲击引起的电枢的移动。
11.如权利要求10所述的加力马达，进一步包括：
安装在电枢上的垫片，该垫片与圆柱形伸出部配合以限制加力马达冲程长度。
12.如权利要求7所述的加力马达，包括：
由外壳的内壁和电枢的圆柱形部分形成的第一部分；
由电枢的圆柱形表面和外壳的圆柱形伸出部分形成的第二部分；以及
由电枢的圆锥形部分和外壳的凹的圆锥形表面形成的第三部分，
其中，由第一部分中磁场在电枢上产生的力通过由第二部分和第三部分中的磁场在电枢上产生的力平衡，从而产生一个平缓的力-冲程曲线。
13.如权利要求10所述的加力马达，其中导电圆柱层位于永久磁铁的磁场中，以便任何因为冲击或者振动引起的移动将感应生成导电层中的电动势，从而减弱移动。
14.一种加力马达，包括：
外壳，该外壳包括内壁、从内壁伸出的圆柱形伸出部分以及形成在内壁上的凹面；以及
安装在外壳内的电枢，该电枢具有圆柱形部分、圆锥形部分以及在圆柱形部分和圆锥形部分连接处的圆柱形表面，该圆锥形部分的大端大于所述圆柱形部分，该圆柱形表面从所述圆柱形部分的外表面延伸到所述圆锥形部分的大端的末端；其中
电枢和外壳的形状相配合以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线。
15.一种加力马达，包括：
成形的外壳，该成形的外壳具有第一圆锥面；以及
安装在成形的外壳中的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面；
其中选择第一圆锥面的角度和第二圆锥面的角度，以便穿过第一、第二圆锥面的磁场和穿过成形电枢和成形外壳的第一、第二圆锥面之外的其他部分的磁场结合，以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线。
16.一种加力马达，包括：
成形的外壳，其具有第一圆锥面；
安装在成形的外壳内的成形的电枢，该成形的电枢具有第二圆锥面，选择第一圆锥面的角度和第二圆锥面的角度，以便穿过第一、第二圆锥面的磁场与穿过成形电枢和成形外壳的第一、第二圆锥面之外的其他部分的磁场结合，以产生加力马达的平缓的力-冲程曲线；
安装在外壳内的绕线管；
安装在绕线管内的永久磁铁，绕线管使磁铁与电枢隔离，从而防止杂质沉积在电枢上；以及
位于绕线管与电枢之间的圆柱层，该圆柱层由导电体制成，并固定地连接到电枢上，因此减弱由于震动和冲击引起的电枢的移动。
17.如权利要求16所述的加力马达，进一步包括：
安装在电枢上的垫片；以及
形成于外壳中的圆柱形伸出部，所述垫片与圆柱形伸出部配合以限制加力马达冲程长度。
18.如权利要求16所述的加力马达，其中导电圆柱层位于永久磁铁的磁场中，以便任何因为冲击或者振动引起的移动将感应生成导电层中的电动势，从而减弱移动。
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