CN101663715B - 用于有固定垂直磁体和线圈的线性致动器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种线性致动装置，包括顶部磁体和底部磁体。底部磁体与顶部磁体轴向对齐。顶部磁体和底部磁体具有相反的磁化。垫圈夹在顶部磁体与底部磁体之间。顶线圈位于顶部磁体里。底线圈位于底部磁体里。芯子可滑动地定位在顶线圈和底线圈里。致动构件与芯子一体。

Description

用于有固定垂直磁体和线圈的线性致动器的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求共同待决的、2007年2月12日提交的题为“Method and systemfor a linear actuator with stationary vertical magnets and coils”的第60/889,413号美国临时申请的优先权，在这里通过引用全文并入。

技术领域

本发明涉及磁领域，且具体地涉及应用径向磁场和作用在阀的元件上的传导线圈的直接驱动致动器。

背景技术

致动器传统意义上是机械技术。大多数致动器包含阀、弹簧和移动阀的枢轴转动元件。机械致动器的一个问题是机械致动器的零件容易磨损。当弹簧弹力减弱且枢轴转动接头磨损时，阀停止以有效的方式工作。具有较少活动零件的致动器比传统的机械致动器的耐用性更持久。

最近，形成了对非常小的致动器的需要。例如，通过诸如惯性测量单元、传感器和电源等基本零件的小型化的快速进步，已经开发出微型飞行器(MAV)。这些MAV被设计为只有15厘米大小。这么小尺寸的机械致动器十分不易使用并且不可靠。

美国专利第6,828,890号和第6,876,284号是关于磁致动的阀，虽然并不认为那里所有的教授内容是这里公开的发明的现有技术，它的教授内容在这里通过引用并入。同样在现有技术中是可替换的致动器，例如在Pischinger的美国专利第4,515,343中公开的。

因此，迄今未解决的需求在工业上存在，以解决前述的缺乏和不足。

发明内容

本发明的实施方式提供用于提供线性致动器的系统和方法。从结构上简要描述，其中，系统的一种实施方式能按如下实现。系统包括顶部磁体和底部磁体。底部磁体与顶部磁体轴向对齐。顶部磁体和底部磁体具有相反的磁化。垫圈夹入顶部磁体与底部磁体之间。顶线圈位于顶部磁体里。底线圈位于底部磁体里。芯子(slug)可滑动地位于顶线圈和底线圈里。致动构件与芯子一体。

本发明也能看作用于提供并利用线性致动器的方法。在这点上，其中，这种方法的一个实施方式能够用以下步骤概括总结为：底部永磁体与顶部永磁体轴向对齐，其中顶部磁体和底部磁体具有相反的磁化；将垫圈夹在顶部磁体和底部磁体之间；将顶线圈定位在顶部磁体里且将底线圈定位在底部磁体里；将芯子可滑动地、至少部分地定位在顶线圈和底线圈里；以及激励至少一个线圈，产生造成芯子沿线圈的轴滑动的磁阻力。

在对附图和详细描述的分析基础上，本发明的其他系统、方法、特征和优点对本领域技术人员将或变得明显。希望所有这样的另外的系统、方法、特征和优点包括在这个描述里，包括在本发明的范围里并由随附权利要求保护。

附图说明

参考以下附图能更好理解发明的许多方面。图中的部件未按比例绘制，重点是放在了清楚示出本发明的原理上。此外，在图中，贯穿几幅视图同样的参考数字表示相应的零件。

图1是依照本发明的第一种示例性实施方式的线性致动器的剖面侧视图；

图2是依照本发明的第二种示例性实施方式的线性致动器的剖面侧视图；

图3是依照本发明的第二种示例性实施方式的、图2的线性致动器的等轴测透视图；

图4是依照本发明的第三种示例性实施方式的线性致动器的剖面侧视图；

图5是示出一种提供并利用依照本发明的第一种示例性实施方式的、上述图2所示的线性致动器的方法的流程图。

具体实施方式

图1是依照本发明的第一种示例性实施方式的线性致动器10的剖面侧视图。线性致动器10是有顶部固定磁体12和底部固定磁体14的永磁体致动器。顶部磁体12和底部磁体14都具有在其中形成的实质圆柱形的开口。顶线圈16和底线圈18至少部分地分别被顶部磁体12和底部磁体14环绕。至少一个垫圈20分离顶部磁体12和底部磁体14以及顶线圈16和底线圈18。芯子22可滑动地布置在线圈16、18里并连接到细长构件24。细长构件24连接到致动构件26，例如发动机阀。

线性致动器10是有固定磁体12、14和线圈16、18的永磁体致动器。只有由铁磁性材料制造的芯子22在受线圈16、18的励磁的控制的力的影响下移动。施加在芯子22上的力近似与应用的电流线性成比例，并在行程上大致线性变化。顶部磁体12和底部磁体14具有相反的垂直磁性，如由顶部磁化34和底部磁化36所示。细长构件24不需要并优选不影响磁路。端盖28、30可连接到磁体12、14并帮助保持线性致动器10在一起。

线性致动器10的性能可用移动质量加速度除以输入电功率的平方根来计量。质量可包括芯子22、细长构件24和致动构件26，虽然质量很大程度上基于发动机阀/致动构件26(由线性致动器10操纵，然而在别的方面不用于致动)。芯子22的加速度主要由相对于该质量施加在芯子22上的力确定。芯子22可以完全是铁磁性的，这将可能的力限制为磁阻力。磁阻力与芯子22一端的磁场的平方和在芯子22另一端的磁场的平方的相减结果成正比。两个线圈16、18独立地被驱动；可调整一个线圈(比如，顶线圈16)来抵消在芯子22的一端的吸引磁场(从而，极其小的磁场被平方和被减去)，同时用旨在产生吸引芯子22的磁场的电流驱动另一线圈(比如，底线圈18)。可精确控制这个引力，以便在发动机阀动作的一个周期上耗散的电功率最小化。分析已经显示，定制的加速度分布图达到期望的运动学运动，而同时最小化功率。这种功率效率是优于可替换的致动器的材料改进。

图2是依照本发明的第二种示例性实施方式的线性致动器110的剖面侧视图。线性致动器110是有顶部固定磁体112和底部固定磁体114的永磁体致动器。顶部磁体112和底部磁体114都具有在其中形成的实质圆柱形的开口。顶线圈116和底线圈118至少部分地分别被顶部磁体112和底部磁体114环绕。至少一个垫圈120分离顶部磁体112和底部磁体114以及顶线圈116和底线圈118。芯子122可滑动地布置在线圈116、118里并连接到细长构件124。芯子122被顶端盖128和底端盖130保持在线圈116、118里。细长构件124连接到致动构件126，例如发动机阀。

顶部磁体112和底部磁体114具有相反的垂直磁化，如由顶部磁化134和底部磁化136所示。芯子122的行程被端盖128、130限制。磁体112、114和受激线圈116、118提供磁通势，以及由铁磁性材料制造的垫圈120和端盖128、130使磁路闭合。细长构件124不需要并且优选不影响磁路。端盖128、130之间以及线圈116、118里存在空气间隙132。空气间隙132的位置随着芯子122的位置而不同。总的空气间隙132是恒定的，但是有效空气间隙132在行程上显著不同。由于磁阻力的本质，有效空气间隙132是从垫圈120到线性致动器110的最高磁场端来计量的。

图3是依照本发明的第二种示例性实施方式的、图2的线性致动器110的等轴测透视图。如图3所示，顶部磁体112和底部磁体114具有其中有圆形开口穿过的矩形剖面。顶部磁体112和底部磁体114可具有矩形棱柱形状。制造具有矩形棱柱形状的永磁体比制造圆柱形永磁体成本更经济。顶部磁体112和底部磁体114可类似成形。

线性致动器110的性能可用移动质量加速度除以输入电功率的平方根来计量。该质量可包括芯子122、细长构件124和致动构件126，虽然该质量很大程度上基于发动机阀/致动构件126(其由线性致动器110操纵，然而在别的方面不用于致动)。芯子122的加速度主要由相对于质量施加在芯子122上的力确定。芯子122可以完全是铁磁性的，这将可能的力限制为磁阻力。磁阻力与在芯子122的一端的磁场的平方和在芯子122的另一端的磁场的平方的相减结果成正比。两个线圈116、118被独立地驱动；可调整一个线圈(比如，顶线圈116)来抵消在芯子122的一端的吸引磁场(这样，极其小的磁场被平方并被减去)，同时用旨在产生吸引芯子122的磁场的电流驱动另一线圈(比如，底线圈118)。精确控制这个引力，以便最小化在发动机阀运动的一个周期上耗散的电功率。分析已经显示，定制的加速度分布图达到期望的运动学运动，同时最小化功率。此功率效率是优于可替换的致动器的材料改进。

如以上提到的，致动构件126可以是发动机阀。已知发动机阀通过机械力移动。通过磁阻力致动一个发动机阀或多个发动机阀可减少发动机磨损。为了使线性致动器110更容易用于发动机，线性致动器110已被设计为具有整体的矩形棱柱形状。由于发动机往往用一系列发动机阀来操作，因此，具有剖面为矩形的一系列的线性致动器110允许多个线性致动器110更有效捆绑。

图4是依照本发明的第三种示例性实施方式的线性致动器210的剖面侧视图。线性致动器210是有顶部固定磁体212和底部固定磁体214的永磁体致动器。顶部磁体212和底部磁体214都具有在其中形成的实质圆柱形的开口。顶线圈216和底线圈218至少部分地分别被顶部磁体212和底部磁体214环绕。至少一个垫圈220分离顶部磁体212和底部磁体214以及顶线圈216和底线圈218。芯子222可滑动地布置在线圈216、218里并连接到细长构件224。芯子222被顶端盖228和底端盖230保持在线圈216、218里。细长构件224连接到致动构件226，例如发动机阀。

线性致动器210是有固定磁体212、214和线圈216、218的永磁体致动器。只有芯子222在受线圈216、218的励磁的控制的力的影响下移动。施加在芯子222上的力近似与应用的电流线性成比例并在行程上大致线性变化。

顶部磁体212和底部磁体214具有相反的垂直磁化，由顶磁化234和底磁化236所示。芯子222的行程被端盖228、230限制。端盖228、230可由铁磁性材料制造，以集中磁场。进一步，如第三种示例性实施方式所示，端盖228、230在线圈216、218之间延伸，以成形磁场。磁体212、214和受激线圈216、218提供磁通势，以及垫圈220和端盖228、230使磁路闭合。细长构件224不需要并优选不影响磁路。在端盖228、230之间以及线圈216、218内存在空气间隙232。空气间隙232的位置随着芯子222的位置变化。总的空气间隙232是恒定的，但是有效空气间隙232在行程上显著不同。由于磁阻力的本质，有效空气间隙232是从垫圈220到线性致动器210的最高磁场端来计量的。

比较图4和图2能够看出，第三种示例性实施方式利用具有比第二种示例性实施方式的磁体112、114更大体积的磁体212、214。更大体积的磁体212、214允许芯子222的更大的可能加速度。然而，线性致动器210符合发动机或其他期望的位置里的可用体积的能力比芯子222的加速度重要。研究已经建议，形状为矩形棱柱的线性致动器110、210和/或永磁体112/212、114/214能够更有效利用可用体积。

图5是示出一种提供并利用依照本发明的第一种示例性实施方式的、上述图1所示的线性致动器10的方法的流程图300。应注意，任何过程描述或流程图里的块都应理解为代表包括用于实现过程中特定的逻辑功能的一个或更多个指令的模块、段、代码的部分或步骤，且可替换的实现包括在本发明的范围内，其中可按照不同于所显示或讨论的次序来执行功能，包括实质上并行地或次序颠倒地执行，这依赖于所涉及的功能性，本发明领域的普通技术人员将理解这点。

如按照块302所示，底部永磁体与顶部永磁体轴向对齐，其中顶部磁体和底部磁体具有相反的磁化。垫圈夹在顶部磁体和底部磁体之间(块304)。顶线圈位于顶部磁体里，底线圈位于底部磁体里(块306)。芯子可滑动地、至少部分地位于顶线圈和底线圈里(块308)。激励至少一个线圈，产生造成芯子沿着线圈的轴滑动的磁阻力(块310)。

需强调的是，以上描述的本发明的实施方式，特别是任何“优选”实施方式，仅仅是可能的实现的例子，根本上是为了清楚理解本发明的原理而提出的。以上描述的本发明的实施方式可进行许多变化和更改，而实质上不背离本发明的精神和范围。所有这样的更改和变化希望包括在这里的本公布和本发明的范围内，并由下面的权利要求保护。

Claims (19)

1.一种线性致动装置，包括：

顶部磁体；

底部磁体，其与所述顶部磁体轴向对齐，其中所述顶部磁体和所述底部磁体具有相反的磁化；

垫圈，其夹在所述顶部磁体和所述底部磁体之间；

顶线圈，其位于所述顶部磁体里；

底线圈，其位于所述底部磁体里；

芯子，其可滑动地位于所述顶线圈和所述底线圈里；

至少接近于所述顶部磁体而连接的铁磁性的顶端盖，所述顶端盖物理上限制所述芯子的行程并阻碍所述芯子移动超出所述顶线圈;

至少接近于所述底部磁体而连接的铁磁性的底端盖，所述底端盖物理上限制所述芯子的行程并阻碍所述芯子移动超出所述底线圈;以及

致动构件，其与所述芯子一体。

2.如权利要求1所述的线性致动装置，其中至少接近于所述顶部磁体而连接的顶端盖和至少接近于所述底部磁体而连接的底端盖为限制器。

3.如权利要求2所述的线性致动装置，其中所述限制器是铁磁性材料的。

4.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述芯子由至少一种铁磁性材料组成。

5.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述致动构件是发动机阀。

6.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述顶部磁体和所述底部磁体是矩形棱柱的。

7.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述垫圈由至少一种铁磁性材料组成。

8.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述致动构件进一步包括：

杆，其与所述芯子一体，所述杆可在所述磁体中形成的至少一个开口里滑动；以及

辅助元件，其与所述杆一体并与一单独的装置协作，由此所述辅助元件的运动至少部分致动所述单独的装置。

9.如权利要求1所述的线性致动装置，其中所述顶部磁体的磁化的大小等于所述底部磁体的磁化的大小。

10.一种利用线性致动装置的方法，所述方法包括以下步骤：

轴向对齐底部永磁体与顶部永磁体，其中所述顶部磁体与所述底部磁体具有相反的磁化；

将垫圈夹在所述顶部磁体和所述底部磁体之间；

将顶线圈定位在所述顶部磁体里，以及将底线圈定位在所述底部磁体里；

将芯子可滑动地、至少部分地定位在所述顶线圈和所述底线圈里；以及

激励至少一个线圈，产生造成所述芯子沿所述线圈的轴滑动的磁阻力。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括将所述芯子限制在所述顶线圈和所述底线圈内的步骤。

12.如权利要求11所述的方法，其中限制所述芯子的所述步骤进一步包括，至少接近于所述顶部磁体连接顶端盖，以及至少接近于所述底部磁体连接底端盖，由此物理上阻碍所述芯子移动超越所述线圈。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述芯子由至少一种铁磁性材料组成。

14.如权利要求10所述的方法，进一步包括致动与所述芯子一体的发动机阀。

15.如权利要求12所述的方法，进一步包括用所述端盖中的至少一个集中所述磁阻力的步骤。

16.如权利要求10所述的方法，其中所述顶部磁体和所述底部磁体是矩形棱柱的。

17.如权利要求10所述的方法，其中所述垫圈由至少一种铁磁性材料组成。

18.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

滑动与所述芯子一体的杆；以及

致动辅助元件，其中所述辅助元件与所述杆一体并与一单独的装置协作，由此所述辅助元件的运动至少部分地致动所述单独的装置。

19.如权利要求10所述的方法，其中所述顶部磁体的磁化的大小等于所述底部磁体的磁化的大小。

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