CN102187689A - 用于减少失真的平衡电枢器件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种示例装置包括：驱动线圈，其由驱动信号可激励；至少一个永磁体；以及至少一个磁返回路径元件，用于由所述驱动信号感生的磁通，所述磁返回路径元件(诸如平衡电枢)被配置为，提供可变磁阻，以减少位移对驱动信号关系中的非线性。通过修改换能器(例如平衡电枢器件的电枢)的磁返回路径的磁阻对磁通性质，允许了补偿在所述装置的另一个部分中引起的非线性。

Description

用于减少失真的平衡电枢器件的方法和装置

相关申请的引用

本申请要求2008年8月29日递交的序列号为61/092,822的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部内容以引用方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及磁装置——例如平衡电枢装置(balanced armature apparatus)——以及改进其性能的方法。

背景技术

平衡电枢器件用在音频应用——诸如用于助听器的微型扬声器——中。动圈扩音器更普遍地用于较大的设备诸如家用娱乐系统，但是动圈扬声器远不足以用在微型应用中。然而，常规的平衡电枢器件通常遭受不想要的失真。

减少失真的平衡电枢器件的发展将具有巨大的商业利益，而且为各种应用设计具有想要的磁响应的结构将是非常有用的。

发明内容

本发明的实施例包括在从中等到高驱动振幅下具有改良的线性的平衡电枢装置。从而，可以用一种改良的电动机(motor)来制造具有比现有技术设计低的声学失真的微型电声换能器。特别地，实施例包括改良的微型扬声器，例如助听器扬声器。

一种示例平衡电枢装置——其可以是电动机或发电机(generator)——包括一个电枢，其中所述电枢的材料被选择并且/或者所述电枢的构造(例如分层结构)被配置，以减少所述装置的输出中的失真。特别地，谐波失真和互调失真(intermodulation distortion)都可以被减少到可观地(appreciably)小于使用常规电枢将呈现的程度。电枢可以包括一个或多个高透磁率材料，且在某些实施例中，第二材料在特定驱动水平(drive level)以上(above)为所述第一材料的饱和区域(saturation region)提供了磁通分流器(flux shunt)。

本发明的实施例包括：包含减少失真的平衡电枢扬声器的助听器和高保真耳机。

本发明的实施例还包括：可变磁阻元件，以及包含这样的元件的任何类型的可变磁阻器件。实施例包括：基于电枢的可变磁阻器件，诸如包含被配置为提供可变磁阻的电枢的可变磁阻器件。例如，电枢可以被配置为具有这样的磁阻对磁通曲线(reluctance versus flux curve)，其至少部分地提高了位移对磁通曲线(displacement versus flux curve)的线性。本发明的实施例也包括圆柱形器件。

可变磁阻元件(诸如电枢)可以包括第一材料和第二材料，所述第二材料具有高于所述第一材料的磁阻，并且所述第一材料包括一个饱和区域(诸如窄化区域(narrowed region))，所述饱和区域在所述第一材料的其余部分饱和之前饱和。然后，所述第二材料在所述饱和区域附近为更高的磁通提供磁通分流器。所述饱和区域可以是电枢的一部分，并且可以包括与所述电枢的其余部分相比具有减少的截面面积的窄化区域。

本发明的实施例包括一种平衡电枢装置，其包括一个电枢，其中所述电枢的材料被选择并且/或者所述电枢的分层结构被构建，以在所述器件的输出中提供比仅仅用单个高透磁率材料将呈现的更低的失真。

附图说明

图1示出了一个示例平衡电枢电动机；

图2示出了另一个平衡电枢电动机的截面图；

图3示出了一个包括窄化区域的电枢构造；

图4示出了另一个示例实施方式；且

图5示出了与现有技术器件相比，随驱动水平而变化的失真；

图6A和6B示出了可变磁阻器件；

图7A和7B以截面图示出了示例圆柱形器件；

图8示出了一个等价电路，其允许孔径(aperture)的数值优化；

图9A和9B示出了饱和区域附近的磁通分流器的功能；

图10示出了多个饱和区域的使用；

图11A-11C示出了一个多层电枢；且

图12示出了一个单磁体平衡电枢装置。

具体实施方式

本发明的实施例包括与常规器件相比具有减少的失真的平衡电枢磁电动机。平衡电枢器件可以用在各种应用中，例如用在用于助听器的微型扬声器、其他耳内扬声器、以及其他微型音频器件应用中。

平衡电枢磁电动机包括一个电枢，该电枢有一个端部位于一对磁体之间的间隙中。当没有驱动信号施加时，该电枢可以被置于该间隙的中点，以使得来自所述磁体的作用在该电枢上的磁力被平衡。可以使用卷绕该电枢一部分的驱动线圈来施加驱动信号。该驱动信号增加了该电枢和所述磁体之一(取决于该驱动信号的极性)之间的引力，使该电枢朝那个磁体移位。该电枢优选地具有足够的刚性(rigidity)，以使得其朝向磁体的偏转不会远到使其最终紧贴至该磁体。电枢饱和可以有助于防止电枢的较大偏转——因为驱动信号强度的进一步增加不会显著地增加偏转，并且这有助于避免电枢接触和紧贴至磁体——这有时被称为电枢崩塌和锁止(armature collapse and lock-up)。

对于小的电枢偏转，平衡电枢器件中的电枢偏转近似是线性的。然而，随着电枢向着磁体偏转，该电枢和该磁体之间的磁力趋向于增加。这是该平衡电枢器件的响应中的谐波失真的一个来源，而所述谐波失真是应用(诸如扬声器)中的一个问题。在常规器件中，所述谐波失真随着驱动信号强度而增加，直到发生电枢饱和效应为止。

完全电枢饱和(complete armature saturation)发生在较高的驱动信号下。在常规器件中，电枢饱和的肇始(onset)起初可以抵消磁失真，然后失真随着信号强度而迅速增加。完全电枢饱和在较高的驱动水平下导致了极高的失真，并且有效地对实际驱动信号强度提供上限。在这样的较高驱动水平下运行是不想要的，因此仅凭完全电枢饱和的肇始不能为谐波失真问题提供有效的解决方案。

然而，本发明的实施方案使用了电枢的部分饱和(partial saturation)，例如电枢的某些部分(诸如其窄化区域)的饱和，以更有效地减少失真。

术语“较高驱动信号强度”可以指接近于或超过电枢完全饱和的驱动信号，而“中等信号强度”可以指小于使整个电枢饱和的那些驱动信号，但在此信号强度上(常规地)谐波产生是一个问题。“较低驱动信号”是即使对于常规器件而言器件响应也有效地呈线性的那些驱动信号。

在本发明的实施例中，电枢的磁性质被修改以减少在中等信号强度下的谐波失真，这样的信号强度显著小于使该电枢完全饱和或者引起完全饱和的肇始所需的信号强度。术语“驱动信号”可以指施加到驱动线圈的电信号，或者指所得到的、用于引起该电枢的自由端偏转的磁通。

在某些实施例中，电枢构件(component)(诸如电枢的窄化区域)的饱和发生在第一驱动信号强度，而该电枢的其余部分的饱和发生在较高的驱动信号强度。邻近(proximate)该窄化区域可以设有一个具有较低透磁率(较高磁阻)的侧翼件(flanking piece)。在该窄化区域饱和之后，磁通的进一步增加由该侧翼件(其充当该饱和区域附近的磁通分流器)承载，但由于该窄化区域的饱和以及该侧翼件在该磁回路(magnetic circuit)中的存在，总电枢磁阻增加。总电枢磁阻的增加可以被设计以补偿谐波失真效应，从而能可观地减少谐波失真。

该侧翼件(例如包括具有比该电枢其余部分所用材料高的磁阻的磁性材料)可以是该电枢的一部分，例如作为一个多层结构的一部分。在某些实施例中，该侧翼件邻近该电枢，例如与该电枢邻接(adjacent)。该侧翼件为该驱动信号提供了磁回路的一部分，并且可以包括一个与窄化区域并行(parallel)的磁回路构件，该窄化区域在比该侧翼件低的驱动场(drive field)下饱和，该磁回路构件例如：多层结构中的并行层、多环结构的构件、邻接构件、环绕(surrounding)区域、管状结构的芯(core)，或其他构造。

窄化区域可以伴随有侧翼件，所述侧翼件提供了具有比该电枢材料高的磁阻的并行磁路径(magnetic path)。在该窄化区域饱和之后，磁通可以由该侧翼件承载。

电枢可以大致为U形，具有：第一大致直的区段(segment)(对应于该U的一条边)，其有一端在磁隙内；一个弯曲的区段；以及第二大致直的区段，其附接该电枢。驱动线圈可以被安装在该第一区段上，该第一区段是可偏转的区段。该第二区段可以是相对不可偏转的区段，其不会在驱动信号的作用下相对于磁体偏转。其他构造——包括E形电枢、线形电枢等——也是可能的。在某些情况下，根据本发明的构造可以存在于用于驱动信号的磁通返回路径(flux return path)的任何部分中，例如存在于该器件的支承结构、基部(base)或其他部分内、或者存在于电枢构件的饱和部分(例如窄化区域)附近的它可以有效地充当磁通分流器的任何位置。

本发明的实施例包括对平衡电枢磁电动机的结构的修改，其针对低于饱和的所有驱动水平显著地减少了位移中的失真。通过该电动机中的磁部分的适当设计，随着驱动水平的增加，失真保持为均匀地低(uniformly low)。仅当发生整个电枢的饱和时，失真才开始增加。

通过沿着该电枢的长度的一部分来减小该电枢的截面积，可以改变电枢磁阻，而在某些实施例中提供了一个侧翼件，以在窄化区域饱和以后提供另外的磁通路径(即，作为磁通分流器)。

示例设计修改包括：在沿着该电枢的长度的某些区域对该电枢一部分的构造和/或形状的修改。这样的修改的一个可能的位置靠近固定到磁轭(yoke)的端部。然而，同一种修改可以被用在沿着该电枢的长度的任何位置，除了在磁隙内部。可以存在某些实施例，其中这样的其他位置也是有利的。修改可以位于沿着该电枢的任何地点的一个或多个位置。

在平衡电枢扬声器中，最大输出水平可以受该电枢中的磁饱和所限。为了稳定，可以特意地将饱和设计到该器件中。概念上，应该有可能重新设计该器件以使得饱和发生在更高的驱动水平。然而，如果这是在保持该设计中的其他所有因素不变的情况下做出的，则将导致在中等驱动水平下出现实质上(substantially)更高的失真。因此，对于给定尺寸的器件，在中等驱动下，最大输出和饱和之间可以有固定的关系。

本发明的实施例提供了一种在中等驱动水平下减少失真的方法，允许了电动机被重新设计以在不增加失真的前提下获得更高的输出。在当前的平衡电枢扬声器设计中，这可以在减少失真的同时允许输出增加6到10分贝。

此外，在可接受的失真下增加输出水平的能力允许了具有特定声学输出水平的助听器使用较小的扬声器。这使得能够构建更小、更不显眼的助听器，并且允许了能更好地配合在耳道内以为用户提供更好的声学方案的扬声器。

图1示出了一个示例平衡电枢电动机，其中该电枢的自由端在磁气隙(magnetic air gap)中振荡。装置10包括：电枢12；驱动线圈14，其被定位使得该线圈围绕该电枢的一部分；第一永磁体18和第二永磁体20；以及磁轭16。电枢12是大致U形的，具有第一端部22，其位于该第一磁体和该第二磁体之间的间隙内，还具有第二端部，其与该磁轭邻接。端部22在磁力作用下能自由移动，并且在没有驱动信号穿过驱动线圈14施加的情况下，该端部被定位为与这两个永磁体18和20等距。

在本发明的某些实施例中，该电枢具有修改区域(modified region)例如26，其给出了随着驱动信号强度而变化的磁阻，以减少位移对驱动振幅行为(displacement versus drive amplitude behavior)的失真。在此语境中，失真是相对于该电枢的端部随着驱动振幅而变化的线性位移的偏离。

在此实施例中，在气隙中建立了源自这两个永磁体的、近似均匀的静态磁场。该静态磁场的返回路径被限制到该磁轭。该U形电枢(通常包括高渗透性材料)被安装为，一端处于两个磁体之间的气隙中，另一端处于该磁轭的磁中性点(magnetic neutral point)。该电枢的在该磁轭之外的部分穿过一个驱动线圈，该驱动线圈提供了附加的交流(AC)磁激励。

如果所述永磁体被均等地磁化，则该电枢的自由端将精确地位于该气隙的中心，并且如果没有电流施加到该线圈，则该电枢中将没有磁通。在该电枢上方和下方的气隙中都有作用在该电枢上的磁力。这些磁力等值且反向，因此在该电枢上没有净力(net force)。然而这是一个不稳定的均衡。如果该电枢要在任一方向上移动，则较小的间隙中的力将增加，而较宽的间隙中的力将减少，从而净力牵拉该电枢远离中心。该电枢的弹簧刚度(stiffness)应足够强以保持该电枢免于崩塌到所述磁体之一。

如果该电枢被固定保持在所述间隙中，且电流开始在该线圈中流动，则通过该电枢、所述间隙和该磁轭建立了附加的磁通环路(loop)。该附加的磁通被添加到一个间隙中，并被从另一个间隙中减去。这使得该电枢上的磁力不平衡。如果该电枢能自由移动，则该不平衡的力将导致该电枢的端部移位到一个新的均衡位置，在该新的均衡位置该电枢的机械弹力被磁力平衡。如果向该线圈施加小的交流信号，则该电枢的位移与线圈电流近似成比例。

在该器件中有两个重要的非线性源。第一个是磁非线性。随着该电枢离开其静态均衡位置，该电枢被较近的磁体更强地牵拉。净力是近似线性的，但具有小的三次非线性(cubic nonlinearity)。如果弹力是线性的，则磁力中的不平衡的三次非线性将造成该电枢的力对位移(force vs.displacement)的失真。

第二个非线性源是该电枢中的磁饱和。随着该电枢以较高的振幅移动，该电枢中的磁通增长。接收机(receiver)常常被专门地设计以使得其电枢在小于到磁体的距离的振荡振幅下饱和。当该电枢饱和时，没有附加的磁力倾向于使该电枢向着磁体移动。

将这两个效应合并，则在低驱动振幅下，磁力非常接近于线性。在较高振幅下，由于磁力中的三次非线性，该力随着位移的增长快于线性。这种情况对于中等驱动振幅继续存在，并且导致了一些奇数倍谐波失真(odd harmonic distortion)。随着振幅继续增加，饱和开始发生。该饱和减少了大位移处的力，从而部分地消除了存在于较低振幅下的磁三次非线性。效果是，失真起初低，在中等水平下增加，当饱和开始时急剧减少，然后随着饱和继续增加而非常迅速地再次增加。

在先前的方法中，磁器件被建构为使得电枢的磁阻尽可能低，且使得该电枢的饱和发生在该电枢与磁体接触之前。这些特征一起使得该器件具有高敏感性，并且防止了该电枢坍塌到磁体。

本发明的实施例包括以如下方式对设计进行修改：减少在饱和以下在中等驱动水平下的失真，在某些情况下通过增加电枢的总体磁阻来抵消不想要的非线性响应。先前的方法通常与试图在所关注的驱动范围内增加电枢的磁阻背道而驰。

在某些实施例中，以如下方式对电枢返回路径的磁阻和饱和性质进行修改：减少该电枢的力对位移特性中的非线性。这可以通过各种途径来做到，包括：在电枢磁路径的一部分中提供分层结构，且在某些情况下通过将一个电枢区域窄化(减少截面面积)以获得该电枢的部分饱和，例如该电枢的所述部分饱而该电枢的其他部分不饱和。

例如，电枢可以包括第一层和第二层，该第二层具有比该第一层低的透磁率和比该第一层高的磁阻。在低磁通下，该第一层可以承载本质上所有磁通。当该第一层的至少一部分饱和时，附加的磁通由该第二层承载，此时该第二层充当磁通分流器。

图2示出了另一个平衡电枢电动机30的截面图，包括电枢32、驱动线圈34、磁轭36以及永磁体38和39。该电枢有一个端部42位于所述磁体之间的气隙中。

位移对驱动电流的失真是由磁力对位移关系中的非线性造成的。如果磁体是均等地磁化的且电枢完美地位于中心，则磁力对于小位移是近似线性的，但具有立方非线性，其随着电枢更接近磁体而更强劲地牵拉电枢。

该电枢被修改以补偿此非线性。该电枢的一条臂40具有窄化区域42，该窄化区域具有减少的截面面积，与该电枢其余部分相比在更低的磁通下饱和。侧翼件44充当该窄化区域附近的磁通分流器，承载该窄化区域饱和之后的大部分磁通。该侧翼件具有比该电枢其余部分高的磁阻，所以该窄化区域的饱和增加了该电枢的总磁阻。

图3示出了一个示例实施方式。在此实施方式中，该电枢的金属在一个短节段(section)42中被窄化，紧接该窄化区域之下并跨越(span)该窄化区域的是侧翼件44，其包括具有较低透磁率(较高磁阻)的第二材料。该图示出了该电枢的在侧翼件44附近的一个小节段。

如所示，顶层可以是标准器件的电枢经修改使得其宽度在一个短区域内减小。底层可以是这样的材料，其具有比该电枢低但仍然远高于1的相对透磁率。

在低驱动水平下，该电枢表现得类似于常规设计。大部分磁通穿过了第一层的窄化区域44，因为它具有较高的透磁率(较低的磁阻)。然而，该电枢的窄化区域在比未窄化电枢低的驱动水平(以及比未窄化电枢低的磁通水平)下开始饱和。第二层开始充当磁通分流器，承载超出使第一层的窄化部分饱和所需的多余磁通。随着驱动水平继续增加到更高的水平，磁通被转移到该第一层的窄化部分下方的该第二层材料。

随着信号强度增加到该窄化区域的饱和以上(above)，失真减少，这是因为该电枢的总磁阻增加补偿了由更高偏转在该电枢端部和所述磁体之间导致的磁力增加。

图4示出了另外的一个实施方式，包括电枢臂40的一部分的窄化区域42，并且侧翼件44提供了磁通分流器。该图示出了包括窄化区域的电枢构造。在此实施例中，失真始自低水平，并且增加，直到该电枢在最狭窄区域开始饱和为止。在这一磁通水平，附加的磁通通过该侧翼件分流。失真随着总磁阻增加而减少，以维持磁通和位移之间的线性关系。随着驱动电流进一步增加，饱和区增长，以包括该电枢的窄化区域的更多部分。该窄化区域的轮廓可以被选择，以使得磁阻以适当的方式增加，以维持力和位移之间的线性关系。

图5示出了带有未修改的电枢的常规器件(曲线50)和根据本发明的一个实施例(例如图2和图3中所示)的改进电枢(曲线52)的总体失真对驱动水平曲线。在低水平，这些曲线是相似的。

随着该窄化区域饱和以及该电枢总磁阻增加，该改进电枢的失真曲线(52)落到曲线50之下。随着该窄化区域的饱和持续，磁通通过较低透磁率的材料分流，且该材料现在成为了该电枢中的磁路径的一部分。

随着驱动水平进一步增加，该改进器件的失真再次增加，且可以持续增加，直到第一层的全宽度部分(full width portion)中(或第二层中)发生饱和为止。在此水平，随着初期饱和增加磁阻，失真再次迅速降低，然后，随着饱和变得完全，失真迅速增加。

在使该电枢的整个宽度饱和的驱动水平，失真再次以类似于常规器件的方式增加。对于在该电枢最大失真以下的驱动水平，失真峰值显著地小于现有技术设计。

常规器件的一个特性在于，失真在中等驱动水平下增加，然后随着电枢开始饱和而迅速减少，然后当驱动水平进一步增加时随着饱和的持续而再次迅速增加。随驱动水平而变化的失真在饱和时迅速增加。

图6A示出了示例可变磁阻装置60，其包括电枢62，电枢62具有：自由端部72和固定端部74、线圈64、以及磁体66和68。该器件类同于平衡电枢器件，并且可以——例如在修改区76内——应用类似的电枢修改(例如，具有磁并联磁通分流器的窄化区域)。

在此实施例中，围绕大致U形的电枢的一条臂布置了线圈64，而另一条臂支承了永磁体66。

图6B示出了一个可能的修改的实施方式，其中电枢62具有修改区域(modified region)76，其包括窄化区域80和侧翼件78。如上所述，当窄化区域80饱和时，侧翼件78充当磁通分流器。

图7A示出了可变磁阻型器件的另一个实施例。该器件关于所标记的轴线具有圆柱对称性，且当线圈104中存在振荡电流时在膜片(diaphragm)100中激发了屈曲运动(flexural motion)。在此实施例中，电枢是大致圆形的膜片，其边缘固定而在中心具有最大的运动。该装置还包括圆柱形外壳102、基部106，永磁体108以及极部(pole piece)110。

操作类同于其他实施例。在磁体108和膜片112之间存在恒定的吸引力。该膜片的刚度优选地足以维持该磁体和该膜片之间的分离。

该线圈中的电流改变了该磁体和该膜片之间的间隙中的磁通，并在该膜片上产生了振荡力。该力是非线性的，当该膜片朝向该磁体偏移时比当该膜片背离该磁体偏移时更大。

可以对该磁返回路径的一个或多个部分提供磁修改，例如类同于针对平衡电枢器件所描述的那些。例如，在该膜片中可以提供修改区域112。在该圆柱结构中，构造可以比在电枢中更复杂。例如，该膜片(或者该磁返回路径中的其他元件)可以是两层(或更多层)结构，其中较高透磁率的层具有切口(cutout)，该切口建立了将发生饱和的小区域。

图7B示出了一个可能的修改实施方式的细节，其中膜片100包括大致圆形的切口114，建立了一个圆形的窄化区域。邻接于该切口区域提供一个大致圆形的侧翼件116，提供了磁通分流器。

本发明的实施例包括任何基于电枢的可变磁阻器件，诸如包括了可以如其他地方所述而修改的电枢的可变磁阻器件。本发明的实施例还包括圆柱形器件，其在某些情况下可以造价更低。

图8示出了一个由模拟电路表示的平衡电枢换能器(例如图1中所示的装置)的磁回路。下文对此回路的详细分析示出了，该电枢的磁阻对驱动电流行为可以被数值地设计，以获得驱动电流和电枢位移之间的线性关系。

图9A示出了电枢140的一部分的截面，包括窄化部分142和侧翼件144，类似于图3和图4所示的。在此实施例中，该窄化部分的厚度相对于周围的电枢被减小。在其他实施例中，可以调整宽度和/或厚度以降低横截面面积。

图9B示出了，对于高于使窄化区域饱和所必要的驱动电流，该侧翼件充当该饱和区域附近的磁通分流器。然而，如果该侧翼件充当具有比该电枢的被分流部分的低场磁阻(low-field reluctance)更高的磁阻的磁通分流器，则该电枢的总磁阻增加。

图10示出了一个具有电枢部分160的电枢，电枢部分160包括第一窄化区域162和第二窄化区域164。该图示出了对于高于使该第二窄化区域饱和所必要的、但却低于使该第一窄化区域饱和所必要的驱动场的磁通方向。在此情况下，侧翼件充当该第二窄化区域的磁通分流器。在使这两个窄化区域都饱和的较高磁场下，该侧翼件充当这两个窄化区域的磁通分流器。

图11A至11C示出了多层结构180，其可以被用在电枢的某些或所有部分中，且不要求窄化区域。图11A示出了第一层182、第二层184和第三层186。每一层的每单位长度磁阻按照第一层、第二层、然后第三层(最高)的顺序增加。与常规设计相比，该第一层可以相对薄。

图11A示出了，在低磁通F1下，各层都没有饱和，且大部分磁通是通过该第一层传送的，因为该第一层具有最低的磁阻。图11B示出了，在较高的磁通F2(F2＞F1)下，该第一层饱和，且此时大部分磁通是通过该第二层传送的。图11C示出了，在更高的磁阻F3(F3＞F2)下，该第一层和该第二层都饱和，且此时大部分磁通是通过该第三层传播的。

因此，一个示例电枢包括由至少两层组成的一个多层部分，其中第一层在比第二层低的磁通水平下饱和，第二层具有比第一层高的磁阻。整个第一层可以变为饱和区域，而磁通被分流到第二层。一个电枢可以包括多个这样的具有不同透磁率和厚度的层，而无需添加进一步薄化或以其他方式限制的区域，从而允许电枢磁阻对磁通行为被定制到想要的关系。

图12示出了图2的一个修改版本，其中由磁轭所支承的一对永磁体被单个永磁体202和一个略微修改的、具有端部204和206的磁轭200所替代。在该磁轭的端部之间具有间隙，电枢42的端部延伸进入此间隙，以在该电枢上和该电枢下限定两个间隙(如所示)。在此实施例中，该磁轭被用于从该永磁体向所述间隙传送磁通。在其他实施例中，单个磁体可以被定位在该磁轭内的任何位置，该磁轭被用于将磁通传送到所述间隙。

电枢磁阻

电枢的磁阻可以被表达为R＝l/μ₀μA，其中l表示长度，μ₀是自由空间的透磁率，μ是材料的相对透磁率，A是截面面积。

在常规器件中，截面面积A沿着电枢长度是大致恒定的，且每单位长度的磁阻(R/l)沿着电枢长度也是大致恒定的。该电枢的饱和场沿着该电枢的整个长度是大致恒定的。该电枢在磁轭下方的区域可以略宽，使得有可能增加该电枢和该磁轭之间的附着面积。然而，在常规器件中，电枢没有显著窄化，也没有任何其他倾向于增加磁阻的特征。

在本发明的某些实施例中，每单位长度的磁阻R′沿着该电枢的长度有变化。(符号R表示磁阻，符号R′表示每单位长度的磁阻)。电枢可以包括具有第一R′值的第一部分、具有第二R′值的第二部分和具有第三R′值的第三部分。该第一R′值可以小于该第二或第三R′值。

在某些实施例中，电枢包括一个具有减少的截面面积A的部分，例如一个渐缩的或窄化的区域。窄化可以通过减少宽度和/或减少厚度来实现。该窄化区域的饱和磁通低于该电枢的其余部分，因此该窄化区域在比该电枢其余部分低的驱动信号强度下饱和。

可以将侧翼件定位为邻近该窄化区域，以允许用于磁通的并行路径，且该侧翼件的磁通可以大于该电枢的其余部分。因此，对于介于使该窄化区域饱和所必要的与使该电枢其余部分饱和所必要的之间的驱动场，该电枢的磁阻增加。然而，磁阻的增加相对于小驱动场强度可以相对小(例如介于0.1％和10％之间)，且可以通过窄化区域和侧翼件的设计来良好地控制。

因此，该电枢的饱和性质可以被修改，以减少在显著小于使该电枢完全饱和所需的磁场的中等信号强度下的谐波失真。在某些实施例中，一个电枢构件的饱和发生在中等信号强度，而整个电枢的饱和发生在更高的信号强度。

电枢设计和材料

本发明的实施例包括这样的电枢：其具有一个或更多个具有小于邻接电枢区域的截面面积的区域。这些区域可以通过对具有近似恒定的厚度但却具有较窄区域的电枢进行冲压来实现，从而这些区域可被称为较窄区域(narrower regions)。也可以使用其他途径，包括具有减少的厚度和/或宽度的区域。

一个电枢可以包括双层部分，例如图3和图4中所示的，该电枢的其余部分是单层。侧翼件(第二层)可以被视为该电枢的一部分或一个分立构件，但在这两种情况中都充当用于驱动信号的磁通返回路径的一部分。

在某些实施例中，该电枢的一部分可以包括双层，且在此电枢部分内可以有第一层的一个或更多个窄化区域。

在某些实施例中，该电枢的一部分或全部可以包括具有两个或更多个层的多层。例如，随着场增加，第一层(或其窄化部分)可以首先饱和，其余的层充当用于该饱和层或其一部分的磁通分流器。在更高的磁场下，第二层、第三层等等可以在递增的磁场强度下饱和。以此方式，可以装配具有精确的想要的磁阻变化的元件。

一个改进电枢可以包括一个磁性材料带，该磁性材料带包括具有窄化厚度的区域，例如通过诸如模压(coining)等机械过程生产的。侧翼件可以由第二磁性材料提供，而侧翼路径可以是该电枢的一部分或者与之邻近。

在某些实施例中，电枢可以通过冲压出(stamping out)一个金属带而形成。在冲压过程中容易形成具有窄化宽度的区域。该金属带可以被弯成大致U形的构造。

电枢可以包括常规磁性材料，例如坡莫合金(permalloy)(或其他铁-镍磁性合金)、铁-硅材料诸如硅钢，或其他材料。

该电枢可以包括具有第一透磁率的第一材料和具有第二透磁率(例如，为第一透磁率的0.2至0.8)的第二材料。该第一材料具有一个具有减少的截面面积的区域(窄化区域)，以使得该区域，在该第一材料的其余部分在第二阈值饱和之前，在第一阈值饱和。在介于第一阈值和第二阈值之间的磁场下，侧翼件充当磁通分流器。然而，该磁通分流器的较高磁阻增加了该电枢的总体磁阻。

例如，该第一材料的相对透磁率在低磁场下可以是大约5,000至100,000(例如，大约80,000，且对于某些材料诸如超透磁合金(supermalloy)可以更高)，在使该第一材料饱和的第一阈值在一个窄化区域内落至接近于单位值(unity)。例如，坡莫合金可以具有大约80,000的透磁率，而硅钢可以更高。

该第一材料可以使用诸如坡莫合金、其他镍铁基磁性合金、硅钢等材料或其他材料。该第二材料可以具有可观地小于该第一材料的透磁率，例如介于该第一材料的透磁率的0.05和0.9之间，更特别地介于该第一材料的透磁率的0.1和0.8之间，例如大约一半。这些范围是示例性的，也可以使用其他值。例如，该第二材料可以包括具有较低(相对于该第一材料)透磁率的磁性合金、铁氧体(ferrite)、铁(iron)和/或镍或者其合金，等等。

在该第一阈值以下，大部分磁通是由该第一材料承载的。在该第一阈值和该第二阈值之间，大部分磁通是由该窄化区域附近的磁通分流器承载的，且磁阻以能根据具体应用而调整的方式增加。

分析

本领域普通技术人员将认识到，平衡电枢换能器(例如，如图1中所示的)的磁回路可以由图8的模拟电路表示。此模型遵循了电流是磁通的模拟且电压是磁动势(magnetomotive force)的模拟的惯例。该电路中的阻性构件是磁阻，其值可以被计算为：

$R=\frac{l}{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}A}---\left(1\right)$

其中l和A是该件的长度和面积，μ_r是其相对透磁率，而μ₀是自由空间的透磁率。直流(DC)电压源F₁和F₂是由这两个磁体产生的磁动势。磁阻R₁和R₂包括这两个磁体之一的磁阻以及该磁返回路径中的任何其余磁阻。R_a是该电枢的磁阻。该线圈向该电枢施加等于NI的附加磁动势，其中N是线圈匝数，而I是线圈电流。这两个气隙由R_g1和R_g2表示。此电路示出该电枢在这两个气隙中居中。如果该电枢从其均衡位置移位了一个量x，则这两个磁阻根据下式变化：

$R_{g1}\⇒R_{g1}+\frac{x}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}$ 和 $R_{g2}\⇒R_{g2}-\frac{x}{{\mathrm{\μ}}_{0}A}---\left(2\right)$

如果φ₁是在上环路(upper loop)中顺时针流动的磁通，而φ₂是在下环路(lower loop)中顺时针流动的磁通，则描述此回路的等式是：

$(R_1+R_{g1}){\mathrm{\φ}}_1+R_a({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)-(F_1-\mathrm{NI})-\frac{x}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_g}{\mathrm{\φ}}_1=0---\left(3\right)$

$(R_2+R_{g2}){\mathrm{\φ}}_2-R_a({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)-(F_2+\mathrm{NI})+\frac{x}{{\mathrm{\μ}}_0{A}_g}{\mathrm{\φ}}_2=0---\left(4\right)$

对于电枢位移x的任何具体值，线圈电流与磁体结合确定了环路磁通φ₁和φ₂的值。于是在该电枢上有由下式给出的机械力：

$F=\frac{{\mathrm{\φ}}_1^2}{2{\mathrm{\μ}}_{0}A}-\frac{{\mathrm{\φ}}_2^2}{2{\mathrm{\μ}}_{0}A}---\left(5\right)$

我们假定该电枢具有足够的机械刚度来抵抗此力并且避免该电枢坍塌到任一磁体。如果该电枢的弹簧刚度常数是k且该机械系统处于均衡，则弹簧弹力等于磁力，或

$-\mathrm{kx}=\frac{{\mathrm{\φ}}_1^2}{2{\mathrm{\μ}}_{0}A}-\frac{{\mathrm{\φ}}_2^2}{2{\mathrm{\μ}}_{0}A}---\left(6\right)$

等式3和4用三个未知量φ₁、φ₂和x表示了三个等式，从而应有可能从这些等式中将x作为NI的函数解出。可见，作为对下列多项式等式的解，x和NI是相关的：

$0={\mathrm{kX}}^5-{\mathrm{kX}}^3({2R}^2+4{\mathrm{RR}}_a)+4F{\mathrm{NIX}}^2$

$+X[-4{\mathrm{NI}}^{2}R-4F^{2}R-8F^2{R}_a+k(R^4+4R^3{R}_a+4R^2{R}_a^2)-8F^2{R}_a]---\left(7\right)$

$-4R^2\mathrm{FNI}-8{\mathrm{RR}}_a\mathrm{FNI}$

其中X＝x/μ₀A.

等式7示出了平衡电枢换能器的本质的(essential)非线性。

然而，使用此处描述的方法，有可能设计该系统以除去该非线性。

这是通过允许电枢磁阻R_a作为该电枢承载的磁通的非线性函数来做到的。令R_a被R_a+R_ax取代，其中R_a是常数。当电枢磁通是零时，R_ax的值是零并且以维持驱动电流和位移之间的线性关系的方式随着磁通的增加而增加。经此修改，等式7变成：

$0=k{X}^5-{\mathrm{kX}}^3({2R}^2+4{\mathrm{RR}}_a+4{\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}})+4{\mathrm{FNIX}}^2$

$+X\left[\begin{array}{c}-4{\mathrm{NI}}^{2}R-4F^{2}R-8F^2{R}_a-8F^2{R}_{\mathrm{ax}}+\\ k(R^4+4R^3{R}_a+4R^3{R}_{\mathrm{ax}}+4R^2{R}_a^2+8R^2{R}_a{R}_{\mathrm{ax}}+4R^2{R}_{\mathrm{ax}}^2)\end{array}\right]---\left(8\right)$

$-4R^2\mathrm{FNI}-8{\mathrm{RR}}_a\mathrm{FNI}-8{\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}}\mathrm{FNI}$

一种策略是将此等式的项分割成两部分。一部分包含在X和NI上是非线性的所有项，以及含有因子R_ax的所有项。于是另一部分只剩下了线性的项。经此分割，该等式变成：

$0=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{kX}}^5-{\mathrm{kX}}^3({2R}^2+4{\mathrm{RR}}_a+{4\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}})+4{\mathrm{FNIX}}^2\\ +X[-4{\mathrm{NI}}^{2}R-8F^2{R}_{\mathrm{ax}}+k({4R}^3{R}_{\mathrm{ax}}+8R^2{R}_a{R}_{\mathrm{ax}}+4R^2{R}_{\mathrm{ax}}^2)]\\ -8{\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}}\mathrm{FNI}\end{array}\right\}---\left(9\right)$

$+\left\{\begin{array}{c}X[-4F^{2}R-8F^2{R}_a+k(R^4+4R^3{R}_a+4R^2{R}_a^2)]\\ -4R^2\mathrm{FNI}-8{\mathrm{RR}}_a\mathrm{FNI}\end{array}\right\}$

本发明的示例方法和装置允许对电枢磁阻R_ax进行设计，以使得大括号中的第一项对于所有驱动水平均等于零。

这给出了

$0={\mathrm{kX}}^5-{\mathrm{kX}}^3({2R}^2+4{\mathrm{RR}}_a+{4\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}})+4{\mathrm{FNIX}}^2$

$+X[-4{\mathrm{NI}}^{2}R-8F^2{R}_{\mathrm{ax}}+k({4R}^3{R}_{\mathrm{ax}}+8R^2{R}_a{R}_{\mathrm{ax}}+4R^2{R}_{\mathrm{ax}}^2)]---\left(10\right)$

$-8{\mathrm{RR}}_{\mathrm{ax}}\mathrm{FNI}$

于是大括号中的第二项也是零，从而

$X=\frac{{4R}^{2}F+8{\mathrm{RR}}_{a}F}{-4F^{2}R-8F^2{R}_a+k(R^4+4R^3{R}_a+4R^2{R}_a^2)}\mathrm{NI}---\left(11\right)$

其规定了驱动电流和电枢位移之间的线性关系。

对于任何具体的平衡电枢设计，设计电枢磁阻的一种示例方法是为上述等式找一个联立的解(simultaneous solution)。

这些等式中的非线性把这变成了一个非常难于人工完成的任务。然而，这个解既可以使用数值方法求得，又可以使用计算机符号代数程序(computer symbolic algebra program)求得。可以使用商业程序诸如Mathematica(Wolfram Research，Champaign，IL)或者Maple(Maplesoft，Waterloo，ON)。也可以使用开源计算机代码Maxima，其可以从SourceForge在http://maxima.sourceforge.net/获得，来求解。

此分析可以用于设计具有对减少电枢响应中的失真必要的磁阻性质的材料。此分析也可以用于定制窄化区域的渐缩轮廓(例如参照图4所述的)，以及用于设计其他电枢构造，诸如多(multiple)窄化区域。

常规地，线圈中的驱动电流水平与驱动该电枢的机械力之间的关系是非线性的。对于小的位移该关系是近似线性的，但非线性随着位移的增加而增长。

电枢磁阻可以被配置为随电枢磁通而变化，以消除电流(驱动信号水平)对位移关系中的非线性。该数值解成为了电枢的一个设计目标。分层电枢结构或单材料电枢可以被配置为具有想要的磁阻对磁通行为，从而允许换能器位移关系为线性。

具有修改的饱和曲线的电枢材料

在某些实施例中，可以使用这样的材料来提供在电枢饱和磁通以下的失真对磁通驱动水平曲线，所述材料的B/H饱和曲线提供了适当的磁阻对磁通的变化。示例材料包括铁氧体材料(铁氧体)。例如，铁氧体或其他材料的磁阻对磁场强度可以被设计，以针对在电枢饱和磁通以下的驱动水平来降低失真水平。所述磁阻在饱和磁通以下的中等驱动水平上可以略微(例如，0.1％至10％)减少。

因此，在本发明的某些实施例中，不要求窄化区域或磁通分流器，尽管如果期望获得想要的饱和曲线可以使用这样的结构。

磁阻对场强的变化常规地被认为是铁氧体材料中的一个问题。铁氧体材料可以被包括在返回磁通路径中的某些点内，例如在电枢构造的非柔性(non-flexing)部分中。可以使用上述分析来设计电枢。

可以使用的铁氧体包括非传导性铁磁陶瓷化合物，例如包括一种或多种金属氧化物，例如氧化铁、氧化锰、氧化镍、氧化锌和/或其他氧化物。铁氧体可以是无机陶瓷，或者在其他实施例中是塑料或塑料-无机复合材料。例如，电枢部分——或驱动信号的磁通路径的其他部分——可以包括软陶瓷铁氧体。铁氧体的组分、粒度分布以及物理结构可以被适配以获得想要的磁性能。

应用

本发明的实施例包括用于在平衡电枢器件的输出中减少失真的方法和装置，包括用在助听器和耳机中的微型器件。减少的失真显著地提高了音频质量。

平衡电枢磁电动机可以被用作在助听器、耳内监听器以及某些高端耳机内使用的微型扩音器的驱动器。对于诸如这些的非常小的扬声器，平衡电枢驱动结构提供了比相等尺寸的其他换能器结构更大的声学输出。平衡电枢扬声器可以提供良好的声学性能，但是即使最好的常规设计在中等输出功率下也具有比高质量收听系统所需的更高的声学失真水平。

本发明的实施例包括改进的铁磁换能器，诸如扬声器和麦克风，例如用于助听器、其他耳内植入扬声器、骨传导音频器件、蜂窝电话、其他电话、耳机、收音机、便携音乐播放器、其他娱乐器件，等等。

示例器件(诸如助听器)可以包括外壳，例如被配置为位于人的耳朵之内、之后或近旁。驱动杆和/或连杆机构可以被用于将电枢振荡耦合到振荡膜片，例如在属于Thompson等人的美国专利7,336,797中描述的，该专利以援引方式纳入本文。

应用还包括要用到可变磁阻元件的任何设备。

替代实施方式

本发明的其他实施例包括这样的电枢，其包含具有不同参数的多个层以降低失真。例如，各层可以具有不同的厚度、透磁率和/或饱和水平，以实现改进的性能。例如，电枢可以包括多个下方层(underlying layer)。

本发明的实施例包括这样的平衡电枢装置(诸如平衡电枢电动机和平衡电枢发电机)，其中所述电枢的材料被选择，并且所述电枢的分层结构被构建，以在该器件的输出中提供比仅仅用单个高透磁率材料将呈现的更低的失真。

其他构造

本发明的实施例包括多层结构。这样的多层结构可以提供部分饱和的几个点，在每个所述点处减少了失真。这可以提供减少的失真对驱动水平，例如具有几个较小的峰和谷，具有在终极失真(ultimate distortion)(电枢饱和)以下的较低峰水平。

本发明的实施例还包括，使用沿着电枢长度在不同位置间隔开的几个双层(或者其他多层)节段。这些层可以被垂直于(normal to)层地薄化、平行于层平面地窄化，或者某些约束组合。这些层可以是平面的。在某些实施例中，这些层可以是圆柱形的，例如一层第二材料围绕第一材料的窄化圆柱芯。

一个示例器件可以具有多个具有窄化尺寸(减少的能传播磁通的截面尺寸或面积)的节段，这些节段可以是相似的或不同的。例如，一个示例器件可以具有不同的窄化尺寸的两个这样的节段。较窄的节段在第一驱动水平开始饱和，以减少失真。然而，当驱动水平进一步增加时，失真再次增加。在更高的驱动水平，第二窄化区域开始饱和，且再次减少了失真。随着驱动水平进一步增加，失真继续增加，直到全宽度电枢(full width armature)的饱和开始发生为止。这里，失真第三次下降，然后随着全宽度节段进入硬饱和(hard saturation)而增加。

本发明的实施例还包括提供了想要的磁阻对磁通关系的磁结构，包括多层结构、复合体(composite)等等。例如，复合体可以在第二材料内包括第一材料的带(strip)、线(wire)或颗粒(particle)，其中该第一材料具有较低的磁阻且在较低的场饱和。

本发明的某些实施例包括一层第一材料和一层具有比该第一材料高的磁阻的第二材料。该第一层的至少一部分(例如，窄化区域，或者在某些情况下整个层)在中等磁通值饱和，以抵消器件响应的非线性。

在某些实施例中，根据本发明的实施例的结构可以被配置以减少在中等驱动场强的磁阻，例如用于其他应用，且这可以被用于各种应用，不限于平衡电枢器件。

常规的平衡电枢换能器包括由单一高透磁率材料制成的电枢。本发明的某些示例电枢包括具有不同磁阻值的第一和第二磁性材料，其中不同材料的磁通承载比率(ratio)是随驱动信号强度而变化的，以获得想要的磁阻曲线。在某些实施例中，驱动放大器的电子增益曲线可以被修改，以除去任何残留失真成分(residual distortion component)，例如通过有意地引入对任何残留失真进行补偿的非线性。

根据本发明的实施方案的改进的电枢可以是使用诸如非线性磁模型、ODE和/或FEA模型等模型来设计的。根据本发明的实施方案的改进的平衡电枢和可变磁阻器件可以被用在目前不使用它们的产品中，例如用在目前使用动圈器件的设备中。

本发明的实施例还包括：包含了诸如本文所描述的结构的可变磁阻发电机和可变磁阻电动机。例如，开关磁阻元件(switched reluctance element)(诸如电枢)可以包括第一和第二磁性材料，所述第一材料的至少一部分被具有特定场强的驱动信号饱和以修改该结构的磁阻(例如，在所述第二材料具有高于所述第一材料的非饱和磁阻的情况下，具有在所述特定场强以上的较高磁阻)。

例如，所述第二材料可以充当所述第一材料的饱和部分附近的磁通分流器，且由于所述第二材料具有较高的磁阻，总磁阻增加。然而，磁阻的增加可以被控制，且可以相对小，例如在1％至100％的范围内。

在某些实施例中，饱和区域可以由第三材料的一部分提供，该部分插入由第一材料形成的结构中，与所述第一材料磁串联。所述饱和区域在低于所述第一材料其余部分的场下饱和，例如由于物理限制和/或所述第三材料的较低饱和场。磁通分流器(例如第二材料的)可以被设置在所述饱和区域附近。

在某些实施例中，可变磁阻元件包括第一材料和第二材料的多层结构，所述第二材料具有比所述第一材料高的磁阻，所述第一材料具有比所述第二材料低的饱和场。饱和区域(诸如窄化区域)可以被设置在所述第一材料中，但在某些实施例中不必存在。在低磁通下，磁通主要由所述第一材料承载。在第一阈值磁通以上，所述第二材料充当磁通分流器并且承载所述第一材料或其饱和部分附近的磁通。类似地，也可以存在具有比所述第二层低的磁阻和比所述第二层高的饱和的第三层。在第二阈值磁通以上，所述第三层可以充当所述第二层或其饱和部分的磁通分流器。可以以类似方式添加其他层，以在整个元件饱和之前使用一个或多个阈值场处的磁阻变化来精确地定制磁阻对场。在某些实施例中，可变磁阻元件可以包括梯度透磁率材料，其具有，例如，在与磁通传播方向垂直的方向上变化的成分从而透磁率和/或饱和场，以使得该材料的一部分可以充当对其饱和部分(例如窄化区域或较低饱和场部分)的磁通分流器。

本发明的实施例包括这样的平衡电枢装置(诸如平衡电枢电动机和平衡电枢发电机)，其中该电枢被配置以在该器件的输出中提供比使用常规电枢将呈现的更低的失真。改进的电枢的材料可以被选择并且/或者该电枢的分层结构可以被构建，以减少输出失真。

磁通分流器可以是电枢的一部分，或者与电枢邻接或邻近的其他想要的可变磁阻元件。

本发明的实施例包括：对换能器的磁返回路径的磁阻进行修改，以补偿该换能器的另一部分中的非线性。此处公开的具体实施方式是示例性而非限制性的。一种示例途径是，通过对该返回路径中的电枢的宽度进行窄化来实现该修改。在其他实施例中，有可能通过将分层结构用于该返回路径的至少一部分来减少厚度。

一种示例磁装置(诸如平衡电枢装置)包括：第一磁体和第二磁体；以及电枢，所述电枢有一个端部位于所述第一磁体和所述第二磁体之间的间隙内。驱动线圈磁耦合到(magnetically couple to)所述电枢，以使得施加到所述驱动线圈的驱动信号在所述电枢内感生磁通，并引起所述电枢端部的相应偏转。所述电枢可以被配置以减少所述电枢的偏转中的谐波失真。例如，所述电枢可以包括至少一个这样的部分，所述部分被配置为在比使所述电枢其他部分饱和所需的驱动信号水平小的驱动信号水平下饱和。所述电枢可以包括第一磁性材料的窄化区域，所述窄化区域在小于所述第一磁性材料的其他部分的驱动信号水平下饱和。

所述电枢可以包括第一材料和第二材料，所述第一磁性材料的至少一部分在小于所述第二磁性材料的驱动信号水平下饱和，当所述第一材料的所述至少一部分饱和时，所述第二磁性材料在所述第一材料的所述至少一部分附近提供了磁通分流器。所述第一磁性材料的至少一部分可以在小于所述第二磁性材料的驱动信号水平下饱和。

在某些实施例中，所述电枢包括这样的材料，所述材料具有提供了磁阻对磁通的变化的B/H饱和曲线，以在其饱和磁通以下提供线性化的失真对驱动水平曲线。所述材料可以是铁氧体。

一个电枢可以包括一个多层结构，所述多层结构具有一个或更多个部分饱和部，所述部分饱和部被实质上小于使整个电枢饱和所需的驱动信号饱和。

一个电枢可以包括沿着所述电枢的长度在不同位置间隔开的多个多层结构。

一个多层电枢结构可以至少包括一个第一层和一个第二层，所述第一层具有一个或更多个具有减少的截面面积的窄化区域，每个窄化区域具有比所述第一层的其余部分低的饱和场。

一个电枢可以被配置为具有这样的失真对驱动水平曲线，所述曲线具备多个峰和谷，峰水平低于所要降低的终极失真。

一种示例磁装置包括可变磁阻元件，所述可变磁阻元件包括第一磁性材料、第二磁性材料和驱动线圈，被施加到所述驱动线圈的驱动信号在所述器件内感生磁通，且所述第一磁性材料的至少一部分在低于所述第二磁性材料的驱动水平下饱和，所述可变磁阻元件的磁阻被所述第一磁性材料的至少一部分的饱和修改。所述装置可以是平衡电枢器件，其中所述可变磁阻元件是电枢。所述第一材料可以包括一个饱和部分，其在比所述第一材料的邻近部分低的驱动信号下饱和，当所述饱和部分为饱和时，所述第二材料在所述饱和部分附近提供了磁通分流器。示例装置包括可变磁阻电动机，或可变磁阻发电机。

一种示例装置包括：由驱动信号可激励的驱动线圈；永磁体；以及至少一个磁返回路径元件，用于由所述驱动信号感生的磁通，所述磁返回路径元件被配置为提供可变磁阻，以减少可移位元件的位移对驱动信号中的非线性。

其他实施例包括：与本文所描述的类似的结构(例如，电枢设计)的使用，包括在可变磁阻电动机/发电机的磁路径中的使用。

本申请文件中提及的专利或出版物均以引用方式纳入本文，如同每篇个体出版物均具体地且单独地以引用方式纳入。

本领域普通技术人员将注意到实现同样目标的大量类似结构。

本发明不限于上述示例性实施例。所描述的实施例是示例性的，而不意在限制本发明的范围。本领域技术人员将明了本发明中的改变、元件的其他组合以及其他用途。本发明的范围由权利要求的范围来限定。

Claims (23)

1.一种平衡电枢装置，包括：

第一永磁体；

第二永磁体；

电枢，其有一个端部位于所述第一永磁体和所述第二永磁体之间；以及

线圈，其磁耦合到所述电枢，所述线圈由驱动信号可激励，以在所述电枢内感生磁通水平，并引起所述电枢的所述端部的偏转，

将位移关联到驱动信号水平的位移关系，

所述电枢被配置为，具有随着所述驱动信号水平而增加的磁阻，以针对低于使整个电枢饱和所需的磁通水平来改良所述位移关系的线性。

2.根据权利要求1所述的装置，所述电枢包括一个部分饱和部，其被配置为，在低于使所述电枢的邻接部饱和所需的驱动信号水平下饱和，

所述装置还包括一个侧翼件，当所述部分饱和部为饱和时，所述侧翼件在所述部分饱和部附近提供磁通分流器。

3.根据权利要求2所述的装置，所述部分饱和部包括一个窄化区域，其具有比所述电枢的其他部分低的截面面积。

4.根据权利要求3所述的装置，所述窄化区域包括一个渐缩部，其截面面积随着沿所述电枢的位置而变化。

5.根据权利要求1所述的装置，所述电枢包括第一磁性材料和第二磁性材料，

所述第一磁性材料的一部分在低于使所述第二磁性材料饱和所需的驱动信号水平下饱和，

当所述第一材料的所述部分为饱和时，所述第二磁性材料在所述第一材料的所述部分附近提供磁通分流器。

6.根据权利要求1所述的装置，所述电枢具有用于使所述电枢完全饱和的饱和磁通，

所述电枢包括这样的磁性材料，其使得穿过所述电枢的磁阻对磁通的变化被配置为，在所述饱和磁通以下提供基本线性的位移关系。

7.根据权利要求6所述的装置，所述电枢包括这样的铁氧体材料，其具有这样的磁阻对电枢磁通曲线，所述曲线被配置为补偿所述位移关系中的谐波失真。

8.根据权利要求1所述的装置，所述装置是平衡电枢电动机。

9.根据权利要求1所述的装置，所述装置还用作平衡电枢发电机。

10.根据权利要求1所述的装置，所述装置是平衡电枢扬声器。

11.根据权利要求10所述的装置，所述装置是助听器扬声器。

12.一种装置，所述装置是用于平衡电枢器件的电枢，

所述电枢具有这样的电枢饱和磁通，所述电枢在所述电枢饱和磁通下完全饱和，

所述电枢包括一个多层部分，所述多层部分包括：

第一层，其包括一个部分饱和区域，所述部分饱和区域在低于所述电枢饱和磁通的电枢磁通水平下饱和；以及

第二层，当所述部分饱和区域为饱和时，所述第二层用作所述部分饱和区域附近的磁通分流器。

13.根据权利要求12所述的装置，所述部分饱和区域是与所述第一层的其他区域相比具有减少的截面面积的区域。

14.根据权利要求13所述的装置，所述第一层包括多个部分饱和区域，所述多个部分饱和区域具有比所述第一层的其他区域低的截面面积，

所述多个部分饱和区域中的每一个都具有比所述第一层的其他区域低的饱和磁通。

15.根据权利要求14所述的装置，所述电枢在沿着所述电枢的不同位置包括多个多层结构。

16.根据权利要求12所述的装置，所述电枢是可变磁阻电枢，

所述电枢磁阻被所述部分饱和区域的饱和所增加。

17.根据权利要求12所述的装置，所述装置是用于平衡电枢扬声器的电枢。

18.一种装置，所述装置是磁装置，包括：

电枢；

线圈，其由驱动信号可激励，以在所述电枢内感生磁通；以及

至少一个永磁体；

所述电枢在没有驱动信号施加时具有均衡位置，

所述电枢的一部分通过所述驱动信号相对于所述均衡位置可移位，以具有与上至所述电枢的饱和磁通的驱动信号水平相关的位移，

所述电枢被配置为，针对实质上在所述饱和磁通以下的磁通水平下具有随着磁通水平而增加的电枢磁阻，以获得所述位移和所述驱动信号水平之间的大致线性的关系。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述电枢包括第一材料和第二材料，

所述第一材料包括一个部分饱和部，所述部分饱和部在低于使所述第一材料的邻近部饱和所需的磁通水平下饱和，

当所述饱和部为饱和时，所述第二材料在所述饱和部附近提供磁通分流器，

所述磁通分流器具有比所述第一材料的所述部分饱和部高的磁阻。

20.根据权利要求18所述的装置，其中所述电枢包括第一材料和第二材料，

所述第一材料的至少一部分在低于使所述第二材料饱和所需的磁通下饱和，

当所述饱和部为饱和时，所述第二材料提供磁通分流器。

21.根据权利要求18所述的装置，所述装置包括第一永磁体和第二永磁体，

所述电枢的相对于所述均衡位置可移位的部分是所述电枢的一个端部，所述端部延伸进所述第一永磁体和所述第二永磁体之间的间隙内，

所述装置还包括一个磁轭，所述磁轭在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间提供磁通通路。

22.根据权利要求18所述的装置，所述装置包括一个永磁体，

所述装置还包括一个磁轭，所述磁轭提供从所述永磁体到所述磁轭的部分之间的间隙的磁通通路，

所述电枢的相对于所述均衡位置可移位的部分是所述电枢的一个端部，所述端部延伸进所述磁轭的部分之间的间隙内。

23.根据权利要求18所述的装置，所述装置是电动机或发电机。

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