CN104364859A - 电子控制的螺线管 - Google Patents

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Abstract

一种螺线管组件，包括开关调节器和螺线管，所述螺线管电连接到开关调节器的输出信号连接，螺线管在延伸位置和拉入位置之间可电致动。所述组件包括电连接到开关调节器的输入切换连接与输出信号连接的输出电平开关，以及连接到开关调节器的输出与输出电平开关的输入的定时器。所述定时器在输出电平开关的输出处生成信号，从而在输出信号连接处感测信号之后，使输出电平开关在开关调节器的输入切换连接处生成保持信号。一旦在输入切换连接处接收保持信号，开关调节器就在输出电压连接上产生输出信号以从切换电平切换到保持电平。

Description

电子控制的螺线管
本申请在2013年5月31日提交为PCT国际专利申请，并要求在2012年5月31日提交的美国专利申请序列号No.13/485,262的优先权，其公开通过引用以整体并入本文。
技术领域
本申请一般涉及螺线管设计；本申请特别涉及电子控制的螺线管。
背景技术
螺线管是常用的、用于将电能转换成直线运动的电子致动换能器装置。例如，可使用螺线管作为车辆起动机的一部分，或作为用于在其中一般需要短距离运动的其它机电装置的控制系统的一部分。一般来说，螺线管包括可在两个位置之间移动的可移动部件(诸如活塞)并且(例如通过弹簧)偏移到两个位置中的一个。通过流过线圈的电流致动活塞到第二位置的移动，该移动感应产生抵消弹簧力的力的磁场。
在一些应用中，需要具有相对高的拉入力和/或长行程的螺线管。例如，使用在航空类型应用中的螺线管通常需要具有非常强的保持力并且需要有长致动行程。图1示出了这种大力长行程螺线管的一个示例。在该布置中，螺线管10具有螺线管主体12。活塞14部分保留在主体12内并且在延伸和拉入位置之间可移动。通过位于主体12内的弹簧16将活塞14偏移到延伸位置。线圈18也位于主体内并被配置成当线圈18接收到足够幅度以生成磁信号来抵消弹簧16的力的信号(例如通过线圈的电流)时，线圈18接合活塞14，从而将活塞14移动到拉入位置。螺线管10可以具有如连接器20所示的单独接口，通过该接口可将电线连接到线圈18以用于控制螺线管10。
这种类型的螺线管通常具有超过14磅(例如15磅)的拉入力并且超过大约1/4英寸的行程(即在致动和非致动位置之间的距离)需要特殊设计考虑。大力和长行程驱使线圈设计成高匝数，这增加了螺线管的重量、体积以及功率损耗。例如，通常该螺线管需要线圈中超过2000的匝数，并可能需要高达100磅的保持力。
然而，这些大力需要大电流以生成足够幅度的磁场；同时，需要低运行电流以最小化线圈热量(heath)并减小向螺线管供电的系统所需求的电功率。在一些情况中，该需求可以是大约45W以从螺线管的延伸位置到拉入位置致动螺线管，以及14W(持续的)以将螺线管保持在拉入、致动位置。
为了缓和该专用螺线管的高功率需求，减小在保持期间线圈两端的电流，因为螺线管所需的保持力一般低于致动力。图2示出这样的电路的示例。在该布置中，螺线管10包括具有电阻18a的螺线管线圈18，并且其与二极管22并联连接。可从电压连接到接地(供电的)连接在螺线管10和二极管22两端施加电压。附加电阻器24可选择性地与组合的螺线管10和二极管22串联连接，并连接到第二接地(保持)连接。为了致动螺线管，在电压和接地(供电的)连接两端分配高电流，从而最大化螺线管线圈两端的电流并致动螺线管。一旦致动了螺线管10，则外部控制器可切换所用的电路使得在电压和接地(保持)连接两端施加相同电压，从而将电阻器24引入电路并降低通过线圈18的总电流。
然而，甚至这些现有螺线管设计也有各种缺点，因为在这些情况中螺线管仍需要有很大数量的匝数并需要大保持力，从而使得螺线管庞大且能源利用率低。
出于这些或其它原因，期望有所改进。
发明内容
依照以下公开，上述及其它问题解决如下：
在第一方面，螺线管组件包括开关调节器，其具有输入功率连接、输入切换连接及输出信号连接。螺线管组件还包括螺线管，其电连接到开关调节器的输出信号连接并且在延伸位置和拉入位置之间可电致动。螺线管组件还包括输出电平开关，其电连接到开关调节器的输入切换连接和输出信号连接。螺线管组件包括定时器，其电连接到开关调节器的输出与输出电平开关的输入。定时器被配置成在感测开关调节器的输出上的信号的预定时间后，在输出电平开关的输出处生成信号，从而使输出电平开关在开关调节器的输入切换连接处生成保持信号。一旦在输入切换连接处接收保持信号，则开关调节器使在输出电压连接上的输出信号从切换电平切换到保持电平。
在第二方面，电子控制的螺线管包括螺线管和电路。螺线管包括活塞，其在延伸位置和拉入位置之间可电致动；线圈，其包围活塞的至少一部分；以及弹簧，其将活塞朝向延伸位置偏置。电路连接到线圈并被配置成在线圈上生成致动信号，从而将活塞从延伸位置移动到拉入位置，并且在预定时间段之后，在线圈上生成保持信号，该保持信号具有比从延伸位置到拉入位置致动螺线管所需的幅度更低的幅度。
在第三方面，公开螺线管的操作方法。该方法包括在开关调节器处接收具有比致动阈值更高的电流电平的信号；向螺线管提供来自开关调节器的螺线管致动信号，从而使螺线管的活塞从延伸位置到拉入位置致动；并且在传送螺线管致动信号的预定时间之后，触发输出电平开关以向开关调节器发送信号，从而使开关调节器向螺线管提供保持信号；保持信号具有比从延伸位置到拉入位置致动螺线管所需的幅度更低的幅度。
附图说明
图1是现有技术螺线管的侧剖面图；
图2是现有技术螺线管控制电路的示意图；
图3是根据示例实施例的包括电子控制的螺线管的螺线管组件的示意框图；
图4是根据示例实施例的电子控制的螺线管的侧剖面图；以及
图5是根据示例实施例的包括电子控制的螺线管的组件示意图。
具体实施方式
参考附图，将详细描述本发明的各种实施例，其中贯穿数个视图，相同参考标号代表相同部件和组件。参考各种实施例不限制本发明的范围，其仅由所附权利要求的范围限制。此外，在本说明书中陈述的任何示例不旨在限制而是仅陈述针对请求保护发明的许多可能实施例中的一些。
在此描述的公开的各种实施例的逻辑操作实施为：(1)一系列计算机实施步骤、操作，或在计算机内可编程电路上运行的例程，和/或(2)一系列计算机实施步骤、操作，或在目录系统、数据库或编译器内的可编程电路上运行的例程。
一般来说，本公开涉及电子控制的螺线管、螺线管组件及其操作方法。按照在此公开的原理，在维持稳定状态功率消耗并且维持大保持力的同时，螺线管布置使用与螺线管集成的电子器件以最大化拉入力。
现参阅图3，根据本公开的示例实施例示出螺线管组件100的示意框图。在所示实施例中，螺线管组件100包括电连接到功率源104的开关调节器102。开关调节器102具有多个连接，包括可连接到功率源104的输入功率连接106以及在通信上连接到螺线管110的输出信号连接108。在所示实施例中，螺线管110电连接到输出信号连接108，使得将开关调节器102的输出信号施加到螺线管的线圈，如下面结合图4所进一步讨论的。一般来说以及如下进一步详细讨论的，螺线管110在延伸位置(即当不激活时)和拉入位置(当被激活时)之间可电致动。如下进一步讨论的，构造螺线管使得短持续时间、大电流的信号电平可致动螺线管，而相对低电流保持信号电平可用于将螺线管维持在拉入位置。例如，在一些情况中，致动信号电平可向螺线管提供大约18V，5A的信号，而保持信号电平可提供大约3V，0.5-1.0A的信号。因此，虽然致动信号可能需要约45W，但是保持信号在示出的实施例中可能仅需要5W的持续汲取功率。根据其它替代实施例，其它信号电平同样是可以的。
功率源104可以是多种类型功率源中的任意一种；一般来说，功率源104向螺线管组件100提供大电流信号。在各种实施例中，功率源104可在18-32V或更高的范围内提供，同时经由开关调节器102向螺线管110传输高达或超过约5A的电流；提供给螺线管110的具体电流将基于开关调节器102的特定输出电平(电压)变化。在示例实施例中，可将功率源104作为到独立控制系统的远程连接或配置成致动螺线管组件100的功率源(例如电池)来提供。
输出电平开关112电连接到开关调节器102的输出信号连接108，并且开关的输出连接到开关调节器的输入切换连接114。基于在输入切换连接114处的信号状态，开关调节器102可在输出信号连接108处选择性地发出两个或多个信号电平中的一个；足以致动螺线管110的致动信号电平；或一旦被致动就足以维持螺线管110的致动的低于致动信号电平的保持信号电平。
定时器116还电连接到开关调节器102的输出信号连接108，并且具有连接到输出电平开关112的定时器输出118。定时器116被配置成：一旦感测在输出信号连接108处的信号，就等待预定时间，然后在定时器输出118处触发要传输到输出电平开关112的信号。在一些实施例中，一旦感测在输出信号连接108上的特定信号电平，诸如高于预定阈值的电压，定时器116就开始计数，从而允许定时器在输出信号连接108上的致动信号电平与保持信号电平之间区分。此外，在各种实施例中，在输出信号连接108处检测到信号之后，定时器116可等待不同或可调节的时间量。由定时器116限定的时间量可在不同的实施例中变化；在一些实施例中，定时器在检测信号之后大约75毫秒时触发信号，但在其它实施例中，可以是更长的时间量。在一个可使用在飞机门安全应用的示例实施例中，定时器在检测信号之后大约200毫秒在定时器输出118上触发信号。
在操作中，功率源104将会在输入功率连接106处将高电压信号传送到开关调节器102。开关调节器102将会将功率信号传输到输出信号连接108上，其中开关调节器102然后将该信号传送给螺线管110以及输出电平开关112和定时器116。现在正接收能够致动螺线管的来自开关调节器102的全电压信号(即通常位于或超过约18V，并因此产生大约5A)螺线管110将致动，并且将激活定时器116。在预定时间量之后，定时器116将在定时器输出118上生成要传送给输出电平开关112的信号，其依次在输入切换连接114上将保持信号传送到开关调节器102。一旦感测保持信号，开关调节器102将调节在输出信号连接108上的信号以减小通过螺线管110的电流；例如，开关调节器可取决于在组件100中采用的螺线管的特定电特性，以产生通过螺线管的大约0.5至1.0A电流的大约为3V的电平来产生要在输出信号连接108处传送的保持信号。
一旦来自功率源104的信号失效，螺线管可返回其延伸位置，因为在输出信号连接108处的保持信号被中断。
应注意，使用本公开的开关调节器102以及关联的输出电平开关112和定时器116，可以使用能够接收大电流的螺线管而无需担心伴随过热或缩短寿命，或在线圈中具有相对大量匝数的螺线管中在其它情况下可能出现的其它问题。此外，因为只有在螺线管110的致动期间需要信号的大电流部分，因此可避免电池或代表功率源104的其它能源的快速放电。因此，通过使用电子切换装置有效地解耦通过线圈的大持续电流问题(从而产生热量并缩短螺线管寿命)与足够大的拉入力(和长行程)问题。
参阅图4，根据示例实施例示出电子控制的螺线管200的侧剖面图。电子控制的螺线管200例如可使用在图3的螺线管组件100中。
在所示实施例中，电子控制的螺线管200包括限定螺线管外部的螺线管外壳202。活塞204至少部分地从外壳202伸出且可在延伸和拉入位置之间移动。弹簧206将活塞204朝向延伸位置偏移，其中弹簧206位于外壳202内并且至少部分地围绕活塞204。
在各种实施例中，外壳202可采取多种形式；在所示实施例中，外壳202包括环绕外壳一部分和活塞204的环境防护罩208。防护罩208在物理上连接到外壳和活塞204，并灵活地容纳在延伸(非致动的)和拉入(致动的)位置之间的活塞移动。在示例实施例中，在延伸位置和拉入位置之间的距离相对长，例如可以为大约1/4英寸。其它拉入的行程距离同样可以。
外壳202还包含位于活塞204的至少一部分周围的线圈210，并且外壳202电连接到外壳202内的电子器件212。当施加电流时，线圈210可以生成能够克服弹簧206的偏移力的磁场，并因此将活塞204从延伸位置移动到拉入位置。在各种实施例中线圈210可包括其数目一般比具有大力和/或长行程的其它螺线管装置中的匝数更低的多个匝。在所示示例实施例中，线圈具有比约500匝更少的匝并且在特定的实施例中包括大约450匝。在此讨论的各种实施例中，当将致动信号施加给线圈210时，具有超过约15磅的拉入力并且在一些实施例方法中甚至可超过100磅。
电子器件212可包括能够致动线圈210的多种元件；在示例实施例中，电子器件可包括结合图3在上文讨论的开关调节器102、输出电平开关112以及定时器116。
可选地，在所示实施例中，外壳202包括电子器件接口214，该电子器件接口包括一个或多个能够电连接到电子器件212(并从而连接到线圈210)的电连接。例如，电子器件接口214可导向远程电源或用于电子控制的螺线管200的控制电路。
除上文之外，应当意识到取决于螺线管200的特定应用或设计用于在其中容纳螺线管200的形状因素，可在螺线管200的外壳202内并入除活塞204、线圈210及电子器件212以外的附加特征。
现参阅图5，示出包括电子控制螺线管的组件300的示意图。组件300以更多细节示出诸如在图4中示出的电子控制的螺线管的各种功能部件，但对各种类型的螺线管设计一般是通用的。
在所示实施例中，螺线管组件300包括具有外壳302的螺线管，其中外壳302至少部分地包围活塞304。活塞304在延伸位置和弹回或拉入位置之间可致动。弹簧306位于外壳302的内部303内，并且在朝向延伸位置偏移活塞304的同时，弹簧306至少部分地围绕活塞304。线圈308也位于外壳302内并且同样被弹簧306至少部分地围绕。线圈308至少部分地围绕活塞304(即大约与弹簧306同轴)并被配置成生成能够克服由弹簧生成的力的磁力，从而将活塞移动到拉入位置。线性衬套310也可布置成在其进入外壳302的内部303的位置处环绕活塞304。可由电子器件312驱动通过线圈308的电流，在各种实施例中电子器件312可对应于图4的电子器件212。
一般参阅图4-5，除了其它步骤之外，可通过如下步骤操作螺线管组件300和电子控制的螺线管200：在开关调节器处接收具有比致动阈值更高的电流电平的信号，然后向螺线管提供来自开关调节器的螺线管致动信号，从而使该螺线管的活塞(例如活塞304、204)从延伸位置到拉入位置致动。在致动螺线管之后，在电子器件(例如电子器件312、212)内触发输出电平开关以发送信号给开关调节器，从而使开关调节器向螺线管提供保持信号。保持信号具有比从延伸位置到拉入位置致动螺线管所需的幅度更低的幅度。
一般参阅图3-5，应当意识到，相比现有螺线管，螺线管组件及相关的电子控制的螺线管有多种优势。例如，在此讨论的电子控制的螺线管设计一般需要在线圈中更少数量的匝数，并因此比现有的大安培数、大力、长拉入距离的螺线管设计具有更低的重量和更低的功率损耗。此外，电子控制的螺线管设计一般具有更小的尺寸并且不需要用于控制螺线管动作的外部切换装置。而且，由于从功率源接收并传递给螺线管线圈的输入信号的改进控制，在此讨论的电子控制的螺线管设计一般具有更低的功率消耗。
以上说明、示例和数据提供了制造和使用本发明构成的完整说明。因为可不脱离本发明的精神和范围做出本发明的许多实施例，因此本发明存在于本文所附的权利要求中。

Claims (20)

1.一种螺线管组件，包括：
开关调节器，其具有输入功率连接、输入切换连接以及输出信号连接；
螺线管，其电连接到所述开关调节器的所述输出信号连接，所述螺线管在延伸位置和拉入位置之间可电致动；
输出电平开关，其电连接到所述开关调节器的所述输入切换连接和所述输出信号连接；
定时器，其电连接到所述开关调节器的输出与所述输出电平开关的输入，所述定时器被配置成感测在所述开关调节器的所述输出上的信号的预定时间之后，在所述输出电平开关的输出处生成信号，从而使所述输出电平开关在所述开关调节器的所述输入切换连接处生成保持信号；
其中，一旦在所述输入切换连接处接收所述保持信号，所述开关调节器就在所述输出电压连接上产生输出信号以从切换电平切换到保持电平。
2.如权利要求1所述的螺线管组件，还包括电连接到所述开关调节器的所述输入连接的功率源。
3.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述功率源具有至少大约8V的电压。
4.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述螺线管具有超过大约15磅的拉入力。
5.如权利要求4所述的螺线管组件，其中所述螺线管具有超过大约1/4英寸长度的拉入行程。
6.如权利要求5所述的螺线管组件，其中所述切换电平超过从所述延伸位置到所述拉入位置致动所述螺线管所需的电压。
7.如权利要求6所述的螺线管组件，其中所述保持电平超过将所述螺线管维持在所述拉入位置所需的电流，并比从所述延伸位置到所述拉入位置致动所述螺线管所需的电流更低。
8.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述预定时间大于或等于大约75毫秒。
9.如权利要求1所述的螺线管组件，其中所述螺线管包括在所述延伸位置和所述拉入位置之间可移动的活塞。
10.如权利要求9所述的螺线管组件，其中所述螺线管包括位于螺线管主体内的弹簧，所述弹簧将所述活塞偏移到所述延伸位置。
11.如权利要求10所述的螺线管组件，其中所述螺线管还包括围绕所述活塞的至少一部分的线圈。
12.如权利要求11所述的螺线管组件，其中所述弹簧至少部分地围绕所述线圈和所述活塞的所述部分。
13.一种电子控制的螺线管，包括：
螺线管，包括：
活塞，其在延伸位置和拉入位置之间可电致动；
线圈，其围绕所述活塞的至少一部分；
弹簧，其朝向所述延伸位置偏移所述活塞；
连接到所述线圈的电路，所述电路被配置成在所述线圈上生成致动信号，从而将所述活塞从延伸位置移动到所述拉入位置，并且在预定时间段之后，在所述线圈上生成保持信号，所述保持信号具有比从所述延伸位置到所述拉入位置致动所述螺线管所需的幅度更低的幅度。
14.如权利要求13所述的电子控制的螺线管，其中所述电路包括开关调节器、输出电平开关以及定时器。
15.如权利要求14所述的电子控制的螺线管，其中所述开关调节器包括输入功率连接、输入切换连接以及输出信号连接。
16.如权利要求15所述的电子控制的螺线管，其中所述输出电平开关电连接到所述开关调节器的所述输入切换连接和所述输出信号连接。
17.如权利要求16所述的电子控制的螺线管，其中所述定时器电连接到所述开关调节器的输出和所述输出电平开关的输入。
18.如权利要求13所述的电子控制的螺线管，其中所述螺线管线圈具有比大约500匝更少的匝。
19.一种方法，用于螺线管的操作，所述方法包括：
在开关调节器处接收具有比致动阈值更大的电流电平的信号；
向螺线管提供来自所述开关调节器的螺线管致动信号，从而使所述螺线管的活塞从延伸位置致动到拉入位置；
在传送所述螺线管致动信号的预定时间之后，触发输出电平开关以发送信号给所述开关调节器，从而使所述开关调节器向所述螺线管提供保持信号，所述保持信号具有比从所述延伸位置到所述拉入位置致动所述螺线管所需的幅度更低的幅度。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述延伸位置和所述拉入位置相差至少大约1/4英寸。
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