CN105790449B - 用于使用sma和mrc的无线致动器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用SMA和MRC的具有成本效益的无线致动器的装置。提供了使用磁谐振耦合（MRC）无线地控制形状记忆合金（SMA）致动器的系统和方法。SMA致动器是包括致动器线圈的接收器电路的一部分，其中，SMA致动器被构造成特定形状。所述系统包括具有发送器线圈和控制器的发送器电路，其中，发送器线圈接收AC电流，所述AC电流导致发送器线圈产生与在接收器电路中的致动器线圈谐振的振荡磁场并且磁性地耦合到所述致动器线圈。在致动器线圈中感生的电流生成热量，所述热量重新构造SMA致动器以提供致动。

Description

用于使用SMA和MRC的无线致动器的装置
技术领域
本发明总体上涉及一种无线地控制形状记忆合金（SMA）致动器的系统和方法以及，更具体地涉及一种使用磁谐振耦合（MRC）无线地控制SMA致动器的系统和方法。
背景技术
很多现代系统采用传感器、致动器、控制器、子系统、总线、等等，这些要求电线系统才能操作设备。随着处于工作中的系统的数量的增多，支持这些系统所需的电线系统也随之增多。然而，提供电线，尤其是提供很多电线有许多劣势。例如，在车辆中，所述电线的导电体，比如铜，有很重的重量。随着车辆重量的增大，燃料效率降低。另外，在车辆中的电线系统易被损坏，这增大了所述车辆的保修成本。并且，在整个所述车辆中需要电线系统降低了在所述车辆的设计和制造中的灵活性。进一步，在车辆中的所述电线系统中的至少一些电线常常需要定期保养。这样，电线系统增加了显著的花费和成本。而且，在所述车辆的制造中，线束的组装常常由于连接器销的断裂或者弯曲导致很多问题。因此，理想的是消除或者减少在车辆中的所述电线系统。
形状记忆合金（SMA）是本领域众所周知的合金，比如镍-钛（NiTi）合金，通常被称为镍钛诺。SMA能在仍是固体时经历相变，被称为马氏体相和奥氏体相。当所述SMA低于由特定合金定义的转变温度时，所述SMA处于马氏体相，在马氏体相时取决于所述SMA的尺寸和形状，能够使所述SMA符合特定构造并且所述SMA保持在那个形状。当所述SMA被加热到所述转变温度之上时，比如通过电流被加热，所述SMA 将从所述马氏体相转变为所述奥氏体相，这将导致所述SMA回到它的初始构造或者“母”构造。在热量被移除后所述SMA将保持在所述母构造，除非所述SMA被迫使形成另一种构造。
发明内容
本公开描述了一种使用磁谐振耦合（MRC）无线地控制形状记忆合金（SMA）致动器的系统和方法。所述SMA致动器是包括致动器线圈和电容器的接收器谐振电路的一部分，其中，所述SMA致动器被构造成一定形状。所述系统包括具有发送器线圈和控制器的发送器电路，其中，所述发送器线圈接收AC电流，所述AC电流导致所述发送器线圈产生与在所述接收器电路中的所述致动器线圈谐振的振荡磁场并且导致所述发送器线圈被磁耦合到所述致动器线圈。在所述致动器线圈中感生的电流在所述SMA致动器中流动，这进而产生热量，所述热量重新构造所述SMA致动器以提供致动。
结合附图阅读下述描述和所附权利要求，能清楚理解本发明的额外的特征。
本申请还提供了如下方案：
方案1. 一种磁谐振耦合（MRC）致动电路，其包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合由所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
至少一个接收器电路，所述至少一个接收器电路包括形状记忆合金（SMA）致动器和致动器线圈，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，所述振荡磁场的所述频率将通过MRC被调谐到所述致动器线圈，以便加热所述SMA致动器并且导致所述SMA致动器改变它的构造。
方案2. 根据方案1所述的MRC电路，其中，所述接收器电路包括与所述SMA致动器和所述致动器线圈电连通的可变电容器，所述SMA致动器在所述至少一个接收器电路中作为电阻负载运行。
方案3. 根据方案1所述的MRC电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
方案4. 根据方案1所述的MRC电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的反映阻抗的相和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
方案5. 根据方案1所述的MRC电路，其中，所述至少一个接收器电路是多个接收器电路，其中，所述控制器改变所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率选择性地调谐到全部的所述接收器电路。
方案6. 根据方案1所述的MRC电路，其中，所述MRC电路是车辆电路并且所述致动器是车辆致动器。
方案7. 根据方案6所述的MRC电路，其中，所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
方案8. 一种磁谐振耦合（MRC）致动电路，其包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合由所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
接收器电路，所述接收器电路包括被构造成致动器线圈的形状记忆合金（SMA）致动器，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率通过MRC调谐到所述致动器，以便加热所述致动器并且导致所述致动器改变它的构造。
方案9. 根据方案8所述的MRC电路，其中，所述接收器电路包括与所述SMA致动器电连通的可变电容器。
方案10. 根据方案8所述的MRC电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
方案11. 根据方案8所述的MRC电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的反映阻抗的相和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
方案12. 根据方案8所述的MRC电路，其中，所述MRC电路是车辆电路并且所述致动器是车辆致动器。
方案13. 根据方案12所述的MRC电路，其中，所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
方案14. 一种用于致动车辆上的设备的磁谐振耦合（MRC）致动电路，所述MRC电路包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
多个接收器电路，每个所述接收器电路均包括形状记忆合金（SMA）致动器和致动器线圈，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率通过MRC独立地调谐到在所述多个接收器电路的每一个接收器电路中的所述致动器线圈，以便加热所述SMA致动器并且导致所述SMA致动器改变它的构造。
方案15. 根据方案14所述的MRC电路，其中，所述多个接收器电路的每一个接收器电路均包括与所述SMA致动器和所述致动器线圈电连通的可变电容器。
方案16. 根据方案14所述的MRC电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
方案17. 根据方案14所述的MRC电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的反映阻抗的相和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
方案18. 根据方案14所述的MRC电路，其中，所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
附图说明
图1是包括发送器线圈和多个无线SMA致动器的车辆的俯视图；
图2是包括无线功率发送器电路的磁谐振耦合电路的示意图，所述无线功率发送器电路具有发送器线圈和具有SMA致动器的接收器电路。
图3是用于磁谐振电路的接收器电路的示意图，所述接收器电路包括SMA致动器线圈和电容器；以及
图4是用于磁谐振电路的接收器电路的示意图，所述接收器电路包括SMA致动器线圈。
具体实施方式
下面对本发明实施例的讨论是针对一种使用磁谐振耦合（MRC）无线地控制形状记忆合金（SMA）致动器的系统和方法，这种讨论本质上仅仅是示例性的，并且不以任何方式限制本发明或其应用或使用。例如，本发明可具体被应用到车辆上的SMA致动器。然而，正如本领域的技术人员应理解的那样，如在此描述的本发明的所述SMA致动器及相关系统可以应用到多个其他行业中，比如航空航天行业。
本发明提出一种通过磁谐振耦合（MRC）无线地致动SMA致动器的系统和方法。正如本领域的技术人员很好地理解的那样，磁谐振耦合在两个或者多个线圈之间提供了准静态磁场，其中，所述线圈被调谐以在相同的谐振频率上谐振。在所述两个或多个线圈中的一个上提供交流电流，这将产生振荡磁场。所述振荡磁场被另一个线圈接收，这就在那个线圈中感生振荡电流。在所述另一个线圈中感生的电流在所述SMA致动器中流动，这进而导致热量，所述热量重新构造所述SMA致动器以提供所述致动。
图1是包括电子控制单元（ECU）12的车辆10的俯视图，ECU12是用于车辆10的特定子系统，比如发动机控制器。基础线圈14，有时在本文中被称为发送器线圈，在所需位置被嵌入在车辆10中，并且基础线圈14响应来自ECU12的AC信号以产生振荡磁场。在这个非限制性实施例中，正如将在下面详细讨论的那样，ECU12通过线圈14利用磁谐振耦合控制多个SMA致动器16，每个致动器16都包括致动器线圈18。具体地说，基础线圈14被控制为在特定频率上选择性谐振并且产生振荡磁场，所述振荡磁场在任一特定时间点处被调谐到线圈18的一个或者多个线圈，然后所述一个或多个线圈能被用于致动所述致动器16。换句话说，ECU12能被调谐到多个致动器16，其中，每个致动器16都具有不同的谐振频率并且通过ECU12被单独地致动。为了提供从基础线圈14到致动器线圈18最有效率的能量传送，理想的是，但并非必要，所有的SMA致动器16都被置于在线圈14之内，以及优选地SMA致动器16与线圈14在同一平面上。
在此讨论的SMA致动器16为替代当前在车辆上的昂贵致动器，比如螺线管，提供了可能性。SMA致动器能相对便宜地被制造，并且具有高可靠性、低重量、低噪音运行以及没有机械部分。由于SMA致动器16是无线的且无传感器的，所以那些不易安装电线的很多应用，比如在液压管道和液压箱中的恶劣环境以及其他气密密封的环境，可以采用这样的致动器。在此讨论的类型的SMA致动器的潜在应用包括车辆通风翻板控制、风扇控制、无线外后视镜、杯架锁等等。另外，SMA致动器能替代带有滑动触点的致动器，比如风扇、电动座椅等等。而且，SMA致动器能被分布以变为用于结构恢复、触觉反馈等等的内部特征。
由于基础线圈14的尺寸、重量和其他要求，可能理想的是在一些应用中从车辆10中移除基础线圈14。在替换的实施例中，独立于车辆10提供包括在此描述的发送器线圈和适当的电路系统的便携式发送器20以控制致动器16。
图2是包括发送器电路32和致动器电路34或者接收器电路34的MRC电路30的示意图。发送器电路32包括基础线圈36和控制器或者ECU38。ECU38包括提供交流电流（AC）的可变电流源40，所述AC通过可变调谐电容器42被调谐，这导致线圈36产生在特定频率上振荡磁场。电流源40和可变电容器42能由ECU38选择性地控制以提供不同的驱动频率以便基础线圈36能被调谐到多个谐振频率。在一个非限制性实施例中，ECU38能采用脉宽调制（PWM）以改变由电流源40所提供的电流的频率，这改变线圈36的所述谐振频率。
接收器电路34包括致动器线圈50，通过如在此描述的磁谐振耦合，在致动器线圈50上响应于接收自基础线圈36的所述振荡磁场感生电流。由线圈50产生的所述电流能被如在此讨论的发送器电路32探测。当所述磁场振荡时，致动器线圈50产生AC信号，所述AC信号通过调谐电容器50被调谐到特定谐振频率，以便当所述振荡磁场在线圈50的调谐后频率时，线圈50的所述谐振频率提供与基础线圈36的强磁耦合。接收器电路34还包括SMA致动器56和弹簧58，或者一些其他适当的偏置设备，其中当SMA致动器56是处于其马氏体相时，弹簧58将致动器56保持或者构造在一定位置。负载电阻器54描述了所述SMA致动器的有效电阻。在下面讨论的另一个实施例中，所述SMA致动器是线圈50。由于线圈50与线圈36磁谐振耦合导致的流过线圈50的电流也流过SMA致动器56，这导致致动器56的温度升高到所述特定合金的所述转变温度之上，这将导致致动器56转变为其奥氏体相并且抵抗弹簧58的偏置回到它的记忆构造或者母构造。在没有弹簧58的情况下，在所述热量被移除后，致动器56将保持在它的母构造。形状记忆合金响应控制电流以这种方式的操作已经被本领域的技术人员很好的理解。
当SMA致动器56回到他的记忆位置时，SMA致动器56的形状或者长度的变化可能改变线圈50的所述谐振频率，所述线圈50的谐振频率通过与线圈36的磁耦合被ECU38探测。更具体地说，SMA致动器56将改变在发送器电路32上的接收器电路34的反映阻抗。如果线圈50是由形状记忆合金制成的，那么这个变化将导致改变线圈50的电感，并且因此改变它的谐振频率。ECU38能改变电流源40的频率和/或变化电容器42的电容以调节线圈36的所述振荡频率到接收器电路34的新的谐振频率，以便响应于线圈50的谐振频率的上述变化保持致动器56在被致动后的位置中。发送器电路32能被校准以便提供所述谐振频率的简单控制，所述谐振频率被直接地转换为SMA致动器56的所述长度。如将在下面进一步详细讨论的那样，能提供SMA致动器56的细调控制，其中，可能需要位置传感器，比如编码器。
只要在线圈36和线圈50之间所述磁耦合被维持，SMA致动器56将留在它的记忆位置。当所述电流由于线圈36被调谐到另一个谐振频率或者被关掉而被移除时，弹簧58将偏置SMA致动器56回到它的原位置或者原构造。以这种方式，致动器56能为某个设备提供致动。致动器56的形状能为了任何特定设备以任何适当的方式被设计。
上述讨论在定义接收器电路34的所述谐振频率时谈及由线圈50提供的电感、由负载54提供的电阻以及由电容器52提供的电容的组合。在替换的实施例中，对于特定致动器设计，SMA致动器可能具有这些属性中的一个、两个或者全部，从而可以限制在接收器电路34中的部件的数量。
例如，在替换的实施例中，线圈50本身能是所述SMA致动器，当由所述磁谐振耦合感生的电流流过所述SMA致动器时，所述SMA致动器改变形状，比如收缩或者改变长度。图3是类似于接收器电路34的接收器电路70的示意图，示出了这个实施例，其中相同的元件被标识为同一参考数字。在接收器电路70中，线圈50被SMA致动器线圈72代替，SMA致动器线圈72提供电感耦合并且由适当的形状记忆合金制成。当线圈72的形状或者长度响应由流过线圈72所述电流产生的热量而改变时，线圈72的磁性能改变，并且因此可能减弱或者失去在线圈36和线圈72之间的磁耦合。因此，发送器电路32可能需要探测这个变化并且如上所述地改变线圈36的所述振荡频率。发送器电路32能维持所述SMA致动器处于特定长度，并且因此能实现所述SMA致动器的微调。
图4是类似于接收器34的接收器电路80的示意图，其中相同的部件被标识为同一参考数字。在这个设计中，不仅所述SMA致动器被构造为线圈82以提供必需的电感，而且由致动器线圈82提供的寄生电容还提供所述磁耦合所必需的电容。
基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的反映阻抗的相和/或ECU38的功率如上所述地微调SMA致动器56可按下面所述进行。等效电路的阻抗被定义为：
， (1)
其中：
， (2)
并且其中，是耦合因子，Z是阻抗，L T 是线圈 36的电感, L R 是线圈50的电感, C T 是电容器 42的电容, C R 是电容器 52的电容, 以及R SMA 是致动器56的电阻。
如果并且线圈36两端的电压 被监测，那么电阻R SMA 能被感测或者它的差被确定为：
。 (3)
如果，那么在线圈32两端的电压的相是长度和电阻的函数：
， (4)
。 (5)
锁相环（PLL）能提取所述相，例如，在环形线圈的情况下，所述相与线圈50的直径有平方关系，如：
， (6)
。 (7)
通过补偿所述谐振频率，能得到纯电阻阻抗。因此，控制V ref 被直接转换为SMA致动器56的长度的变化，其中：
，其中VCOgain是VCO增益 (8)
。 (9)。
上述讨论公开及描述的仅仅是本发明的示例性实施例。本领域的技术人员应很容易意识到根据这样的讨论以及根据附图和权利要求，在不离开由在下述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种变化、修改和变型。

Claims (18)

1.一种磁谐振耦合致动电路，其包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合由所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
至少一个接收器电路，所述至少一个接收器电路包括形状记忆合金（SMA）致动器和致动器线圈，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，所述振荡磁场的所述频率将通过磁谐振耦合被调谐到所述致动器线圈，以便加热所述SMA致动器并且导致所述SMA致动器改变它的构造。
2.根据权利要求1所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述接收器电路包括与所述SMA致动器和所述致动器线圈电连通的可变电容器，所述SMA致动器在所述至少一个接收器电路中作为电阻负载运行。
3.根据权利要求1所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
4.根据权利要求1所述的磁谐振耦合致动电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的在所述发送器电路上的反映阻抗和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
5.根据权利要求1所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述至少一个接收器电路是多个接收器电路，其中，所述控制器改变所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率选择性地调谐到全部的所述接收器电路。
6.根据权利要求1所述的磁谐振耦合致动电路，其中， 所述磁谐振耦合电路是车辆电路并且所述致动器是车辆致动器。
7.根据权利要求6所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
8.一种磁谐振耦合致动电路，其包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合由所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
接收器电路，所述接收器电路包括被构造成致动器线圈的形状记忆合金（SMA）致动器，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率通过磁谐振耦合调谐到所述致动器，以便加热所述致动器并且导致所述致动器改变它的构造。
9.根据权利要求8所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述接收器电路包括与所述SMA致动器电连通的可变电容器。
10.根据权利要求8所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
11.根据权利要求8所述的磁谐振耦合致动电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的在所述发送器电路上的反映阻抗和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
12.根据权利要求8所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述磁谐振耦合电路是车辆电路并且所述致动器是车辆致动器。
13.根据权利要求12所述的磁谐振耦合致动电路，其中， 所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
14.一种用于致动车辆上的设备的磁谐振耦合致动电路，所述磁谐振耦合电路包括：
发送器电路，所述发送器电路包括控制器、基础线圈、可变电流源和调谐电容器，结合所述调谐电容器提供的电容，所述可变电流源向所述基础线圈选择性地提供预定的交流电流，以便产生在预定频率上的振荡磁场；以及
多个接收器电路，每个所述接收器电路均包括形状记忆合金（SMA）致动器和致动器线圈，所述控制器选择性地提供所述振荡磁场的所述频率，以将所述振荡磁场的所述频率通过磁谐振耦合独立地调谐到在所述多个接收器电路的每一个接收器电路中的所述致动器线圈，以便加热所述SMA致动器并且导致所述SMA致动器改变它的构造。
15.根据权利要求14所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述多个接收器电路的每一个接收器电路均包括与所述SMA致动器和所述致动器线圈电连通的可变电容器。
16.根据权利要求14所述的磁谐振耦合致动电路，其中，所述SMA致动器在所述接收器电路中既作为电感器运行又作为寄生电容运行。
17.根据权利要求14所述的磁谐振耦合致动电路，其中，基于电阻、谐振频率、所述接收器电路的在所述发送器电路上的反映阻抗和/或功率，所述发送器电路提供所述致动器线圈的微调。
18.根据权利要求14所述的磁谐振耦合致动电路，其中， 所述发送器电路独立于所述车辆并且所述接收器电路在所述车辆上。
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