CN108768123B - 电磁驱动机构 - Google Patents

Abstract

提供一种电磁驱动机构，其包括：静止件(10、210)；运动件(20、220)；安装到静止件(10、210)且在运动件(20、220)的运动方向(A)上彼此相对布置的正电极(31、231)和负电极(32、232)；安装到运动件(20、220)且位于正电极(31、231)和负电极(32、232)之间的磁笼(40、240)；以及电子发射枪(50、250)。磁笼(40、240)包括电流方向相同的第一环形线圈和第二环形线圈，电子发射枪(50、250)发射的电子进入磁笼(40、240)而在磁笼(40、240)形成的电子约束容器内运动，电子受到正电极(31、231)和负电极(32、232)所形成电场的电场力并将该电场力传递到磁笼(40、240)，从而由磁笼(40、240)带动运动件(20、220)相对于静止件(10、210)运动。

Description

电磁驱动机构

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动机构。

背景技术

对于电磁驱动机构，已知用于旋转运动的电动机和用于往复运动的电磁铁。上述两种电磁驱动机构在机械行业中都有大量的应用，能将电能转化为机械功，从而驱动机械部件运动。例如，电磁铁在汽车、电子电路、各类传感器和电动执行器中有着广泛的应用。

在当前的电磁驱动机构中，大部分都是利用通电导体产生磁场，通过产生的磁场和外置永磁体的磁场相互作用而产生驱动力。但是，由于磁场和永磁体的相互作用力的大小和方向对位移特别敏感，随着位移的增加，作用力急剧降低，并且作用力是非线性变化的。因此，此类电磁驱动机构的控制非常困难。

发明内容

发明人认真研究了以上现有技术的缺点，认为克服上述电磁力的缺点，如能使电磁力在较大的位移上保持基本恒定或具有线性变化的性质，并且电磁力可以根据实际需要随时可以调整，从而能方便实现不同的运动件运动规律，电磁驱动机构将有更好更大的应用范围。

提供一种电磁驱动机构，其特征在于，所述电磁驱动机构包括：

静止件；

能够相对于所述静止件运动的运动件；

安装到所述静止件且在所述运动件的运动方向上彼此相对布置的正电极和负电极；

安装到所述运动件且位于所述正电极和所述负电极之间的磁笼；以及

电子发射枪，

其中，所述磁笼包括电流方向相同的第一环形线圈和第二环形线圈，所述磁笼构成电子约束容器，

所述电子发射枪发射的电子进入所述磁笼而在所述磁笼形成的电子约束容器内运动，所述电子受到所述正电极和所述负电极所形成电场的电场力并将该电场力传递到所述磁笼，从而由所述磁笼带动所述运动件相对于所述静止件运动。

在至少一个实施方式中，所述运动件至少部分地穿过所述静止件，从而由所述静止件引导所述运动件作直线运动。

在至少一个实施方式中，所述正电极和所述负电极固定安装到所述静止件，所述运动件至少部分地穿过所述正电极和所述负电极。

在至少一个实施方式中，在所述运动件的运动方向上，所述第一环形线圈和所述第二环形线圈彼此间隔开，所述电子发射枪位于所述第一环形线圈和所述第二环形线圈之间。

在至少一个实施方式中，沿着所述运动件的运动方向观察，所述电子发射枪位于所述第一环形线圈和所述第二环形线圈之外，

所述电子发射枪固定安装到所述磁笼或所述运动件，从而随所述运动件一起运动；或者，所述电子发射枪固定安装到所述静止件，从而不随所述运动件运动。

在至少一个实施方式中，所述磁笼还包括第一固定构件和第二固定构件，所述第一环形线圈经由所述第一固定构件固定安装到所述运动件，所述第二环形线圈经由所述第二固定构件固定安装到所述运动件。

在至少一个实施方式中，所述第一固定构件和所述第二固定构件均由绝缘材料制成。

在至少一个实施方式中，所述第一环形线圈包括一匝或多匝，并且/或者

所述第二环形线圈包括一匝或多匝。

在至少一个实施方式中，所述电磁驱动机构包括绕着所述运动件的运动轴线布置的多个磁笼和多个电子发射枪。

在至少一个实施方式中，所述电子发射枪包括：

远离对应的磁笼设置的阳极和接地极；

靠近该磁笼设置的加速极；以及

设置在所述阳极和所述接地极之间的灯丝。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一实施方式的电磁驱动机构的示意性立体图。

图2示出了图1中的电磁驱动机构的示意性截面立体图。

图3示出了图1中的电磁驱动机构去除了静止件、正电极和负电极之后的示意性立体图。

图4是示出了图1中的电磁驱动机构的电子发射枪和磁笼的结构的示意性立体图。

图5示出了根据本发明的第二实施方式的电磁驱动机构的示意性立体图。

图6示出了图5中的电磁驱动机构的示意性截面立体图。

附图标记说明

100 电磁驱动机构

10 静止件

11 底部

111 孔

12 第一安装部

13 第二安装部

20 运动件

30 一对电极

31 正电极

32 负电极

40 磁笼

41 第一磁笼

411 第一环形线圈

412 第二环形线圈

42 第二磁笼

50 电子发射枪

51 第一电子发射枪

511 阳极

512 接地极

513 加速极

514 灯丝

52 第二电子发射枪

61 第一固定构件

62 第二固定构件

200 电磁驱动机构

210 静止件

211 底部

212 第一安装部

213 第二安装部

214 进气或排气通道

214A 开口

220 运动件

230 一对电极

231 正电极

232 负电极

240 磁笼

250 电子发射枪

261 第一固定构件

270 引导构件

A 运动方向

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

第一实施方式

参照图1至图4，本发明的第一实施方式提出了一种新型的电磁驱动机构100。该电磁驱动机构100包括：静止件10；能够相对于静止件10运动的运动件20；安装到静止件10且在运动件20的运动方向A上彼此相对布置的一对电极30(即，正电极31和负电极32)；安装到运动件20且位于正电极31和负电极32之间的磁笼40；以及电子发射枪50。

示例性但非限制性地，在本实施方式中，运动件20为轴状件。优选地，运动件20至少部分地穿过静止件10，从而可以由静止件10引导运动件20作直线往复运动。

如图1和图2所示，在本实施方式中，静止件10包括底部11、位于底部11两侧的第一安装部12和第二安装部13。底部11中形成有孔111，运动件20可以穿过该孔111。

虽然图中没有具体示出，但是优选地，正电极31和负电极32固定安装到静止件10的第一安装部12和/或第二安装部13，运动件20至少部分地穿过正电极31和负电极32。在静止件10由导电材料制成的情况下，正电极31和负电极32需要和静止件10保持绝缘。

应当理解，本发明的结构不限于附图中示出的结构。例如，静止件10还可以为大致有底的筒状，此时，第一安装部12和第二安装部13可以连成一体。

在图1和图2所示的示例中，正电极31和负电极32为大致矩形板状。然而，本发明不限于此，例如，正电极31和负电极32还可以为圆板状。

正电极31和负电极32的位置可以互换。或者，可以通过改变一对电极30的通电方式而使电极31呈现为正电极或负电极，相应地使电极32呈现为负电极或正电极。

在本实施方式中，同一对电极30(正电极31、负电极32)形成电场，而电场为后述的两个磁笼41、42内的电子提供电场力。然而，本发明不限于此，例如，可以与磁笼40的数量对应地设置多对电极30。

如图3和图4所示，可以绕着运动件20(的运动轴线)设置两个或更多个磁笼和电子发射枪。在本实施方式中，示例性但非限制性地，磁笼40包括第一磁笼41和第二磁笼42，电子发射枪50包括第一电子发射枪51和第二电子发射枪52。

第一磁笼41和第二磁笼42可以具有相同的结构，下面以第一磁笼41为例说明本发明的磁笼的结构。

第一磁笼41包括第一环形线圈411和第二环形线圈412。在运动件20的运动方向A上，第一环形线圈411和第二环形线圈412彼此间隔开，第一电子发射枪51位于第一环形线圈411和第二环形线圈412之间。

沿着运动件20的运动方向A观察，第一电子发射枪51位于第一环形线圈411和第二环形线圈412之外。

第一环形线圈411和第二环形线圈412的电流方向相同，从而第一磁笼41可以构成电子约束容器。

例如，刘亚杰于2010年在《中国西部科技》发表的《带电粒子在非均匀磁场中的运动与磁约束的研究》描述了带电粒子在磁场中的运动。该文献的全部公开内容通过引用合并于此。

当然，本发明的磁笼的结构不限于此。例如，第一环形线圈411可以包括一匝或多匝，同样地，第二环形线圈412也可以包括一匝或多匝。

参照图1至图4，第一磁笼41可以还包括第一固定构件61和第二固定构件62。第一环形线圈411可以经由第一固定构件61固定安装到运动件20，第二环形线圈412可以经由第二固定构件62固定安装到运动件20。

示例性但非限制性地，第一固定构件61和第二固定构件62均呈大致平板状。在本实施方式中，第一固定构件61和第二固定构件62可以均由绝缘材料制成。

第一电子发射枪51和第二电子发射枪52可以具有相同的结构。下面参照图4说明与第一磁笼41对应设置的第一电子发射枪51。应当理解，第一电子发射枪51的位置不限于附图中所示的情况，第一电子发射枪51的位置可以沿着第一环形线圈411和/或第二环形线圈412的延伸方向改变。

第一电子发射枪51可以固定安装到磁笼40(的第一固定构件61和/或第二固定构件62)或运动件20，从而和运动件20一起运动。第一电子发射枪51还可以固定安装到静止件10，从而不随运动件20运动。

第一电子发射枪51包括：远离对应的第一磁笼41设置的阳极511和接地极512；靠近该第一磁笼41设置的加速极513；以及设置在阳极511和接地极512之间且与阳极511和接地极512分别连接的灯丝514。可以在加速极513中设置多个开口，以便于电子从灯丝514进入第一磁笼41。

在第一电子发射枪51中，接地极512的电位为0，加速极513的电压高于阳极511的电压。在一个示例性但非限制性的示例中，阳极511的电压可以设置为2.5V或5V，加速极513的电压可以设置为50V。

下面描述根据本发明的第一实施方式的电磁驱动机构的工作原理和过程。

电子发射枪50发射的电子进入磁笼40而在磁笼40形成的电子约束容器内运动，电子受到正电极31和负电极32所形成电场的电场力并将该电场力传递到磁笼40，从而由磁笼40带动运动件20相对于静止件10运动。

本实施方式的电磁驱动机构的工作过程可以、但不必须分为初始化、运动和运动停止三个阶段。

在初始化阶段，正电极31和负电极32不通电，运动件20不运动，在磁笼40(第一磁笼41和第二磁笼42)中积累电子。

具体地，在初始化阶段，磁笼40(第一磁笼41和第二磁笼42)的两个线圈411、412都通电流，电流大小相等，但是电流的旋转方向(流向)相同。

在初始化阶段，电子发射枪50(第一电子发射枪51和第二电子发射枪52)工作，在阳极511和加速极513上加载电压。阳极511和接地极512之间的灯丝514在电压的作用下会发热，而热的灯丝514在电压的作用下会发出电子，该电子朝着加速极513的方向运动，直到被磁笼40所捕获。

磁笼40将电子约束在一个小空间(电子约束容器)中。随着初始化时间的增加，在磁笼40中捕获的电子也增多。

在运动阶段，正电极31和负电极32通电。电子受到正负电极所产生的电场力作用，由于电子被磁笼40限制在一个小空间中，电子将驱动磁笼40(朝向正电极31)运动，从而磁笼40带动运动件20运动。

通过调节初始化阶段在磁笼40中捕获的电子的量和/或调节正负电极的电压大小和方向，可以调节磁笼40对运动件20的作用力大小和方向，从而可以得到理想的运动件运动规律。

在运动停止阶段，可以使正电极31和负电极32断电，从而使运动件20的运动(逐渐)停止。可以使用未示出的弹簧等使运动件20保持在至少两个不同位置中的一个位置。

在需要使运动件20短时间内再次运动的情况下，可以不使磁笼40断电，从而在下次使运动件20运动时，不再需要向磁笼40供给电子的初始化阶段。在较长时间不需要运动件20再次运动的情况下，也可以使磁笼40断电，此时，在下次使运动件20运动时，需要经历向磁笼40供给电子的初始化阶段。

本实施方式的电磁驱动机构的工作过程不必严格地分为上述三个阶段。例如，在电子发射枪50随运动件20一起运动的情况下，也可以在运动件20运动过程中由电子发射枪50发射或补充电子。

本实施方式提出了一种全新的电磁驱动机构，该电磁驱动机构中无永磁体，具有体积小、质量轻、响应速度快、驱动力大小和方向与运动件的运动位移无关等优点。

在本实施方式的电磁驱动机构中，在正负电极31、32的电压、磁笼40捕获的电子的量都不变的情况下，正负电极31、32对磁笼40施加的电场力不会发生变化。

本实施方式的电磁驱动机构克服了传统电磁衔铁的电磁力随运动件的位移增加而急剧下降，且电磁力和位移呈非线性关系而导致不易控制等缺点。该装置可替换现行的各种动力机械，也可以为尺寸微小的机构提供动力。

第二实施方式

下面参照图5和图6说明根据本发明的第二实施方式。对于与第一实施方式中的部件结构或功能相同或相似的部件标注相似的附图标记，并省略对这些部件的详细说明。

在本实施方式的电磁驱动机构200中，对于与第一实施方式的电磁驱动机构100的部件结构或功能相同或相似的部件，在第一实施方式的对应附图标记前面加上了“2”。除了下面描述的部件之外，213表示与第一实施方式中的第二安装部13结构或功能相同或相似的第二安装部，261表示与第一实施方式中的第一固定构件61结构或功能相同或相似第一固定构件。

本实施方式提出了一种电磁驱动机构200。该电磁驱动机构200包括：静止件210；能够相对于静止件210运动的运动件220；安装到静止件210且在运动件220的运动方向A上彼此相对布置的一对电极230(即，正电极231和负电极232)；以及安装到运动件220且位于正电极231和负电极232之间的磁笼240和电子发射枪250。

作为一个具体的应用例，本实施方式的电磁驱动机构200可以用于可变配气机构。此时，静止件210可以作为气缸盖或气缸盖的一部分，运动件220可以作为气门或气门的一部分。

在静止件210中，更具体地，在底部211和第一安装部212中形成有进气或排气通道214，运动件220封闭进气或排气通道214的一个开口214A。

在静止件210和运动件220之间可以设置轴套等引导构件270，用于引导运动件220的运动方向并减小摩擦。

在本实施方式的电磁驱动机构200工作时，运动件220沿着运动方向A往复运动，从而打开或关闭气门(进气或排气通道214的开口214A)。

可变配气机构是发动机设计领域的一项新技术，具有巨大的应用前景。但是由于现有技术中的可变配气机构响应速度慢，体积大等原因，商业使用存在困难。

本实施方式可以解决这个问题，气门作为一个运动件，在电场力的作用下，上下往复运动。通过调整正负电极的电压随时间变化的曲线，可以定制气门的运动规律，从而实现可变配气机构。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

应当理解，上面的描述中提到的运动和静止是相对的，完全可以根据实际需要，使得运动件静止，静止件运动。

Claims (10)

1.一种电磁驱动机构，其特征在于，所述电磁驱动机构(100、200)包括：

静止件(10、210)；

能够相对于所述静止件(10、210)运动的运动件(20、220)；

安装到所述静止件(10、210)且在所述运动件(20、220)的运动方向(A)上彼此相对布置的正电极(31、231)和负电极(32、232)；

安装到所述运动件(20、220)且位于所述正电极(31、231)和所述负电极(32、232)之间的磁笼(40、240)；以及

电子发射枪(50、250)，

其中，所述磁笼(40、240)包括电流方向相同的第一环形线圈和第二环形线圈，所述磁笼(40、240)构成电子约束容器，

所述电子发射枪(50、250)发射的电子进入所述磁笼(40、240)而在所述磁笼(40、240)形成的电子约束容器内运动，所述电子受到所述正电极(31、231)和所述负电极(32、232)所形成电场的电场力并将该电场力传递到所述磁笼(40、240)，从而由所述磁笼(40、240)带动所述运动件(20、220)相对于所述静止件(10、210)运动。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述运动件(20、220)至少部分地穿过所述静止件(10、210)，从而由所述静止件(10、210)引导所述运动件(20、220)作直线运动。

3.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述正电极(31、231)和所述负电极(32、232)固定安装到所述静止件(10、210)，所述运动件(20、220)至少部分地穿过所述正电极(31、231)和所述负电极(32、232)。

4.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，在所述运动件(20、220)的运动方向(A)上，所述第一环形线圈和所述第二环形线圈彼此间隔开，所述电子发射枪(50、250)位于所述第一环形线圈和所述第二环形线圈之间。

5.根据权利要求4所述的电磁驱动机构，其特征在于，沿着所述运动件(20、220)的运动方向(A)观察，所述电子发射枪(50、250)位于所述第一环形线圈和所述第二环形线圈之外，

所述电子发射枪(50、250)固定安装到所述磁笼(40、240)或所述运动件(20、220)，从而随所述运动件(20、220)一起运动；或者，所述电子发射枪(50、250)固定安装到所述静止件(10、210)，从而不随所述运动件(20、220)运动。

6.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述磁笼(40、240)还包括第一固定构件(61、261)和第二固定构件(62)，所述第一环形线圈经由所述第一固定构件(61、261)固定安装到所述运动件(20、220)，所述第二环形线圈经由所述第二固定构件(62)固定安装到所述运动件(20、220)。

7.根据权利要求6所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述第一固定构件(61、261)和所述第二固定构件(62)均由绝缘材料制成。

8.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述第一环形线圈包括一匝或多匝，并且/或者

所述第二环形线圈包括一匝或多匝。

9.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述电磁驱动机构(100、200)包括绕着所述运动件(20、220)的运动轴线布置的多个磁笼和多个电子发射枪。

10.根据权利要求1所述的电磁驱动机构，其特征在于，所述电子发射枪(50、250)包括：

远离对应的磁笼(40、240)设置的阳极(511)和接地极(512)；

靠近该磁笼(40、240)设置的加速极(513)；以及

设置在所述阳极(511)和所述接地极(512)之间的灯丝(514)。