CN110277215A - 具有中间状态的双稳态螺线管 - Google Patents

Abstract

一种双稳态螺线管包括壳体、线圈、永磁体、电枢、销和弹簧。线圈被布置在壳体内。电枢可滑动地布置在壳体内，并且可在第一电枢位置与第二电枢位置之间运动。销至少部分地延伸出壳体并且由电枢可滑动地配合。弹簧被偏置在电枢和销之间。当由于销配合障碍物而使销遇到在缩回位置和延伸位置之间的中间位置时，弹簧构造成在销上保持偏置力直到移除障碍物。

Description

具有中间状态的双稳态螺线管

相关申请的交叉引用

本申请基于、要求于2018年3月13日提交的名称为“Bi-stable Solenoid with anIntermediate Condition(具有中间状态的双稳态螺线管)”的美国临时专利申请第62/642,212号的优先权，其全部内容以参见的方式纳入本文。

关于联邦赞助研发的声明

不适用。

背景技术

双稳态螺线管通常包括绕可动电枢布置的线圈。当将电流施加于线圈时产生磁场，然后可以使可动电枢从第一位置致动(即，运动)到第二位置。通常，双稳态螺线管内的电枢可在两个稳定位置之间运动。例如，可在第一方向上向线圈施加电流，该电流的大小足以将电枢从第一位置致动到第二位置。电枢可保持在第二位置，直到将电流沿第二方向施加于线圈，该电流的大小足以将电枢从第二位置致动回到第一位置。同样地，电枢可保持在第一位置，直到电流以足够的大小沿第一方向施加于线圈。

发明内容

本公开提供了一种双稳态螺线管，该双稳态螺线管包括配置在内部的弹簧，该弹簧允许双稳态螺线管进入销可以配合齿轮的齿的齿对接或中间位置，并且保持朝向延伸位置偏置。

在一个方面，本发明提供了一种包括壳体、线圈、永磁体、电枢、销和弹簧的双稳态螺线管。线圈和永磁体布置在壳体内。电枢可滑动地布置在壳体内，并且可在第一电枢位置与第二电枢位置之间运动。销至少部分地延伸出壳体，并且由电枢可滑动地配合。弹簧被偏置在电枢和销之间。由于销与障碍物相配合，当销由于与障碍物相配合而遇到缩回位置和延伸位置之间的中间位置时，弹簧构造成在销上保持偏置力直到移除障碍物。

在另一方面，本发明提供了一种双稳态螺线管，该双稳态螺线管包括壳体、布置在壳体内的线圈、布置在壳体内的永磁体、以及可滑动地布置在壳体内并可在第一电枢位置和第二电枢位置之间运动的电枢。双稳态螺线管还包括销，该销至少部分地延伸出壳体并且由电枢可滑动地配合。销可在延伸位置和缩回位置之间运动。双稳态螺线管还包括被偏置在电枢和销之间的弹簧。当电枢从第一电枢位置运动到第二电枢位置时，弹簧将力施加到销上，从而将销朝向延伸位置偏置，以及当电枢从第一电枢位置运动到第二电枢位置并且销遇到障碍物时，弹簧继续使销朝向延伸位置偏置，直到移除障碍物，并允许销运动到延伸位置。

本发明的前述及其它方面和优点将在下文的描述中体现。在说明书中，参照了构成说明书一部分的附图，在其中，以图示的方式示出了本发明的优选实施例。该实施例并不必然地体现本发明的整个范围，而是参考权利要求书，并且在此用于解释本发明的范围。

附图说明

当考虑本文的以下具体实施方式时，会更佳地理解本发明，并且除了上文阐述的那些以外的特征、方面以及优点会变得显而易见。这一详细的描述参考下述附图。

图1是根据本公开的一个方面的双稳态螺线管的示意图，该双稳态螺线管构造成选择性地致动摇杆以锁定和解锁齿轮的旋转。

图2是根据本公开的一个方面的处于缩回位置并且允许摇杆远离齿轮运动的双稳态螺线管的示意图。

图3是根据本公开的一个方面的处于延伸位置并且使摇杆朝向齿轮偏置的双稳态螺线管的示意图。

图4是根据本公开的一个方面的处于中间位置并且使摇杆朝向齿轮偏置的双稳态螺线管的示意图。

图5是根据本公开的一个方面的另一种双稳态螺线管的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开的一个方面的齿轮系统10。齿轮系统10可包括包围齿轮14的壳体12、摇臂16中的一个或多个、以及一个或多个双稳态螺线管18。在所示的非限制性示例中，如将要描述的那样，齿轮系统10包括一对摇臂16和构造成致动摇臂16的对应的一对双稳态螺线管18。在一些非限制性示例中，齿轮系统10可布置在车辆上的变速器内。在其它非限制性示例中，齿轮系统10可布置在需要选择性地旋转控制齿轮的应用场合中。

齿轮14可以可旋转地安装在壳体12内。该对摇臂16可以可旋转地安装在壳体12内。摇臂16可以构造成配合和脱离齿轮14，以选择性地阻止或允许齿轮14沿顺时针或逆时针方向中的任一方向旋转。

该对双稳态螺线管18可以各自包括销22，该销构造成与摇臂16中对应的一个相互作用。销22可以各自经由对应的双稳态螺线管18的通电而选择性地可运动。销22的致动可以对应地致动摇臂16，以选择性地配合和脱离齿轮14。

现在参见图2，示出了双稳态螺线管18中的一个。应当理解的是，双稳态螺线管18可以基本上相同。双稳态螺线管18可以包括至少部分地包围第一极靴26、线轴27、第二极靴32、永磁体34、电枢36和弹簧37的壳体24。在一些非限制性示例中，壳体24可以限定有大致中空的圆柱形形状，并且可以包括第一表面38和大致打开的第二端42。壳体24可以联接于靠近打开的第二端42的安装凸缘44。安装凸缘44可以至少部分地覆盖打开的第二端42，从而在壳体24内形成封闭的腔室。安装凸缘44可以联接于壳体12，以例如相对于齿轮14固定双稳态螺线管18。

第一极靴26可以由磁性材料(例如，磁钢、铁、镍等)制成。第一极靴26可以至少部分地配置在壳体24内并且可以至少部分地延伸至第一表面38。第一极靴26可以包括第一电枢接纳部分46和第一销配合孔48。第一电枢接纳部分46可被配置在第一极靴26的第一端47处，并且可以包括构造成接纳电枢36的第一电枢接纳凹部49。第一销配合孔48可以延伸穿过第一极靴26的第二端50，并且可以构造成可滑动地接纳穿过该孔的销22。

线轴27可以限定有第一线轴部分28，该第一线轴部分可以邻近壳体24的第一表面38布置。第一线轴部分28可以限定为大致环形形状，并且可以围绕第一极靴26的至少一部分。线圈55的第一线圈架54可绕第一线轴部分28缠绕。第二线轴部分30可以在壳体24内邻近安装凸缘44布置。第二线轴部分30可以限定为大致环形形状，并且可以围绕第二极靴32的至少一部分。线圈55的第二线圈架66可绕第二线轴部分30缠绕。

第二极靴32可以由磁性材料(例如，磁钢、铁、镍等)制成。第二极靴32可以部分地配置在壳体24内并且与第一极靴26轴向间隔开。第二极靴32可以至少部分地延伸穿过并且联接于安装凸缘44。第二极靴32可以包括第二电枢接纳部分56、第二销配合孔60和中空圆柱形部分62。第二电枢接纳部分56可被配置在第二极靴32的第一端61处，并且可以包括构造成接纳电枢36的第二电枢接纳凹部63。第二销配合孔60可以延伸穿过第二极靴32的第二端64，并且可以构造成可滑动地接纳穿过该孔的销22。中空圆柱形部分62可以在第二电枢接纳部分56与第二极靴32的第二端64之间延伸。

永磁体34可以限定为大致环形形状并且可以在第二线轴部分30和第一线轴部分28之间配置在壳体24内。永磁体34的环形形状使得电枢36能够穿过其而延伸。

电枢36可以由磁性材料(例如，磁钢、铁、镍等)制成。电枢36可以包括第一部分68、第二部分70和中心孔72。在操作期间，第一部分68可以构造成配合第一极靴26的第一电枢接纳凹部49，并且第二部分70可以构造成配合第二极靴32的第二电枢接纳凹部63。电枢36的第二部分70可以附加地包括构造成配合弹簧37的弹簧接纳凹部74。如本文将描述的，中心孔72可以构造成可滑动地接纳穿过其中的销22。

销22可以可滑动地延伸穿过第一极靴26、电枢36和第二极靴32。销22可以可滑动地配合第二极靴32的第二销配合孔60、电枢36的中心孔72、以及第一极靴26的第一销配合孔48。销22可以包括肩部76和布置在电枢36的相对侧上的卡环凹部78。肩部76可以从销22径向向外延伸，并且其尺寸可以被设计成使得肩部76的外径大于中心孔72的内径。卡环凹部78可以接纳卡环82，该卡环82可以卡入卡环凹部78中，从而该卡环凹部相对于销22固定卡环82。卡环82的尺寸可以被设计成使得卡环82的外径大于弹簧37的直径。卡环凹部78可以与肩部76轴向分离，使得电枢36布置在肩部76和卡环82之间。

在一些非限制性示例中，双稳态螺线管18可包括第二卡环80而不是肩部76，该第二卡环在电枢32的与卡环82的轴向相对侧(参见例如图5)上联接于销22。在一些非限制性示例中，双稳态螺线管18可包括布置在电枢32的与肩部76的轴向相对侧上的另一肩部，而不是卡环82。在任何情况下，销22设计成在电枢32的轴向相对两侧上包括机械结构，以限制销22的轴向位移，并提供如下结构，弹簧37可抵靠该结构而相对于电枢32使销22偏置。

弹簧37可以将销22的一部分包围在卡环82和电枢36的弹簧接纳凹部74之间。弹簧37可以在弹簧接纳凹部74和第一卡环82之间偏置。当组装好时，弹簧37可以使销22沿远离电枢36的轴向方向(即，从图2的视角向下的方向)偏置。

下面将参照图1-4描述齿轮系统10内的双稳态螺线管18的运行的一种非限制性示例。应当理解的是，所描述的双稳态螺线管18的运行可适用于包括合适的齿轮的任何系统。在运行中，双稳态螺线管18的线圈55可被选择性地通电、即以预定大小在期望方向上提供电流。响应于施加于线圈55的电流，电枢36可以根据施加于线圈55的电流的方向而在两个稳定位置之间运动。在所示的非限制性示例中，电枢36可在第一电枢位置(参见例如图2)和第二电枢位置之间(参见例如图3)运动，在第一电枢位置，电枢36接触第一极靴26的第一电枢接纳凹部49，在第二电枢位置，电枢36接触第二极靴32的第二电枢接纳凹部63。

在一些非限制性示例中，电枢36可处于第一电枢位置，并且双稳态螺线管18的线圈55可被通以沿第一方向的电流。然后，电枢36可完全切换(即，致动)到第二电枢位置，并且线圈55可被断电(即，电流被移除)。电枢36将保持在第二电枢位置，直到线圈55通以沿与第一方向相反的第二方向的电流。然后，电枢36可完全切回第一电枢位置，并且线圈55可被断电。以这种方式，双稳态螺线管18的运行可能需要减少的能量输入，因为不需要连续地使线圈55通电。

由于肩部76、电枢36、弹簧37和卡环82之间的相互作用，电枢36的运动可影响销22的位置。例如，在运行期间，销22可响应于电枢36在第一电枢位置和第二电枢位置之间的运动而在缩回位置(参见例如图2)和延伸位置(参见例如图3)之间运动。在一些情况下，销22可遇到中间位置(参见例如图4)，在该中间位置，销22由于障碍物被暂时阻止从缩回位置完全延伸至延伸位置。如将要描述的那样，双稳态螺线管18的设计和特性使得销22能够遇到中间位置并最终到达所期望的延伸位置，而不需要对线圈55的通电。

在一些非限制性示例中，销22在延伸位置和缩回位置之间的运动可抑制或允许齿轮14沿所期望的方向旋转。如图2和3所示，如果期望阻止齿轮14沿所期望的方向旋转，则可以选择性地将电流施加到线圈55，以使销22运动到延伸位置(参见例如图3)。为了将销22从缩回位置运动到延伸位置，可以将第一方向上的电流施加到线圈55，以使电枢36切换到第二电枢位置。当电枢36从第一电枢位置运动到第二电枢位置时，弹簧37可被压缩并迫使卡环82、并因而迫使销22沿第一轴向方向98移位(例如，从图2和3的视角向下)。可以允许销22在第一轴向方向98上移位，直到肩部76配合电枢36。

当销22被移位到延伸位置时，销22的致动端96与摇臂16相配合，并使摇臂16移位成与齿轮14的一部分相配合。如果当销22移位到延伸位置时摇臂16不接触齿轮齿86中的一个，则摇臂16移位成在相邻齿轮齿86之间的空间中与齿轮14接触。在图3所示的位置中，摇臂16构造成阻止齿轮14沿给定方向旋转。例如，在图3所示的非限制性示例中，阻止齿轮14沿逆时针方向旋转。

在图1所示的非限制性示例中，摇臂16可以被布置成使得一个摇臂16选择性地阻止齿轮14沿顺时针方向旋转(例如，右侧的摇臂16)而另一个摇臂16防止齿轮14沿逆时针方向旋转(例如，左侧的摇臂16)。由此，如果两个摇臂16都被致动到锁定位置，则可以同时阻止齿轮14沿顺时针和逆时针方向旋转。

继续参照图2和3，如果期望允许齿轮14沿所期望的方向旋转，则可以选择性地将电流施加到线圈55，以使销22运动到缩回位置(参见例如图2)。为了将销22从延伸位置运动到缩回位置，可以将第二方向上的电流施加到线圈55，以使电枢36切换到第一电枢位置。随着电枢36从第二电枢位置运动到第一电枢位置，电枢36可由于电枢36和肩部76之间的配合而使销22随着该电枢移位。即，销22可以在第二轴向方向100上移位(例如，从图2的视角向上)，直到电枢36到达第二电枢位置。

当销22移位到缩回位置时，销22的致动端96可以远离齿轮14移位，这允许摇臂弹簧92偏置摇臂16而脱开与齿轮14的配合并允许齿轮14旋转。

转到图4，在一些情况下，在运行期间，当销22从缩回位置移位到延伸位置时，摇臂16可以配合于齿轮齿86而不是完全延伸到相邻齿轮齿86之间的空间中。如图4所示，当摇臂16与齿轮齿86相配合时，销22可以处于中间位置。在该中间位置，销22被抑制完全移位到延伸位置；然而，即使销22被阻止完全移位到延伸位置，双稳态螺线管的设计以及特别是弹簧37的使用允许电枢36完全切换到第二电枢位置。由于电枢36移位到第二电枢位置，因此弹簧37被压缩以在卡环82上施加偏置力，并因而在销22上施加偏置力。由此，在中间位置，弹簧37在销22上提供偏置力直到齿轮14旋转，并且允许摇臂16移位到相邻齿轮齿86之间的空间中，这允许销22移位到延伸位置。

在双稳态螺线管18内使用弹簧37允许销22遇到中间位置并确保销22不可避免地到达延伸位置，而不需要线圈55通电。即使当销22遇到中间位置时，该功能也可以允许电枢36到达第二电枢位置，这保持了螺线管18的双稳态功能并降低了功率消耗。

在本说明书内，已经以能够清楚且简明地书写说明书的方式描述了各实施例，但有意图并且会理解的是，各实施例能以各种方式组合或分开，而不会偏离本发明。例如，会理解的是，本文描述的所有优选特征能适用于本文描述的本发明所有方面。

因此，尽管本发明已结合特定实施例和示例进行了描述，但本发明不必受此限制，且从实施例、示例和使用得到的各个其它实施例、示例、使用、修改和背离旨在由其所附的权利要求书涵盖。本文所引用的每个专利和公布的全部公开内容通过引用结合于此，就如同每个该专利或公布分别通过引用结合于此那样。

在以下权利要求书中阐述本发明的各个特征和优点。

Claims (20)

1.一种双稳态螺线管，所述双稳态螺线管包括：

壳体；

线圈，所述线圈被布置在所述壳体内；

永磁体，所述永磁体被布置在所述壳体内；

电枢，所述电枢可滑动地布置在所述壳体内，并且能够在第一电枢位置与第二电枢位置之间运动；

销，所述销至少部分地延伸出所述壳体，并且由所述电枢可滑动地配合；以及

弹簧，所述弹簧被偏置在所述电枢和所述销之间，

其中，当由于所述销配合于障碍物而使所述销遇到在缩回位置和延伸位置之间的中间位置时，所述弹簧构造成在所述销上保持偏置力直到移除所述障碍物。

2.如权利要求1所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述双稳态螺线管还包括第一极靴和第二极靴。

3.如权利要求2所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢处于所述第一电枢位置时，所述电枢与所述第一极靴配合，并且当所述电枢处于所述第二电枢位置时，所述电枢与所述第二极靴配合。

4.如权利要求3所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述第二极靴包括中空圆柱形部分。

5.如权利要求4所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述弹簧绕所述销配置，并且至少部分地配置在所述第二极靴的所述中空圆柱形部分内。

6.如权利要求1所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢从所述第一位置运动到所述第二位置时，所述电枢压缩所述弹簧，以使所述销朝向所述延伸位置延伸。

7.如权利要求2所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述壳体包括第一表面和打开的第二端。

8.如权利要求7所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述第一极靴至少部分地配置在所述壳体内，并且至少部分地延伸穿过所述第一表面。

9.如权利要求7所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述第一极靴至少部分地配置在所述壳体的所述打开的第二端内。

10.如权利要求2所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述销由所述第一极靴和所述第二极靴中的至少一个可滑动地配合。

11.如权利要求10所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述电枢通过以预定大小沿所期望方向为所述线圈供给电流而在所述第一电枢位置和所述第二电枢位置之间致动。

12.如权利要求1所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢从所述第一位置运动到所述第二位置、且所述销由所述弹簧朝向所述延伸位置偏置时，所述销上的结构被构造成限制所述销的轴向运动。

13.如权利要求1所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢从所述第二位置运动到所述第一位置时，所述电枢配合于所述销上的结构，以使所述销从所述延伸位置朝向所述缩回位置运动。

14.一种双稳态螺线管，所述双稳态螺线管包括：

壳体；

线圈，所述线圈被布置在所述壳体内；

永磁体，所述永磁体被布置在所述壳体内；

电枢，所述电枢可滑动地布置在所述壳体内，并且能够在第一电枢位置与第二电枢位置之间运动；

销，所述销至少部分地延伸出壳体并且由所述电枢可滑动地配合，所述销能够在延伸位置和缩回位置之间运动；以及

弹簧，所述弹簧被偏置在所述电枢和所述销之间，

其中，当所述电枢从所述第一电枢位置运动到所述第二电枢位置时，所述弹簧将力施加到所述销上，从而将所述销朝向延伸位置偏置，以及当所述电枢从所述第一电枢位置运动到所述第二电枢位置、且所述销遇到障碍物时，所述弹簧继续使所述销朝向所述延伸位置偏置，直到移除所述障碍物，并允许所述销运动到所述延伸位置。

15.如权利要求14所述的双稳态螺线管，其特征在于，还包括第一极靴和第二极靴，并且当所述电枢处于所述第一电枢位置时，所述电枢与所述第一极靴配合，且当所述电枢处于所述第二电枢位置时，所述电枢与所述第二极靴配合。

16.如权利要求15所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述第二极靴包括中空圆柱形部分。

17.如权利要求16所述的双稳态螺线管，其特征在于，所述弹簧绕所述销配置并且至少部分地配置在所述第二极靴的所述中空圆柱形部分内。

18.如权利要求14所述的双稳态螺线管，其特征在于，通过以预定大小沿期望方向为所述线圈供给电流而使所述电枢在所述第一电枢位置和所述第二电枢位置之间致动。

19.如权利要求14所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢从所述第一位置运动到所述第二位置时并且所述销由所述弹簧朝向所述延伸位置偏置时，所述销上的结构构造成限制所述销的轴向运动。

20.如权利要求14所述的双稳态螺线管，其特征在于，当所述电枢从所述第二位置运动到所述第一位置时，所述电枢配合所述销上的结构，以使所述销从所述延伸位置朝向所述缩回位置运动。