CN112106153A - 可编程永磁致动器和磁场产生装置及方法 - Google Patents

可编程永磁致动器和磁场产生装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种可编程永磁致动器，磁场产生装置及其控制方法。致动器具有：第一主体，其为铁磁性材料；第二主体，其为单个磁化铁磁体；以及磁场产生装置，该磁场产生装置与第二主体相关联，以在第二主体附近产生磁场。致动器还具有控制器，该控制器适于控制磁场产生装置以产生受控磁场。受控磁场适于改变第二主体的磁化，从而与第二主体产生所需的磁场，以根据期望的位置或期望的转矩使第一主体或第二主体中的一个相对于彼此移动。即使在施加受控磁场之后，所期望的位置或期望转矩也将被保持。该设备具有永久磁体，该永久磁体的固有矫顽力(Hci)值大于200kA/m，剩磁(Br)值大于0.4特斯拉。该设备还具有与永磁体关联的磁场产生装置和与该磁场产生装置相连的控制器。控制器适于控制磁场产生装置以产生受控磁场，以可变地改变永磁体的磁化，以便产生期望的可变磁场，并且当置于期望的可变磁场中时影响带电或磁化的材料。

Description

可编程永磁致动器和磁场产生装置及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年2月2日提交的美国临时专利申请62/625,418的优先权，其内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及致动器和硬铁磁材料的磁化，更具体地说，本发明涉及使硬铁磁材料磁化的致动器和通过硬铁磁材料的磁化产生磁场。
背景技术
机器人有望在许多应用中变得重要，例如医疗保健、军事、制造业，以及实际上任何仿人型机器人可以代替人类体力劳动的领域。然而，与人相比，当代的仿人型机器人具有有限的功能。尽管技术取得了巨大进步，但与任何有能力的人相比，即使是当今最先进的仿人型机器人也很慢且笨拙。原因之一就是当今机器人致动的限制。
机器人致动的主要问题是传统的电磁马达自身不适用于机器人。似乎令人惊讶的是，自1830年代以来开发和改进的各种电动机中，没有哪一种真正适合于机器人。例如，即使最近对电动机的研究带来了电动汽车的巨大进步，但是对于机器人却没有带来同样的进步，因为机器人需要完全不同的致动类型。
常规电动机，如直流电动机或无刷电动机，由于产生的反电动势(EMF)而在高速下达到高效率，如现有技术图1的曲线图100所示。值得注意的是，在常规电动机以每分钟低的转速(RPM)运行的情况下，大部分输入功率(Pin)丢失了(Ploss)，并且只能提供低转矩。例如，在1000RPM时，施加了165瓦的输入功率，但是损失了超过125瓦，仅约35瓦的机械功率可用，由于Pmech＝τω，从而导致了相对较低的转矩输出。然而，机器人应用通常需要低速率(例如低RPM)和高转矩运动，这对于常规电动机而言是低效率的。
从现有技术的图2A和2B中可以看出，传统的电动机具有定子202和转子204。定子202具有铜线圈201和由软铁磁材料206构成的主体，在这种情况下为无刷电动机200，通过流过铜线圈201的电流来工作，以便在转子周围产生磁场。转子具有圆柱形永磁体204，该永磁体在径向方向上被磁化并且具有四个磁极，如图2A所示。因此，当电流停止，仅剩一个磁场(转子204)，电动机就静止了。当激活电流后，将有两个磁场(转子和定子的)，并且由于错位的磁极彼此排斥，因此在这种情况下转子204将旋转。
常规的无刷电动机200将接收输入电功率(Pin)，并伴随着一定的损失(Ploss)，进一步转换为机械功率(Pmech)，其中机械功率(Pmech)是转矩和转速的直接函数。此关系由下式给出：
Pin＝Ploss+Pmech，
其中
Pin＝Vi，
Pmech＝τω，
Ploss＝i2R，
其中，i是致动器的电流，V是其电压，R是绕组电阻。
当电动机200以其最大速度运行时，它不能施加任何转矩。此属性称为空载速度，达到该速度时几乎没有功率输出。但是，由于称为反电动势(反EMF)的现象，电动机也没有汲取太多电能，因此电动机仍在高效运行。这种现象会平衡施加在绕组上的电压，从而减少绕组中的有效电流和热量的产生。
从现有技术图1可以看出，它是使用Maxon无刷电机339286的数据表制成的。所供应的电能(Pin)会伴随一定的功率损耗(Ploss)转换为机械功率(Pmech)。机械功率值是转矩和转速的直接函数(Pmech＝Tω)。从图1的曲线图100可以看出，当常规电动机以其最大速度运行时，它不能施加任何转矩。但是，由于已知的称为反电动势(反EMF)的现象，它并不会消耗太多的电能，因此电动机仍在高效运行。在中高转速时，电动机的效率很高，因为其功率损耗要比低转速时小。在低转速下，电动机产生的功率和转矩非常小，且没有太多的反电动势来帮助降低功率输入。取而代之的是，电动机正在消耗其最大量的电能，并且当没有速度时，大部分能量以热量的形式浪费掉了。总而言之，常规电动机在高速下表现出非常好的效率，而在低速下表现出非常低的效率。
传统电动机在低速下的低效率对于诸如机器人应用之类的某些应用具有若干后果。例如，通常以低转速运行的机器人消耗的功率之大以至于在短时间内无法依靠电池运行。此外，当以低转速运行时，产生的多余热量(如所描述的焦耳效应)可能导致电动机损坏。同样，由于存在热损坏的危险，必须限制致动器的输出转矩。
解决该问题的一种典型方法是使用变速箱。通过改变速度与转矩的比率，变速箱可使电动机以更高的速度运行，从而提高效率。但是，变速箱引入了一些新问题，例如反冲，额外的重量，碰撞时的高反射惯性以及有时不可逆行性。
变速箱的另一个问题是，在机器人必须在固定位置施加转矩的情况下，变速箱无助于效率。这与机器人(相对于汽车而言)尤其相关，因为他们经常需要在不动时施加转矩，例如在握住物体或直立时。在这些情况下，机器人关节处的电动机必须保持转矩而不旋转。因此，电动机将在零效率区(最大功率输入和零功率输出)中运行，如现有技术图1的曲线图100中的箭头102所示。
已经进行了许多尝试来规避常规电动机的缺点。一种方法是改善致动器的散热特性。一种已知的方法是水冷式电动机系统，该系统帮助SCHAFT团队赢得了DARPA(美国国防高级研究计划局)竞赛试验。他们的机器人的致动器能够输出更高的转矩，因为多余的热量可以通过定制的液体冷却系统消散。因此，SCHAFT的机器人不需要通常需要的大型和重型电机来输出高转矩，因此相对于其尺寸，它可以举起更多的重量。尽管此方法具有优势，但仍不能解决问题的根源：大多数机器人应用中常规电动机的效率低下。SCHAFT的机器人比以前的机器人更强大，但这仅仅是因为它可以快速消散能量。
应对机器人的高转矩需求的另一种方式是通过静态平衡，静态平衡在提高机器人的兼容性和人的安全性以及降低电动机的功耗等方面得到了推广。已经提出了诸如弹簧或配重之类的不同系统来实现该目的。静态平衡的好处之一是它符合安全法规。例如，通过使用弹簧，所施加的重量部分地由弹簧承担，因此即使电源关闭，也可以调整机器人的四肢，并且用户可以前后推动机器人的手臂。但是，该解决方案的问题在于它使用无源元件，并且无法调整其参数。例如，使用弹簧时，弹簧的参数例如强度或刚度在使用时无法调整。
最近提出的另一种方法是利用磁体中包含的电磁力来致动转子并保持转子的固定位置，而无需进一步的能量输入。Knaian等人的美国专利US 8,674,576和美国专利US 9,525,330提出了一种使用电永磁体的致动器300，如现有技术图3A所示。众所周知，电磁永久磁铁是一种永久磁铁，其中外部磁场可以通过绕磁铁部分缠绕的电流脉冲而“接通”或“断开”。磁体由两部分组成，例如美国专利No.4,075,589所教导的，其中之一是“硬”(高矫顽力)磁性材料，另一是“软”(低矫顽力)磁性材料。后者中的磁化方向可以通过绕线中的电流脉冲来切换。如现有技术图3B所示，当软磁材料308和硬磁材料310具有相反的磁化320时，磁体在其磁极上不会产生净外部磁场，而当它们的磁化方向对准322时，磁体产生外部磁场。
如图3A所示，致动器300具有十字形定子302和圆形转子304，转子由诸如铁的铁磁材料制成。转子304定位成围绕定子302自由旋转。定子302在其每个端部具有一个永磁体，该永磁体由一对相邻放置的永磁体(308和310)组成，该永磁体放置在铁体306之间以限制由永磁体产生的磁场。一对永磁体中的一个由较软的铁磁材料例如AlNiCo磁体308制成的，其磁化可根据导线绕组312中的电流脉冲进行更改。另一个永磁体由诸如钕磁体(NdFeB)310之类的较硬的铁磁材料制成，并保持其磁化。取决于导线绕组312中的电流脉冲，AlNiCo磁体308改变其磁化，并与NdFeB磁体产生一个磁场，该磁场要么吸引转子322，要么对转子320无影响。如图3C所示，当每个电永磁体被顺序激活320时，转子304上产生的电磁吸引力的变化位置引起转子304的顺时针圆周运动。
EPM致动器300改变一个磁体308的磁化以控制两个磁体(308和310)的组合磁场。在致动器中使用EPM的局限性之一是，两个磁体的排列导致致动器具有接近二进制的开/关功能。因此，控制磁化量是困难的，因为实际上只能打开和关闭外部磁场。而且，由于NdFeB磁体308的很高的矫顽力，不可能反转由两个磁体(308和310)的组合磁场产生的外部磁场的方向。由于磁场始终沿相同方向前进，因此定子只能沿一个方向推动(或关闭)。另一个限制是电动机相对较弱，并且仅提供难以调节的低转矩水平。Knaian等人承认他们的成果对小型应用更好，例如智能事物，而对于大型应用例如仿人型机器人则相反。该致动器可用于创建可编程实体和电动永久阀，例如在软机器人中，该软机器人是由与生物类似的高兼容性材料构造的机器人。还提出了该致动器的改进版本，用于无人机闩锁机构，被称为“OpenGrab EPM”，它在保持较低功率成本的同时，实现了较高的有效载荷。
因此，需要一种电动机，其提供即使在低转速下也可以是低转矩或高转矩的可调转矩，并且适用于各种机器人应用，无论是小型，中型还是大型应用。
发明内容
申请人发现具有可编程永磁体(PPM)的致动器可以使用高瞬态电流脉冲将磁场存储在硬铁磁材料中。这不同于常规电磁电动机那样使用恒定电流产生磁场，也不同于EPM致动器，其中电脉冲使两个磁体的组合磁场打开或关闭。在一个实施例中，选择特定等级的铁磁材料以用于致动器的定子，该特定等级的铁磁材料在暴露于转子的强钕磁场时不会退磁，并且可以存储大磁场。该致动器被动地产生可调节的转矩，特别适合于低速直接驱动应用。这对于机器人的抓握，主动修复术和机器人的腿部运动是有利的。
根据一方面，一种致动器，该致动器具有第一主体，该第一主体是铁磁材料，至少一个第二主体，该第二主体是磁化的铁磁材料并且与第一主体邻近，和磁场产生装置，其与至少一个第二主体中的每一个相关联并且适于在与至少一个相关联的第二主体附近产生磁场。致动器还具有适于控制磁场产生装置以便产生受控磁场的控制器。受控磁场适于改变至少一个相关联的第二主体的磁化，从而与至少一个第二主体产生所需的磁场，以使第一主体或至少一个第二主体中的一个根据期望的位置或根据期望的转矩相对彼此移动，其中所期望的转矩由所述的第一主体和至少一个第二主体所需的磁场产生。即使在施加受控磁场之后也保持期望位置或期望转矩。而且，即使在由于第一主体与至少一个第二主体之间的相对运动而产生的磁场的存在下，第二主体也保持其改变的磁化。
在一些实施例中，提供了一种电动机，其包括：第一主体，该第一主体是磁化的铁磁材料；以及至少两个第二主体，其是单个磁化的铁磁材料主体，该至少两个第二主体与该第一主体邻近，并且以定子/转子布置提供。与至少两个第二主体相关联地布置线圈，以在至少两个相关联的第二主体附近产生磁场，以改变至少两个相关联的第二主体的磁化。至少两个第二主体的磁场相结合以提供第二主体组合的可变方向和强度的磁场，该磁场可以与第一主体的磁场相互作用以提供旋转。电动机可以进一步包括控制器，该控制器适于控制供应给线圈的电流，以产生受控磁场，该受控磁场适于改变至少两个相关联的第二主体的磁化，从而与至少两个第二主体产生所需的磁场，以使第一主体或至少两个第二主体中的一个根据期望的位置或根据期望的转矩相对彼此移动，其中所期望的转矩由所述的第一主体和至少两个第二主体所需的磁场产生，其中，即使在施加受控磁场之后仍保持期望的位置或期望的转矩，并且即使存在由于第一主体和至少两个第二主体之间的相对运动而产生的磁场的情况下，至少两个第二主体也保持其改变的磁化。
根据一些实施例，提供了一种控制致动器的方法。该方法可以包括控制用于对单个永磁体进行重新编程的线圈或螺线管的电流脉冲序列，从而实现期望的运动和致动力。
根据一些实施例，提供了一种制造产品的方法，该方法包括使用包括致动器的机械手来操纵产品，例如，在操作过程中使用的功率比传统电动机驱动器少。
根据另一方面，提供了一种磁场产生设备和控制这种设备的方法。该设备具有至少两个以Halbach阵列布置的永磁体。至少两个永磁体中的每个具有相关的磁场产生装置。该设备还具有适于控制相关的磁场产生装置以便产生受控磁场的控制器。受控磁场适于改变至少两个永磁体中的至少一个的磁化，以便产生期望的磁场。甚至在产生受控磁场之后，至少两个永磁体中的至少一个的磁化和期望的磁场也得以保持。
根据另一方面，提供了一种磁场产生设备以及控制这种设备的方法。该设备具有至少一个永磁体，该永磁体被以Halbach阵列阵列布置，该至少一个永磁体中的每一个均具有相关的磁场产生装置。控制器可以适于控制相关的磁场产生装置，以产生适于改变至少一个永磁体的磁化的受控磁场，进而产生期望的磁场，即使在产生受控磁场之后也保持至少一个永磁体和期望的磁场的磁化。
根据另一方面，提供了一种带电或磁化的材料影响设备。该设备具有永磁体，该永磁体的固有矫顽力(Hci)值大于200kA/m，剩磁(Br)值大于0.4Tesla。该设备还具有与永磁体关联的磁场产生装置和与该磁场产生装置相连的控制器。控制器适于控制磁场产生装置以产生受控磁场，以可变地改变永磁体的磁化，从而产生期望的可变磁场，且会影响带电或磁化的材料，当其被置于所需的可变磁场中时。即使在施加受控磁场之后，永磁体的可变磁化得以保持。
附图的简要说明
通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了现有技术的常规机器人的功率特性，例如现有技术的Maxon无刷电动机；
图2A示出了现有技术的直流(DC)无刷电动机的剖面图，其功率特性在图1中示出；
图2B示出了沿线A-A截取的图2A的现有技术的直流(DC)无刷电动机的剖面图；
图3A示出了现有技术的电永磁致动器中的电永磁体和周围转子的构造；
图3B呈现了当被磁化以产生“接通”状态和“断开”状态时，由图3A的电永磁致动器的电永磁体产生的磁场；
图3C示出了图3A的电永磁致动器的转子的示意图，该转子围绕电永磁体的构造旋转，因为它们顺序地产生“接通”状态；
图4示出了根据一个实施例的具有可编程永磁体(PPM)致动器的两指夹持器的正视图；
图5A示出了根据一个实施例的图4的PPM致动器的透视图；
图5B示出了根据一个实施例的连接至控制模块的图5A的PPM致动器的俯视图；
图5C示出了根据一个实施例的向图5A的PPM致动器供电和控制的系统组件的示意图；
图6示出了根据一个实施例的图5A的PPM致动器的磁体的两层Halbach阵列布置的透视图；
图7A示出了根据一个实施例的图6所示的磁体装置的Halbach阵列中的磁通量密度范数的FEA(有限元分析)静磁仿真的示意性俯视图；
图7B示出了根据一个实施例的在图6中示出的磁体布置的Halbach阵列中的磁体的定位的示意性俯视图；
图7C示出了根据一个实施例的用于确定Halbach磁体定位和取向的Halbach阵列方程，其具有n＝12且k＝1的Halbach阵列的四分之一。
图7D是由两个定子层在图5A的PPM致动器的转子上产生的磁场的组合作用的示意图，根据一个实施例，磁场的组合作用为转子提供了平衡位置和受控的弹性转矩。
图8示出了根据一个实施例的，由图6所示的磁体装置的Halbach阵列提供的FEA转矩函数的曲线图；
图9示出了根据替代方案的图5A的PPM致动器的磁体的单层Halbach阵列布置的透视图；
图10A示出了根据替代实施例的图5A的PPM致动器的定子磁体和转子磁体的叠置的立体图；
图10B示出了根据替代实施例的图5A的PPM致动器的定子磁体和转子磁体的叠置的立体图；
图10C示出了根据替代实施例的具有旋转系统的PPM致动器的定子磁体和转子磁体布置的立体图，该旋转系统具有两个同心的定子环和两个同心的转子环。
图10D示出了图10C的PPM致动器的定子磁体和转子磁体的叠置的立体图；
图11A给出了具有独立标度的典型铁磁材料磁滞曲线；
图11B给出了NbFeB42，YX-12SmCo和AlNiCo理论和有效铁磁材料的BH曲线的第二象限；
图12给出了不同铁磁材料的比较；
图13示出了根据一个实施例的图5A的PPM致动器的功率特性；
图14呈现了图5A的PPM致动器与图2A和2B的现有技术的Maxon 339286电动机在低速下的效率的比较；
图15示出了根据一个实施例的，作为电容器的端子电压和脉冲计数的函数的图5A的PPM致动器的电动机转矩；
图16示出了根据一个实施例的在图5A的PPM致动器的中心处的Halbach阵列的磁通密度的曲线；
根据一个实施例，图17示出了图9的单个Halbach阵列中的电流脉冲，取决于电容器的端子充电电压；
图18示出了根据一个实施例的控制图5A的致动器的方法；和
图19示出了根据另一实施例的磁场产生装置，该磁场产生装置由可旋转的强磁体控制，以向永磁体施加强磁场。
将注意的是，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。
详细说明
申请人发现，可以在线圈中使用强电流脉冲来对单个永磁体进行“编程”，这将改变电动机中永磁体的永久磁化。应当理解，这样的单个永磁体可以替代例如图3B的现有技术的成对的磁体308，310，以提供图3A和3C所示类型的电动机。还应当理解，电动机300的元件304可以由具有铁磁材料元件的主体代替，该铁磁材料元件被吸引到以如图3C所示的配置布置的单个永磁体的磁场。单个永磁体的重新编程可导致吸引到永磁体的铁磁元件按需要移动。这样，致动器不需要依靠两个磁化体之间的相互作用，取而代之的是一个被磁化的物体，而另一个是铁磁材料。
根据一个实施例，图4中示出了一种机械手400，其具有基座壳体402，手指支撑体404和一对可致动的手指406。可以看出，手指支撑体404安装在基座壳体402上，并且适于支撑可致动的手指406。基座壳体402适于在其中接收“可编程永磁体”(PPM)致动器系统500，如图5A中同时示出的。PPM致动器500适于操作驱动轴508和当连接到可致动手指406时，能够产生足够的转矩来打开和关闭机械手400的一对可致动手指406，从而使其能够抓握诸如压力球404之类的各种物体404，并且通过仅消耗能量来初始定位可致动指状物并初始控制要施加的期望转矩，从而在适当的时间范围内保持具有适当转矩的抓取力。
PPM致动器
根据一个实施例，如在图5A中进一步呈现并且在图5B和6A中同时呈现的，PPM致动器500可连接至适于控制PPM致动器500的控制模块522。致动器500具有主印刷电路板(PCB)502，脉冲开关504，两个中间印刷电路板(506a和506b)以及容纳在壳体(510a和510b)中的旋转系统600。旋转系统600适于根据控制模块522提供的控制指令来控制驱动轴508。主印刷电路板502可连接至控制模块522，并且控制模块522适于激活脉冲开关中的至少一个。当被激活时，脉冲开关504适于以足够大的功率向相关的中间印刷电路板(506a或506b)提供必要的电流脉冲，以根据期望的轴508的方向改变旋转系统600的定子磁化，并且由轴508产生转矩。
根据一个实施例，呈现在图6A中，旋转系统600具有相对于驱动轴508同心对齐的第一旋转层602a和第二旋转层602b。每一层具有转子(604a和604b)或第一主体以及定子(606a和606b)或第二主体。转子(604a和604b)以及定子(606a和606b)均由永磁体组成，并且转子永磁体(604a和604b)的方向和转矩响应于定子永磁体(606a和606b)产生的磁场。根据一个实施例，每个定子永磁体(606a和606b)适于与转子(604a和604b)产生相应的转矩函数。
根据应用，永磁体是具有合适硬度水平的铁磁材料。根据一个实施例，永磁体是具有大于200kA/m的固有矫顽力(Hci)值和大于0.4特斯拉的剩磁(Br)值的任何种类的铁磁材料，如将在下面参考图11B进一步解释的。在另一个实施例中，永磁体的固有矫顽力(Hci)值大于250kA/m。在又一个实施例中，永磁体的剩磁(Br)和固有矫顽力(Hci)之比(Br/Hci)大于1.6。
根据一个实施例，控制系统520或控制器适于控制PPM致动器500，如图5C所示。控制系统520具有连接到计算设备524和电源526的控制模块522。计算设备524适于根据期望的旋转运动和轴508施加的转矩来计算并传输命令信号到控制模块522。计算机设备524使用诸如RS-232通信协议的通信协议向微控制器发送命令信号。根据接收到的命令信号，控制模块522将适应的磁化控制电流施加到PPM致动器500。磁化控制电流，例如一百六十安培(160A)的电流，存储在主印刷电路板502的电容器528中。脉冲开关504将存储的电流作为脉冲电流传输到定子磁体608的螺线管，以改变定子磁体608的磁化并产生所需的轴508的旋转运动和所需的由轴508施加的转矩。在将所需的脉冲电流传输到电磁阀之后，通过定子磁体保持极性或磁化的变化，并保持轴508中的方向和转矩，而无需额外的脉冲电流或功率。如图4所示，当与诸如带有机械手400的机器人一起使用时，仅需要初始电流脉冲来定位指状件406并提供足够的转矩来捏紧并保持诸如应力球404之类的各种物品一段时间或直到另一组脉冲电流施加到定子磁体608为止。
注意，螺线管是磁场产生装置，它们分别与定子磁体608中的一个相关联。控制螺线管以在每个相应的关联的定子磁体608附近生成受控磁场。正是螺线管的受控磁场改变了相关磁体608的磁化，以产生所需的磁场，以便产生轴508的所期望的旋转运动和轴508施加的所期望的转矩。
根据一个实施例，修改相关定子磁体608的磁化会产生磁阻(或磁电阻)的变化，以影响相关磁通电路(例如磁通路径，形状或强度)，从而产生所需的磁场，以产生轴508的所需的旋转运动以及轴508施加的所需的转矩。
Halbach阵列
根据一个实施例并且如图7A，7B和7C所示，定子磁体608以K＝1的Halbach阵列布置放置。定子磁体608的这种Halbach阵列布置允许即使在磁场强度增加的情况下也将由定子磁体608产生的磁场聚焦在定子的芯部区域中，并减小在定子的外围区域处的磁通泄漏。根据图7C所示的Halbach阵列磁体定位和取向方程，该实施例使用K＝1的Halbach阵列布置。从图7A和7B可以看出，每个定子磁体608被磁化以产生以六十度(60°)位移定向的磁场。
参考图7C的等式，该等式的向量位置cpi描述了半径为r的圆形Halbach阵列中的n个磁体中的第i个中心。每个磁铁的位置取决于所用磁铁的数量。因此，βi从给出的笛卡尔坐标(Cartesian coordinates)描述了第i个磁体中心与Y轴之间的角度。磁铁的方向由同一笛卡尔Y轴和磁铁自己的参考轴之间的γi描述。
图7A显示了被控制以产生具有正Y轴方向的磁场的定子(606a和606b)。可以注意到，由受控定子(606a和606b)产生的磁通密度(例如磁场)具有环形形状，该环形具有分布在旋转系统600的外围区域704处的相对较低密度的磁通量。然而，在旋转系统600的芯部区域706处存在相对较高密度的定向磁通量。外围区域704处的较低密度的磁通量有利地限制了对其他电子部件的磁场干扰。芯部区域706处的较高密度的磁通量描绘了所产生的磁场的方向特性。在图7A中，控制定子(606a和606b)以产生具有正Y轴方向的磁场，并且在芯部区域706处的磁通具有更大的密度分布。转子(604a和604b)的取向由此由定子(606a和606b)产生的磁场控制。然而，通过定子(606a和606b)产生的磁场与转子(604a和604b)的永磁体产生的磁场的组合来实现对其的控制。
根据一个实施例，通过每个定子磁体608的磁化的组合效应来控制由定子(606a和606b)在外围区域704处产生的较低磁通量。图7B描绘了定子层(606a和606b)中的一个的定子磁体布置708。根据一个实施例，如图7B所示，根据Halbach阵列布置708将定子磁体608定位在壳体(510a和510b)中。定子磁体608以环形布置708定位，并且每个定子磁体的磁化依次移位六十度(60°)，例如在“k＝1”Halbach阵列布置708中，如由图7C的Halbach磁体方程式所表示的，该方程表示布置708的每个磁体的位置和取向(或磁场取向)。
如图7D所示，第一旋转层602a的定子和第二旋转层602b的定子均由相应的中间印刷电路板(506a和506b)控制，以在驱动轴508上产生组合作用。根据一个实施例，旋转系统600具有被控制以产生具有第一磁场710的磁场的第一定子层606a和被控制以产生具有第二磁场712的磁场的第二定子层606b。由两个定子层(606a和606b)产生的合成磁通量振幅使转子在平衡位置714旋转，该平衡位置是两个磁场矢量710和712(例如位置A)的矢量之和。请注意，转子也有次平衡位置，称为位置“C”。如关联转矩曲线716所进一步描绘的，由定子层(606a和606b)和转子(604)产生的组合磁场所产生的转矩增加到位置“B”和“D”。转子(604a和604b)永磁体因此被迫在位置“A”714旋转，并根据转矩图716施加受控转矩，如图8所示。
在该实施例中，每个转子(604a和604b)是空心圆柱磁体，其由高级铁磁材料(例如N42NdFeB)制成，并沿直径方向磁化。转子(604a和604b)相对于驱动轴508同心地对准，并限定出间隙，例如4.25mm的间隙。每个转子(604a和604b)具有以下尺寸：直径25.4mm(1″)，空心中心直径为3.175mm(0.125″)，高度为6.35mm(0.25″)。
应该认识到，在不脱离本PPM致动器500的范围的情况下，可以将适于径向地磁化，足以抵抗去磁并且可操作地提供期望转矩的任何其他合适类型的永磁体用作转子(604a和604b)磁体。
在该实施例中，每个定子(606a和606b)由多个定子磁体608组成。定子磁体608以Halbach阵列配置定位并且连接到它们各自的中间印刷电路板(506a和506b)。定子(606a和606b)相对于驱动轴508同心地对准，并且在它们之间限定足够的间隙，以防止来自一个旋转层602a的磁通影响另一旋转层602b的磁通，反之亦然。例如，在图6中，定子606a和606b是一个叠在另一个上，并提供4.25mm的间隙。定子磁体608通过平面轴承和非导电螺钉固定地定位在它们各自的壳体(510a和510b)中。每个定子磁体608由钐钴磁体制成，钐钴磁体被包裹在形成螺线管的两层线圈中。在该实施例中，电线具有美国线规30(AWG30)的电线(N≈32，其中N是匝数)。螺线管以串行方式进行接线，并且为了简化制造，每个螺线管独立接线并焊接或连接到其各自的中间印刷电路板(506a和506b)。
根据一个实施例，由诸如B&K Precision Corporation的LCR测量仪878B之类的LCR测量仪(电感L，电容C和电阻R)在1kHz下测量的定子磁体608的电特性为：
Figure BDA0002712794030000131
应该认识到，在不脱离本PPM致动器500的范围的情况下，可以将任何其他类型的合适地用导线包裹的永磁体用作定子608的磁体，其具有可控的磁化和在可操作地提供所需转矩的同时还具有抗退磁性，并且可操作地提供期望的转矩。
应当进一步认识到，任何其他合适的定子磁体608的配置都是可能的，只要它能够与转子一起在负载下的轴508上产生所需量的转矩，并且仅通过向PPM致动器500施加初始电流脉冲来保持转矩即可。初始电流脉冲适于充分改变定子磁体的磁化强度。这种定子磁体608的配置当向PPM执行器500施加初始的有限量的电流脉冲应时，可操作地控制轴508的方向并保持轴508的固定方向或弹性固定方向(例如转矩)。
例如，图9展示了PPM执行器500，其具有仅具有单层906的旋转系统900。单层906具有转子904和磁体908的定子系统902。定子磁体908被控制以产生组合磁场并影响转子904的旋转运动。转子904的旋转运动和转矩也受到定子磁体908的磁场和转子904自身产生的磁场的组合作用的影响。但是应认识到，在具有多个定子和转子层(例如两，三或更多层)的PPM致动器500的情况下，转矩的控制可以更大。然而，在不需要精确的转矩控制或致动器空间受限的一些应用中，单层旋转系统900可能是有益的。根据一个实施例，转子的旋转运动的精度和由转子提供的转矩根据旋转层的数量而增加。
在替代实施例中，如图10A所示，PPM致动器500具有旋转系统1000，该旋转系统1000具有叠置的定子环1002和转子环1004。沿旋转系统1000的线A-A截取的截面图1006示出了定子环1002定位在转子环1004下方，并且在其之间具有空间。定子环产生的受控磁场会影响转子环1004的旋转或位置以及转子环1004施加的转矩。根据一个实施例，为了限制由定子环1002产生的磁场以及由转子环1004产生的磁场，铁环1005位于旋转系统1000的外周和内周。在该实施例中，定子环1002是单环形磁体。但是，应当认识到，可以将单个环形磁体划分为可不同可磁化的任何合适数量的磁体。
应当进一步认识到，旋转系统的任何部分可以由沿径向轴线的任何合适数量的环组成。例如，根据如图10C所示的实施例，PPM致动器500具有旋转系统1010，该旋转系统具有叠加的两个同心定子环1012和两个同心转子环1014。沿旋转系统1010的线B-B截取的横截面图1016示出了定子环1012定位在转子环1014下方，并且在其之间具有空间。定子环产生的受控磁场会影响转子环1014的旋转或位置以及转子环1014施加的转矩。为了限制由定子环1012产生的磁场以及由转子环1014产生的磁场，铁环1015位于旋转系统1010的外周，内周，并且位于每个定子环1012与每个转子环1014之间。在该实施例中，定子环1012是单环形磁体。但是，应当认识到，可以将单个环形磁体划分为可不同可磁化的任何合适数量的磁体。
系统操作
返回到图5C，根据一个实施例，电容器组528提供了15.24μF的总电容，并且包括42个各自具有0.22μF的陶瓷StackiCap 2220-1K20224-X-WS2电容器，以及两个各自具有3μF的薄膜电容器MKP1847。电容器528被连接以利用诸如固态开关(晶闸管)的单向脉冲开关504来放电并改变定子磁体608的极性。
PPM致动器500能够在不确定的时间内维持和保持各种转矩，而无需额外的电流或功率。对于给定的转矩，电机的能耗与转速(速度)成正比。根据一个实施例，具有电容器528的完整的PPM致动器500重约两百(200)克。
根据一个实施例，这些电容器是陶瓷电容器，因为陶瓷电容器每单位体积的能量存储量比Vishay薄膜电容器大约多十倍，并且更易于安装在给定的空间内。但是，在其他应用中使用的执行器，如在安全性，过压电阻或峰值电流能力是关键因素的情况下，薄膜电容器(例如Vishay薄膜电容器)可能更适合。
两层Halbach磁系统
根据一个实施例，如图6所示，定子磁体608被定位以形成相对于轴508同心对准的两层Halbach阵列，每层之间的移位角为90度。这种双极构造允许在任何方向上产生期望的转矩(在致动器或夹持器406范围内)，并使电动机沿任何方向旋转。
如图7B所示，定子磁体608的Halbach阵列允许聚焦各个定子磁体608的磁通量，从而仅在阵列的一侧上产生一个更强的磁场。图7B示出了根据一个实施例，在一个Halbach阵列中的磁通量密度范数(T)的有限元分析(FEA)静磁仿真的示意性俯视图。通过将所有磁场聚焦在定子(602a或602b)的芯部区域706中，Halbach阵列将执行器500外部的磁场损失降至最低，这样做的好处还在于最大程度地减少了在附近的设备例如传感器中可能引起的噪声。
Halbach阵列中磁极的数量和方向取决于磁体的配置。在一种情况下，根据图7C的方程式，使用了Halbach阵列(K＝1)，该阵列创建了一个定子中心内具有接近均匀磁通的独特的磁极对。
组态K＝1的无源Halbach阵列产生遵循正弦曲线的转矩函数，可以像单摆一样静态地平衡单个自由度。许多动态系统遵循近正弦函数，例如工业机器人机械手的肘关节转矩。这样的近正弦转矩函数与某些机器人应用相匹配。在这种情况下，与转矩函数根本不匹配应用的情况相比，所产生的PPM致动器500所需的能量更少，因为其转矩可以更不频繁，更不剧烈地调节。
根据一个实施例，为了增加所产生的磁场的强度，对于给定体积的PPM致动器500或壳体(510a和510b)，确定了大量的磁性材料。因此，减小了转子(604a和604b)与定子(602a和602b)的每个磁体间的距离。根据一个实施例，根据Halbach阵列配置，在定子(602a和602b)中使用相对较短的磁体，以便增加每单位体积的磁体和磁性材料的数量。根据一个实施例，在Halbach阵列中使用定制的磁体。磁体是直径和高度为6.35mm(0.25″)的圆柱体，且沿长度方向被磁化。
应该认识到，与使用连续变化磁化的单个磁体相比，在定子中使用离散磁体会产生更弱的磁场和更多的磁通量泄漏。然而，离散磁体的制造和磁化可以更具成本效益。而且，将离散磁体安装在致动器中可以更容易。
在图8中呈现的是曲线图716，示出了图6的旋转系统600的理论Halbach转矩输出和模拟转矩输出。使用有限元分析(FEA)软件(Comsol Multiphysics)的磁通密度范数来模拟转矩输出。该仿真允许评估磁体的Halbach阵列(602a和602b)内的磁场强度以及泄漏的磁通量。计算轴向转矩函数，并将其与理想的Halbach转矩输出进行比较。在定子(602a和602b)完全磁化的同时，模拟了转子604中磁体的运动。从磁体的Halbach阵列配置(602a和602b)可以看出，在三百六十(360)度位置802处，在转子磁体604的一圈内达到了理想的Halbach转矩输出。
磁体类型
根据一个实施例，仅使用一种类型的磁体，并且通过定子磁体608的绕组或螺线管中的电流脉冲来改变磁化。这使得能够在磁体的磁性的物理极限内，在任何方向上“设置”任何数量的磁化。
这种方法的挑战之一是确定用于定子的正确磁体。例如，AlNiCo磁体易于磁化，几乎不需要控制能量。但是，AlNiCo磁体的矫顽力低，容易退磁。它们的有效剩磁程度也很低，并且只能弱地保持磁场(即，它们很难保持磁通密度)。由于强的内部磁芯很容易使AlNiCo磁体消磁，因此这会产生弱的致动器。然而，根据一个实施例，如果转子磁体是弱永磁体并且施加到驱动轴508上的负载相对较低，则可以将诸如AlNiCo磁体的弱永磁体用作定子。
可替代地，某些永久磁体如NdFeB磁体不易通过强的永久磁芯消磁，因此它们可以实现非常强的致动器。然而，对这样的磁体进行编程所需的能量相对较高，使得NdFeB磁体成为耗能的解决方案。根据一个实施例，如果施加至驱动轴508的负载相对较高，则可以将诸如NdFeB磁体的强永磁体用于定子。
在替代实施例中，根据期望的磁体的强度与磁化成本之间的可接受的折衷来确定定子磁体。
磁体的矫顽力和剩磁的最大乘积(BHmax)通常用于选择磁体。但是，由于定子磁体应尽可能强大，同时需要相对较低的能量来重新编程，因此BHmax并不是本致动器500所需定子磁体的良好指标。BHmax是存储在磁体中的理论最大能量的近似值，而根据一个实施例，定子磁体需要高剩磁(Br)和低固有矫顽力(Hci)的组合。
如图11A所示，磁体的固有矫顽力(Hci)是磁体完全丧失其磁化(M)所必须承受的必不可少的磁场强度(H)的指标。Hci是一个考量给定磁体的磁化能量成本的很好的指标。尽管磁体矫顽力(Hc)比Hci更常用，前者仅对应于瞬时消除磁体磁场所需的磁化场，而与使磁场永久消磁所需的场相反，后者在某些情况下要大得多。
根据一个实施例，用于选择定子磁体的标准可以由以下函数(Eq.1)表示：
Figure BDA0002712794030000181
subject to Hci≥c，
其中Br以mT(毫特斯拉)表示，Hci以kA/m(千安培每米)表示，其中c是避免致动器磁芯或转子永磁体消磁所需的最小固有矫顽力。例如，SmCo级磁体可以呈现出使方程式Eq.1最大化的特性。图11B和图12所示的曲线图展示了定制的SmCo磁体相比其他类型的磁体，相对于Eq.1函数的性能。定制SmCo磁体的固有矫顽力(395kA/m)是SmCo磁体系列中最低的，但仍比能产生实验测量的磁通密度为0.723特斯拉的任何AlNiCo磁体的固有矫顽力高几倍。
注意，PPM致动器500在高速下可能效率较低。因此，当将其与变速器变速箱一起使用时，可能优选将其用于需要相对低速比的应用中。根据一个实施例，致动器500具有由致动器内的强磁场产生的相对较高的转矩-体积比，并且不需要变速器变速箱。
转矩产生
在常规的DC电动机中以及在本致动器500中，运动和转矩是通过两个磁场之间的相互作用产生的：一个固定磁场(永磁体)和一个可变磁场。然而，尽管在直流电动机中，可变磁场是由电流控制的临时电磁场，但是在本致动器500中，固定的和可变的组件都是永磁体。将一个永磁体(定子磁体)的磁场设置为期望值，以产生另一个永磁体(转子磁体)的期望运动，从而施加期望转矩。
为此，PPM电动机500依靠电流脉冲来产生强磁场，该强磁场将使绕组的硬铁磁材料磁化。技术人员将理解，硬和软铁磁材料的特征在于其保留磁场的能力：硬铁磁材料比软铁磁材料更难消磁。例如，请参阅《Introduction to Magnetic Materials》，第二版，Wiley/IEEE，B.D.Cullity和C.D.Graham，第一版：2008年2月29日，第14章“Hard MagneticMaterials”。
在PPM电动机500中，电流用于磁化定子磁体。然后，PPM电动机由于定子和转子的磁场之间的相互作用而产生转矩。假设磁体既未加热到居里温度(Curie temperature)以上，也未受到物理破坏，并且硬铁磁材料可以承受相反的磁场，则电动机可以在没有额外电流且没有额外成本的情况下保持“设定”转矩。电动机仅需要功率来切换其定子磁体的磁场，以便通过施加与定子磁体相关联的各个螺线管施加合适的电流脉冲来根据需要旋转其驱动轴508。因此，如图13所示，PPM电机的功率输入(Pin))与引起单个旋转所需的这些脉冲数(Np)、每个脉冲中包含的能量(Ep)和执行器的角速度(ω)直接相关。因此，PPM电机的消耗可通过以下方程式(Eq.2)估算：
Figure BDA0002712794030000191
从该方程(Eq.2)可以看出，本致动器500消耗的功率与电动机旋转的速度成正比。该方程式中的唯一其它变量是每个脉冲Ep中包含的能量，因为在致动器设计期间脉冲数是固定的。根据一个实施例，脉冲数是四个(Np＝4)。这些脉冲中使用的能量控制所产生磁场的强度，从而产生不同水平的转矩。通过调节两个变量ω和Ep，控制由致动器500产生的速度和转矩。
该方程(Eq.2)还表明PPM致动器500的功耗遵循与常规电动机所遵循的趋势相反的趋势。实际上，从现有技术图1可以看出，传统的直流无刷电动机随着速度的增加(由于反电动势)而消耗的功率减少，而如图14所示，本致动器500的功耗随速度而线性增加。该线与原点相交为零，因为致动器500可以无限期保持给定转矩而不会消耗任何动力。功率输入和速度之间的这种线性关系也意味着非常特殊的效率曲线。实际上，从以下方程(Eq.3)可以看出，对于给定转矩，致动器500的效率η是一个常数：
Figure BDA0002712794030000192
假定当前致动器500的效率是恒定的，它将不可避免地与常规电动机的效率曲线相交(以零速度下的零效率开始)。为了说明这种现象，图14将本PPM致动器500的效率(Pin/Pout)与直径和长度非常相似的现有技术Maxon 339286直流无刷电动机进行了比较。与两条曲线相交的点的速度代表操作范围的上限值，其中致动器500总是比传统电动机更高效。然而，由于效率是瞬时测量，因此对于给定的应用，它可能不是每个致动器优点的最佳指标。一个更现实的指标可能是总体能耗。例如，诸如机器人抓紧之类的应用涉及大量的转矩保持时间。在这样的任务中，即使(在旋转时)PPM致动器500有时效率比常规电动机低，但在整个任务过程中PPM致动器500的能耗可能比常规电动机少。根据一个实施例，致动器500能够无限地承受200mN/m的转矩，而尺寸相当的现有技术的Maxon电动机只能连续产生69mN/m。
该特定功率消耗曲线的另一个结果是，与常规电动机不同，在常规电动机中，当电动机需要长时间保持给定转矩稳定时，热量就成为一个问题，本发明的致动器500将随着速度增加而开始过热，因为增加速度需要每单位时间发送更多的能量脉冲。
实验结果
图15表示PPM致动器的500转矩输出，该输出是电容器放电前电容器端电压的函数。每个数据点是五个转矩采集的平均值，由测力计(标记10，M4-10)在距轴旋转中心10厘米处测得。最大转矩约为0.2N·m，也如图8所示。
实验结果-Halbach磁通密度
Halbach阵列产生的磁场密度的实验结果如图17所示。由于电容器的脉冲使Halbach阵列磁化，因此磁通密度与放电前电容器的电压直接相关。使用霍尔效应传感器(Hall effect sensor)，例如Honeywell SS495A传感器，在两个Halbach阵列中的一个的中心测量磁通密度。
脉冲序列运行了五次，并由微控制器自主记录，如图16所示。用于脉冲的电压跨度为1.2kV-100V，间隔为100V，并且在每个电压水平使用十(10)个脉冲。尽管该曲线表示Halbach阵列的磁通密度，但其形状类似于磁化曲线。实际上，在没有施加电流的情况下，在脉冲之后测量磁场密度。测得的磁通密度也相当低，因为使用离散磁体会产生在Halbach阵列中心最弱的非均匀磁场。
实验结果-脉冲特征：
为了磁化铁磁性材料，必须产生大的磁场。但是，这些大磁场仅需要在短时间内(以纳秒为单位)保持不变，即可使磁体的磁畴对齐。
如图11A的滞后曲线所示，使磁体磁化所需的施加磁场取决于磁体的矫顽力及其先前的磁性状态。当定子沿相反方向强烈磁化时，或者如果铁磁材料很难磁化时，则需要高磁场。根据一个实施例，为了使驱动轴508使用最小量的电流脉冲(四个脉冲)进行完整旋转，电容器的电压必须至少为1150V。
图17显示了使用不同电压的电容器在一个Halbach阵列中四个电流脉冲的实验测量。用示波器(Tektronix TDS 1002B)和Rogowsky电流波形传感器(Powertek CWT6B，灵敏度为5mV/A)捕获脉冲。
基于脉冲(i)产生的电流，并使用螺线管中的导线匝数(N)，螺线管长度(l)和螺线管直径(d)，可以根据下式(Eq.5)粗略估算在螺线管中心产生的并应用于相关的定子磁体的磁场(H)，其中
Figure BDA0002712794030000211
Figure BDA0002712794030000212
由于螺线管的宽度大约与螺线管的长度一样长，并且由于使用了多层导线，因此假设所产生的磁场是均匀的，并且Eq.5仅是粗略的近似值。因此，对于电容器的1.2kV充电，产生168A电流脉冲，会产生大约598kA/m的施加磁场，这与定子磁体的特性一致。
电容器中包含的能量由式Eq.6给出。电容器中包含的能量取决于其电压和电容。由于电容是恒定的，电容的电压决定了脉冲的能量。根据式Eq.6，如图6所示，最强脉冲中包含的能量是通过以1200V对电容器充电而获得的，它包含大约11.1焦耳：
Figure BDA0002712794030000213
本发明的致动器500还可导致优化和改进的多种途径，这些途径将允许电动机获得效率，例如：1.改进的电路，以更好地弹性和更好地控制脉冲；2.根据线圈电感和电容器总电容优化电路；3.关于转矩产生，磁场产生和去磁保护的改进的电动机磁场；4.通过将该PPM致动器500与常规电磁电动机的耦合来创建混合电动机，这对于提高电动机带宽和转速可以产生有趣的结果；和5.关于电机控制的努力。
控制致动器的方法
根据一个方面，存在一种控制致动器的方法1800。该方法1800包括接收转子命令1802。转子命令可以指示转子位置，转子转矩或其组合。该方法1800还包括根据转子命令来控制磁场产生装置1804(线圈绕组，强磁体)。当磁场产生装置是线圈绕组时，通过控制能量输入例如能量强度、频率、路径等来执行控制1804。当磁场产生装置是强磁体时，通过控制强磁体相对于定子的距离来执行控制1804。该方法1800还包括磁场产生装置根据控制1804产生磁场1806和用产生的磁场改变定子的磁化1808。定子的磁化也会影响定子的磁阻(例如磁电阻)。该方法还包括根据定子的改变的磁化强度产生可变控制的磁场1810。产生的磁场具有可变地受控的形状和强度，其根据接收到的命令，至少部分地由定子的磁化确定，以便使转子1812运动。
应当认识到，根据接收到的转矩命令1802，转子1812的运动可以仅涉及由定子和转子的组合磁场产生的转矩变化，而无需改变转子1812的位置。
此外，如图18的图表所示，一旦改变定子的磁化1808，由磁场产生装置产生的磁场就可以撤回1809，而不影响磁场1810的产生或转子1812的运动。
此外，应认识到，当改变定子的磁化1808时，可以替代地修改转子的磁化而不背离方法1800。
材料影响装置
根据一个方面，存在一种材料影响设备，该材料影响设备产生磁场以影响由运动的带电物质或颗粒产生的另一磁场，例如在高能物理中使用的。例如，影响装置产生磁场以引导、聚焦、散射或偏离带电粒子，例如在粒子加速器，激光或等离子体容纳系统中。在常规的永磁装置中，磁场是固定的，并且磁场的控制是不可能的。使用基于导体(例如线圈)中的电流的瞬变磁场的设备在操作期间也不断消耗能量。本发明的由磁化的硬铁磁材料制成的材料影响设备允许操作者控制和调制磁场，并且不需要进一步的能量输入。
以上实施例仅是示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到，可以在不脱离本解决方案的范围的情况下对所描述的实施例进行改变。例如，可以以任何合适的方式将与每个永磁体相关的线圈缠绕在永磁体周围，以控制磁场的产生。实际上，线圈绕组是一种磁场产生装置，其可以影响磁场的形状、边界、强度或任何其他可控制的性质。在不脱离本解决方案的范围的情况下，线圈可以成形为麦克斯韦(Maxwell)或亥姆霍兹(Helmholtz)线圈。而且，任何合适的导电材料和线规都可以用于布线中，例如具有20AWG(美国线规)线规的铝线。
此外，线圈绕组或螺线管可以由能够改变铁磁材料或磁体的磁性的任何其他类型的磁场产生设备，方式或其组合代替。例如，加热可以帮助产生或消除铁磁材料的磁化。振动的施加也已显示出增强铁磁性材料保持磁场的能力，并且机械冲击已显示出有助于使铁磁性材料消磁。最后，循环施加在例如另一个永磁体中的外部磁场可以使给定的铁磁材料磁化或消磁。因此，如图19所示，可以具有一种机制，其中强磁体1901围绕定子旋转或在定子中旋转，并用于向其他永磁体1902和铁磁材料施加强磁场。在图19中，有两个径向定位的磁体1901，它们可移动以从定子永磁体1902接近或抽出，以改变其磁化并影响在目标区域1904中产生的磁场。在致动器的情况下，目标区域1904可以适于容纳转子。在粒子加速器的情况下，目标区域1904可以适于接收材料或粒子。
还应认识到，本文所述的硬铁磁材料可用于任何其他类型的电磁致动器拓扑中，以提高性能或附加能力。例如，硬铁磁性材料的磁化可用在广泛运行的电动机如存储电动机中，或使用永磁体的电机(例如双凸极永磁体电机)中，或在磁通量开关电机中。而且，硬铁磁材料的磁化可用于可变性能发生器。
此外，涉及旋转系统的上述实施例可以由线性系统代替。而且，在旋转系统的情况下，在一些实施例中，作为第一主体的转子和作为第二主体的定子可以互换，以作为第二主体的转子和作为第一主体的定子。而且，在一些实施例中，转子和定子中的任一个可以是硬质铁磁材料，但是在其他实施例中，转子和定子中的任一个可以是诸如铁的铁磁材料，而不背离本致动器的范围。
还应当认识到，在混合致动器中，适于以低旋转速率提供相对高转矩的本致动器500可以与适于以高旋转速率产生相对低转矩的常规致动器相关联。因此，混合动力致动器适于以任何旋转速率提供期望的转矩水平。例如，如图14所示，本发明的致动器500可以在低于135RPM的转速下提供更好的效率，而传统的致动器，例如Maxon 339286，可以在高于135RPM的转速下提供更好的效率。致动器500适于根据所需的旋转速度和常规致动器的控制来控制。

Claims (31)

1.一种致动器，包括：
第一主体，所述第一主体是铁磁材料；
至少一个第二主体，所述第二主体是单一磁化的铁磁材料，所述的至少一个第二主体与所述的第一主体邻近；
磁场产生装置，其与所述的至少一个第二主体中的每一个相关联并且适于在至少一个相关联的第二主体附近产生磁场；和
控制器，其适于控制所述的磁场产生装置，以便产生适于改变所述的至少一个相关联的第二主体的磁化的受控磁场，进而与所述至少一个第二主体产生所需的磁场以使所述的第一主体或所述至少一个第二主体中的一个根据所预期的位置或根据所预期的转矩相对于彼此移动，其中，所述的转矩由所述的第一主体以及所述的至少一个第二主体的所需磁场产生；
其中，即使在施加受控磁场之后仍保持所期望的位置或所期望的转矩，并且即使存在由于所述的第一主体和所述的至少一个第二主体之间的相对运动而产生的磁场，所述的至少一个第二主体也保持其改变的磁化。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述磁场产生装置适于产生大于200kA/m的受控磁场。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的致动器，其中，所述磁场产生装置是连接到电源的线圈绕组，并且所述控制器适于利用高瞬态电流脉冲来控制所述磁场产生装置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的致动器，其中，所述第一主体是硬铁磁材料。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的致动器，其中，所述控制器适于选择性地改变所述至少一个第二主体的磁化。
6.根据权利要求5所述的致动器，其中，所述至少一个第二主体中的每一个产生各自的转矩函数。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的致动器，其中，所述至少一个第二主体是铁磁材料，且其固有矫顽力(Hci)值大于200kA/m，剩磁(Br)值大于0.4Tesla。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的致动器，其中，有至少两个第二主体，并且所述的至少两个第二主体以Halbach阵列布置。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的致动器，还包括多个致动层，且每个致动层包括所述的第一主体和所述的至少一个第二主体。
10.根据权利要求9所述的致动器，其中，其中所述控制器适于改变所述至少一个相关联的第二主体的磁化，以便分别在所述多个致动层的每个层中产生所需的磁场。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的致动器，其中，所述第一主体和所述至少一个第二主体中的一个是定子，且所述第一主体和所述至少一个第二主体中的另一个是转子。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的致动器，其中，所述致动器是线性致动器。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的致动器，其中，所述控制器适于改变所述至少一个相关联的第二主体的磁化，从而与第一主体以及至少一个第二主体所需的磁场在较低的RPM(每分钟转数)下产生高转矩。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的致动器，其中，所述控制器适于根据另一致动器来接收控制命令。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的致动器，其中，所述控制器适于控制所述磁场产生装置，以便产生适于改变所述第一主体的磁化的受控磁场。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的致动器，其中，所述控制器适于控制所述磁场产生装置，以便产生适于改变所述第一主体的磁化的受控磁场。
17.一种磁场产生装置，包括：
至少一个永磁体，所述至少一个永磁体以Halbach阵列布置，所述至少一个永磁体中的每一个均具有相关的磁场产生装置；和
控制器，其适于控制相关的磁场产生装置，以便产生适于改变所述至少一个永磁体的磁化以产生期望磁场的受控磁场，即使在产生受控磁场之后，至少一个永磁体的磁化强度和所需磁场也保持不变。
18.根据权利要求17所述的磁场产生装置，其中，所述至少一个永磁体的固有矫顽力值大于200kA/m(Hci>200kA/m)，且剩磁值大于0.4Tesla。
19.根据权利要求17或18中的任一项所述的磁场产生装置，其中，所述关联的磁场产生装置是连接到电源的线圈绕组，并且其中所述控制器适于以高瞬态电流脉冲来控制所述磁场产生装置。
20.根据权利要求17和19中的任一项所述的磁场产生装置，其中，所述的期望的磁场为放置在所述期望的磁场中的另一个运动主体提供期望的运动或期望的转矩。
21.根据权利要求20所述的磁场产生装置，其中，所述期望转矩具有近似正弦形状的转矩函数。
22.根据权利要求17至21中的任一项所述的磁场产生装置，其中，所述至少一个永磁体是致动器中的定子或转子中的一种。
23.一种带电或磁化的材料影响设备，包括：
一种永磁体，其固有矫顽力(Hci)值大于200kA/m，且剩磁(Br)值大于0.4Tesla；
与所述的永磁体相关的磁场产生装置；和
控制器，其连接到所述磁场产生装置并适于控制所述的磁场产生装置以产生受控磁场来可变地改变所述永磁体的磁化，为了产生所需的可变磁场并影响置于所需的可变磁场中的带电或磁化材料，其中，即使在施加受控磁场后，也能保持永磁体的可变磁化。
24.根据权利要求23所述的材料影响设备，其中，所述永磁体的固有矫顽力(Hci)值大于250kA/m。
25.根据权利要求23和24中的任一项所述的材料影响设备，其中，所述永磁体还进一步包括剩磁(Br)和固有矫顽力(Hci)的比(Br/Hci)大于1.6。
26.根据权利要求23和25中的任一项所述的材料影响设备，其中，所述磁场产生装置是连接到电源的线圈绕组，并且其中所述控制器适于利用高瞬态电流脉冲来控制所述磁场产生装置。
27.根据权利要求23和26中的任一项所述的材料影响设备，其中，所述带电或磁化的材料是颗粒。
28.根据权利要求23和27中的任一项所述的材料影响设备，其中，所述控制器通过控制由电源提供的能量输入的应用来控制所述磁场产生装置。
29.根据权利要求23和28中任一项所述的材料影响设备，其中，所述永磁体是多个永磁体，并且所述磁场产生装置被控制为选择性地并且可变地改变所述多个永磁体中的至少一个的磁化。
30.一种机器人夹持器，包括如权利要求1至16中任一项所述的致动器。
31.一种制造产品的方法，包括使用权利要求30所述的机器人夹持器来操纵所述产品。
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