CN1419732A - 具有补偿线圈的线性音圈致动器 - Google Patents

具有补偿线圈的线性音圈致动器 Download PDF

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Abstract

提供了一个致动器，其中使用了一个或多个分离的补偿线圈以改变在空隙中的磁通密度分布，以在整个冲程期间产生一个基本上恒定的力；而且其中在分离的补偿线圈中的电流能够使用分离的电源和位置反馈用冲程进行调整。

Description

具有补偿线圈的线性音圈致动器
相关申请
本申请在35 U.S.C.119(e)下要求享受于2000年3月28日提出的临时申请60/192,999的优先权。
技术领域
本发明通常涉及线性致动器，尤其是涉及补偿由在音圈致动器的可动线圈中的电流产生的磁通量。
背景技术
音圈致动器是提供与施加到一个线圈上的电流成比例的力的电磁设备。授予本申请受让人的美国专利5,677,963是这种音圈致动器的一个例子，而且在此被全部包含在内作为参考。
线性音圈致动器的不同配置能够提供不同形状的力(Force)相对冲程(Stroke)的曲线。然而，在没有增加可动线圈中的功率级时，这些形状不能被改变。但是，由于主要磁场和电枢反应的一个给定分布，甚至这个措施也仅仅实现了有限的结果。
在一个伺服系统中，在某个冲程内保持恒力或者等速可能是必需的。题为“Voice coil motor”的美国专利5,177,383公开了用于试图获得这种特性的、具有减小圈数的线圈。然而，由于在那些线圈中的圈数被减少了，所以当可动线圈从一个位置移动到另一个位置时在那些圈中的电流不能被调整。
发明概述
依据本发明，使用了一个或多个分离的补偿线圈以改变在空隙中的磁通密度分布，以在尽可能多的冲程中产生恒力。能够使用分离的电源和一个位置反馈，用冲程调整在分离的补偿线圈中的电流。
在考虑到下列详细说明和附图后将会更容易地理解本发明的这些及其它特征。
附图简要说明
图1是本发明中的一个闭合线性音圈致动器实施例的一个简化横截面。
图2是本发明中的一个开口线性音圈致动器实施例的一个简化横截面。
图3和4分别描述了依据本发明，就位于磁铁末端和磁心周围的补偿线圈的输出力的一个给定恒值来说，所要求的以安匝表示的磁动势相对冲程的特性。
图5和6描述了依据本发明、两种不同类型的补偿线圈中的力(Force)相对冲程的特性。
图7是一个简化的功能方框图，依据本发明举例说明了连接补偿线圈到分离的电源，且到补偿线圈的补偿电流值被控制作为冲程的一个函数。
详细说明
参见图1，依据本发明，补偿线圈、例如10-A能够被直接缠绕在磁心12的周围；或是补偿线圈、例如10-B和10-C能够位于在磁铁18和致动器的场体(field blank)22的内表面20之间的空腔、例如空腔14和16中。补偿线圈10-A、10-B和10-C能够被使用在闭合的致动器中，如图1所示，而且能够被用在开口的致动器中，如图2所示。
在图1所示的本发明的闭合的实施例中，能够发现提供了一个磁心补偿线圈10-A。一个永久磁铁18相对于磁心12放置，以便使永久磁铁18的纵轴基本上与磁心12的轴平行。由软磁性材料制成的场体22被用来在磁心12的末端和永久磁铁18周围之间形成一个磁路。
依据本发明的一个音圈致动器能够具有各种形状，包含一个长方形的配置和一个圆柱形的配置。在以下部分中将会描述一个长方形的实施例，作为一个例子，应当明白在本发明的精神内部具有其它形状。对本领域技术人员来说，尽管在这些图中并没有显示，但是能够使用支架或其它连锁机构来把动线圈连接到致动器的负载。这些支架或其它连锁机构能够延伸直到在该致动器的场体22中形成的纵向槽。
在图1的实施例中，永久磁铁18具有一个长方形的形状。场体22具有一个长方形的形状和闭合的末端。永久磁铁18被放置在场体的内表面上，并且具有一个这样选择的长度，以便在场体22的末端的内表面20和永久磁铁18之间限定空腔14和16。永久磁铁18的内部尺寸和磁心12的外部尺寸被这样选择，以便在它们之间形成一个间隙。动线圈24被构造得可放置在这个间隙中并且可沿着这个间隙移动。尽管未显示，但是本领域普通技术人员将会意识到，动线圈24能够通过延伸到场体22外部的连接以一种传统的方式进行控制。
在本发明的闭合的实施例中，补偿线圈10-B或10-C能够分别被放置在空腔14或16中的一个或两个中，其中空腔14和16已经在永久磁铁18和场体22的内表面20之间形成了。做为选择，能够使用一个缠绕在磁心周围的磁心补偿线圈10-A。磁心补偿线圈10-A能够被构造得基本上延伸到磁心12的全部长度。
在图1中提供的结构允许改变在该间隙中的通量密度分布。接下来，这允许通量密度的控制作为冲程的一个函数。因此，通过控制在补偿线圈中的磁动势(MMF)，人们能够控制致动器的特性以具有在横穿该冲程的恒力、或其它希望的性能特性。
除了该场体的一端开路之外，图2中的开口实施例类似于图1中的那个实施例。
静止的补偿线圈10-A、10-B和10-C能够与动线圈24以这样一种方式串联连接，以便使得它们的磁通量对由动线圈24中的电流生成的磁通量产生消极影响，由此减少了电枢反应和生成的电感，并且导致致动器的一个更快的响应。在这种情况下，一条新的力对冲程的曲线通常将反映在该冲程期间增加的输出力。
然而，如果在大部分冲程期间需要有一个“定制的(tailored)”力，则补偿线圈应当被连接到一个分离的电源26，如图7所示。一个位置反馈设备28将被用于把补偿电流的有效控制作为冲程的一个函数。在图3和图4中的、描述了就输出力的一个给定恒值来说以安匝表示的磁动势相对冲程的特性的曲线中，提供了这种补偿电流的例子。
图3显示了用于补偿线圈10-B和10-C的以安匝表示的补偿线圈MMF，它在688 LB/M的恒力时作为冲程的一个函数。因此，例如，从图3中能够看出，在-0.92的一个冲程位置，用于补偿线圈10-C的MMF能够被控制为1000安匝，以便使致动器在那个冲程点处提供一个688 LB/M的力。将在补偿线圈10-C和10-B中提供的MMF能够以一种类似的方式从图3中为其它移动线圈位置进行标识。
图4显示了用于磁心补偿线圈10-A的、以安匝表示的磁心补偿线圈MMF，它在684 LB/M的恒力时作为冲程的一个函数。例如，从图4中能够看出，在0.37的一个冲程位置，用于磁心补偿线圈10-A的MMF能够被控制为1500安匝，以便使致动器在那个冲程点处提供一个684 LB/M的力。将在磁心补偿线圈10-A中提供的MMF能够以一种类似的方式从图4中为其它动线圈位置进行标识。
图3和4中的上述曲线的比较表明：位于在磁铁18和磁结构内壁20之间的间隔14和16中的补偿线圈10-B和10-C在冲程开始时倾向于更加有效，而磁心补偿线圈10-A看来似乎加宽了朝向冲程终端的恒力区域以考虑线圈的从左到右的移动。
在图5和图6中给出了两种不同类型的补偿线圈的力对冲程的特性。图5使用补偿线圈、诸如10-B和10-C说明了力对冲程的特性，而图6使用磁心补偿线圈、诸如10-A说明了力对冲程的特性。在图5和6中，绘制了由菱形符号表示的点的曲线表示了其中施加的MMF(IccNcc)等于0安匝(A-T)的情况。另一个曲线表示提供的MMFs如下：
    符号     MMF(A-T)
    正方形     1200
    ″x″     3600
    ″x″加垂直线     4800
从图5中能够看到，由于在补偿线圈10-B或10-C中提供了增加的MMF，所以朝向冲程终端的力能够由补偿线圈以比其余冲程成比例的更大程度增加。相反地，从图6中能够看出，与补偿线圈10-C或10-B相比，磁心补偿线圈10-A在由致动器产生的力上的作用向接近冲程中心处移动。
取决于一个特殊的应用，能够可想象地利用两种类型的补偿线圈10-A和10-B、10-C。
应当注意到，这种补偿线圈的利用增加了到致动器的输入功率。然而，增加了的耗散发生在连接到一个相对大的散热器的静止线圈中，与不具有这种散热器的动线圈相反。此外，在一个动线圈内部生成的热量不会变化。
补偿线圈方案已经被描述为施加到线性音圈致动器仅仅作为一个例子。能够在循环的音圈致动器上使用相同的方法。
在此已经使用的术语和表述是用于描述而不是限制的术语，而且在使用这种术语和表述中没有意图排除所显示和描述的特征的等效物、或它的部分，应当意识到在本发明要求保护的范围内可能进行各种修改。

Claims (26)

1.一种音圈致动器，包含：
一个具有一个轴的磁心；
一个具有一个纵轴的永久磁铁，而且被放置得使永久磁铁的纵轴基本上平行于磁心的轴；
一个动线圈，被放置得沿着磁心轴与永久磁铁相互作用；以及
一个补偿线圈，被放置得与动线圈相互作用，其中在该补偿线圈中的磁动势被控制为动线圈位置的一个函数。
2.一个致动器，包含：
一个磁心；
一个具有一个纵轴的永久磁铁，而且被放置得使永久磁铁的纵轴基本上平行于磁心的轴；
一个动线圈，被放置得沿着磁心的轴与永久磁铁相互作用；以及
一个补偿线圈，被放置得与动线圈相互作用，并且具有一个被控制为动线圈位置的一个函数的磁动势。
3.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于：补偿线圈被放置在磁心周围。
4.如权利要求3所述的致动器，其特征在于：补偿线圈基本上向前延伸到磁心的全部长度。
5.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于：永久磁铁被相对于磁心放置以在磁心和永久磁铁的一端之间限定一个空腔；而且补偿线圈被放置在该空腔中。
6.如权利要求5所述的致动器，其特征在于：补偿线圈填充该空腔。
7.如权利要求5所述的致动器，其特征在于：在永久磁铁的另一端处在永久磁铁和磁心和之间限定第二空腔，而且此外，另外一个补偿线圈被放置在第二空腔中。
8.如权利要求4所述的致动器，其特征在于：永久磁铁被相对于磁心放置以在磁心和永久磁铁的一端之间限定一个空腔；而且此外，在该空腔中放置第二补偿线圈。
9.如权利要求8所述的致动器，其特征在于：在永久磁铁的另一端处在永久磁铁和磁心和之间限定第二空腔，而且此外，另外一个补偿线圈被放置在第二空腔中。
10.如权利要求7所述的致动器，进一步包含一个放置在磁心周围的磁心补偿线圈。
11.如权利要求1或2所述的致动器，进一步包含：
一个位置传感器，对动线圈的位置做出响应；以及
一个电源，对该位置传感器做出响应并且连接到补偿线圈上。
12.一个致动器，包含：
一个场体，形成一个外壳；
一个磁心；
一个具有一个纵轴的永久磁铁，被放置在外壳中，并且被放置得使永久磁铁的纵轴基本上平行于磁心的轴；
一个动线圈，被放置得沿着磁心的轴与永久磁铁相互作用；以及
多个补偿线圈，被放置得与动线圈相互作用，并且被控制作为动线圈位置的一个函数，它们包含：
一个磁心补偿线圈，被放置在磁心周围；
第一补偿线圈，被放置在在永久磁铁的一端和外壳之间形成的一个空腔中。
13.如权利要求12所述的致动器，进一步包含第二补偿线圈，被放置在在永久磁铁的另一端和外壳之间形成的第二空腔中。
14.如权利要求13所述的致动器，进一步包含：
一个位置传感器，对动线圈的位置做出响应；以及
多个电源，其中每个电源对位置传感器做出响应，并且被连接以向磁心补偿线圈、第一补偿线圈、和第二补偿线圈中的相应一个提供作为动线圈冲程的一个函数的电源。
15.如权利要求4所述的致动器，其特征在于：致动器是封闭的。
16.如权利要求4所述的致动器，其特征在于：致动器是开口的。
17.如权利要求10所述的致动器，其特征在于：致动器是封闭的。
18.如权利要求10所述的致动器，其特征在于：致动器是开口的。
19.如权利要求14所述的致动器，其特征在于：致动器是封闭的。
20.如权利要求14所述的致动器，其特征在于：致动器是开口的。
21.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于：致动器具有一个矩形横断面。
22.如权利要求1或2所述的致动器，其特征在于：致动器具有一个圆柱形的形状。
23.一种音圈致动器，包含：
一个场体，形成一个外壳；
一个磁心；
一个具有一个纵轴的永久磁铁，而且被放置得使永久磁铁的纵轴基本上平行于磁心的轴；
一个线圈，被放置在磁心周围以便可向前移动，并沿着磁心的轴与永久磁铁相互作用，其中在可移动线圈和永久磁铁之间的一个空隙中产生磁通量；
一个补偿线圈，被放置得与可移动线圈相互作用；以及
一个电源，连接到补偿线圈以便在补偿线圈中产生磁动势，而且该磁动势的大小是可移动线圈沿着磁心位置的一个函数以改变在空隙中的磁通量。
24.如权利要求23所述的音圈致动器，其特征在于：补偿线圈被放置在磁心周围。
25.如权利要求23所述的音圈致动器，其中磁心、永久磁铁、动线圈和补偿线圈被放置在由场体形成的外壳中，并且其特征在于：补偿线圈被进一步沿着永久磁铁的纵轴放置在永久磁铁的一端处，并且在在永久磁铁和场体之间的一个空腔中。
26.如权利要求25所述的音圈致动器，其特征在于：音圈致动器具有一个矩形横断面。
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