CN1712676A - 用于发动机电子气门驱动系统的改进型永磁铁电磁驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机中驱动气门的气门驱动器，气门驱动器包括：至少一个电磁铁，其具有缠绕在芯周围的线圈，至少一永磁铁至少部分地设置在芯内，和邻近电磁铁的驱动构件，所述驱动构件连接于枢轴且被设置为通过电磁铁的激活可枢轴移动，以引起至少一个气门开启和关闭的动作。

Description

用于发动机电子气门驱动系统的改进型永磁铁电磁驱动器

技术领域

本发明涉及连接于内燃机汽缸气门的机电式驱动器，具体地来说涉及双线圈气门驱动器。

背景技术

用于驱动发动机汽缸气门的机电式气门驱动器需要克服系统的几个特性。首先，气门开启关闭期间的气门降落(landing)会产生噪音并造成磨损。因此，希望气门降落控制部分能减少接触力，从而降低损耗，减少噪音。然而，在现有技术的一些驱动器中，衔铁(armature)和芯(core)之间驱动器磁力变化对应于气隙长度(dF/dx)的变化，若气隙窄小(如降落过程中)则其变化速率很大。如上所言，难以精确控制衔铁和/或(气门)座(seat)的降落速度。

其次，气门的开关时间可能大于期望值，如3毫秒。也即是说，由于限制力的产生，上述有些系统转换时间可能过于缓慢从而导致发动机最大功率降低。

第三，电动气门驱动(EVA)系统的功率消耗对车辆燃料经济性、发动机最大功率和电源的尺寸/成本产生极大影响。因此，保持性能的同时降低驱动器的能量消耗是有利的。

在日本专利JP 2002130510A中描述了一种具有永磁铁的发动机中机电式气门驱动器的设计方法。如多幅附图所示，邻近设有气隙的线圈下设有永磁铁，目的是通过令永磁铁宽度(图4中的“Wm”)大于中心极宽度(图4中的“Di”)来增加芯极的磁通量密度。靠近永磁铁两端的气隙39用来限制漏磁通。显然，为了进一步提高芯极的磁通密度，图9中永磁铁横截面形状从平直的改为V字形状。

上述配置导致中心极(Wm)的底部部分宽于顶部部分(Di)以容纳设在线圈下方永磁铁。在此发明人发现此两个技术特征导致了数个不足之处。

第一个方面，该配置将要求线圈阻抗增大或驱动器高度加大。也即是说，为了给永磁铁提供空间，或要求增加驱动器的高度(补偿线圈的空间损失)，或要求加大线圈的电阻(若芯体的高度不变)。

第二个方面，驱动器高度也限制了磁通量的增强效果。也即是说，线圈下永磁铁有用空间的大小被诸如包装等等条件所限制。因此，即使磁通量有增大的可能，也是以高度受限为代价(如被限制)的。

还有通过采用永磁铁提高驱动器的性能的尝试。例如美国专利US 4,779,582描述了这种驱动器。然而，本发明的发明人发现，尽管这种方法能产生低的dF/dx，但由于永磁材料对磁强的限制其产生的磁力是低的。替代性的另外一些方法，如美国专利申请序列号10/249,328，(已转让给了本申请的受让人)，可以增加磁力，却不能降低衔铁和气门降落速度控制的dF/dx。

发明内容

上述缺点的至少一些能被至少部分克服的一个举例，一种内燃机中驱动气门的气门驱动器，所述气门驱动器包括至少一个电磁铁，其带有缠绕在芯周围的线圈，至少一个永磁铁至少部分地设在芯内，和设在电磁铁邻近位置驱动构件，所述驱动构件连接于枢轴且被设置为通过电磁铁的激活可枢轴移动，以引起至少一个气门开启和关闭的动作。

这样，在某种情况下可获得多种不同的好处，例如在保持减少的dF/dx和dF/di(有助于控制气门降落)的同时减少阻力，减少转换时间，增加力的输出。

附图说明

参考附图阅读实施方案的例子可以更全面地理解所述的优点，此处称为具体实施例说明。

图1是显示了各个组件的发动机示意图；

图2是用于内燃机进气门或排气门的气门驱动器组件的实施例的剖面示意图；

图3显示现有技术系统中的驱动器的磁力作为气隙的函数的图表；

图4是气门驱动器实施例的剖面示意图；

图5是驱动器磁力作为气隙的函数，现有技术系统与本发明实施例作比较的图表；

图6-23是气门驱动器可选实施例剖面示意图；

图24A-B是气门驱动器的两面视图，包括衔铁杆以说明干扰的可能性；

图25A-B显示三段式气门驱动器的两面视图；

图26-34，34A，36-37和38(A-J)显示各种各样的气门驱动器的实施例的剖面示意图；

图35显示含有和不含凹室的驱动力的图表；

图39是杆式气门驱动器的示范实施例的剖面示意图；

图40是杆式气门驱动器的另一个示范实施例的剖面示意图；

图41是图40实施例中的电磁铁及其结合的永磁铁的剖面示意图，示出了电磁铁线圈电流方向和永磁铁的极性；

图42是图40实施例中的电磁铁的磁通和永磁铁的磁通经过芯体和驱动构件的磁通路径的示意图。

具体实施方式

本发明描述一种具有优越工作性能的电磁驱动器，特别是用来驱动内燃机气门的电磁驱动器(如图1-2所示)。改进的驱动器能降低成本、减少对组件的要求，同时又保持所需的性能。

作为总体背景，介绍几种机电式发动机气门驱动器所面对的障碍。

首先的例子，问题涉及发动机噪音和气门耐久性。每两个发动机曲柄旋转过程中，每个发动机气门的EVA驱动器的衔铁“降落(land)”于上下芯一次，衔铁杆降落气门杆一次，气门降落气门座一次(四次冲击)。为了达到发动机噪音控制标准，衔铁和气门的降落速度控制在某特定值内。然而，衔铁和芯之间的驱动磁力相对应于气隙长度(dF/dx)的变化，当气隙窄小时其变化速率很大，如图3的现有技术所示，因此难以控制衔铁和气门座的降落速度。因此，一些EVA系统噪音增大，除非能安装复杂的演算法控制装置。衔铁和气门高降落速度产生的另一问题涉及到气门的持久性。由于EVA驱动器在车辆寿命中要经受上百万次的循环，衔铁和气门的高速降落速度会缩短EVA的使用年限。

第二个问题涉及气门打开/关闭的转换时间。在某些情况下，特别是发动机高速运转的时候，为了达到发动机最大功率的要求，气门开关的转换时间必须小于某个特定值(例如，～3毫秒)。现有技术的驱动器由于限制力的产生能力，转换时间无法达到所要求的开关时间。故此，装有EVA的发动机提供的最大功率小于装有普通凸轮轴驱动气门的发动机。

第三个问题涉及EVA系统的能源消耗量。由于EVA系统的能源消耗量直接影响车辆的燃料经济性、发动机最大功率和电源系统的尺寸、价格，因此希望能够尽量减少EVA系统的能源消耗量。

以下多个实施例描述了解决上述问题的气门驱动器，并具备其他优点。在一个例子中至少有一个上述问题得到解决，通过采用独特安排的永磁铁(PM)材料，使dF/dx、转换时间和驱动器能源消耗减少，而驱动器力产生能力增加。

参看图1显示的内燃发动机10。发动机10是载人车辆或公路卡车的发动机。

发动机10可通过曲轴13连接扭矩转换装置，扭矩转换装置可通过涡轮轴连接于变速器(transmission)。扭矩转换装置有一个可咬合的、脱离的或部分咬合的旁路(bypass)离合器。当离合器是脱离的或是部分咬合的，扭矩转换装置就被称为处在解锁状态。涡轮曲轴又称为传动输入曲轴。变速器包括具有多个可选的离散的齿轮齿数比的电控传动。变速器还包括多个其他齿轮，例如，主传动比齿轮。变速器也可通过轴连接于轮胎。轮胎连接车辆与道路。

再回到图1，内燃机10包括多个汽缸，图中显示一个汽缸。发动机由发动机电子控制器12控制。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，活塞36设在汽缸壁32其中并连接曲柄轴13。燃烧室30分别通过进气门52和排气门54连通进气歧管44和排气歧管48。排气氧气传感器16连接于发动机10的排气歧管48，并处在催化转换器20的上游。在一个例子中，转换器20是在化学计量法工作期间转换排气的三元催化剂。在一例子中，至少一个，或可能两个气门52和54由仪器装置210电子控制。

进气歧管44与节流阀体64通过节流板66互相连通。节流板66由从ETC驱动器69接收信号的电机67控制。ETC驱动器69从控制器12接收控制信号(DC)。在可选实施例中，不使用节流阀，气流只受气门52和54控制。进一步地，当采用节流阀时，如果气门52和54退化时可用来降低气流，或产生真空抽吸再循环废气(EGR)，或抽吸来自设有控制燃料蒸气量气阀的燃气蒸气贮存系统中的燃料蒸气。

所示进气歧管44还设有连接其上的燃料喷射器68，正比例于控制器12信号的脉冲宽度(fpw)来注入燃料。燃料被注入燃料喷射器68是通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨道(未示出)的常规的燃料系统(未示出)。

发动机10进一步地包括常规的无分配器点火系统88，通过火花塞92为燃烧室30提供点火火花响应于控制器12。如此处实施例所示，控制器12是普通的微型计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口104、电子储存芯片106(在此具体实例中是电子可编程存储器)、随机存储器108和常规的数据总线。

除了接收以前讨论过的信号，控制器12还接收来自连接于发动机10的传感器的各种各样的信号，包括：由连接于节流阀体64的质量气流传感器110感应到的质量空气流量(MAF)的检测结果；连接于冷却套管114的温度传感器112检测到的发动机冷却剂温度(ECT)；由MAP(进气歧管压力)传感器129检测到的歧管压力，由连接于节流板66的节流阀位置传感器117检测到的节流阀位置(TP)；由扭矩传感器121检测的传动轴扭矩或发动机轴扭矩，由涡轮速度传感器119检测到的涡轮速度(Wt)，此处涡轮速度由测量轴17的速度得到，由连接于曲柄轴13的霍尔效应传感器118检测的表面点火感测信号(PIP)指示了发动机速度(N)。可选地，涡轮速度可通过车辆速度和齿轮齿数比来决定。

继续参看图1，所示加速器踏板130与驾驶员脚部132互相连接。加速器脚踏位置(PP)由脚踏位置传感器134测量并传送信号到控制器12。

在另一可选实施例中，不采用电子控制节流阀，可安装空气旁通阀(未示出)以允许控制量的空气旁通节流板62。在此可选实施例中，空气旁通节流阀(未示出)从控制器12接收控制信号(未示出)。

另外，在另一个实施例中，进气阀52可通过驱动器210控制，排气阀54由顶置凸轮或推杆驱动凸轮驱动。进一步地，排气凸轮可设有液压驱动器来改变凸轮定时，称为可变凸轮正时。

还有一个可选实施例中，只有部分进气阀是电气驱动，其他进气阀(和排气阀)由凸轮驱动。

现参看图2示出的内燃机进气和排气门的气门驱动器组件剖面图。气门驱动器组件210包括上电磁铁212和下电磁铁214。在整篇说明中，“上”和“下”定义为是相对于燃烧室或汽缸的位置，“下”指组件靠近汽缸，而“上”指组件在轴向上远离相应汽缸。衔铁216固定于衔铁轴218且从衔铁轴向外延展，衔铁轴轴向延展穿过上电磁铁212和下电磁铁214的孔，由一个或多个轴衬引导，概括表示为轴衬220。衔铁轴218工作连接于包括气门头232和气门杆234的发动机气门230。衔铁轴(衔铁杆)218设置于杆孔219。由具体应用实施而定，衔铁轴218和气门杆234可进行整合以便衔铁216固定在气门杆234上。然而，在所示实施例中，轴218和气门杆234是隔开的可独立运动的组件。当衔铁216接触上芯252时在轴218和气门杆234之间产生小气隙。可使用多种不同连接或耦合机构将衔铁216在上下电磁铁212，214之间的轴向运动转移到气门230以打开和关闭气门230，从而选择性地连接相应燃烧室或汽缸(未示出)的发动机汽缸顶内238的进气/排气道236。

驱动器组件210还包括上弹簧240，工作配合于衔铁轴218以偏置衔铁216离开上电磁铁212朝向平衡位置，下弹簧242工作配合于气门杆234以偏置衔铁216离开下电磁铁朝向平衡位置。

上电磁铁212包括结合的(associated)上线圈250，上线圈缠绕通过上芯252内的两个相应的槽，上线圈250围绕着衔铁轴218。一个或多个永磁铁254、256大体设在线圈250的槽之间。永磁铁的不同定位参看图4-20作更详细的描述。如述，各种定位可在不同方面提供性能改进，不需要驱动器高度加长，也不需要减少线圈的有效空间(如果需要时两者都可以实施)。

下电磁铁214包括结合的下线圈260，下线圈缠绕通过下芯内262的两个相应的槽，下线圈260围绕着衔铁轴218。一个或多个永磁铁264、266大体设在下线圈260的槽之间。如上面的注释，永磁铁的各种定位参照图4-20作更详细的描述。

一个可选方案是在两个电磁铁中的一个中使用永磁铁材料，也即，上电磁铁或下电磁铁中的任意一个。

在驱动器210工作时，下线圈260的电流被关或者被改变方向来关闭气门230。底弹簧242会向上推动气门230。当衔铁216接近上芯件252时上线圈250通电。电磁铁212产生的磁力将会保持磁铁216的位置，因此气门230处在关闭位置。为了开启气门230，上线圈250的电流关断或者改变方向，上弹簧240将会推动衔铁轴218和气门230向下。然后下线圈26通电保持气门230在开启位置。

本领域普通技术人员可理解，上、下电磁铁212、214在结构和工作上优选相同的。然而，驱动器的上下元件可以根据具体应用选用不同的电磁铁构造。同样地，上述做法也适用于其他部分的普通结构的驱动器的上下部分，尽管不对称的结构无法提供与此处方法的构造(对称或不对称)相同的好处或优点。

如上所示，当驱动器解除激励的时候，发动机机电式驱动气门能被设计成保持在开或关的位置，衔铁由永磁铁产生的磁通支撑。当驱动器解除激励的时候，发动机机电式驱动气门也可被设计成保持在半开位置。在这种情况下，在发动机燃烧工作之前，每个气门运行一个启动循环。在启动期间，驱动器受电流脉冲，按照预定方式使气门处于全闭或全开位置。启动后，气门接着根据所需气门正时(和点火顺序)由一对电磁铁驱动，其一牵引气门开启(下电磁铁)，另一个牵引气门关闭(上电磁铁)。

每个电磁铁的磁性能是这样的，即每次只需要一个单一电磁铁(上或下)被激励。由于上电磁铁在每次发动机循环的大部分时间保持气门在关闭状态，对比下电磁铁上电磁铁工作时间占更大比例。

一个能用来控制气门位置包括位置传感器位置反馈的方法，可以更精确控制气门位置。这可用来改进所有位置控制，和气门降落，以减少噪音和振动。

注意，上述的系统不受限于双线圈驱动器，而是可采用其他类型的驱动器。举例来说，驱动器210可以是单一线圈驱动器。

图4举例说明一个改进后的驱动器设计的实施例。注意图4为清楚显示起见，系统没有示出衔铁轴(如218)。具体地，图4显示带有线圈412芯件410。进一步地，示出一个有转角的永磁铁414的横断面，带有气隙416和418。在一个例子中，气隙紧靠永磁铁，例如，其紧靠磁铁同时芯材将线圈从气隙分隔开。最后，在图4中示出衔铁420。永磁铁414的内表面是北极(N)而外表面(朝向线圈)是南极(S)。图4显示的剖面是一矩形或正方形的驱动器。可选地，驱动器可以是圆的。在这个剖面视图中，两个永磁铁部件均为直线，矩形结构相对于衔铁轴向方向成一角度，每个部件在整个线圈高度内朝向芯件中心成一角度，外端朝向芯件的底部(衔铁端)。如下列的一些图中所示，磁铁的定位可选为在线圈的衔铁端靠在一起。

因此，与相对(上)端比较，在线圈衔铁端、在线圈内部和永磁铁部件的外部之间的内部芯材是较薄的。同样地，与相对(上)端比较，在线圈衔铁端、在永磁铁部件的内部之间的内部芯材是比较厚的。

注意，可采用多个磁铁，以及顶部气隙416也可除去。也注意可采用其他各种不同形状，其中有至少部分永磁铁与衔铁的运动方向成转角。

如图4所示，永磁铁414相对于衔铁420的运动成角。图4示出大约30度的一个角，虽然可采用各种不同的其他角，例如在5-10、5-20、5-80、10-20、20-30、30-40、40-50、50-60、60-70、70-80上或之间。调整角度可改变改进工作的改进量，也能影响驱动器的宽度和/或采用永磁铁材料的量。

图4的实施例的一个有利特征是，永磁铁被设置为永磁铁表面接触芯件的面积大于朝向衔铁的中心极面积。因此，中心极表面的磁通密度可能大大高于永磁铁材料的表面磁通密度，其受限于永磁铁材料特性。进一步地，因为磁力与磁通密度的平方成比例，这一个实施例能增加(在一些例子中明显增加)力的大小，而不必增加驱动器的尺寸。

更进一步地，通过将永磁铁设置成一角度和/或至少部份地在线圈412的槽孔之间，给定的规格条件下不需要采用较大的(较长的)驱动器就可能使用更多的永磁铁材料。进一步地，与磁铁被放置在线圈下面的方案相比，永磁铁材料可更长，而不需要增加芯的整体长度。换句话说，对于一个给定的高度可有更多的磁材料。通过使用更多的磁材料，可进一步增加芯件的磁通密度，在给定条件下藉此可增加磁力。

另外，藉由永磁铁至少部份地设置在线圈412的槽孔之间，这也能为线圈412提供更多空间，从而允许线圈使用更多的铜，这样能降低阻抗减少能量损失，还可减少热生成。因此，与将永磁铁设在线圈下面的方案相比，增加的空间可作为线圈槽区域使用。因此，相同的芯件高度条件下，现有技术的方法因为槽面积较小线圈阻力也会较高。

另外，如图4所显示的气隙设置能减少永磁铁414产生的磁通泄漏。在一个例子中，上气隙416能用来减少在磁铁的顶端附近的磁通泄漏，尽管这能在一些情况下消除。同样地，下气隙418也能用来减少磁通泄漏，且不需要增加驱动器高度，尽管这能在一些情况下消除。

在一个例子中，间隙416之间，分隔气隙416的材料，称为桥式材料430(bridgematerial)，是机械上尽量薄的材料以减少磁通泄漏。同样地对于气隙418，在一个例子中，侧边432和末端434上的桥区域机械上设计成尽量薄的。

可选地，气隙416(或418)和桥材料430(或432，434)能够被去除以消除在此区域的泄漏磁通，从而剖视图中磁铁414顶端会合。

图5示出相对于美国专利US4,829,947的永磁铁驱动器本实施例所作出的改进。从图5可见，当电流是正的时候，磁力大大增加。为释放衔铁需要减少磁力的时候，本实施例驱动器的磁力减少比现有永磁铁驱动器更快速。由于永磁铁处在电流产生的磁路中，驱动器可有低的dF/dx和dF/di(相对电流改变的力的变化速率)，这有益于降落速度控制。由于相同的电流下具有更高的力，本实施例的驱动器能使用更高强度的弹簧来减少转变时间和/或相同的力下减少电流来降低驱动器耗电量，且不需要加大驱动器高度。

同样地，相对于现有的设计，另外一个优点是，这种方法无需增加驱动器的尺寸(高度)就能获得利益。

图5示出上述实施例对比于现有技术方法的磁力比较，结果经处理。

上述的实施例可以作出多种变化，一些替代选择实施例在图6-20中示出。

现在参看图6示出的可选实施例，永磁铁614沿着仅部分线圈高度伸出，并采用一个可选的气隙616设在磁铁的上接合点。驱动器的其余部分与图4类似。这种结构在某些情况下可改进生产效率。

现在参看图7所示的可选实施例，永磁铁714的定向相对于图4转向，而且采用可选的气隙716设在磁铁的下接合点，同时上端气隙718远离芯件的衔铁端。驱动器的其余部分与图4类似。

此外下图8-21的示意图描述了其他的可选方式。图8还示出与图7类似的一个实施例，区别在于没有气隙，且采用了普通的永磁铁814。具体地来说，图8示出芯件810、线圈812和衔铁820，以及永磁铁814。

永磁铁可选地设在如图9中914所示的下方位置，在非衔铁端上延伸过线圈，提供增强的磁材料改进驱动器工作。图9还显示，线圈内的圆锥形永磁铁末端向外延伸，虽然他们也可以延伸到或延伸过线圈的末端。此外，图9也示出了芯件910、线圈912和衔铁920，以及永磁铁914。

为了改进可制造性，如图10(以及上面的其他例子中所示出的)所示，引进桥结构使芯件成为一个整体。示出的还有孔1016和1018，每个孔可充入环氧基树脂提高芯件整体性，也可为了生产方便而留空。注意任何上述和/或后述气隙也可充入环氧基树脂。此外，图10示出芯1010、线圈1012和衔铁1020，以及永磁铁1014。

也可翻转上述实施例的永磁铁产生其他的实施例。图11示出的例子是在图10的基础上，其中剖面图中磁铁1114的定向相对于1014旋转180度，所以磁铁朝非衔铁端向外延伸。进一步地，图中显示芯1110、线圈1112和衔铁1120，以及永磁铁1114。

进一步地，如图12所示，任何一个上述的实施例可增加一层或多层的永磁铁材料产生其他的实施例。具体地来说，图12示出第一永磁铁层1214和第二层1215，两者的至少部分永磁铁(或所有的永磁铁)位于线圈的槽之间。可选地，部分可设成向衔铁端和/或非衔铁端越过线圈。进一步地，图中显示芯1210、线圈1212和衔铁1220。同样，如果需要可如多个其他实施例所示加入气隙。

此外，在提供改良性能的同时，永磁铁可采用不同的形状。图13示出一个例子，至少部分磁铁相对于衔铁的轴向运动成转角。在这一个例子中，示出永磁铁1314和芯1310、线圈1312和衔铁1320。永磁铁1314有一个U形横断面，U的末端朝向衔铁。

同时，图14示出的实施例在图13的实施例基础上引入桥结构，藉此说明该桥结构和气隙能被用于此处任一实施例。具体地，图14示出了气隙1418，其设在U形永磁铁1416的U的末端，同时示出了芯1410、线圈1412和衔铁1420一起。

更进一步地，图15-16示出以图13-14中示出实施例为基础的实施例，其中永磁铁具有其它可选定位(翻转)。具体地来说，图15示出芯1510、线圈1512和衔铁1520，具有反向永磁铁1516，永磁铁U形剖面的末端远离衔铁端。图16示出芯1610、线圈1612和衔铁1620，具有反向永磁铁1616，永磁铁的U形横断面的末端远离衔铁端。更进一步地，气隙1618也在磁铁1616的U形剖面的末端示出。

在其他可选实施例中，如图17所示，永磁铁能被分段，然而至少一个永磁铁至少部份地位于所述线圈内并相对于衔铁运动的方向成角。具体地来说，示出第一永磁铁片段1714在线圈1712的槽孔之间和第二个永磁铁片段1715之间。进一步地，在一个例子中，间隙1716和1718(或孔，或环氧基树脂填充的孔)可设置在片段之间和在片段的外端。在此例中，间隙1716设在片段1714和1715之间，间隙1718在片段1715和线圈1712之间。同时，图中示出衔铁1720和芯1710。永磁铁分段结构可改进可制造性，而且更容易获得其它可替换的角和不同的磁铁片段，以及其它可能的剖面形状。

在图17的例中，片段1715相对于衔铁1720的轴向运动方向成角，而片段1714相对于衔铁1720的轴向运动方向成垂直角。同时，图中示出片段完全包含在线圈1712内，在一个可选实施例中片段1715可部份地设置在线圈1712内，而且片段1714完全包含在线圈1712内。

图18-20是以图17中所示实施例为基础的进一步的变化，举例说明分段永磁铁在线圈内不同位置的不同定向。举例来说，图18示出片段1814和1815位于远离衔铁1820芯件1810的非衔铁端的位置，不过仍处在线圈1812的槽之间。更进一步，示出气隙1816和1818。图19示出片段1914和1915设在芯1910的衔铁1920端，并处在线圈1912的槽之间。然而，在图19中，片段1915离开衔铁1920向内地成角，然而在图17和18中，片段1815和1715两者离开衔铁向外成角。图19也示出间隙1916和1918。

图20与图19类似，不同之处在于示出一个可选的片段2014和2015的位置，该位置比较靠近芯2010的非衔铁端。图20还示出线圈2012、衔铁2020以及气隙2016和2018。

图21示出另一个可选实施例，与衔铁2120的运动成转角设置永磁铁2114，且不需要将永磁铁设置在线圈2112内，也可克服现有技术得到好处。同时，磁铁的内端和外端的可选的气隙2116和2118也各自被示出。图中示出内侧是北极(N)，而磁铁的外侧是南极(S)。

这样的配置之所以是有益的是由于它能提供增加的内部面积给经过的轴。换句话说，因为磁铁2114剖面在芯2110的中心没有一个中央面积，较多的面积可用于线圈和/或轴。

另外的实施例中，图22-23显示使用一块平的永磁铁的例子。具体地来说，图22显示芯2210、线圈2212和衔铁2220，中心极的一块平的永磁铁2214相对于衔铁2220运动成一转角的。更进一步，图22示出磁铁北极(N)和南极(S)方向。平的永磁铁2214可以各种角度插入中心极。换句话说，在永磁铁和衔铁杆的轴线之间的角可以变动。进一步地，在一个例子中，永磁铁的二个端甚至可以任意角度碰触线圈2212二个槽孔的内部边。

图23显示类似图22的另外的一个实施例，不同之处在于，一或两个永磁铁的端部可增加一个或二个孔(在这情况，间隙2316和2318)成桥结构，桥结构使芯件的迭片结构成为一个整体迭片结构，藉此改进可制造性。具体地来说，图23示出芯2310、线圈2312和衔铁2320，在中心极具有一块平的永磁铁2314、相对于衔铁2320的运动成一角度，和两个气隙2316和2318。

根据上述说明，上述的配置显示驱动器的配置能被改变的各种方法。每个变动能被使用于其他的任何变动。举例来说，永磁铁的多层结构能被任意一个上述的形状或配置采用。

同时，在某些情况下，还可采用其他可选方式。举例来说，在一些配置中，衔铁杆可能干扰在芯体中心加入的永磁铁。具体地来说，根据永磁铁角度和长度，它们可能延伸到如图24A和24B所显示的杆行程的区域之内。具体地来说，图24A和24B显示一个矩形芯2410和线圈2412，以及杆孔2419、衔铁2420和永磁铁2416。更进一步地，图24B示出在杆和永磁铁之间在2450上可能的干扰。

为了解决这个问题，芯可被分为如图25A和25B所显示的三断。具体地来说，图25A和25B显示呈三断(2510A、2510B和2510C)的矩形芯2510和线圈2512，以及杆孔2519，和永磁铁2516B。片断2510B是一个位于2510A和C之间(至少部份地)的内部片断。三断均设有一个让线圈2512通过的位置。

更进一步，图25B是沿着图25A的剖面线B的一个视图，示出片断2510B的剖面。片断2510A和2510C(未示出)的横断面与图24B类似，不同之处在于没有来自杆的干扰，因为杆不突入片断2510A或2510C。同样地，进入线圈的内部区域的永磁铁材料比较少和/或永磁铁突出部分较小(较短)。这样，所有的三个片断2510A-C均设有永磁铁材料，除了片断2510B上有缩短了的材料。

注意，在一个可选实施例中，片断2510B可能是一个没有任何永磁铁材料的无磁性区域，只有片断2510A和2510C含有永磁铁材料。在此例中，片断2510A和2510C中含永磁铁材料，而片断2510B不含。这样，如果需要可以减少磁铁和杆之间的干扰。在这种情况下，因为没有装载磁材料的空间，片断2510B具有更高的机械完整性。更进一步地，这个方案可只需要一个磁铁和一个叠片芯体设计，从而减少制造成本、降低复杂程度。

注意，芯体的各种不同断实际上可以是三个分开的元件，或一个单一元件的三个区。还要注意，虽然图25的实施例采用与图8类似结构的图24的永磁铁结构，但在此可采用任何一种不同永磁铁实施例的结构。举例来说，如果需要可采用各种不同的气隙结构。

在其它可选实施例中，举例来说，磁铁可设置在如图26-31所显示的侧极内。这样，比较于朝向衔铁的侧极表面，磁铁与侧极的接触表面可被增加。因此，在芯体磁极中的磁通密度可高于永磁铁的磁通密度。因此，由于没有潜在的杆/磁铁干扰，可获得如上所述的性能改进。

具体地来说，图26所示实施例类似于前述的实施例，除永磁铁(2614和2615)设置在侧极内线圈的外部。具体地来说，图26显示芯2610、线圈2612和衔铁2620，以及永磁铁2614和2615。在图26的示例中，磁铁2614和2615伸过线圈2612上方和下方。然而在可选实施例中，磁铁2614和2615可比线圈2612的高度更短。

在图26的实施例中，所示磁铁2614和2615均与部分朝向衔铁的南极成角度，也可以反转。更进一步地，所示磁铁2614和2615至少部份设置在线圈2612外部，并朝与衔铁的行程方向成一角度伸出。如上所示，磁铁2614和2615可能向外伸展超过(上方或下方)线圈2612，也可能整体被放置在线圈2612的上端和下端之间。可选地，如图26中所示，磁铁2614和2615可能设在线圈2612的一端内，而延伸越过线圈另一端。此外，尽管图26所示磁铁2614和2615处在中心对称位置中，它们可以根据需要设成非对称的，也可以是不同尺寸、方位、成角和/或不同磁强的。

永磁铁可选地设成其他可能的角度，如图27的2714和2715(举例来说，向非衔铁端成一转角[图27]，而不是向衔铁端成一转角[图26])图27还示出磁铁2714和2715延伸在线圈2712的上下端之间。然而，如上所述，也可采用各种不同的替代选择。例如，磁铁可以是弯曲状的。图27还示出芯2710和衔铁2720。

图28和29举例说明任何前述替代选择如何运用于图26和/或27的实施例。具体地来说，图28和29示出在各种不同的可选方位情形下，设在各个侧极上的双重永磁铁2814、2815和2914、2915。再有，如上所述，可以调整磁铁尺寸和/或方位来改变诸如角度、磁铁的数目、以及磁铁是否伸过线圈2812和/或2912等。进一步地，磁铁也可以是诸如弯曲形状的。另外，图中示出衔铁2820，2920，和芯2810，2910。

图30和31与图26和27类似，不同之处在于调整了磁铁长度，而且在侧极磁铁3014和3015端上增加了示例性的气隙。具体地来说，图30显示衔铁端气隙3016和非衔铁端气隙3018。相似地，图31示出可选方位的磁铁3114和3115的类似气隙(3116和3118)。此外，图中示出衔铁3020，3120，芯3010，3110，和线圈3012，3112。同时，如同以前多次描述，可采用多种改动结构，例如采用弯曲状的磁铁、多段磁铁等等。

在任何一个上述的设计中，可对芯体作更进一步的改动来改进性能，下文中将有更详细的描述。

现在参看图32，示出的是一个改进了的驱动器设计的另一实施方案的示意图。需注意为清楚起见图32示出的系统没有衔铁轴(如218)。具体地来说，图32显示的线圈3212带有芯3210。进一步地，示出成角度的永磁铁横断面3214，上有气隙3216和3218。在一个示例中，气隙邻近于永磁铁，例如，气隙紧密靠近磁铁，芯材将线圈从气隙隔开。最后，在图32中也示出衔铁3220。永磁铁3214的内部表面是北极(N)而外表面(面对线圈)是南极(S)。图32示出矩形或正方形的驱动器的一个剖面视图。如前所述，驱动器可以是圆形的。

在这样的系统中，虽然提供了改善性能，但仍然可以有更多改进可对性能做出进一步的改善。具体地来说，为了减少气门能耗，理想的是当驱动器保持气门处在关闭和/或开启位置时，要增加线圈给定电流的磁力。当驱动器从关闭或开启的位置释放气门的时候，线圈的电流方向可能从正向转变为负向抵抗永磁铁磁通来减少磁力。在此工作模式下，理想的是驱动器产生给定电流下的低磁力以便更快速地释放气门。

图32的线3240示出旁绕磁通，由电流产生并绕过永磁铁。由于磁力与磁通的平方成比例，负向电流产生的旁绕磁通尽管方向已经改变仍然产生磁力。因此，当电流是负的时候，减少旁绕磁通可能减少磁力。

图33示出一个其它可能的芯结构的方案，与在图32中所示方案相比，当电流是正的时候力增加；但是当电流是负的时候力减少。由于磁力与经过极的磁通平方成比例，而与极面积成反比例，除去中心极的两个隅角可减少极面积同时又不减少磁通。因此，对于给定正电流的磁力将增加。当电流是负的时候，磁力与图32方案相比是比较低的，其原因在于，由于隅角上的气隙较大使得相同电流时的旁路磁通是较低的，加之永磁铁有转角

具体地来说，图33示出芯3310，带有凹室3360位于线圈3312附近的极的隅角上。图33示出凹室3360，具有第一个表面3362垂直于永磁铁3314的长度，第二表面3364为倒切面或斜面。然而，可采用各种不同的其他凹室来提供成角的芯体中心极表面，该表面设在邻近线圈3312的外端处。例如，可采用弯曲形的凹室。进一步地，倒切斜面(3364)可由垂直的边缘代替，如下文中对图34更详细的描述所示。另外，还可采用槽口型凹室。

图34显示一个可选的凹室，其设在衔铁端3452，没有斜面因此具有垂直边缘3464。此外，图34所示的凹室也可设在磁铁3414的非衔铁端。具体地，通过去除材料形成凹室3466，永磁铁漏磁减少，相同的电流下磁力增加。在图34的例子中，凹室3466有垂直的边缘3468和成角表面3470。然而，如果需要凹室3466或3460也可采用切面或斜面。凹室(3466和3460)的位置靠近磁铁3414末端(尽管不是连接的)。

图34A显示另外一个实施例，示出凹室3466上的角α和β。在一例子中，角α和β中其一或两者小于90度。用这种方法，可在需要时，以最少的移去材料来提高旁绕磁通减少量。

图35显示在中心极中使用一个凹室相较于不使用凹室结构可预测到的性能改进。

注意，其它可选的凹室可被代替使用或附加于上述凹室。在这些例子中，除去一个或多个极的顶部区域(朝向衔铁)上的一些材料，藉此创造出一个凹室。如上所述，减少了朝向衔铁的极表面面积，且不增加极主体的饱和度。因为主(中心)极体的横断面面积大体上保持不变，所以这是可能的。因为永磁铁的磁通源的特性，即使少量材料从芯体中移除，极中的磁通大致保持不便。因为磁力与磁通的平方成比例，而与极表面面积成反比例，磁力由此可增加。

图36显示芯3610、线圈3612和衔铁3620的一个示例。在此例中，所示第一凹室3680设置在线圈3612内部中心极衔铁端、磁铁3614的末端之间。进一步地，显示第二组凹室3690设在芯3612的侧极的外部边缘，和外侧线圈3612上。注意，可以只采用凹室3680，或只采用凹室3690，或是两者一起采用。更进一步，可缩短衔铁3620长度使其延伸在外部凹室之间，或斜面3690之间。

所示凹室3690和3680具有平的边缘，也可采用弯曲的或多段式形状。进一步地，凹室的角度可改变为更大或更小，而且凹室的尺寸也可改变为更大或更。

图37举例说明如何应用凹室(具体地来说是凹室，或斜面，3790)的具体实施例，其中成角的永磁铁3714设置在芯3710的二个侧(外)极，线圈3712之外。同时，图37显示衔铁3720不伸过任一侧的凹室3790的内部部分的末端。

注意，可用多种方法除去芯材料产生凹室，因此，存在多种提及的芯设计方法的排列组合。如上文和下文所示，任一和所有这些及其他的排列组合可被应用于上述和/或下文的驱动器布局。因此，在磁铁设置和芯设计之间有许多组合方式。图38示出其他可用的凹室结构的例子。具体地来说，图中示出能被使用于芯的衔铁端上、芯3810A-J的侧极和中心极凹室的10个例子(A-J)。注意，每个例子中，只有线圈的衔铁端被显示，而且衔铁未示出。

例A示出设置在侧极的外部边缘的凹室3870，其与图36中的凹室3690类似。例B示出凹室3872在侧极内部边缘。例C示出设在中心极外部边缘上的凹室3872和凹室3874的组合，而例D示出在中心极边缘上设置的唯一凹室3874。例E显示在中心极衔铁端上的中央区域上的凹室3876，其类似于凹室3680。例F示出若干凹室3876(三)均匀分布于中心极衔铁端边缘。例G示出多个凹室3876(三)，二个侧极以及中心极的每个极的衔铁端边缘中心区域内各设一凹室。例H示出多个凹室3878呈矩形凹槽形，设在极的衔铁边和线圈孔的每个隅角上。例I示出一个半圆形凹室3880，设在中心极衔铁边的中心区域内。凹室3880也可以是半椭圆形，或只是一个非直线的弯曲形状。

任何一个上述的凹室能独自或组合应用于任一永磁铁的示例中，以提供改进的性能。进一步地，凹室的更多其他变化能用于永磁铁的更多其他变化。

由于存在多种可能的变化，可以理解此处公开的结构属于原则上的示范，不局限于这些具体实施例。举例来说，上述的驱动器技术能被应用到V-6，I-4，I-6，V-12，对置4缸，以及其他的发动机类型。同时，上述方式不是局限于具体的双线圈气门驱动器，而是可能被应用到其他形式的驱动器，包括只有一个单线圈的驱动器。

此外，以上公开的结构可能被应用到除了图2中示例的直线式驱动器外其他的驱动器机构。举例来说，所公开的结构也可用于杆式驱动器。这些驱动器的各种不同示例在美国专利6,262,498，6,427,649和6,427,650中公开，公开文件在此通过引用结合到本专利。注意在这些美国专利中描述的各种不同的驱动器具有与此处公开不同的线圈结构。举例来说，在专利6,427,649，和6,427,650线圈包括中心极和一个侧极，而不是一个中心极和两个侧极的结构，且不含永磁铁。同样地，在专利的6,262,498公开的线圈具有一个开放的中心部分的有U形配置，且不带永磁铁。

图39显示一个改进的杆式驱动器的一个示范实施例的简要描述，总称为3900。为了清楚起见，图39省略了驱动器3900的各种不同细节，如转换驱动器气门开关位置的弹簧，框架等等，以及配合的气门组系和汽缸。驱动器3900包括设在电磁铁3920和3930之间的驱动构件3910。驱动构件3910在第一末端3912通过枢轴3904枢轴地连接于框架3902，还包括配置第二末端3914接触气门杆3916。激活电磁铁3920使得驱动构件3910的末端3914推向气门杆3916，藉此打开气门。激活电磁铁3930移动驱动构件3910的末端3914远离气门杆3916，藉此将推力从气门杆3916移开从而使气门关闭。杆式驱动器3900提供的好处是驱动构件3910的有效质量低于图2实施例的衔铁和衔铁枢轴的有效质量，这有助于减少转变时间和能耗。

电磁铁3920和3930各自包括芯体(3922，3932)、缠绕在芯体周围的线圈(3924，3934)，以及至少有部份设在芯体内的一个或多个永磁铁(3926，3936)。如上述实施例所示，一个或多个永磁铁设置在电流通过线圈产生的磁通路径中。这使驱动器3930具有低的dF/dx和dF/di值，这对降落(landing)速度控制装置是有益的，而且为每单位电流提供一个相对于先前的杆式驱动器结构来说较高的力。由于相同的电流产生较高的力，驱动器3920就可采用更高强度的弹簧(未示出)来减少驱动构件3910的转变时间，和/或采用较小的电流来减少驱动器能耗，且驱动器长度不需要加长。

所述驱动器3900永磁铁结构类似于图8中所示的结构。然而，可理解地，也可采用任何其他适当的永磁铁和/或电磁铁结构，包括但是不局限于图2，4，6，7，9-34A-B，和36-38A-J的实施例中公开的结构。另外，尽管两个电磁铁3920的3930(和永磁铁3926，3936)在此描述为在尺寸结构上大体相同，两个电磁铁(和永磁铁)也可有不同的尺寸和/或构造。

在图39的实施例中，所述的永磁铁使对角于电磁铁线圈的轴方向(3938所示)。图40例示另外一个杆示驱动器的实施例，总称为4000。驱动器4000包括驱动构件4010，和各自包括芯体(4022，4032)和线圈(4024，4034)的电磁铁4020和4030。此外，一个或多个永磁铁(4026，4036)设置在每个芯体内。然而，不同于图39的实施例中的永磁铁被设置于线圈侧部、且成角于线圈轴方向上，图40的实施例中的永磁铁4026，4036设置在线圈4024，4034和驱动构件4010之间。在这种配置中，永磁铁的定位使得永磁铁的磁通移动方向与芯体上围绕的线圈所产生的磁通的方向相反，来减小芯体的饱和度，却与驱动构件4010上围绕的线圈产生的磁通的方向相同，来增加该驱动构件和该电磁铁之间吸引力。

永磁铁4026可包括若干分隔开的条形磁铁。可选地，永磁铁4026可用一个环形(或其他的闭合回路设置)的永磁铁代替。

图41例示出关于永磁铁4026的相对于线圈4024中电流通量的合适定向与极性。当结合电磁铁4026情况描述的时候，可以理解上述结论也适用于电磁铁4030。在线圈4024通电的时候，电流流出纸上以点4038表示的平面，流入纸上以“x”4039表示的平面之内。流经线圈4024的电流产生穿过芯体的磁通，参见图5的举例和描述，产生了一个中心磁北(N)极4042和两个磁南极(S)4040a、4040b。永磁铁4026被定位为其南极最接近芯的南极，其北极最接近芯的北极。应理解为此配置仅仅是个示例，其它适应的永磁铁配置和电流方向也是可能的。例如，在一个可选方案中，永磁铁的电流方向和方位/极性可作此改变，将磁铁极性翻转，电流将流入4038上的页面，流出4039上的页面。此外，根据具体应用和/或实施其他的方案也是适当的。

图42显示磁通路径的示意图，来自伴随电磁铁4020和永磁铁4026的磁通经过芯4022和驱动构件4010。永磁铁4026提供一个沿箭头4050指示方向移动经过驱动构件4010的磁通，还提供一个沿箭头4052指示方向移动经过芯4022的磁通。当线圈4024被激活的时候，电流通过线圈4024产生磁通，可参考图41所示，该磁通沿路径4054所示的方向。同样地，永磁铁4026产生的磁通移动经过芯4022，其方向相反于伴随着线圈4024激活产生的磁通，而与驱动构件4010的方向相同。永磁铁4026产生的磁通移动经过芯4022在某种程度上抵消了电流产生的磁通，由此降低芯4022内的饱和度。另一方面，永磁铁磁通移动经过驱动构件4010的方向与线圈4024产生的磁通方向相同时，增加了电磁铁4020和驱动构件4010之间的磁吸引力。

如图42所示，大部份永磁铁4026产生的磁通行经芯4022，而不是经过驱动构件4010和芯与驱动构件之间的区域。因此对应的磁性吸引力相对较小。在一些实施例中，当线圈4024没有被激活的时候，永磁铁4026产生的磁通不足以支撑驱动构件4010对抗电磁铁(也就是在气门关闭的或气门开启的位置)。因此，当线圈4024的电流被关断，可用弹簧(未示出)提供的力来释放驱动构件4010。

在图39和40的实施例中，两个电磁铁芯中均设置永磁铁，不过在任一实施例中可选地永磁铁可只设置在一个芯上，这是可以理解的。此外，尽管任一所述实施例使用两个电磁铁移动驱动构件(每个方向一个电磁铁)，在其他的可选实施例中可只用单个电磁铁在一个方向上移动驱动构件，而另一个方向的运动可由其他驱动力驱使，包括但是不局限于弹簧等。

本公开文件的主题包括所有此处公开的各种系统、配置和其他特征、功能和/或各种性能之间的新颖的以及非显而易见的组合和次级组合。

下列的权利要求具体地指出某些视为新颖的、非显而易见的组合和次级组合。这些要求中可能提到″一″个元件或″第一″元件或等同的叫法。应当理解这些权利要求包括一个或多个此类元件的组合，既非必须是也不排除是二个或更多的此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或性能的其他结合和次结合可能通过本权利要求的增补或在本申请或有关申请提出的新权利要求中要求保护。这样的权利要求，无论相对于原权利要求是更宽的、更窄的、等同的或不同范围的，均被视为包含在本发明公开的主题之内。

Claims (21)

1.一种内燃机中驱动气门的气门驱动器，包括：

至少一个电磁铁，其具有缠绕在芯周围的线圈；

至少一个永磁铁，其至少部份地设在所述芯内；

驱动构件，其设在电磁铁邻近位置，所述驱动构件连接于枢轴且被设置为通过电磁铁的激活可枢轴移动，以引起至少一个气门开启和关闭的动作。

2.如权利要求1所述的气门驱动器，所述驱动构件是具有第一端和第二端的延长结构，在接近第一端的位置连接于枢轴，在接近第二端的位置设置为可接触气门杆以驱动气门。

3.如权利要求1所述的气门驱动器，所述芯带有一个中心极，所述永磁铁至少部分设在中心极内。

4.如权利要求1所述的气门驱动器，所述永磁铁至少部份地相对于线圈的轴方向成一角度。

5.如权利要求1所述的气门驱动器，多个永磁铁至少部份地设在所述芯内。

6.如权利要求5所述的气门驱动器，所述多个永磁铁的每个永磁铁至少部分地相对于线圈的轴方向成一角度。

7.如权利要求1所述的气门驱动器，所述永磁铁设在线圈和驱动构件之间。

8.如权利要求7所述的气门驱动器，所述永磁铁接触线圈。

9.如权利要求1所述的气门驱动器，所述电磁铁是第一电磁铁并且配置成能引起气门的开启，还包括第二电磁铁配置成能引起气门的关闭。

10.如权利要求9所述的气门驱动器，所述永磁铁是第一永磁铁，还包括至少部份地设置在第二电磁铁内的第二永磁铁。

11.如权利要求9所述的气门驱动器，所述驱动构件设在第一电磁铁和第二电磁铁之间。

12.一种内燃机中驱动气门的气门驱动器，包括：

第一电磁铁，所述第一电磁铁包括缠绕在第一芯周围的第一线圈；

至少部份地设置在所述第一芯内的第一永磁铁；

第二电磁铁，所述第二电磁铁包括缠绕在第二芯周围的第二线圈；

至少部份地设置在所述第二芯内的第二个永磁铁；和

驱动构件，其至少部份地设置在第一和第二电磁铁之间，所述驱动构件连接于枢轴而且被配置成通过第一电磁铁的激活而枢轴移动以开启气门，通过第二电磁铁的激活而枢轴移动以关闭气门。

13.如权利要求12所述的气门驱动器，所述每个芯有一个中心极，所述第一永磁铁设在第一个芯的中心极内，且所述第二永磁铁设在第二个芯的中心极内。

14.如权利要求12所述的气门驱动器，所述第一永磁铁相对于第一线圈的轴方向成角度，且所述第二永磁铁相对于第二线圈的轴方向成角度。

15.如权利要求12所述的气门驱动器，所述多个永磁铁至少部份地设置在每个芯内。

16.如权利要求15所述的气门驱动器，所述第一芯中的所述多个永磁铁中的至少一个永磁铁至少部份地相对于第一线圈的轴方向成角度。

17.如权利要求12所述的气门驱动器，所述第一永磁铁设置在第一线圈和驱动构件之间，且第二永磁铁设置在第二线圈和驱动构件之间。

18.如权利要求17所述的气门驱动器，所述第一永磁铁接触第一线圈，且所述第二永磁铁接触第二线圈。

19.一种内燃机中驱动气门的气门驱动器，包括：

电磁铁，其包括缠绕在芯周围的线圈；

驱动构件，其设在邻近电磁铁的位置，所述驱动构件连接于枢轴并且配置成当电流通过线圈时可枢轴移动、以引起至少一个气门的关闭和开启；和

永磁铁，其至少部分地设在芯内；所述永磁铁的至少一部分设置成与线圈轴方向成一角度。

20.如权利要求19所述的气门驱动器，多个永磁铁至少部份地设置在芯内。

21.如权利要求20所述的气门驱动器，所述多个永磁铁的每个永磁铁至少部份地相对于线圈的轴方向成一角度。

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