TW200402183A - Force motor with increased proportional stroke - Google Patents

Description

200402183 ⑴ 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明相關於要求低功率輸入且提供長比例行程 (proportional stroke )的線性致動力馬達（force motor )。更特別地，本發明相關於控制局部磁場分佈以 提供長比例行程的技術。 【先前技術】 圖1顯示傳統力馬達的剖面圖。傳統力馬達包含安裝 於被安裝在殼體3中的軸承2的軸1。電樞4安裝在軸 上。二彈簧5及6在電樞位在二彈簧之間之下被安裝在軸 上。彈簧在沒有任何淨軸向力施加在電樞上時將電樞保持 於中性位置。電樞軸可於軸向在軸承上自由滑動。永久磁 鐵7位在電樞的周邊處。於相同方向捲繞的二線圈8及9 位在永久磁鐵的每一側。 永久磁鐵產生磁場Bp。當被激勵時，線圈產生磁場 B i。因爲線圈於相同方向捲繞，所以由線圈產生的磁場B i 在永久磁鐵的一側是與磁場B p於相同方向，而在永久磁 鐵的另一側是於相反方向。因此，在永久磁鐵的一側所得 的磁場爲Bp + Bi，而在永久磁鐵的另一側爲Bp-Bi，如圖2 所示。產生在電樞上的電力（electrical force)是與磁場 的平方成比例，並且可如下地被計算。 F = KB2 方程式1 -4- (2) (2)200402183 B =磁通量密度 K =常數 使用方程式1，當線圈被激勵時在力馬達的電樞上的淨力 可如下地被計算。

Ffm = K{ ( Bp + Bi ) 2- ( Bp-Bi ) 2} =4K BPBi 方程式2 對於線圈產生等於B i的磁場的比例電磁線圈，電樞上的 淨力可使用方程式1來如下地計算。 FPs = KBi2 方程式3 此時如果Bp〉Bi，貝IJ 4Bp>>Bi 因此， Ffm>〉Fps。 如此，藉著使用永久磁鐵，對於給定的線圈激勵位準（亦 即電流），力馬達在電樞上產生較大的淨力。因此，對於 給定的力要求，力馬達可在與比例電磁線圈相比較低的功 率輸入之下被操作。如果在方程式2中B p被假設爲常 數’則很淸楚淨力與由線圈產生的磁場成比例。 F f m = C B i 方程式4 其中C=4KBP ，假設Bp=常數 因爲B i與I成比例， 其中I爲供應至線圈的電流， 所以Ffm與I成比例， 亦即電樞上的淨力與供應至線圈的電流成比例。 但是，Bp只有在電樞處於中性位置時才可被假設爲 -5- (3) (3)200402183 常數。當電樞移動離開中性位置時，B p改變。當電樞移 動時，在電樞的一側的B p增加，而在電樞的另一側的b p 減小。此導致電樞上的淨力的顯著增加。因此，在傳統力 馬達中，力只在小行程範圍內與行程成比例，例如只在 〇.〇1至0.03英吋的範圍內。 美國專利第5,78 7,9 1 5號描述具有永久磁鐵及線圈的 傳統力馬達。但是’其並未教示任何提供增加的比例行程 的手段。 美國專利第3,9005822號（ 822專利）描述一種傳統 的比例電磁線圈’其在捲線軸的每一側具有一錐形磁極 件。當電磁線圈被激勵時，電樞被拉至一側，且進入錐形 磁極件內。錐形磁極件提供漏磁通路徑（leakage flux path )，並且因而減小電樞上的淨力的增加。類似於822 專利所敘述者的比例電磁線圈與本發明的力馬達相比必須 有較高的功率輸入以在電樞上產生相同大小的力。 如由822專利所教示的使用錐形磁極件並未提供顯著 增加的比例行程。另外，當使用錐形磁極件時，電樞上的 淨力的比例性及不變性隨著供應至線圈的電流（I )的增 加而變差，或在插棒（p 1 u n g e 1·)位置改變時變差。 【發明內容】 上述專利均未教示在平坦的力對行程特性曲線（F- S 曲線）及低功率輸入下具有長比例行程的力馬達。 本發明的力馬達藉著經由內部組件的獨特設計的機械 -6 - (4) (4)200402183 組態來控制局部磁場而克服習知技術的上述缺點。此機械 組態將力馬達中的磁場分成三個區段。在操作時，當電樞 於軸向朝向行程的末端移動時，由第一區段中的磁場施加 在電樞上的力指數地增加。同時，由第三區段中的磁場所 施加的力與第一區段相比有較小的增加，或是減小。當電 樞朝向止動件移動時，第二區段中的磁通量增加。此磁場 的方向垂直於電樞的移動方向，因此不產生任何力於移動 方向，因而減小電樞上的總力。藉著調整與此三個區段相 關聯的機械參數，電樞上的淨軸向力可被控制，因而對於 給定的功率位準提供遍及長行程長度的平坦的力對行程曲 線。 本發明的目的爲提供與傳統的比例電磁線圈相比具有 低功率輸入的力馬達，以在平坦的F- S曲線及長比例行程 下達成想要的力。這些及其他目的的達成是藉著提供一殼 體，及可在殼體中沿著軸向移動的一電樞，其中電樞及殼 體的形狀合作來對力馬達產生平坦的F-S曲線。本發明另 外設計一種控制力馬達中的磁場以獲得平坦的F-S曲線的 方法’其係藉著形成具有在電樞上產生隨著電樞的趨近殻 體增加的力的第一磁場的第一區段，以及在力馬達中形成 第二區段及第三區段。由於第二區段中的第二磁場及第三 區段中的第三磁場所造成的在電樞上的力隨著電樞的趨近 殼體平衡由第一區段中的第一磁場產生在電樞上的力，以 產生平坦的F - S曲線。 本發明也提供一殻體，此殼體具有一內壁，從內壁凸 (5) (5)200402183 出的作用成爲限制電樞的移動的止動件的一圓柱形延伸 部，及形成在內壁上的一凹入表面。由軸承支撐的電樞座 落在殻體中。電樞包含連接於一錐形區段的一圓柱形部 份。電樞及殼體的形狀合作來對力馬達產生平坦的F - S曲 線。 另外的特徵及有利點在閱讀以下僅以舉例方式且參考 圖式所給的詳細敘述時會更淸楚，圖式中不同圖面上的相 應參考數字標示相應的部份。 【實施方式】 圖3顯示本發明的力馬達的剖面圖。圖4顯示本發明 的力馬達的另一實施例的剖面圖。力馬達1 0包含可滑動 地安裝於軸承1 4及1 6的軸1 2。電樞1 8穩固地安裝在軸 12上。彈簧22及24沿著軸12安裝成爲在電樞18的每 一側有一個。軸1 2，軸承1 4及1 6，電樞1 8，及彈簧2 2 及24的組合被安裝在殼體26中。捲線軸28被圍封在殼 體2 6內，且位在電樞丨8的周邊處。捲線軸2 8形成三個 隔室。永久磁鐵3 2被定位在中央隔室中。捲線軸2 8防止 來自磁鐵3 2的污染物落在電樞1 8上。線圈3 4及3 6位在 由捲線軸2 8形成的隔室中成爲在磁鐵3 2的每一側有一 個。 電樞18繞軸12對稱，且包含連接於圓柱形部份42 (見圖3 )的底座3 8，而圓柱形部份4 2又連接於具有圓 柱形面62 (由埋頭孔（counter_bore )形成）的錐形區段 (6) 200402183 4 4。在圖4的實施例中，底座3 8連接於具有圓柱形 的錐形區段44 ’而圓柱形面62又連接於圓柱形部份 電樞1 8及殼體2 6均由鐵磁材料製成，其形成磁性電 不銹鋼墊片46安裝在電樞1 8的圓柱形部份42上。 改變墊片46的厚度’電樞18沿著軸12的行進可被 或減小，較厚的墊片4 6導致較短的行進距離。在捲 2 8與電樞1 8之間’穩固地附著於電樞丨8的圓柱形 4 8沿著電樞1 8的周邊被定位。銅層4 8感應反電 (back EMF )來阻尼由振動，陡震，及加速造成的 的不預期移動。 殼體26的內壁56成形爲形成一止動件52。止 5 2的形狀與電樞1 8的形狀合作來提供對在環繞合作 狀的區域中的磁場的控制。止動件5 2包含從殼體2 6 壁5 6凸出的圓柱形延伸部5 4。止動件5 2也具有形 內壁5 6上的錐形凹入表面5 8。錐形凹入表面5 8相 電樞1 8上的錐形部份44。圓柱形延伸部5 4相應於 形部份42，且與不銹鋼墊片46合作來決定電樞1 8 大行程長度。 當線圈34及36被電流I激勵時，產生磁場匕。 B i與先前參考傳統力馬達所述的磁場B p相互作用。 磁場結合的作用在電樞1 8上產生淨力Ffm。但是，與 的力馬達相比，對於給定的I的力Ffnl在較長的行程 上維持固定，以下會說明其理由。 本發明的力馬達1 0具有成形（shaped )電樞1 8 面6 2 42 〇 路。 藉著 增加 線軸 銅層 動勢 電樞 動件 的形 的內 成在 應於 圓柱 的最 磁場 此二 傳統 長度 及止 -9- (7) (7)200402183 動件5 2。電樞1 8與止動件5 2之間的磁場被分成三個區 段。圖5爲電樞1 8與止動件5 2的合作機械結構的放大 圖。圖5也顯示由合作的機械結構所形成的三個區段。圖 6顯示在由合作的機械結構所形成的三個區段中的力的槪 念性代表圖。 第一區段爲形成在圓柱形部份42與內壁5 6之間的磁 場Φ I。此相等於具有平板電樞的電磁線圈內部的磁場。 由此磁場所產生的力的特性爲在電磁線圈被朝向止動件拉 入時指數地增加（見圖6中的曲線A )。 第二區段爲位在電樞1 8上的錐形區段44的圓柱形面 62與圓柱形延伸部54的表面64之間的磁場φ 2。隨著沿 著表面64滑動的圓柱形面62的部份較大，Φ 2增加。因 爲φ 2垂直於電樞1 8的運動方向，所以其不產生任何顯著 的力於運動方向。圖6中的線B爲由Φ 2所產生的力的槪 念性代表圖，其在整個行程長度上均大約爲零。 第三區段爲位在電樞1 8上的錐形區段4 4與止動件 5 2上的錐形凹入表面5 8之間的磁場Φ 3。其相等於在錐 面電樞電磁線圈中的力。由Φ 3所產生的此力曲線的特性 爲其比第一區段的曲線平坦（見圖6的槪念性代表曲線 C)。 當電樞被拉入時，磁場Φ 2的第二區段從第一區段及 第三區段帶走磁通。因此，由Φ 1及Φ 3所產生的力實際 上由於第二區段中的漏磁通的增加而減小，並且由第一區 段及第三區段的磁場產生的力-行程曲線下降（見圖6的 -10-

M (8) (8)200402183 曲線A 5及C ’）。 施加在力馬達1 0的電樞1 8上的合力F fm爲由曲線 A ’，B，及C ’代表的力的和。亦即

Ffm= Fc 1 + Fa. 2+ Fu> 3 M ^ 5 因此，藉著調整電樞1 8與止動件5 2上的合作的機械 結構，例如藉著改變合作的機械元件的形狀，尺寸，及角 度，可達成想要的力-行程特性曲線。力-行程特性的調整 也可藉著使用具有不同磁性性質的材料來進行。平坦的 F-S曲線有利地容許使用具有較小彈簧常數的彈簧，以具 有寬廣的控制範圍及較精確的控制。 圖7顯示例如圖1所示的傳統力馬達及如圖4所示的 本發明的力馬達1 〇的F -s曲線用以比較。圖8顯示圖3 所示的力馬達1 〇的實施例的F-S曲線。圖3及圖4所示 的實施例分別具有在0 · 0至〇 · 0 6 5英吋及0 · 0至0 . 1 6英吋 的行程長度上的平坦的F — S曲線’而傳統力馬達只具有 〇.〇至0.02 5英吋的比例行程。用來獲得這些曲線的力馬 達具有相同的外部尺寸’使用類似的磁鐵’使用類似0勺線 圈|，且具有相同的電樞直徑。馬達之間的唯一差異爲先前 # ^ %馬達1 〇所述的合作的機械結構的存在與否。傳統 力馬達的F - S曲線爲具有較大斜率及較短行程的曲線。另 一方面，力馬達1 〇的F - S曲線在大幅較€白勺行程± #胃 平坦，比例行程長度（0 · 1 5英吋）爲傳統力馬達的比例行 程長度（0.02 5英吋）的六倍。在圖7中’大致上固定的 力是在〇 · 2與2磅之間，對於任何曲線而言最大的變化爲 -11 - (9) (9)200402183 大約0.2¾旁。在圖8中，大致上固定的力爲〇·4至5.5 磅，對於任一曲線而言變化爲大約1 .5磅。 本發明控制F-S曲線的斜率，即使是斜率未被驅使爲 零。如圖8所示，可能會有些微的斜率。 雖然已經敘述本發明的較佳實施例，但是各種不同的 修正對於熟習此項技術者而言從此揭示的觀點會很明顯， 並且是落在附隨的申請專利範圍的範圍內。例如，局部磁 場可藉著以與此處所述者不同的方式改變機械組態的形狀 及尺寸或位置而被控制。局部磁場控制也可藉著使用具有 不同磁性性質的不同材料來達成。 【圖式簡單說明】 圖1爲習知技術力馬達的剖面圖。 圖2顯示圖1的力馬達中產生的磁場。 圖3爲本發明的力馬達的剖面圖。 圖4爲本發明的力馬達的另一實施例的剖面圖。 圖5爲在圖3中顯示成爲細部E的力馬達的合作機械 結構的放大圖。 圖6爲由圖5的合作區段形成的三個區段的f-S曲線 的槪念性代表圖。 圖7顯示圖1的傳統力馬達的具有較大斜率的f _ S曲 線及圖4的力馬達的爲平坦狀的F-S曲線。 圖8顯示圖3的力馬達的f - S曲線。 200402183 (10) 【符號說明】 1 軸 2 軸承 3 殼體 4 電樞 5 彈簧 6 彈簧 7 永久磁鐵 8 線圈 9 線圈 10 力馬達 12 軸 14 軸承 16 軸承 18 電樞 22 彈簧 24 彈簧 26 殻體 28 捲線軸 32 永久磁鐵 34 線圈 36 線圈 3 8 底座 42 圓柱形部份

-13- (11) 200402183 44 錐形區段 46 墊片 4 8 圓柱形銅層 5 2 止動件 5 4 圓柱形延伸部 56 內壁 58 錐形凹入表面

6 2 圓柱形面 64 表面 B i 磁場 Bp 磁場 Φ 1磁場 Φ 2磁場 Φ 3磁場

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Claims (1)

1. 200402183 ⑴ 拾、申請專利範圍 1 · 一種力馬達，包含： 一成形殼體；及 一成形電樞，安裝在該成形殼體中； 其中該電樞及該殼體的形狀合作來對該力馬達_ & _ 平坦的F - S曲線。 2.如申請專利範圍第1項所述的力馬達，其中$ %樞 是由具有不同磁性性質的多種材料中的一種以上的# _ 1 寸 成。 3 ·如申請專利範圍第1項所述的力馬達，其中！^_ 是由具有不同磁性性質的多種材料中的一種以上的材彳4 _ 成。 4 ·如申請專利範圍第1項所述的力馬達，另外包含： 一第一區段； 一第二區段；及 一第三區段； 該第一，第二，及第三區段係形成在該電樞與該殼體 其中由該第一區段中的磁場產生在該電樞上的力與由 1亥第二區段及該第三區段中的磁場產生在該電樞上的力平 衡’以產生平坦的F-S曲線。 5 .如申請專利範圍第4項所述的力馬達，其中該第一 區段，該第二區段，及該第三區段是由具有不同磁性性質 的材料製成。 -15- (2) (2)200402183 6. 如申請專利範圍第1項所述的力馬達，其中產生在 該電樞上的力在〇 · 〇至〇. 1 6英吋的行程長度上爲定値。 7. 如申請專利範圍第1項所述的力馬達，其中該成形 電樞包含： 一圓柱形部份； 一*錐形區段；及 一圓柱形面，形成在該圓柱形部份與該錐形區段的接 合處。 8 .如申請專利範圍第7項所述的力馬達，其中該圓柱 形部份，該錐形區段，及在該圓柱形部份與該錐形區段的 接合處的該圓柱形面是由具有不同磁性性質的材料製成。 9 ·如申請專利範圍第7項所述的力馬達，其中該成形 殼體包含= 一內壁； 一圓柱形延伸部，從該內壁凸出；及 一凹入表面，形成在該內壁上。 1 0 .如申era專利軔0弟9項所述的力馬達，其中該內 壁’從該內壁凸出的該圓柱形延伸部，及形成在該內壁上 的該凹入表面是由具有不同磁性性質的材料製成。 1 1 .如申請專利範圍第9項所述的力馬達，另外包 含： 一捲線軸，安裝在該殼體中；及 一永久磁鐵’安裝在該捲線軸中，該捲線軸將該磁鐵 與該電樞隔離，因而防止污染物沈積在該電樞上。 -16- (3) (3)200402183 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述的力馬達’另外包 含： 一圓柱形墊片，位在該捲線軸與該電樞之間’該墊片 是由導電體製成且穩固地附著在該電樞上，因而阻尼由於 振動或陡震所造成的電樞移動。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述的力馬達，另外包 含： 一墊片，安裝在該電樞上，該墊片與該圓柱形延伸部 合作來限制該力馬達的行程長度。 1 4.如申請專利範圍第 9項所述的力馬達，另外包 含： 一第一區段，由該內壁及該圓柱形部份形成； 一第二區段，由該圓柱形面及該圓柱形延伸部形成； 及 一第三區段，由該錐形區段及該凹入表面形成； 其中由該第一區段中的磁場產生在該電樞上的力與由 該第二區段及該第三區段中的磁場產生在該電樞上的力平 衡，以產生平坦的F - S曲線。 1 5 · —種磁場控制方法，用來控制力馬達中的磁場以 獲得平坦的F - S曲線，該磁場控制方法包含以下步驟： 形成具有第一磁場的第一區段，該第一磁場在電樞上 產生一力，而該力隨著電樞的趨近殼體增加； 在力馬途中形成％ 一區段’該弟一區段具有第二磁 場；及 -17- (4) (4)200402183 在力馬達中形成第三區段，該第三區段具有第三磁 其中由於該第二區段中的第二磁場及該第三區段中的 第三磁場所造成的在電樞上的力隨著電樞的趨近殻體平衡 由該第一區段中的第一磁場產生在電樞上的該力，以產生 平坦的F - S曲線。 1 6 · —種力馬達，包含： 一殼體，該殼體具有一內壁，從該內壁凸出的一圓柱 形延伸部，及形成在該內壁上的一凹入表面；及 一電樞，安裝在該殼體中，該電樞具有一圓柱形部 份，一錐形區段，及在該圓柱形部份與該錐形區段的接合 處的一圓柱形面； 其中該電樞及該殼體的形狀合作來對該力馬達產生平 坦的F - S曲線。

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