TW201325036A - 磁性裝置 - Google Patents

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Abstract

磁性裝置包括至少一定子(1、1’)及至少一平移器(2)，該平移器(2)係可關於該定子(1、1’)在一平移器運動方向(6)中運動，該平移器運動方向(6)被導向朝該定子(1、1’)，該至少一定子(1、1’)及該平移器(2)係沿著一軸線配置；該磁性裝置包括一控制裝置，該控制裝置包括當該磁性裝置係在操作中時，用以關於該定子及該平移器之間所產生的力量控制該平移器及該定子間之距離r≧0(r係等於或大於0)的裝置；該平移器(2)係可關於該定子(1、1’)於該平移器運動方向(6)中沿著線性平移器運動軸線運動，該至少一定子(1、1’)及該平移器(2)係沿著該平移器運動軸線導向。

Description

磁性裝置
本發明有關磁性裝置，包括至少一定子磁鐵及至少一平移器磁鐵，該平移器係可關於該定子於一平移器運動方向中運動，該平移器運動方向被定向成在方向上朝該定子，該平移器被進一步耦接至驅動軸桿。
本發明之磁性裝置的可能應用包含其用作磁性驅動器，當作發電機、或當作產生一力量的阻抗裝置，該力量作用頂抗施加該阻抗裝置的外力。於其用作磁性驅動器之案例中，該驅動軸桿可執行機械工作。
根據該尖端技術，磁性驅動係基於利用磁性雙極之原理。藉由啟動斥力及吸力，該平移器被造成關於該定子磁鐵運動。此運動可在於該平移器之被引導、線性或旋轉運動，或被引導通過該定子之平移器的振盪運動。基於該平移器磁鐵之振盪運動，根據該尖端技術之磁性驅動器係藉由該平移器及定子磁鐵至少在一最後位置中正彼此接觸的事實而被人注意的。於其端部位置之平移器及根據該尖端技術的磁性驅動器之定子用作一磁鐵，如此高能量輸入係需要，以分開該定子及該平移器。
JP2006325381揭示具有至少一平移器的磁性裝置，該平移器係可於二定子之間運動，該平移器之運動軸線延伸經過該等定子。該平移器之運動被設在該等定子上之分隔 元件所限制。該等分隔元件用作減少藉由該發電機所產生的噪音及機械噪音之目的，該等機械噪音係譬如藉由該定子及該平移器間之接觸所產生。
JP2006345652敘述用於控制針之運動的裝置，該針被驅動經過磁鐵。在此無該針之運動係關於藉由磁鐵所產生之力量來控制的證據。
US20060049701顯示一磁性裝置，其中該平移器之運動的軸線不會延伸經過該等定子。該等平移器係沿著該等定子橫向地運動，其在定子及平移器之間導致該合力，且不平行於該等平移器之運動。不管有關該平移器關於該平移器及該定子間之合力之運動的控制之證據的缺乏，由於該等力量關於該平移器之運動的定向，於US20060049701中所揭示之裝置具有比在下面所討論之裝置顯著較低的效率。
JP2010104078敘述一磁性裝置，其中該平移器之運動被分隔元件所控制。該分隔元件係，以其不會影響該定子及該平移器間之力量的方式所形成。
RO126256有關一磁性裝置，其與下面所討論之磁性裝置相反，不具有用於控制該平移器之運動的控制裝置。
JP2002335662揭示一磁性裝置，其不包括用於控制該平移器之運動的任一者之任何控制裝置。
本發明之任務在於提供一磁性裝置、尤其磁性驅動器 、發電機、或電阻元件，其係藉由比根據該尖端技術之習知電磁馬達較高的效率所引人注目。
用於單純化之理由，該平移器磁鐵將在下面被稱為平移器，而該定子磁鐵將被稱為定子。
根據本發明，較高效率係藉由在該磁性裝置中包含一控制裝置所達成，該控制裝置包括一裝置，用於當該磁性裝置係操作中時關於該定子及該平移器間之合力控制該平移器至該定子之距離r>0(r係高於0)，該平移器係可關於該定子於該平移器之運動方向中沿著線性平移器運動軸線運動，該至少一定子及該平移器被定向成沿著該平移器運動軸線。
如果該平移器及該定子被隔開達距離r>0，如藉由本發明所提供，其係可能防止該平移器及該定子作用當作一磁鐵。
在本揭示內容之機架中，該距離r被界定為面朝該定子的平移器表面及面朝該平移器的定子表面間之最小距離。
該定子及該平移器可包括一磁性件及覆蓋該磁性件或分離器的一層，而防止該定子及該平移器的磁性件間之接觸的建立，以致如果定子及平移器間之距離r為0，該定子及平移器的磁性件不會彼此接觸。
該控制裝置亦可造成該距離r為該等磁鐵之暫時性質的函數。一方面，該等磁鐵之暫時性質可由於外部影響、諸如熱應變而改變，且在另一方面，它們可藉由另一控制裝置被控制。該磁鐵之磁場的場強度及定向可譬如藉由根 據該尖端技術之方法所控制。如藉由目前之教導所建立，所選擇之材料及材料的組合亦在磁鐵之性質上具有影響。
考慮該至少一定子及該至少一平移器之磁鐵的前述影響及性質，作為本發明之磁性裝置的一部份之控制裝置能控制該距離r。
於一試驗安裝中，該最小距離r總計1.0至2.0毫米。該試驗安裝能在某種程度上被建構成該距離係可連續地調整，以致試驗係用於每隔由1.0至2.0毫米之距離被進行。
該平移器及該定子沿著其配置之軸線可為多邊形的、或可具有彎曲與直的部分。
根據所建立之教導，定子及平移器用作一磁鐵，如果它們被帶入接觸，亦如果僅只用於短時間，或如果它們間之距離僅只變得充分小，以致為了獲得該平移器之振盪運動，額外之分離能量將被需要以便分開該平移器與該定子。本發明在此中所揭示之另一任務在於提供一磁性裝置，其特徵為當本發明之磁性裝置係在操作中時，確定該定子及該平移器絕不會彼此接觸，且如此，遵循所建立之教導，於該磁性裝置之操作期間絕不會用作一磁鐵。這允許用於一操作，其當該平移器係於遠離該定子之方向中運動時不需要該額外的分離能量。
當本發明之磁性裝置係不在使用中時，本發明不會排除該平移器及該定子間之接觸。
如果用作磁性驅動器，該磁性裝置可被耦接至離心質 量，該離心質量被設定在運動中及補償該平移器沿著該平移器路徑之變化的加速度。當作一範例，根據該尖端技術之飛輪在此中被論及。
根據本發明之磁性裝置包括至少一定子及一平移器，該平移器能關於該定子被運動。本發明之磁性裝置的一高效率實施例包括二定子及一平移器，該平移器係可運動地安裝於該二定子之間。如果驅動器被串連地配置，本發明之磁性裝置可包括複數定子(n=1,2,3,...)及n-1個平移器，該等平移器係可運動地安裝於該等定子之間。
本發明之磁性裝置的一可能實施例可包括至少一定子、最好是二定子，譬如設置在該軸線的中心；及至少一平移器、最好是二平移器，設置在該定子之兩側的軸線上。
根據本發明之磁性裝置可為與根據本發明之另一磁性裝置及/或與根據該尖端技術的磁性裝置組合。
該平移器關於該定子之運動可為一振盪運動。
該平移器總是關於定子振盪。該平移器之運動係藉由該定子及該平移器間之磁性雙極所產生的吸力及斥力所造成。
本發明的磁性裝置之使用當作磁性驅動器可藉由該平移器之振盪運動為其特徵。
該平移器之振盪運動亦可藉由運用一機械限制力量的系統所造成。藉由將該平移器耦接至運用機械限制力量、諸如曲柄機件之系統，其變得可能限制該平移器之振盪運動的振幅。
運用一機械限制力量的系統可平衡該磁場強度及其在該平移器的運動上之影響，該等磁場強度可為不同或相同的。在下面所敘述之本發明係基於使用一試驗裝置的試驗，在此具有不同場強度的磁鐵或具有相同場強度的磁鐵被使用。對於操作該試驗裝置使用具有相同場強度之磁鐵的經驗為正面的。
運用機械限制力量之系統可強迫該平移器進一步移入最後位置，且如此，頂抗一定子及該平移器間之吸力與頂抗一定子及該平移器的斥力運動該平移器離開該最近定子之磁場。
如果本發明之磁性裝置被用作一阻抗元件，該平移器保持在一至該定子之被界定的距離達一被界定之時期。
以下之討論處理藉由磁場H所造成之材料的磁性極化或磁化之產生，其建立一額外之磁場J。再者，於該平移器之運動的最後位置中，該平移器至該定子之距離將被決定；在該定子及該平移器間之吸力及斥力係於此位置中最大的。
下面所呈現之單純化係不意欲以任何方式限制本發明之範圍，但僅只為了在此中所討論之主題的較佳理解之緣故而被進行。
在下面，磁性驅動器將被考慮，該磁性驅動器包括沿著一軸線配置之二定子及一平移器，該平移器係可運動地安裝於該二定子之間，該二定子係可沿著該軸線運動。該等定子及該平移器被建構成關於該軸線對稱的。
該鐵磁芯係通過該場H藉由勵磁所磁化，其建立一額外之磁場M。該磁場M及H產生一磁場B，該方程式中之所有磁場係彼此有關係。
磁場、磁化強度、及磁感應強度可大致上藉由該方程式1.1所表達。
B=μ0H+J (1.1)，其中J係J=μ0M (1.2)。
方程式(1.1)及(1.2)之結合產生以下的結果：B=μ0(H+M) (1.3)。
該體積磁化率係藉由以下關係所界定：M=χνxH (1.4)，由於該磁化強度乘以該磁場強度之結果，其產生該磁感應強度B=μ0H+J=μ0(1+χν)H (1.5)或B=μ0μrH=μH (1.6)，其中- μ0=4πx10-7H/m(亨利每米)係該空間之磁導率，- χν係該材料之體積磁化率，- μr=1+χν係該材料之相對磁導率，- μ=μ0xμr係該材料之絕對磁導率，- B係以特斯拉(T)所陳述之磁感應強度- H係以安培每米(A/m)所陳述之磁場 - J係以特斯拉(T)所陳述之磁化強度- M係以安培每米(A/m)所陳述之每單位體積的雙極磁矩。
在下面，具有磁芯之圓柱形多芯線圈將被考慮，該圓柱形幾何形狀導致根據必歐-沙伐定律之簡化。
O係該圓柱形線圈的中心，且(Ox)係該軸線，在該軸線(Ox)上之點M(x)的磁感應強度，以下應用：
- 係該軸線(Ox)之單位向量- μ係該鐵磁芯之絕對磁導率- N係整個繞組之數目- L=2a係該線圈以米(m)為單位之長度- R係該線圈以米(m)為單位的內部半徑- I係該線圈內以安培(A)所陳述之電流強度。
在該等磁極末端(x=-a與x=+a)，根據特斯拉之磁感應場強度被界定如下：
基於該方程式(1.6)，吾人能夠在該電磁極點推得以安培每米所陳述之磁場強度：
以A/m之雙極磁矩源自該等方程式(1.4)及(1.6.)；
最後，該雙極磁矩可被表達如下：
V=πR2L係已知為該電磁鐵芯之體積。
根據該習知吉爾伯特(Gilbert)模型，該等磁雙極對應於該二磁荷+qm及-qm，該雙極係分開達距離L。該正磁荷被連結至該北極，而該負磁荷被連結至該南極。
該雙極磁矩被定向成由該南極朝該北極。
其中- qm係該電磁鐵之磁極於安培計(A.m)為單位的尺寸，- L係該二磁極以米(m)為單位的距離。
藉由組合該等方程式(2.5)及(2.6)，以下方程式被獲得
其中- qm係該電磁鐵之磁極於安培計(A.m)中的尺寸，- χν係該材料之體積磁化率，- N係整個繞組之數目，- L=2a係該線圈以米(m)為單位之長度，- R係該線圈以米(m)為單位的內部半徑，- I係該線圈內以安培(A)為單位的電流強度。
在下面，本發明之磁性驅動器的實施例包括被配置在一軸線上之三個電磁鐵，該第一及該第二電磁鐵係不可運動的，且在下面被稱為定子，其將被討論。該等定子被配置在一軸線上，且彼此隔開一段距離d。由於本揭示內容，該等定子係充分地藉由以下參數為其特徵。
- Ns係形成該定子之線圈的繞組之數目；- Ls係該定子以米(m)為單位之長度；- Rs係形成該定子之線圈以米(m)為單位的半徑；- Is係形成該定子之線圈內以安培(A)為單位的電流強度；- χνS係該定子之鐵磁芯的磁性體積磁化率；及- d=係該二定子間之距離。
該第三磁鐵係可運動地設置在藉由該二定子所界定之軸線上及於該二定子之間。該第三磁鐵將在下面被稱為平移器，且係充分地藉由以下參數為其特徵。
- Nt係形成該平移器之線圈的繞組之數目；- Lt係該平移器以米(m)為單位之長度； - Rt係形成該平移器之線圈以米(m)為單位的半徑；- It係形成該平移器之線圈內以安培(A)為單位的電流強度；- χνT係該平移器之鐵磁芯的磁性體積磁化率；及- δ=d-Ls-Lt係當運動於該二定子之間時藉由該平移器所覆蓋之距離。
該等定子被電連接至d.c.來源+I、及-I，其導致該等磁極之絕對值為相同的，然而，所產生之磁感應場被定向成在相反方向中。
該等定子及該平移器之極化係以熟諳此技藝者能於該圖1及2中了解之方式被選擇，以便基於吸力及斥力達成該平移器之運動，該等力量係藉由在下面之合力條件所敘述。
源自根據圖1的定子及平移器之極化的力量條件將在下面被計算。圖1所示平移器之極化亦被稱為“負極”極化，意指該雙極磁矩被定向於該方向中。
基於該方程式(2.5)，該下文應用：
參考該吉爾伯特模型，其被假設由於磁荷的相互作用 ，該等磁鐵之間所產生的磁力發展接近該磁雙極之磁極。該等磁極間之互相作用力係藉由該方程式(3.3)所界定。
其中- qi係該磁極之強度，及- r係該等磁極間之距離。
該等定子及該平移器間之相互作用導致一作用於該平移器上之力量。此合力被定向成平行於該(Ox)軸線且於該方向中(在圖1中由左至右)。
考慮δ=r1+r2=d-Ls-Lt，用於藉由該等定子間之平移器的運動所覆蓋之距離導致
其中係該平移器中心在該軸線(Ox)上之位置。使用該習知吉爾伯特模型，該合力可藉由加上該等磁極間之八個相互作用磁極而被計算。
如果-qs1 +qt，在距離Ls+r1之上的該左定子及該平移器間之引力的相互作用被藉由以下所界定：
-qs1 -qt：斥力相互作用，該距離係Ls+r1：
+qs1 +qt：斥力相互作用，該距離係r1：
+qs1 -qt：吸力，該距離係r1+Lt：
如果+qs2 +qt，在距離Lt+r2之上的該右定子及該平移器間之斥力的相互作用被藉由以下所界定：
+qs2 -qt：吸力，該距離係r2：
-qs2 +qt：吸力，該距離係Ls+r2+Lt：
-qs2 -qt：斥力，該距離係r2+Ls：
作用於該平移器上之合力被界定為所有相互作用之矢和：
其中：界定該平移器之位置- δ=d-Ls-Lt係藉由該平移器所覆蓋之距離
再者，如圖2所顯示，源自該等定子及該平移器之極化的力量被計算。圖2所示平移器之極化亦被稱為“正極”極化，意指該雙極磁矩被定向於該方向中。
該等方程式(3.1)及(3.2)組合導致方程式(3.2’)：
如果該平移器係根據圖1被極化，使係源自該等定子及該平移器間之相互作用的合力，且如果該平移器係根據圖2被極化，使係該類似力量，有關該二磁極間之相互作用的以下關係被界定： ，其意指 如果- Nx係形成該平移器或該定子之線圈的繞組之數目，- Lx係該定子或該平移器以米(m)為單位之長度，- Rx係形成該定子或該平移器以米(m)為單位的半徑，- Ix係形成該平移器或該定子之線圈內以安培(A)為單位的電流強度，- χνX係該定子或該平移器之鐵磁芯的磁性體積磁化率，- 該定子#1被極化，以致應用，- 該定子#2被極化，以致應用，以下應用於圖1中所示之條件。
其中係該平移器之雙極磁矩()的方向。此方向係藉由該平移器內之a.c電壓It所決定。
係該等磁極強度， 係該平移器位置， - δ=d-Ls-Lt係藉由該平移器所覆蓋之距離，係該二定子間之預設距離。
如果該等電磁鐵具有相同之長度，亦即Ls=Lt=L，該方程式(3.6)可被簡化如下：
用於在下面之討論，用於單純之理由，其被假設該磁鐵之極點強度係不變的，雖然當該平移器運動於該等定子之間時，實際上該磁感應場(Ox)發展。
該方程式(4.1a)應用。
其中係當該平移器已抵達該位置Xt時，在該(Ox)軸線上於位置x之總磁感應場，係該第一定子在該(Ox)軸線上於位置x之磁感應場，係該第二定子在該(Ox)軸線上於位置x之磁感應場，係該平移器在該(Ox)軸線上於位置Xt之磁感應場。
該磁感應場之尺寸被該方程式(2.1)所界定，該第一定子及該平移器間之磁感應場的尺寸能被由該方程式(2.1)推得。
其中- x係所計算之在該軸線(Ox)上的位置，- x’係所計算之在該軸線(O2x)上的位置，- x”係所計算之在該軸線(Tx)上的位置。
如果
及應用該可變的變化 及能被表達如下：
在該(Ox)軸線上，該磁感應場係於該相同方向中被定 向成該雙極磁矩。考慮：
其中- 係該軸線(Ox)的方向中之單位向量係該平移器之雙極磁矩的方向，這產生：
該方向係藉由該平移器內之a.c電壓It的方向所決定。該等方程式(1.4)、(1.6)與(2.5)導致：
當以下應用時：- 定子#1：
- 定子#2：
- 平移器：
方程式(3.6)被轉變成：
其中係該平移器位置， - δ=d-Ls-Lt係藉由該平移器所覆蓋之距離，係該二定子的中心間之距離。
該磁極強度係使用該第一定子用之方程式(4.4a)、該第二定子用之方程式(4.4b)、及該平移器用之方程式(4.4c)來計算。該等磁極強度之計算包含在該等極點使用該等方程式(4.2a)及(4.2b)計算該總磁感應場。
該方程式(4.5)係一視該等定子間之平移器位置而定的函數。作用於該平移器上之合力包含該第一定子及該平移器間之斥力與該第二定子及該平移器間之吸力。該等力量之每一者的相依性被顯示在所附圖面3a、3b、3c中。
上面之數學解釋亦顯示在該平移器關於一定子的某一位置處，該吸力與在反轉該定子及該平移器的磁極之後的 斥力具有不同量值。
本發明之磁性裝置係基於該定子或平移器的極化建立一作用於該平移器上並造成其運動之力量的事實。
本發明之磁性裝置的一實施例可包括由永久磁鐵所形成之定子及由電磁鐵所形成之平移器。
當使用本發明之根據此實施例的磁性裝置當作磁性驅動器時，一缺點在於連接該平移器至電源的纜線之至少一些區段將被運動。當使用n=1,2,3,...個定子及設置於該等定子間之n-1個平移器時，然而，該等平移器為電磁鐵之事實，造成該n-1個平移器之極點將被改變，以變得少於該n個定子。
於本發明之磁性裝置的另一實施例中，該定子可為電磁鐵，而該平移器係永久磁鐵。
當使用本發明之磁性裝置當作磁性驅動器時，此實施例之特徵為該定子係一固定不動之磁鐵，且係耦接至電源之事實。這具有連接該電源及該定子之纜線不被運動的優點。然而，當使用n=1,2,3,...個定子及設置於該等定子間之n-1個平移器時，該等定子為電磁鐵之事實造成該n個定子之極點將被改變，以變得超過該n-1個平移器。
定子及平移器兩者可為電磁鐵或永久磁鐵。
萬一用作阻抗元件，該至少一定子及該平移器為永久磁鐵。於此案例中，該等定子之運動係藉由啟動該定子及該平移器之相同符號的極點間之斥力所限制。
於本發明之磁性裝置的可能實施例中，該定子可包含 數個個別之定子磁鐵及/或該平移器可包含數個個別之平移器磁鐵。
該等個別磁鐵最好是在該等定子及該平移器間之較大吸力及斥力可藉由重疊該等個別之磁場所產生的某種程度上設置。
該控制裝置可包括設置於該定子及該平移器間之分隔元件及/或一運用機械限制力量的系統，而抑制該平移器之運動。
該分隔元件可包括開關，其係藉由該定子及/或該平移器之極點的改變及/或藉由該定子或該平移器之極點強度的改變所作動。
該控制裝置可包括一距離及/或時間測量裝置，該定子及/或平移器之極化及/或該定子及/或該平移器之場強度係可視該平移器關於該定子之位置而定及/或視使用該控制裝置的時期而定來改變的。
本發明之磁性裝置的一實施例包括控制該平移器關於該定子之位置的至少一控制單元。藉著測量方法、尤其根據該尖端技術之距離及位置測量方法，及基於該平移器關於該定子的位置選擇性地決定該定子及該平移器之極化，此控制裝置被耦接至一測量該平移器選擇性地關於該定子之位置的位置測量裝置。
該控制裝置不被限制於測量該平移器之某一位置、也不決定該平移器是否已抵達某一位置。該控制裝置可包括另外裝置、諸如位置或速度測量裝置，用於在其位置之任 一者測量該平移器之位置或該平移器之速度。
用於在離該定子之經界定距離處控制該平移器之運動，尤其當該平移器之速度為高時，在任何位置測量該平移器之位置及速度可為有利的，因該平移器必需在離該定子之某一距離被慢下來或加速。
該平移器之位置係不僅只所藉由測量該平移器關於該定子的位置決定。該平移器之位置能關於任何參考點被決定。
本發明之磁性裝置的另一實施例的特徵為該平移器被耦接至諸如曲柄軸之系統，該系統運用一機械限制在其上，該系統控制該平移器之運動，更正確地是該平移器之運動量值，而維持該平移器及該定子間之距離。運用一機械限制之系統可被耦接至一待藉由本發明之磁性裝置所驅動的元件、或形成為該元件、諸如一輪件。
在該平移器之線性運動的案例中，在該定子之個別定子磁鐵及/或在該平移器的個別平移器磁鐵可被沿著敘述一多邊形之線且繞著一軸線配置，該軸線被定向成平行於該平移器之運動方向。
該平移器之運動方向及藉由該等個別磁場所作動之吸力與斥力係彼此平行的。
在該平移器之旋轉運動的案例中，在該定子之個別定子磁鐵及/或在該平移器的個別平移器磁鐵可被沿著敘述一多邊形之線且繞著一軸線配置，該軸線被定向成平行於該平移器之運動方向。
該平移器之運動方向及藉由該等個別磁場所作動之吸力與斥力係彼此平行的。
該平移器能關於該定子藉著導引單元可運動地被安裝，該導引單元之導引軸桿於二鄰接的個別定子磁鐵間之區域中相交該定子，且於二鄰接的個別平移器磁鐵間之區域中相交該平移器。
當該導引單元位係根據本發明配置時，該等個別特別的磁鐵之磁場將不藉由該導引單元之存在所干擾。
當該平移器關於該定子被定位在最遠距離d處時，延伸於該定子及該平移器間之體積可為真空。
藉由根據本發明建立一真空或減少氣壓之區域，作用頂抗該平移器之運動的空氣阻力被減少。為了建立真空，本發明之磁性裝置被設置在氣密的外殼內，該驅動軸桿、該電源纜線等延伸經過該外殼。
圖1及2顯示本發明之當作磁性驅動器20的磁性裝置、及於該說明書中所使用之所有該等變數的實施例。該磁性驅動器20包括平移器2及定子1、1’，其係關於該平移器2橫向地設置。該等定子1、1’及該平移器為電磁鐵，其係定向成沿著一軸線-在該實施例示範地顯示在圖1及2中沿著該平移器之驅動軸桿3。該等定子1、1’及該平移器2之雙極磁矩係平行於該軸線。
為了提供用於該平移器2之交替極化，該平移器2經 由電源纜線11被連接至交流電源(未表示)，而該等定子1、1’之每一者經由另外電源纜線11被連接至直流電源(未表示)。
該平移器2之極化被選擇，以致該平移器2面朝該左定子1之極點被以與該左定子1之較接近極點相同的方式極化，其啟動該左定子1及該平移器2間之斥力13；該平移器2面朝該右定子1’之極點係與該右定子1’之較接近極點不同地極化，其啟動該右定子1’及該平移器2間之吸力12。該吸力12及斥力13作用於該平移器2上，且於該平移器2之運動中在該平移器運動方向6中造成一合力，如圖1所示，由該左側至右側，該平移器運動方向6被定向成朝該定子1’。在已改變該平移器2的極化之後，該平移器2於該平移器運動方向6中之運動被表示在圖2中。
當該磁性驅動器20係在操作中時，該平移器2總是關於該定子1被定位在超過零之距離r處。藉著此特色(看申請專利範圍第1項之特徵部分)，當操作本發明之磁性驅動器20時，該平移器2及該等定子1、1’的其中一者間之任何接觸能被排除。該距離r被界定為該平移器2之極點端部及面朝彼此之個別定子1、1’的極點端部間之距離。
萬一該平移器2於該平移器運動方向6中線性運動至該左側，該平移器2抵達該位置16。該位置16係該平移器2之線性運動的最後位置，且其特徵為平移器2及該左定子1間之距離對應於該最小經界定的距離r2，而該平移器及該右定子1’間之距離對應於該最大經界定的距離r1。 在該平移器2的極化改變之後，該等距離r1及r2在某種程度上被界定，用於執行該平移器2之隨後由該右側至該左側的運動，如在圖2所示，該平移器2及該左定子1之相同符號的極點之間所產生的斥力為最大量值。
該距離r係藉由控制單元所預設，該控制單元改變該平移器2之極化，其係一電磁鐵。如果該平移器2抵達該位置16，該平移器2’之極點被改變，以致該平移器2係在一運動方向中運動，該運動方向與圖1所說明之運動方向相反。藉由改變該等定子1、1’之極化，斥力被啟動於該平移器2及該左定子之間，而吸力被啟動於該平移器2及該右定子1’之間，該等力量具有一經界定之能階，其造成該平移器2由該右側運動至該左側，如在圖2所說明。
該定子1藉著支撐結構15被支撐在一定子支撐件14上。
該平移器2係耦接至驅動軸桿3，於圖1所說明之實施例中，其亦具有用於該平移器2的導引單元7之作用。該導引單元7之導引軸桿8係平行於該平移器之運動方向6。該導引軸桿8延伸經過該等定子1、1’及經過該平移器2，該等定子1、1’及該平移器2之個別磁場係不被該導引軸桿8之存在所干擾。
該等定子1、1’間之體積為真空。為達成該真空，該磁性驅動器20被設置在外殼內(未表示)。
當該平移器2如圖1所說明地運動時，圖3a中所揭示之曲線圖顯示該平移器2及該左定子1間之斥力13的 相依性。於圖3a以及於圖3b與3c中，該平移器2離該個別定子1、1’之距離被指示在該x軸線上，而作用於該平移器2及該定子1、1’間之力量被指示在該y軸線上。該等圖3a、3b、及3c中所揭示之曲線圖構成用於一計算之基礎，並基於該說明書中所揭示之方程式及以下之假定：- μRs1=μRs2=μRt=100
- Ns1=Ns2=Nt=40
- Rs1=Rs2=Rt=002m
- Ls1=Ls2=Lt=0.04m
- Is1=Is2=It=1A
- 該平移器運轉係δ=0,04m
在位置Xt=0,04m處，該平移器2將接觸該左定子1。圖3a中之曲線圖的y值更接近抵達0。該斥力13在距離ε抵達其最大值。該平移器2之位置16最好是藉由該導引單元在某種程度上被選擇，而該平移器2之零點係與該鄰接定子1、1’之零點隔開一段距離εmin。
圖3b中之曲線圖根據圖1中之表示顯示該吸力13在該平移器2及該右定子1’間之距離上的相依性。大致上，當該平移器2日漸較接近該右定子1’時，該吸力13增加。
圖3c顯示源自該等圖示3a及3b中之曲線圖的曲線圖。圖3c中之曲線圖顯示源自該斥力13及該吸力12之發展的力量條件，視該等定子1、1’間之平移器2的位置 而定，該合力條件係平行於該軸線，參考圖1及2平行於運動之軸線3。
該等圖4及5顯示本發明之當作磁性驅動器20的磁性裝置之另一實施例，該實施例係類似於圖1及2中所說明者。對比於圖2中所表示之實施例，在圖3所示之該另一實施例中，該平移器2之極化於該平移器2之運動期間保持相同，而該等定子1、1’之極化被改變。
圖6顯示一類似於圖4所說明之實施例的實施例，對比於圖4所示實施例，該實施例包括二導引單元。作用於該等定子1、1’及該平移器2間之磁場不被該導引單元7所干擾，其與圖4所示實施例比較構成一優點。
圖7顯示本發明的磁性驅動器20之另一實施例，該平移器2之運動為旋轉式。該磁性驅動器20包括四片段形、個別之平移器磁鐵5，其環繞驅動軸桿3及平移器之旋轉軸線與相對其在一直角地設置在一圓10中。該等個別之平移器磁鐵5係經由導引單元機械地耦接至該驅動軸桿3，以致該個別之平移器磁鐵5形成一平移器2。於該等個別平移器磁鐵4間之區域中，四個同樣片段形、個別之定子磁鐵4被設置，該等個別之定子磁鐵4藉著機械耦接件(未表示)被耦接，以形成定子1。
根據上面之揭示內容，該等個別定子磁鐵4及該等個別平移器磁鐵5之面朝彼此的極點具有相同或不同的符號。
如果該平移器2之運動為旋轉式，當該磁性驅動器20 係在操作中時，該平移器將總是與該定子隔開，個別平移器磁鐵5之旋轉運動方向6總是被定向成朝個別之定子磁鐵4。
圖8顯示本發明的第一磁性驅動器20之耦接至本發明的另一磁性驅動器20’。該等磁性驅動器20、20’之機械耦接係經由盤件17所達成，該盤件被支撐以旋轉環繞盤件中心18。為幾何之理由，桿棒19被提供於該盤件17及該等磁性驅動器20、20’的每一者之間，該桿棒的一端部在關於該盤件中心18的一偏心位置被連接至該盤件17，其另一端部被鉸接至該個別之磁性驅動器20、20’。
該等磁鐵驅動器20、20’關於該盤件中心18被安裝在固定位置中，以致藉由該磁性驅動器20、20’所產生之線性運動建立該盤件17之旋轉式運動。藉由將該桿棒19、19’配置在偏心位置，該等磁性驅動器20、20’的平移器2(在圖8中未示出)之線性運動被機械地控制。
圖9至11顯示該磁性驅動器之實施例的視圖，其特徵為將數個個別之定子磁鐵4配置在該定子1、1’及將數個個別之平移器磁鐵5配置在該平移器2，並顯示該平移器2與該定子1、1’之詳細視圖。
圖9由上面顯示圖9至11中所說明之磁性驅動器的實施例。該磁性驅動器包括沿著軸線9設置之二定子1、1’。再者，二導引單元7被配置，該導引單元7於該等定子1、1’之間支撐該平移器，以致其可關於該等定子1、1’被運動。該平移器2係進一步耦接至一延伸經過該等定子 1、1’至驅動元件(未表示)之驅動軸桿3。該支撐結構15亦具有用於該驅動軸桿之支撐的作用。
圖10顯示圖9至11中所顯示之發明的磁性驅動器之實施例的定子1之橫向視圖。該定子1包括五個個別之定子磁鐵4，該等定子磁鐵旋轉式對稱地被設置環繞該驅動軸桿3。該等個別定子磁鐵4之每一者係與該等個別平移器磁鐵5相向地設置。
圖11顯示該平移器2之橫向視圖。該平移器2包括數個個別之平移器磁鐵5，該等平移器磁鐵係對稱旋轉式設置環繞該驅動軸桿3，該驅動軸桿係沿著多邊形10垂直於該視圖平面。一方面，該等個別之平移器磁鐵5被設置在該驅動軸桿，且在另一方面，藉著平移器軸承22被設置在平移器支撐件21。該等平移器軸承22係輻條，每一輻條具有盡可能小之截面面積。
圖12顯示本發明之磁性驅動器當作阻抗元件的另一實施例。根本上，該結構係類似於上述實施例之結構，然而，該等定子1、1’係關於該平移器2在某種程度上極化，而該平移器2之極點及該等定子1、1’的那些極點間之斥力13被啟動。該平移器2當其經由該驅動軸桿3被一作用於其上之力量所加速時，可如此沿著該等定子1、1’間之距離被位移。
圖13顯示本發明之磁性裝置的另一實施例之等角視圖。該磁性裝置包括被設置於二平移器2間之定子1，該定子1及平移器2被設置在支撐結構15內，該支撐結構 形成一外殼。該驅動軸桿3係位在該支撐結構的外側。該定子1及該等平移器2係沿著該軸線9設置，其決定該平移器之運動的方向6。
該等平移器2被安裝在二導引單元7上，且藉由二導引單元7所支撐，該等導引軸桿8被定向成平行於該等平移器之運動方向6。該等導引單元8係關於該等平移器2橫向地設置，以便不會與該等平移器2及該等定子1間之磁場干涉。
該等導引單元8被該支撐結構15所支撐。
圖13所示之磁性裝置本質上具有那些上面論及之合適特徵。該等平移器2係N45等級磁鐵。該定子1係包括磁芯22及捲繞該磁芯22之線圈23的電磁鐵。
圖14顯示圖13所示本發明之磁性裝置的俯視圖，並對應於其仰視圖。參考圖13所敘述之裝置的特徵本質上可在圖14中看見。
於圖14中，該等平移器2及該定子1與該驅動軸桿3沿著該軸線9之位置能被看見。
該定子1藉著定子支撐件14被安裝至該支撐結構15。該定子1之磁芯22在該軸線9之方向中延伸，由該支撐結構15突出，以致該定子1及該等平移器2間之磁場不被該定子支撐件14所干擾。
對於熟諳此技藝者明顯的是，該平移器支撐件24之形狀被設計成適於該動量應變，該等平移器2藉著該支撐件被安裝至該導引單元7，且除其他事項外，該振動力量 藉由該平移器2之振盪運動所造成。
圖15顯示圖13及14所示磁性裝置之剖視圖。除了該前述特徵以外，計算區域21能被看見；用於此區域，磁場強度曲線使用該有限元素方法(FEM)被決定。為了造成計算更容易，該計算區域21僅只涵蓋對稱的半部；圖15中之對稱軸線對應於該軸線9。該FEM計算之結果(看圖17與18)將在下面段落中被討論。
圖16顯示該對稱半部之詳細視圖，FEM計算係為該半部進行。該對稱軸線再次對應於該軸線9。該等平移器2之對稱半部可在圖16中被看見。
該定子1包括磁芯22及線圈23；又，該等個別之對稱半部能被看見。
於圖16中，另一計算區域21被顯示。
於圖17及18中，該FEM模擬之結果被說明。該FEM計算係基於該假定，即該定子係90A之電磁鐵，且該等平移器2係1,050kA/m之N45等級永久磁鐵。
於圖17中，該平移器2的位置及該定子間之距離r係1.00毫米。該定子1及該平移器2間之斥力13構成作用於該平移器2上之平移力量的一大部份，而該平移器2’之運動係藉由該平移器2’及該定子1間之吸力12所造成。
圖18顯示當該等平移器2被定位離該定子1相等距離處時，該FEM模擬之結果。
圖19顯示一曲線圖，其比較在該試驗裝置中所測量之平移力量與基於FEM模擬所計算之平移力量。於兩案 例中，所考慮之平移器為1,050.0kA/m之永久磁鐵。用於該等計算，該定子被供給以90A之能量。用於該模擬，該定子被供給以9A之能量，且所獲得之值係外推用於90A。
圖19中所示之曲線圖清楚地顯示基於該上面討論之理論的模擬及該等量測本質上係一致的。
圖20比較平移器之平移力量，該等平移器為不同地磁化之永久磁鐵，該等平移力量藉著FEM模擬基於該上面討論之理論被計算。該曲線圖之y軸線顯示該平移力量之被計算的值，而該x軸線顯示該平移器之位置。圖20中之曲線圖顯示當該等定子被以9A之能量供給，並為90A外推時，被用作平移器的永久磁鐵之磁化的影響。該曲線圖包含該曲線“模擬力量[N]”，其顯示其他曲線的一般路線。該曲線“模擬力量[N]”亦被包含在圖19中。
1‧‧‧定子
2‧‧‧平移器
3‧‧‧驅動軸桿
4‧‧‧個別之定子磁鐵
5‧‧‧個別之平移器磁鐵
6‧‧‧該平移器之運動的方向
7‧‧‧導引單元
8‧‧‧導引軸桿
9‧‧‧軸線
10‧‧‧多邊形
11‧‧‧電源纜線
12‧‧‧吸力
13‧‧‧斥力
14‧‧‧定子支撐件
15‧‧‧支撐結構
16‧‧‧該定子之位置
17‧‧‧盤件
18‧‧‧該盤件的中心
19,19’‧‧‧桿棒
20,20’‧‧‧磁性驅動器
21‧‧‧計算面積
22‧‧‧鐵芯
23‧‧‧線圈
圖1及2顯示本發明之當作磁性驅動器20的磁性裝置、及於該說明書中所使用之所有該等變數的實施例。
圖3a-3c顯示有關作用於該平移器上的力量之量值的曲線圖，如視該平移器之位置至該等定子的距離而定。
圖4及5顯示本發明之當作磁性驅動器的磁性裝置之另一實施例。
圖6顯示本發明之當作磁性驅動器的磁性裝置之另一實施例，其係類似於圖1及2中所表示之實施例。
圖7顯示本發明之當作磁性驅動器的磁性裝置之另一 實施例。
圖8說明數個磁性驅動器藉著待驅動的軸桿之可能的耦接。
圖9至11顯示本發明之當作磁性驅動器的磁性裝置之另一實施例。
圖12顯示本發明之當作阻抗元件的磁性裝置之另一實施例。
圖13顯示本新發明之磁性裝置的另一實施例之等角視圖。
圖14顯示等於圖13所示實施例之仰視圖的俯視圖。
圖15顯示圖13-14所給與的本新發明之實施例的橫向截面視圖。
圖16顯示用於圖13-15所給與的實施例之有限元素方法模擬的元件之配置。
圖17-18大約係有限元素方法模擬之結果。
圖19-20顯示關於有限元素方法模擬的圖解。
1、1’‧‧‧定子
2‧‧‧平移器
3‧‧‧驅動軸桿
6‧‧‧該平移器之運動的方向
7‧‧‧導引單元
8‧‧‧導引軸桿
11‧‧‧電源纜線
12‧‧‧吸力
13‧‧‧斥力
14‧‧‧定子支撐件
15‧‧‧支撐結構
16‧‧‧該定子之位置

Claims (12)

  1. 一種磁性裝置，包括至少一定子(1、1’)及至少一平移器(2)，該平移器(2)係可關於該定子(1、1’)在一平移器運動方向(6)中運動，該平移器運動方向(6)被導向朝該定子(1、1’)，該至少一定子(1、1’)及該平移器(2)係沿著一軸線配置，其特徵為該磁性裝置包括一控制裝置，該控制裝置包括當該磁性裝置係在操作中時，用以關於該平移器及該定子之間所產生的力量控制該平移器及該定子間之距離r>0(r係等於或大於0)的裝置；該平移器(2)係可關於該定子(1、1’)於該平移器運動方向(6)中沿著線性平移器運動軸線運動，該至少一定子(1、1’)及該平移器(2)係沿著該平移器運動軸線導向。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁性裝置，包括二定子(1、1’)及一平移器(2)，其中該最小距離r係藉由控制單元基於該定子(1)及該平移器(2)之間所建立的力量來界定，以致在該平移器(2)之位置Xt作用於該平移器(2)上之力量係最大力量，作用於該平移器(2)上之力量界定係藉由以下關係所界定： 其中- qsla(Xt)及qslb(Xt)係該定子(1、1’)之磁極強度，- qta(Xt)及qtb(Xt)係該平移器(2)之磁極強度，係該平移器之位置Xt，- Ls係該定子(1、1’)之長度，- Lt係該平移器(2)之長度。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中在該定子之個別定子磁鐵(4)及/或在該平移器(2)的個別平移器磁鐵(5)係沿著描述多邊形(10)的一線配置，該多邊形圍繞一多邊形軸線，且被導向成平行於該平移器運動方向(6)。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該平移器(2)係關於該定子(1)藉著至少一導引單元(7)可運動地安裝，該導引單元(7)之導引輪軸(8)於二鄰接的個別定子磁鐵(4)間之區域中相交該定子(1)，且於二鄰接的個別平移器磁鐵(5)間之區域中相交該平移器(2)。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該平移器(2)關於該定子(1、1’)之運動係一振盪運動。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該定子(1、1’)為永久磁鐵，而該平移器(2)為電磁鐵。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該定子(1、1’)為電磁鐵，而該平移器(2)為永久磁鐵。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該定子(1、1’)及該平移器(2)為永久磁鐵或電磁鐵。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該控制裝置包括一分隔元件，其可被定位於該定子(1、1’)及該平移器(2)之間。
  10. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該控制裝置包括在該平移器(2)之運動上行使一機械限制的系統。
  11. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中該控制裝置包括距離測量裝置及/或時間測量裝置，藉著該測量裝置，該定子(1、1’)及/或該平移器(2)之極化及/或該定子(1、1’)及/或該平移器(2)的場強度可視該平移器(2)關於該定子(1、1’)之位置而定及/或視時期而定被改變。
  12. 如申請專利範圍第1或2項之磁性裝置，其中當該平移器(2)係位於離該定子(1)最遠距離d時，延伸於該定子(1)及該平移器(2)之間的體積為真空。
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