TWI588368B - Multi-stage magnetic drive method and apparatus thereof - Google Patents

Description

多段式磁力驅動方法及其裝置

本發明是有關於一種磁力驅動方法及磁力驅動裝置，特別是指一種用於推動流體的多段式磁力驅動方法及其裝置。

現有的多節式線圈的驅動方式是按照空間順序一次對一個線圈通電，線圈軸向寬度過大，遇到流體阻力時，活塞的活動穩定度較差。另外，各節線圈之間的間距過大時，位在各節線圈之間的間距的磁力衰減，整體的推動力降低，造成可推動的流量不高。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種改善先前技術缺失的多段式磁力驅動方法及多段式磁力驅動裝置。

於是，本發明多段式磁力驅動方法係配合一多段式磁力驅動裝置將流體沿一軸向方向推動，該多段式磁力驅動裝置具有一感應模組、一控制單元、一界定該軸向方向的管狀外殼、一位於該管狀外殼內部的具磁性的活塞 及一包覆該管狀外殼的線圈模組，該線圈模組具有圍繞地設置於該管狀外殼外部彼此不呈電性連接的九節以上的多節螺線管且各節螺線管彼此沿該軸向方向間隔有不使磁力衰減的間隙，該方法包含以下步驟：該感應模組感測各該螺線管的磁場變化；該控制單元依據該感應模組感測到的各該螺線管的磁場變化令相鄰的兩節以上的螺線管改變相對於該活塞的磁場配置，並藉由改變磁場產生的磁力推動該活塞沿該軸向方向帶動該流體。

在一些實施態樣中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的其中至少一者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置介於該極性相反的該等螺線管和該極性相同的螺線管之間的一個螺線管的距離中。

在一些實施態樣中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的另外至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的另一排斥力，且令該活塞的位置介於兩組極性相反的該等螺線管之間的一個螺線管的距離之中。

在一些實施態樣中，該控制單元是令該等螺線管的至少三者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力或至少三者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置與該等螺線管的 中間位置重疊。

本發明的多段式磁力驅動裝置係應用於將流體沿一軸向方向推動，包含一管狀外殼、一第一止回閥、一第二止回閥、一線圈模組、一活塞、一感應模組及一控制單元。

該管狀外殼具有一入口、一出口及一界定該軸向方向的殼室；該第一止回閥係位於該入口；該第二止回閥係位於該出口；該線圈模組具有圍繞地設置於該管狀外殼外部的不同位置的多節螺線管，各節螺線管不呈電性連接且彼此沿該軸向方向間隔有不使磁力衰減的間隙；該活塞具有一磁性元件及一與該磁性元件連動的第三止回閥，該磁性元件係可活動地設置於該殼室內部且沿該軸向方向的寬度介於一節螺線管至兩節螺線管的寬度之間；該感應模組用以感測各該螺線管的磁場變化；該控制單元電性連接各該螺線管及各該感應元件，依據各該感應元件感測到的各該螺線管的磁場變化令相鄰的兩節以上的螺線管改變相對於該活塞的磁場配置，並藉由改變磁場產生的磁力推動該活塞沿該軸向方向帶動該流體。

本發明之功效在於：透過縮小各節螺線管彼此的間隙可避免過大的間距造成的磁力衰減的問題，相較於現有技術因為線圈之間的間距過大所帶動的低流量，本發明明顯可提升較高的流量；另外，並配合感應模組偵測磁力變化的位置，進一步提升流體驅動控制技術的精確度和穩定度。

1‧‧‧多段式磁力驅動裝置

101‧‧‧入口

102‧‧‧出口

2‧‧‧管狀外殼

20‧‧‧殼室

201‧‧‧第一套接件

202‧‧‧第二套接件

21‧‧‧第一止回閥

22‧‧‧第二止回閥

3‧‧‧活塞

31‧‧‧第三套接件

32‧‧‧磁性元件

33‧‧‧第三止回閥

4‧‧‧線圈模組

41‧‧‧螺線管

5‧‧‧感應模組

6‧‧‧控制單元

60‧‧‧控制電路

61‧‧‧電流放大電路

7‧‧‧電源供應裝置

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一立體分解示意圖，說明本發明多段式磁力驅動裝置之實施例；圖2是一電路方塊圖，說明本發明多段式磁力驅動裝置之電路元件；圖3是一剖面示意圖，說明該實施例的活塞及螺線管的相關位置；圖4是一前視圖，說明該實施例的多個感測元件分別對應各螺線管設置；圖5是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由兩節螺線管相對於活塞前方產生吸引力的實施態樣；圖6是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由兩節螺線管相對於活塞產生排斥力的實施態樣；圖7是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由相對於活塞前後以兩節螺線管產生排斥力及一節螺線管產生吸引力的實施態樣；圖8是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由相對於活塞前後各以兩節螺線管產生排斥力的實施態樣；圖9是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由與活塞位置重疊且以多節螺線管產生吸引力的實施態樣；圖10是一時序圖，說明本發明多段式磁力驅動方法藉由與活塞位置重疊且以多節螺線管產生排斥力的實施態樣 ；圖11是一模擬示意圖，說明驅動一組螺線管的實施態樣的磁場分佈；圖12是一曲線圖，說明圖11於不同螺線管位置的磁場強度變化；圖13是一模擬示意圖，說明驅動兩組螺線管的實施態樣的磁場分佈；圖14是一曲線圖，說明圖13於不同螺線管位置的磁場強度變化；圖15是一模擬示意圖，說明驅動三組螺線管的實施態樣的磁場分佈；及圖16是一曲線圖，說明圖15於不同螺線管位置的磁場強度變化。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1至圖3，本發明之實施例中，一多段式磁力驅動裝置1係一心室輔助器泵浦，應用於將血液沿一軸向方向I推動。然而，其他的流體驅動技術亦屬於本發明的應用範疇，不以心室輔助器泵浦為限制。

多段式磁力驅動裝置1包含一管狀外殼2、一第一套接件201、一第一止回閥21、一第二止回閥22、一第二套接件202、一活塞3、一線圈模組4、一感應模組5、一控制單元6及一電源供應裝置7。

管狀外殼2具有一入口101、一出口102及一界定軸向方向I的殼室20。第一止回閥21通過第一套接件201固定於入口101。第二止回閥22通過第二套接件202固定於出口102。

參閱圖1、圖3及圖4，活塞3具有一磁性元件32、一與磁性元件32連動的第三止回閥33及一固接磁性元件32及第三止回閥33的第三套接件31。活塞3的磁性元件32係可活動地設置於殼室20內部，且磁性元件32沿軸向方向I(如圖3)的寬度介於一節螺線管41的寬度L至兩節螺線管41的寬度2L之間(如圖4)。第三止回閥33可以是但不限於是例如US8470026揭示的機械式瓣膜，由於其結構非本發明的重點，在此不多作介紹。

線圈模組4具有圍繞地設置於管狀外殼2外部的不同位置的多節螺線管41，各節螺線管41不呈電性連接且彼此沿軸向方向I間隔有不使磁力衰減的間隙△L，例如：各節螺線管41的間隙△L為小於6毫米，且各節螺線管41沿該軸向方向I的寬度L低於6毫米；藉此，可以進行精確的流量控制。因為電線通電產生磁場大小會隨著距離成反比，在距離X毫米量測到的磁場大小為在距離1毫米位置的1/X，表示其作用於活塞磁鐵的力量下降至1/X。

本實施例中，共24節螺線管41，螺線管41的寬度4毫米和螺線管41之間的間距1毫米，每螺線管41的匝數為350匝。假設以螺線管41之間的間距8毫米作為對照組，在相同的線圈數目下，改為間距1毫米將使線圈 密度增加為原本之二倍，故在相同的電流條件下，其磁力大小將為原本之二倍。

參閱圖4，感應模組5具有用以感測各螺線管41的磁場變化的霍爾效應感應元件，且數量共有24個，其偵測到的訊號傳回控制單元6。

再參閱圖1至圖3，控制單元6電性連接各螺線管41及感應模組5的各感應元件，依據各感應元件感測到的各螺線管41的磁場變化令相鄰的兩節以上的螺線管41改變相對於活塞3的磁場配置，並藉由改變磁場產生的磁力推動活塞3沿軸向方向I帶動流體。

以下配合圖1及圖2說明本發明的多段式磁力驅動方法的幾種實施態樣。

參閱圖5，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的極性與活塞3的極性相反而產生推動活塞3的排斥力。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第二及第三節螺線管41相對於活塞3相對於活塞3產生吸引力；接著，當感測到活塞3被推動至位在第二節螺線管41的位置，令第三及第四節螺線管41相對於活塞3產生吸引力，依此類推。

參閱圖6，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的極性與活塞3的極性相同而產生推動活塞3的吸引力。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第一及第二節螺線管41相對於活塞3相對於活塞3產生排斥力；接著，當感測到活塞3被推動至位在第二節螺 線管41的位置，令第二及第三節螺線管41相對於活塞3產生排斥力，依此類推。

參閱圖7，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的至少二者的極性與活塞3的極性相反而產生推動活塞3的排斥力，以及該等螺線管41的其中至少一者的極性與活塞3的極性相同而產生推動活塞3的吸引力，且令活塞3的位置介於極性相反的該等螺線管41和極性相同的螺線管41之間的一個螺線管41的距離中。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第一及第二節螺線管41相對於活塞3產生排斥力，且第四節螺線管41相對於活塞3產生吸引力，每次感應到不同位置則依序驅動，依此類推。

參閱圖8，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的至少二者的極性與活塞3的極性相反而產生推動活塞3的排斥力，以及該等螺線管41的另外至少二者的極性與活塞3的極性相反而產生推動活塞3的另一排斥力，且令活塞3的位置介於兩組極性相反的該等螺線管41之間的一個螺線管41的距離之中。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第一及第二節螺線管41相對於活塞3產生排斥力，且第四及第五節螺線管41相對於活塞3產生排斥力；接著，每次感應到不同位置則依序驅動，依此類推。

參閱圖9，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的至少三者的極性與活塞3的極性相反而產生推 動活塞3的排斥力，且令活塞3的位置與該等螺線管41的中間位置重疊。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第一、第二及第三節螺線管41相對於活塞3相對於活塞3產生吸引力；接著，每次感應到不同位置則依序驅動，依此類推。

參閱圖10，控制單元6依序提供電流脈衝令該等螺線管41的至少三者的極性與活塞3的極性相同而產生推動活塞3的吸引力，且令活塞3的位置與該等螺線管41的中間位置重疊。例如：一開始，活塞3位在第一節螺線管41的位置，第一、第二及第三節螺線管41相對於活塞3相對於活塞3產生排斥力；接著，每次感應到不同位置則依序驅動，依此類推。

在實驗效果方面，以現有技術的多段式磁力驅動裝置(線圈之間的間距較大)進行實驗，其最佳的推水流量為0.5公升/分鐘，本發明可提升較高的流量，經實驗以第一、二節線圈(共9毫米)通電流對活塞3產生排斥力和第四節線圈(4毫米)通相反方向電流，對活塞3產生吸引力，兩者間隔一個線圈不通電，間距是6毫米。為可推動水流量達4.4~5.2公升/分鐘，故證明本發明所產生的磁力較大，才能推動較高的流量。

參閱圖11及圖12，分別說明驅動一組螺線管的實施態樣的磁場分佈以及於不同螺線管的磁力變化。箭頭大小指的是線圈通電後的磁場強度大小，箭頭越大磁場強度越高；另磁場強度亦可從箭頭之顏色來表示，顏色從藍 ->綠->黃->橙->紅，顯示磁場強度從8.5441*10^-10特司拉(Tesla)到4.19109*10^-2特司拉。

參閱圖13及圖14，分別說明驅動兩組螺線管的實施態樣的磁場分佈以及於不同螺線管的磁力變化。箭頭大小指的是線圈通電後的磁場強度大小，箭頭越大磁場強度越高；另磁場強度亦可從箭頭之顏色來表示，顏色從藍->綠->黃->橙->紅，顯示磁場強度從8.5441*10^-10特司拉(Tesla)到4.19109*10^-2特司拉。曲線是指兩節線圈通電(相同方向)的磁場強度變化，明顯的磁場強度及其分佈範圍比單節通電還要大，通電產生的磁場可能是吸引力或者是排斥力，如果是排斥力的狀況可能會使活塞3的位置會超出通電線圈的範圍。

參閱圖15及圖16，分別說明驅動三組螺線管的實施態樣的磁場分佈以及不同螺線管的磁力變化。曲線圖中，利用兩節線圈通電對活塞3產生排斥力(圖16中圓點部分)，相隔一個線圈不通電，再以單節線圈通反方向電流產生吸引力(圖16中網狀斜線部分)，此一通電設計形成的磁場強度的變化以及分佈範圍，可控制活塞3不會因為斥力過大，運動脫離下個線圈通電產生磁場分佈位置，導致線圈通電無法連續施力於上。

綜上所述，本發明之功效在於：多段式磁力驅動裝置1係透過縮小各節螺線管41彼此的間隙可避免過大的間距造成的磁力衰減的問題。另外，並配合感應模組5偵測磁力變化的位置，進一步提升流體驅動控制技術的精 確度和穩定度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧多段式磁力驅動裝置

101‧‧‧入口

102‧‧‧出口

2‧‧‧管狀外殼

20‧‧‧殼室

201‧‧‧第一套接件

202‧‧‧第二套接件

21‧‧‧第一止回閥

22‧‧‧第二止回閥

3‧‧‧活塞

31‧‧‧第三套接件

32‧‧‧磁性元件

33‧‧‧第三止回閥

4‧‧‧線圈模組

41‧‧‧螺線管

Claims (11)

1. 一種多段式磁力驅動方法，其係配合一多段式磁力驅動裝置將流體沿一軸向方向推動，該多段式磁力驅動裝置具有一感應模組、一控制單元、一界定該軸向方向的管狀外殼、一位於該管狀外殼內部的具磁性的活塞及一包覆該管狀外殼的線圈模組，該線圈模組具有圍繞地設置於該管狀外殼外部彼此不呈電性連接的九節以上的多節螺線管且各節螺線管彼此沿該軸向方向間隔有不使磁力衰減的間隙，該方法包含以下步驟：該感應模組感測各該螺線管的磁場變化；及該控制單元依據該感應模組感測到的各該螺線管的磁場變化令相鄰的兩節以上的螺線管改變相對於該活塞的磁場配置，並藉由改變磁場產生的磁力推動該活塞沿該軸向方向帶動該流體。
2. 如請求項1所述多段式磁力驅動方法，其中，該控制單元是令該等螺線管的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，或是令該等螺線管的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力。
3. 如請求項1所述多段式磁力驅動方法，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的其中至少一者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置介於該極性相反的該等螺線管和該極性相同的螺線管之間的一個螺線管的距離中 。
4. 如請求項1所述多段式磁力驅動方法，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的另外至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的另一排斥力，且令該活塞的位置介於兩組極性相反的該等螺線管之間的一個螺線管的距離之中。
5. 如請求項1所述多段式磁力驅動方法，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少三者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力或至少三者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置與該等螺線管的中間位置重疊。
6. 一種多段式磁力驅動裝置，其係應用於將流體沿一軸向方向推動，包含：一管狀外殼，具有一入口、一出口及一界定該軸向方向的殼室；一第一止回閥，其係位於該入口；一第二止回閥，其係位於該出口；一線圈模組，具有圍繞地設置於該管狀外殼外部的不同位置的多節螺線管，各節螺線管不呈電性連接且彼此沿該軸向方向間隔有不使磁力衰減的間隙；一活塞，具有一磁性元件及一與該磁性元件連動的第三止回閥，該磁性元件係可活動地設置於該殼室內部且沿該軸向方向的寬度介於一節螺線管至兩節螺線管的 寬度之間；一感應模組，具有用以感測各螺線管的磁場變化的感應元件；及一控制單元，電性連接各該螺線管及各該感應元件，依據各該感應元件感測到的各該螺線管的磁場變化令相鄰的兩節以上的螺線管改變相對於該活塞的磁場配置，並藉由改變磁場產生的磁力推動該活塞沿該軸向方向帶動該流體。
7. 如請求項6所述多段式磁力驅動裝置，其中，該控制單元是令該等螺線管的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，或是令該等螺線管的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力。
8. 如請求項6所述多段式磁力驅動裝置，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的其中至少一者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置介於該極性相反的該等螺線管和該極性相同的螺線管之間的一個螺線管的距離中。
9. 如請求項6所述多段式磁力驅動裝置，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力，以及該等螺線管的另外至少二者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的另一排斥力，且令該活塞的位置介於兩組極性相反的 該等螺線管之間的一個螺線管的距離之中。
10. 如請求項6所述多段式磁力驅動裝置，其中，該控制單元是令該等螺線管的至少三者的極性與該活塞的極性相反而產生推動該活塞的排斥力或至少三者的極性與該活塞的極性相同而產生推動該活塞的吸引力，且令該活塞的位置與該等螺線管的中間位置重疊。
11. 如請求項6至10中的任一項所述的多段式磁力驅動裝置，其中，各節螺線管沿該軸向方向的寬度低於6毫米，且各節螺線管的間隙為小於6毫米。