TWI629855B - 具作用於平移器加速單元之磁性裝置 - Google Patents

具作用於平移器加速單元之磁性裝置 Download PDF

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Abstract

一種磁性裝置，其包括至少一磁激定子(1)與一磁激平移器(2)，該平移器(2)可相對於該定子(1)而在一平移器移動方向(4)中沿著一平移器移動路徑(3)移動，其中該定子(1)是永久磁鐵且該平移器(2)是電磁鐵或該定子(1)是電磁鐵且該平移器(2)是永久磁鐵，其中磁力作用於該定子(1)與該平移器(2)之間，該平移器(2)係至少在部分的該平移器移動路徑(3)中可耦接至一加速單元(5)，其在該平移器(2)與該加速單元(5)之耦接時產生一加速力狀態，該加速力狀態包括作用於該平移器(2)上的至少一修正力，該加速力狀態以該平移器(2)的移動之方向取向而離開該定子(1)，其中該平移器(2)可藉由該修正力而自該捕捉力分離，該捕捉力能藉由該電磁鐵未被供給一電流的時候之測量而被確定。

Description

具作用於平移器加速單元之磁性裝置
本發明與一種磁性裝置有關，該磁性裝置包含至少一磁激定子磁鐵與至少一磁激平移器磁鐵，該平移器係可相對於該定子磁鐵而沿著一平移器移動路徑而於一平移器移動方向中移動，其中該定子是永久磁鐵且該平移器是電磁鐵或該定子是電磁鐵且該平移器是永久磁鐵，其中一磁力F(x,J)作用在該定子與該平移器之間，而x≧0，其為該定子與該平移器之間的該距離，且J是該電磁鐵的該電流密度，該平移器係至少在部分的該平移器移動路徑中可耦接至一加速單元，在該平移器耦接到該加速單元時，該加速單元產生一加速力狀態，該加速力狀態包括作用於該平移器上的一修正力F corr (x)，該加速力狀態以該平移器之移動的方向定向而遠離該定子。
為求簡化，以下將定子磁鐵稱為定子，而平移器磁鐵係稱為平移器。根據先前技術狀態的磁性驅動器係包括至少一定子與一平移器，平移器利用作用於定子與平移器之間的磁性吸引力與斥力而係可相對於定子而移動。從AT20110001260 20110905(申請人：Jeremy Hein、Martin Marschner von Helmreich)可知，吸引力與斥力基本上 是定子與平移器之間的距離的函數。作用在平移器上且使平移器移動的所有力的總和係可藉由選擇平移器與較靠近的定子之間的距離而進行最佳化。
由磁性吸引力所產生且作用於該平移器上的力的狀態可在平移器在離定子之距離為r處朝向定子移動時達到其最大值。在平移器的相反移動方向的情況下，亦即，當平移器移動離開定子時，當距離r夠小時，在定子與移動的平移器之間會有吸引力作用。
在定子與平移器之間的距離夠小的情況下，定子與平移器係作用為磁鐵，無論定子與平移器的極性為何。該充分小的距離是由平移器對定子的場強度(或相反)及其它因素而決定。在一磁性裝置的運作期間，例如在一電磁鐵的極性反轉期間，平移器的場強度係比定子低。
當在定子與平移器之間存在一充分小的距離時，即可藉由定子與平移器之間的吸引力而避免平移器從定子移動、或使該移動減速。在該技術領域中所熟知的此一效應係稱之為在定子處「捕捉(capturing)」平移器。這會降低磁性裝置作為例如一磁性驅動器之輸出。
DE10003928及DE10003928中呈現的現有技術揭露了磁性裝置，其在平移器之移動路徑的端點位置包括電磁鐵。該電磁鐵在第一端點位置被斷開，以將平移器從第一端點位置移動到第二端點位置(見DE10003928，第一欄第23-24行，D1第6欄第19-22行)。因為第一端點位置之電磁鐵的斷開，將平移器從第一端點位置中的磁鐵分離之問題不能被解決(如專利申請的描述之介紹中所述)。在D10003928中，彈簧的功能是要在電磁鐵斷開的時候將平移器移動到某位置。
在WO2007063222第3頁第10-13行中揭露了在存在電磁鐵所引起 (力的)不平衡時，閥並未打開。閥的打開(平衡位置)例如是藉由彈簧達成。
因此彈簧的效果不同於申請揭露之加速單元的效果。捕捉的問題並未在WO2007063222中描述。
DE102007051917揭露了包括至少一電磁鐵與彈簧的裝置，該彈簧與該電磁鐵彼此交互作用。根據DE102007051917的第[0009]段，平移器可以藉由激發或解除激發電磁鐵而被移動到端點位置。
DE102007051917未提供彈簧用於將平移器從電磁鐵分離的指示。因為申請中揭露的彈簧之效果並未在DE102007051917中提到，新的申請專利範圍第1項將要被視為相對DE102007051917有新穎性。
根據DE102006013013的第[0017]段之揭露，彈簧用於克服殘餘磁化所引起錨板對斷開之電磁鐵之附著。此彈簧之效果並未對應於申請中所揭露之彈簧的效果。
根據申請的揭露，加速單元引起平移器從定子的分離(其作為磁鐵)。這在沒有電磁鐵被斷開的時候是視情況而定的。參考是針對申請專利範圍第1項為什麼相對DE102006013013有新穎性的以上解釋而進行。
EP1995090的第[0032]段揭露彈簧是純支撐元件(用於支撐載體的支撐彈簧)。申請中揭露的加速單元之效果並未在D5中描述。
根據US8222754的揭露，彈簧是擺動系統的一部分。US8222754並未揭露類似於申請揭露的加速單元效果之效果。申請專利範圍第1項是要被視為相對於D6有新穎性。
相同地，EP1320178並未提供加上電磁線性驅動器作用之彈簧的大小的指示。此外，在平移器夠靠近定子時定子與平移器作為磁鐵的 問題在EP1320178中並未被提起，以使得一般技術者不能推論出來自EP1320178的彈簧力的強度或推論EP1320178中所描述彈簧的效果(其類似於以下描述之加速單元)。
DE102997051917揭露了一種磁性裝置，其包括以一電磁鐵形式而設置之一致動器、以及在移動方向中產生一力之一彈簧元件。然而，DE102997051917並未提及關於定子及平移器作為磁鐵之效果之本揭露中所討論問題(至少在平移器被移動到夠近於定子時)。因此，該領域技術人士不會試著創造如下所述的創造性的力平衡或力不平衡。DE102997051917不包括關於產生在移動方向之力強度的任何規格，所以本領域具有一般技術者不會從DE102997051917推導出彈簧力強度。
DE10003928揭露了一種電磁鐵致動器，其具有對平移器作用之一彈簧機構。根據DE10003928的內容，該彈簧機構係作為平移器的一反向搖擺機構。在DE10003928中並未討論到當平移器移動遠離定子時平移器與定子分離之本發明後面的問題。
在WO2007063222中，彈簧係用以在一線圈掉落時使致動器移動至一靠近位置。因此，WO2007063222中並未討論本發明後面的問題。
在DE202009014192所揭露裝置中的彈簧對於平移器的移動不具影響，而是用以耦接數個裝置。
相較於先前技術中之裝置，此處所討論之發明係試圖解決提供一磁性裝置的問題，該發明係包括一額外構件以減少或避免將平移器捕捉在定子處的效果。在下文中，由捕捉效果所產生的力狀態係稱之為「捕捉力狀態」。
根據本發明，這是藉由以下之事實而達成：F(x,J=0)是磁性捕捉力，該捕捉力能藉由該電磁鐵未被供給電流的時候之測量而被確定，作用在該平移器上的該力的該總和是由 所定義，以及(a)當該平移器移動離開該定子時，於該平移器移動方向中對平移器作用的力總和會大於零，F(x,J=0)+F corr (x)>0，其中F corr (x)>-F(x,J=0)，或(b)當該平移器移動朝向該定子時，與該平移器移動方向反向之對該平移器作用的力之總和小於零，F(x,J=0)+F corr (x)<0，其中F corr (x)<-F(x,J=0)，或(c)當該平移器與該定子在一平衡狀態時，作用於該平移器之力的總和是零，F(x,J=0)+F corr (x)=0，其中F corr (x)=-F(x,J=0)，因此平移器可藉由修正力而自捕捉力分離。
本發明之磁性裝置可為一磁性驅動器、一發電機、一電阻元件、或是平移器主要或亦僅部分因磁場產生之力而相對定子移動所在的任何其他裝置。
若平移器與定子之間的距離充分小時，定子與平移器係作用為磁鐵，因此平移器係朝定子而移動。
由加速單元所致之加速力狀態係以平移器遠離定子的移動方向為取向。加速力狀態的效應可限於發生上述捕捉效應所在之平移器移動路徑部分。
在部分的平移器移動路徑中，可以捕捉力狀態來疊加該加速力狀態。捕捉力狀態基本上是以作用於定子和平移器之間的吸引力為特 徵。加速力狀態係依據其大小而完全或部分作用抵抗捕捉力狀態。
加速單元可根據機械產生力或磁力而產生力狀態。加速單元可藉由一至少部分彈性變形本體(像是例如彈簧)的先前變形而產生加速力狀態。彈性本體的變形可由平移器的移動產生。通常，彈性本體的變形是在發生捕捉效應之前及/或在平移器到達一充分靠近定子的區域(將接著發生捕捉效應)之前，於平移器至少部分朝向定子移動期間產生。
本發明之磁性裝置的一個具體實施例之特徵在於：該加速單元係沿著整個平移器移動路徑而運作地耦接至平移器。
根據平移器與定子之間的距離，加速單元可於平移器接近定子時偏離，及/或加速單元可根據平移器與定子之間的距離而產生加速力狀態。
當平移器耦接至加速單元、且平移器朝向定子移動時，在與平移器移動方向相反的方向中作用於平移器上的力的總和可小於或等於零。
當平移器耦接至加速單元、且平移器移動遠離定子時，在平移器移動方向中作用於平移器上的力的總和可大於或等於零。
此處所揭示之本發明磁性裝置並不限於將加速單元定位在定子與平移器之間的一區域中。加速單元在此區域中的定位係僅構成本發明之加速單元定位的一種可能性。加速單元也可對平移器移動路徑呈側向排列，並以對平移器移動路徑之任何角度延伸。
彈簧也可與一軸承元件一體地形成，其中該軸承元件係用於承受於一平移器軸上滑動之平移器。彈簧可以設為一板片彈簧或一線圈彈簧。軸承元件可包括一彈性材料，該彈性材料係可於本發明之磁性裝 置的運作期間變形。
根據該領域技術，作用於一平移器上的力是定子與平移器在此區域中作用之總和，且係依個別定子與平移器之間的距離而定。當平移器移動遠離定子時，以上述捕捉效應所發生之捕捉力係類似當相應地形成彈簧時而作用。本文所揭發明之特徵在於，該加速單元係根據平移器與定子之間的暫時距離而產生加速力狀態。
加速單元的上述特徵可例如藉由具有沿彈簧長度的不同幾何形狀的彈簧、或藉由沿彈簧長度之彈簧的不同材料特性來實現。舉例而言，在一類似方式中，係可設置一彈性可變形本體。
本發明之磁性裝置的下述具體實施例在加速單元因平移器接近定子而偏移時會有優勢。在本發明討論之上下文內容中，偏移(類似於彈簧的偏移)係描述加速單元儲存了供應至一加速單元而供後續釋放之一力或扭曲的狀態。根據本發明，所供應之力或扭曲的後續釋放係用於分離在定子處所捕捉之平移器。
本發明之磁性裝置的一個可能具體實施例的特徵在於，該加速單元係耦接至該平移器以及一參考點，並且至少部分延伸於平移器與該參考點之間。
該參考點可為位於本發明之裝置外部的一個物體。該參考點也可以是一裝置部件，例如一框架或外殼部件。該參考點可為靜止、或可相對於該定子而滑動。
定子可為該參考點。
該加速單元也可為另一磁鐵，其係耦接至平移器且可切換以加速該平移器。該另一磁鐵可為一永久磁鐵及/或一電磁鐵。
該加速單元可進一步包括驅動器，以使得在驅動器耦接至平移器的時 候，根據本發明之主要原理的力狀態可以被使用。驅動器可為習知的電動馬達及/或氣動裝置或液壓裝置。
該加速單元可設為彈簧的形式，該彈簧具有平行於平移器移動方向而作用之一彈簧力分量。
彈簧力分量因此相反於該捕捉效應所產生之力而作用。平移器移動使彈簧偏向定子，其中儲存於彈簧中的力係於平移器移動遠離定子期間釋放。
上述說明係與一種線性以及多邊形的平移器移動路徑有關。平移器移動路徑中的一條路線係可穿過定子。
本發明之磁性裝置的可能具體實施例包括電磁鐵與永久磁鐵的任何可能組合，特別是以永久磁鐵或電磁鐵的形式設置之定子與平移器。
定子可為一永久磁鐵，而平移器可為一電磁鐵。
定子可為一電磁鐵，且平移器可為一永久磁鐵。
根據一般性專業，電磁鐵及/或永久磁鐵必須加以極化，以使得平移器相對於定子之一移動或一定義位置可藉由所產生之斥力或吸引力而實現。
當定子及/或平移器是以電磁鐵的形式而設置時，定子及/或平移器係可作用為額外的磁鐵。這可藉由在一所定義時間期間的過程中改變定子及/或平移器的磁場而實現。該所定義時間期間可根據移動的平移器之位置而加以選擇。
本發明之磁性裝置可包括用於控制電磁鐵的極化以及用於根據加速力狀態來控制電磁鐵的強度之一控制裝置。
在下文中，將參照以下圖式與相應的圖式說明來描述加速單元 (其係作為本發明之磁性裝置的部件)的效果而補述以上說明。
1‧‧‧定子
2、2’‧‧‧平移器
3‧‧‧平移器移動路徑
4‧‧‧平移器移動方向
5、5’‧‧‧加速單元
6‧‧‧參考點
7、7’‧‧‧彈簧
Fcorr‧‧‧修正力
第1圖至第16圖是關於包括一個定子與一個平移器的一種磁性裝置。
第17圖至第28圖是關於包括一個定子與兩個平移器的一種磁性裝置。
此外，為求簡要，由於其已屬該領域中技術人士一般已知且針對現有技術而被應用，下述討論並不考慮抵消平移器移動的力，例如摩擦力或空氣阻力。
參照第1圖至第16圖，其說明了沿著一線性平移器移動路徑3而配置的兩個磁偶極的交互作用。第一偶極1是一永久磁鐵，第二偶極2是一電磁鐵。關於第1圖至第17圖的說明是基於在偶極之間並無相對運動而使得將偶極指定為定子或平移器是無關緊要的之假設。
為求簡要，根據該領域狀態，係假設一永久磁鐵為具有一圓柱形形狀且一磁場係至少沿著平移器移動軸而延伸。除此之外，假設該磁場的一均勻磁化為，其單位為每公尺安培數([A/m])。在永久磁鐵外部的磁場係隨著離磁鐵的增加距離x而減少。其可表示為下式： ，其中f(0)=1，lim∞ f(x)=0
該電磁鐵包括一圓柱形鐵磁性芯部，一線圈係於該 芯部周圍延伸為相同的圓柱形形狀。為求簡要，假設當使用一外部磁場H coil (J)[A/m]時，該鐵磁性芯部為均勻極化，因此可滿足下述關係：，其中χ V 為該鐵磁性芯部的磁化率。當電流密度J之電流I穿過電磁鐵的繞組時，在線圈內部以線圈的繞組內之電流密度J[A/mm2]為函數而產生一磁場H coil (J)。
相應地，對於從電流密度J所產生的電磁鐵的鐵磁性芯部的磁場而言，係存在下式：。 因此，鐵磁性芯部的另一磁場是導自於離鐵磁性芯部在距離x之永久磁鐵的磁場： 。根據相關教示，當x=0時，額外磁場的最大 值為：。
因此，鐵磁性芯部的磁場強度係由永久磁鐵在距離為x處所產生之磁場以及由被施以電流密度J之線圈所產生之磁場的總和確定，如下式：
關於永久磁鐵與電磁鐵之間的交互作用，要考慮下述兩個基本情況(情況1，情況2)。在第2圖至第5圖中所得之永久磁鐵和電磁鐵之磁化是從下述基本情況得出。
情況1：永久磁鐵與芯部是在相同方向被磁化，亦即下式： x, J,,M EM (x,J)>0 x,,M 1(x)>0，其中 永久磁鐵與芯部中彼此相對的側部係具有不同極性。所產生的力為一吸引力，其中。
情況2：永久磁鐵與芯部是在不同方向被磁化，亦即下式：
，其中永久磁鐵與芯部中彼此相對的側部係具有相同極性。所產生的力為一斥力，其中。
芯部之一「正」極化係產生一吸引力，其暗示H coil (J)>-H 1(x)。當電流密度J 1 滿足 x,H coil (J)=-H 1(x)時，當J>J 1 時，即發生一吸引力。
芯部之一「負」極化係產生一斥力，其暗示H coil (J)<-H 1(x)且J<J 1 。
在未對線圈施加電流時，會發生一吸引交互作用，因為H coil (0)=0>-H 1(x)(由於芯部的「正」極化之故)。
當電磁鐵的磁場比永久磁鐵的磁場更強且與其相反時，即發生一排斥交互作用。這藉由以下而達成：H coil (J)<-H 1(x)，且J<J 1 。
第1圖說明了在永久磁鐵(第一偶極1)和電磁鐵(第 二偶極2)之間的一吸引交互作用的情況。並無電流被供應至電磁鐵。芯部是由磁場在距離為x處進行磁化，且因此受永久磁鐵所吸引。
第2圖說明了在永久磁鐵(第一偶極1)和電磁鐵(第二偶極2)之間的一吸引交互作用的情況，其中電磁鐵(第二偶極2)係被供以一「正」電流強度。供應「正」電流密度是表示線圈的磁場與永久磁鐵之磁場在相同方向被取向。
線圈和芯部的磁場係導致芯部的更高磁化，其表示吸引力一般係更高且隨著上升的電流密度而增加。
第3圖說明當施加一「負」電流強度而使線圈的磁場與磁場以相反方向時取向，在永久磁鐵(第一偶極1)和電磁鐵(第二偶極2)之間的吸引交互作用。當滿足-H 1(x)<H coil (J)<0 J 1<J<0時，該交互作用係一吸引交互作用。
第4圖說明在供以一「負」電流密度而使H coil (J)<-H 1(x)或J<J 1得以被滿足的情況下，在永久磁鐵1和電磁鐵2之間的排斥相互作用。當電磁鐵的磁場強度之絕對值高於永久磁鐵之磁場強度的絕對值、且以相反方向取向 時，即發生一排斥交互作用。
第5圖說明了藉由線圈所產生之磁場而進行之永久磁鐵1的磁場補償。這是利用本發明之磁性裝置所產生。此一特殊情況之特徵在於電磁鐵的芯部並無磁化且因此不存在由相互作用所產生之相互作用力的事實。電磁鐵的相反極性會彼此抵消。
此一平衡之特徵在於無交互作用力，其係於H coil (J)=-M 1(x)或J=J 1時達成。
第6圖說明一FEM模擬的結果。在第6圖中係繪示有在未對線圈供應任何電流的情況下之磁場強度([mT])與磁場線。在第6圖中，平移器是顯示為在距離為60.0mm、30.0mm、10.0mm以及0.0mm處(在永久磁鐵與電磁鐵之間接觸)。
永久磁鐵1磁化了電磁鐵2的芯部，其導致一吸引相互作用力，該吸引相互作用力係與距離x成反比。距離愈大，吸引相互作用力愈小。
第7圖是說明從第6圖的FEM模擬結果之圖式。橫座標為距離x，縱座標為力。
類似於第6圖，第8圖說明當線圈被供以J coil =5[A/mm 2]之一電流密度時的FEM模擬結果。永久磁鐵1和電磁鐵2在相同方向被磁化，因此可產生較大的吸引相互作用力。
類似於第7圖，第9圖是與第8圖有關的圖式，其說明 在供應J coil =5[A/mm 2]時，與永久磁鐵和電磁鐵之間距離有關的相互作用力的進展。第8圖因此說明了使用本發明之磁性裝置的一具體實施例的動作模式。吸引相互作用力係因而增加(連續線)。
此外，煙線係繪示了在沒有電流供應的情況下的力距離線。
類似於第8圖與第9圖，第10圖說明當電磁鐵被供以J coil =-5[A/mm 2 ]時的FEM模擬結果，且第11圖說明對應的圖式。第11圖利用連續線說明了當電磁鐵被供應以J coil =-5[A/mm 2 ]時與永久磁鐵與電磁鐵之間的距離相關之相互作用力的過程。煙線說明了在無電流供應至電磁鐵時的過程。第10圖與第11圖也與本發明之磁性裝置的一具體實施例的動作模式有關。
根據第11圖，排斥相互作用力僅發生在x>14.0mm的距離內。至於永久磁鐵之磁場所產生的吸引力，第10圖所示之電磁鐵的磁場係因而不夠強。
第12圖說明對電磁鐵供以J coil 0[A/mm 2 ]之電流密度時的效應。同樣的，橫座標表示永久磁鐵與電磁鐵之間的距離，而縱座標表示作用於永久磁鐵與電磁鐵之間的力。熟習該領域技術之人士從第12圖將可知斥力為主要特徵的磁性裝置狀態的產生將暗示對電磁鐵2供應一電流。
當未能滿足H coil (J)<-H 1(x)時，相互作用力係一吸引相互作用力。在此情況下，該平移器係被捕捉在該定子 處。
此外，若電磁鐵被固定地供以電流，則在永久磁鐵與電磁鐵之間的距離係存在一平衡點x eq 。該平衡點係由H coil (J)<-H 1(x eq )所定義，例如
發生捕捉效應的區域係定義為 x [0,x eq [,F(x,J coil )<0。在捕捉效應之範圍的外部，相互作用力係一排斥相互作用力 x>x eq ,F(x,J coil )>0。在一所定義電流密度J coil 下，平衡位置係由F(x eq ,J coil )=0所定義。
補充第12圖，第13圖說明了對線圈內電磁鐵供以J coil 0[A/mm 2]之一電流密度的情況。
此外，第14圖比較了當對電磁鐵供以J coil =+10[A/mm 2]以及J coil =-10[A/mm 2]時作用於永久磁鐵和電磁鐵之間的力的進展。應注意到所產生的力強度係因變化的電流供應而不相同。
根據關於永久磁鐵與電磁鐵之間的相互作用之上述討論，以下說明在平移器關於定子而擺動的特殊情況中的相互作用。平移器的擺動是藉由在確定時間間隔中利用一固定電能(例如|J coil |=10[A/mm 2])切換電磁鐵的極性而達成。為求簡要，在下列問題的討論中，並不考慮在切換電磁鐵時因線圈的內部阻抗和電感所致之時間遲滯。
為了保證平移器有效率擺動，平移器必須在捕捉範 圍外部運作。這導致了在永久磁鐵與電磁鐵之間最小距離的定義。這導致 x ,，其中由條件 x eq 來保證平移器的運作是在捕捉範圍外部。
對於在捕捉區域外部的運作而言，必須確認的是在一固定電能|J coil |=Cte[A/mm 2]下場力輪廓是不對稱的。 吸引相互作用力的值係高於排斥相互作用力值。因此，最小距離降低了最大可啟動之吸引力。
其中位置x eq 和x offset 為線圈內電流密度J coil 的函數，且因此係與線圈的一內部時間因子有關。
場力輪廓的不對稱性可由必須用以作用抵抗磁場之所需額外能量來加以解釋。在關於一永久磁鐵與一電磁鐵之間交互作用的上述討論中，此額外能量係由電磁鐵的線圈所提供，其中該線圈係被供以一較高的電流密度。為保證排斥性相互作用之能量，必須要滿足下述條件：H coil (J)<-H 1(x)。
與捕捉範圍之邊界點相對應的平衡點係由H coil (J)=-H 1(x eq )所定義。
在平移器相對於一定子而擺動的情況中，一機械性加速單元會是有利的，其在對平移器作用的力狀態方面係具有類似於對線圈供以如上述之一額外電流密度的效 應。在此，加速單元係用以對平移器供應一加速力狀態，其係作用抵抗作用於平移器上之永久磁鐵吸引力，特別是在電磁鐵並未運作的情況下。
當使用本發明之裝置時，在任何位置處的力狀態(其作為作用於平移器之吸引力的總和)與加速力狀態應為零。在線圈被供以一電流密度J時，在位置x處作用於平移器上的力狀態係表示如下式： x 0,，其中為由加速單元所產生的加速力狀態且包括修正力，而為定子與平移器之間的相互作用力。所需要的機械力效應係得自平移器之平衡條件 x 0, ，其導致加速單元的下列特性： x 0, ，因此在電磁鐵的任意運作期間，加速力狀態或修正力不作用來抵抗定子的吸引力，其作用於平移器，因此力狀態的作用力的總和為零，這會導致： x 0, x 0, J,。
第15圖說明於x軸上視平移器和定子之間距離而定之修正力過程。
第16圖說明在對電磁鐵的線圈供以電流密度的三個不同情形(意即J coil =+10[A/mm 2 ]、J coil =-10[A/mm 2 ]、以及J coil =0[A/mm 2 ])下，視平移器和定子之間距離而定的 作用於平移器上的力之過程。作用於平移器上的力的總和係由 x 0, J,所定義，其中在 x 0,時會達到平衡。此外，當滿足H coil (J)<0 J coil <0時，會存在一排斥相互作用力。而在相反情況中，當H coil (J)>0 J coil >0中時，則會存在一吸引相互作用力。力的過程本質上係對於圖表的x軸呈對稱。排斥相互作用力與吸引相互作用力的數值本質上是相同的，因為它們是由電磁鐵的線圈內之電流密度所定義。
在下文中，上述討論係應用於包含n+1個平移器(n=1、2、3...)與n定子之磁性裝置。第17圖說明一個定子與兩個平移器之基本配置，其是沿著對應於平移器的移動軸之一軸。
在下文中，係說明具有一定子與兩個平移器的磁性裝置。定子1係設置作為包含一芯部與一線圈之電磁鐵，平移器2、2’係設置作為永久磁鐵。
根據第17圖，在第一平移器2面向定子1之表面與定子1面向第一平移器2之表面之間的距離係定為x，而x’指示第二平移器2’面向定子1之表面與定子1面向第二平移器2’之表面之間的距離。δ指示第一平移器2的芯部與第二平移器2’的芯部之間的距離，其中d表示平移器移動路徑3的長度，使得下式得以被滿足： x [0,d], x' [0,d],δ=Cte x [0,d]
作為定子1的部件之電磁鐵芯部係由三個磁場予以磁化，意即第一平移器2所產生的磁場，其係位於離定子一段距離x處。
，其中
在離定子1一段距離x’處之第二平移器2’的第二磁場可由加以描述，其中在使用x’=d-x時，下式係被滿足： 。
第三磁場為電磁鐵的線圈所產生的磁場： ，其中電流的方向定義了磁場的方向：J>0 I>0 H coil (J)>0。
電磁鐵的芯部的磁化可總結為：，其中f(x)為關於x之反比函數，其中f(0)=1，lim∞ f(x)=0。
在下文中，為定子1與第一平移器2之間的相互作用力狀態，為定子1與第二平移器2’之間的相互作用力狀態，因此對於作用在定子1上的力狀態而言，下式適用：。
項目x [0,d]描述了平移器2、2’沿軸向平移器移動路徑3的位移，其中從左至右的移動係視為從開始位置x=d或x’=0分別至結束位置x=0或x’=d而進入「正」方向中之移動。從右至左之移動係視為從開始位置x=0或x’=d分別 至結束位置x=d或x’=0之「負」移動。
當，其中M EM (x,J)>0時，則下列適用：在第17圖中，第一平移器2與定子1係在相同方向中極化，因此相互作用力係一吸引力，且滿足F 1(x,J)>0。這也適用於max(f(d-x))之限制中H coil (J)>-M 1 f(x)(H coil (J)>M 2的時候)之情形。
第二平移器2’和定子1是以不同的方向極化，因此交互作用力係一排斥力。這是在H coil (J)>M 2 f(d-x)、且max(f(d-x))=1、當 x [0,d],H coil (J)>M 2時達成。
從左至右的移動是在 x [0,d],H coil (J)>M 2>0>-M 1導致定子的「正」磁化時實現。
捕捉效應是在M 2>H coil (J)>-M 1時發生。定子1會被第二平移器2’的磁場捕捉，或反過來。
當 ，其中M EM (x,J)<0時，第一平移器2與定子1係在相反方向極化，因此相互作用力為一排斥力，且F 1(x,J)<0適用。這可由F 1(x,J)<0的時候達成，因此 x [0,d],F 1(x,J)<0(在 x [0,d],H coil (J)<-M 1的時候)達成。第二平移器2’與定子1是在相同方向極化，因此該相互作用力為一吸引力，且F 2(x,J)<0適用。這可在H coil (J)<M 2 f(d-x)的時候達成，因此 x [0,d],F 2(x,J)<0(當 x [0,d],H coil (J)<M 2的時候)。
M 1 與M 2 是正的，因此當 x [0,d],H coil (J)<-M 1<0<M 2描述定子1的「負」極化時，即會減去平移器2、2’從右至左的移動。
捕捉問題發生於-M 1<H coil (J)<M 2時，因此定子1係由第一平移器2的磁場所捕捉。
當磁場等強時，M 1=M 2=M，當 x [0,d]且H coil (J)>M時，即達成一「正」極化與由左至右之移動。相反地，當 x [0,d]且H coil (J)<-M時，即達成一「負」極化及由右至左之移動。捕捉效應係發生於H coil (J)[-M,M]時；當保證|H coil (J)|>M時，即可避免捕捉效應。
當 時，系統即處於平衡。假設磁鐵具有相同磁化M 1=M 2=M，平移器係於H coil (J)=M{f(x)-f(d-x)}時呈平衡。
在電磁鐵未被供應電流的情形中，該系統係於H coil (J)=0→M{f(x)-f(d-x)}=0→f(x)=f(d-x)時具有一內部平衡，其一方面是在處達成。這是當第一平移器與第二平移器具有相同磁化、且離定子為相同距離的情形。
當使用場強度不同的平移器時，平衡點會偏離較強的平移器，以滿足M 1 f(x eq )=M 2 f(d-x eq )。
第18圖至第24圖說明利用FEM的模擬結果。該模擬是基於下列假設：所示之定子1是一電磁鐵，其具有由軟性金屬製成且直徑為30.0mm、長度為30.0mm(圓柱型)之一鐵磁芯部。線圈係假設為具有一電流密度J coil [A/mm 2 ]與由銅製成之本體(其截面積為30.0×30.0mm2)。
平移器2、2’係假設為永久磁鐵，其具有半徑為30.0mm、長度為30.0mm之圓柱形狀，其中該永久磁鐵是在圓柱軸的方向被磁化。假設磁化數值為M 1=M 2=10E5[A/m]，其係對應於市面上之N45°永久磁鐵。平移器2、2’可沿著線性平移器移動路徑3自由移動，其也構成系統軸。平移器2、2’的相對位置係由變數x [0,d][mm]加以描述。
在第18圖至第24圖中，係繪示針對平移器的位置x [0,73][mm]處且根據平移器的位置而對定子供以J coil [-10,10][A/mm 2]時的相互作用力。
第18圖說明電磁鐵針對平移器位置x [0,73][mm]的一範圍被供以J coil =0[A/mm 2]的情形。根據上述討論，平衡點F EM (x eq ,0)=0是在平移器移動的中點。
第20圖說明當設置作為電磁鐵的定子在平移器 x [0,73][mm]的範圍中被供以J coil [0,10][A/mm 2]時的相互作用力的發展。對定子供以電流會導致其正磁化。定子與第一平移器係受到吸引力；定子與第二平移器係受到排斥的相互作用力。當定子靠近第二平移器時，並不滿足定子與第二平移器之間的排斥相互作用之條件|H coil (J)|>M 2。
第19圖說明當定子被供以J coil [0,+10][A/mm 2]時，視x [0,73][mm]的範圍內之定子位置而定的相互作用力發展。這導致定子的負磁化；定子與第二平移器係受到吸引的相互作用力，而在定子與第一平移器之間則存在排斥的相互作用力。
當定子靠近第一平移器時，並不滿足定子和第一平移器之間的排斥相互作用力之條件。
J coil [0,10][A/mm 2]第21圖比較了對設置作為電磁鐵的定子1供應J coil 10[A/mm 2]的情況與對其供應J coil -10[A/mm 2]的情況，其與第一平移器2的位置(針對x [0,73][mm]之範圍)有關。
在條件 x [0,d],|H coil (J)|>M未被滿足且發生捕捉效應的範圍中(在下文中稱為「捕捉範圍」)，相互作用力係為抵抗平移器2、2’的一所需移動而作用。捕捉範圍的端點是由平衡點x eq 所定義。
捕捉範圍基本上是對應於定子磁場與平移器2、2’中較為靠近的平移器的磁場不相等所在的定子位置。
熟習該領域技術之人士將理解，為了維持平移器的有效率擺動，平移器2、2’的移動應在捕捉範圍外部發生。這會在第一平移器與定子之間導致一最小距離 x eq 。
第23圖與第24圖與加速單元的使用有關。
在上述說明中，由一加速單元所起動的加速力狀態(特別是修正力)係由視第一平移器2和定子1之間的距離而定之項所定義，因此作用於第一平移器1的力狀態可由方程式加以計算。
作為加速單元的一第二特徵，當電磁鐵未運作時，平衡狀態的存在即被選擇(其應存在)：
由加速單元所導致、包含之加速力狀態基本上對應於捕捉力狀態(其根據本發明必須至少部分被加速力狀態疊加)。當電磁鐵不運作時，加速力狀態(特別是其過程)會由測量減去。
第23圖比較了保證F Corr (x)=-F(x,0)之加速力狀態的 過程。此外，當以電氣驅動器之形式所設之定子不作用時，相互作用力是以煙線來表示。
第24圖說明當使用加速單元與當定子被供以「正」或「負」電流密度|J coil |=10[A/mm 2]時，F TOT (x,J)的過程，其係平移器和定子之間的距離位置之函數。圖表顯示了x [0,73][mm]的範圍。此外，虛線表示在定子未被供以任何電流時F TOT (x,J)在定子未被供以任何電流時的過程。
第21及22圖中所示之力過程是基於簡化(第一平移器與第二平移器具有相同的磁化)。對於未被供應任何電流(即，)之電磁鐵而言，這會在處產生一平衡位置。
使用加速單元之第23圖所示力狀態具有下列特性：未供以任何電流的平移器總是處於平衡： x [0,d],F TOT (x,0)=0。上述平衡位置變成修正之相互作用力F TOT (x,J)的過程對稱點。修正之相互作用力的過程輪廓為U形。
第24圖說明在對電磁鐵有不同電流供應J coil [-10,10][A/mm 2]下，視x [0,73][mm]之範圍之平移器相對位置而定的修正之相互作用力F TOT (x,J)的過程。
平移器從左至右的最佳移動係以F TOT (x,J)>0為特徵。這是在J>0下達成。相反地，平移器從右至左之移動係由F TOT (x,J)<0在J<0下達成。
第25圖至第27圖為加速單元的一特定具體實施例，即彈簧形式。彈簧的動作模式係依照上述加速單元的特性來加以說明。
由於為修正力的過程之對稱點，因此考慮到彈簧的機械性質，修正力可被表示為兩個彈簧力的總和： x [0,d],F Corr (x)=F 1(x)+F 2(x)，其中，且。
第25圖說明 x [0,d],F Corr (x)=F 1(x)+F 2(x)的過程。在此， x [0,d],F 1(x)0總是造成一「正」向力，而 x [0,d],F 2(x)0總是造成一「負」向力。第一彈簧力F 1 是專門在之範圍中作用，因此第一彈簧力抵消了定子與第一平移器之間的相互作用。而類似地，第二彈簧力F 2 專門是在之範圍中作用，且抵消了定子與第二平移器之間的相互作用。
當第一平移器與第二平移器具有相同磁化時，第一彈簧力與第二彈簧力係可具體說明如下。第一彈簧力與 第二彈簧力具有相同絕對數值且作用於不同方向：
上述討論係產生了具有相同彈簧特性、但作用於不同方向之一第一彈簧與一第二彈簧的配置。
第26圖說明了使用彈簧7、7’作為加速單元5、5’之本發明磁性裝置的可能具體實施例。
第一彈簧7係延伸於對各別表面作用之定子1和第一平移器2之間。第一彈簧7抵消了定子1和第一平移器2之間的捕捉效應。第一彈簧7的偏離係視第一平移器2對定子1的接近而定。定子1作為第一彈簧7之參考點6。同時，第一彈簧力F 1 係視第一平移器2和定子1之間的距離而定而釋放為一「正」向力。
第二彈簧7’係類似於第一彈簧7而作用。類似於第一彈簧7之配置，第二彈簧7’係配置在定子1與第二平移器2’之間。定子1係作為第二彈簧7’之參考點6。
第一彈簧7與第二彈簧7’所產生的修正力係滿足下式：F corr (x)=F 1(x)+F 2(x)=-F(x,0)。
根據習知技術，彈簧力與彈簧的線性變形成正比。在彈簧壓縮為δx[mm]的情況下，會滿足下式：F=-kδx， 其中k[N/m]為彈簧常數。
當平移器移動被分為n個(n=1、2、3...)次移動[x n-1 ,x n ]時(其中x 0 =0且x N =d)，彈簧力可由線性外插來表示：F(x)=α n ×x+β n ，其中，且β n =F(x n-1)。
考慮到壓縮長度是δ n =x n -x n-1以及彈簧常數是(兩者皆可從彈簧的特性中減去)，即得到第27圖，其中係說明了五個次移動x n {0,5,10,20,30,73}之彈簧常數。

Claims (11)

  1. 一種磁性裝置，其包括至少一磁激定子(1)與一磁激平移器(2)，該平移器(2)可相對於該定子(1)而在一平移器移動方向(4)中沿著一平移器移動路徑(3)移動，其中該定子(1)是一永久磁鐵且該平移器(2)是一電磁鐵，或該定子(1)是一電磁鐵且該平移器(2)是一永久磁鐵，其中一磁力F(x,J)作用在該定子(1)與該平移器(2)之間，x≧0，其為該定子(1)與該平移器(2)之間的該距離，且J是該電磁鐵的該電流密度，該平移器(2)係至少在部分的該平移器移動路徑(3)中可耦接至一加速單元(5)，其在耦接該平移器(2)與該加速單元(5)時產生一加速力狀態，該加速力狀態包括作用於該平移器(2)上的至少一修正力F corr (x)，該加速力狀態以該平移器(2)的移動之一方向來取向而離開該定子(1)，特徵在於：F(x,J=0)是一磁捕捉力，該捕捉力能藉由該電磁鐵未被供給一電流的時候之測量而被確定，作用在該平移器上的該力的該總和是由 所定義，且特徵在於(a)當該平移器(2)移動離開該定子(1)時，於該平移器移動方向(4)中對該平移器(2)作用的該力之該總和係大於零，F(x,J=0)+F corr (x)>0，其中F corr (x)>-F(x,J=0)，或(b)當該平移器(2)移動朝向該定子(1)時，與該平移器移動方向(4)反向之對該平移器(2)作用的該力之該總和小於零，F(x,J=0)+F corr (x)<0，其中F corr (x)<-F(x,J=0)，或(c)當該平移器(2)與該定子(1)在一平衡狀態時，作用於該平移器(2)之該力的該總和是零，F(x,J=0)+F corr (x)=0，其中F corr (x)=-F(x,J=0)，以使得該平移器(2)可藉由該修正力而自該捕捉力分離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置，其中當該平移器(2)接近該定子(1)時，該加速單元(5)是可偏移的，該偏移力是根據該平移器(2)與該定子(1)之間的一距離，及/或其中該加速單元(5)根據該平移器(2)與該定子(1)之間的該距離而導致該加速力狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置，其中該加速單元(5)係耦接至該平移器(2)與參考之一點(6)，並至少部分延伸於該平移器(2)與參考之該點(6)之間，其中參考之該點(6)可以是該定子(1)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之磁性裝置，其中該加速單元(5)係耦接至該平移器(2)與參考之一點(6)，並至少部分延伸於該平移器(2)與參考之該點(6)之間，其中參考之該點(6)可以是該定子(1)。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之磁性裝置，其中該加速單元(5)包括另一磁鐵或一驅動單元，該驅動單元像是例如一電動馬達及/或一氣動裝置及/或一液壓裝置。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之磁性裝置，其中該加速單元(5)包括一彈簧，該彈簧具有與該平移器移動方向(4)平行作用之一彈簧力分量。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之磁性裝置，其中該加速單元(5)包括一彈簧，該彈簧具有與該平移器移動方向(4)平行作用之一彈簧力分量。
  8. 如申請專利範圍第1-4項中任一項所述之磁性裝置，其中該磁性裝置包括一控制裝置，以控制該電磁鐵之該極化以及根據該加速力狀態而控制該電磁鐵的該強度。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之磁性裝置，其中該磁性裝置包括一控制裝置，以控制該電磁鐵之該極化以及根據該加速力狀態而控制該電磁鐵的該強度。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之磁性裝置，其中該磁性裝置包括一控制裝置，以控制該電磁鐵之該極化以及根據該加速力狀態而控制該電磁鐵的該強度。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之磁性裝置，其中該磁性裝置包括一控制裝置，以控制該電磁鐵之該極化以及根據該加速力狀態而控制該電磁鐵的該強度。
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