專利名稱：用于有固定垂直磁體和線圈的線性致動器的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及石茲領域，且具體地涉及應用徑向》茲場和作用在閥的元件上的傳導線圈的直接驅(qū)動致動器。
背景技術(shù)：
致動器傳統(tǒng)意義上是機械技術(shù)。大多數(shù)致動器包含閥、彈簧和移動閥的樞軸轉(zhuǎn)動元件。機械致動器的一個問題是機械致動器的零件容易磨損。當彈簧彈力減弱且樞軸轉(zhuǎn)動接頭磨損時，閥停止以有效的方式工作。具有較少活動零件的致動器比傳統(tǒng)的機械致動器的耐用性更持久。
最近，形成了對非常小的致動器的需要。例如，通過諸如慣性測量單元、傳感器和電源等基本零件的小型化的快速進步，已經(jīng)開發(fā)出微型飛行器(MAV)。這些MAV被設計為只有15厘米大小。這么小尺寸的機械致動器十分不易使用并且不可靠。
美國專利第6,828,890號和第6,876,284號是關于;茲致動的岡，雖然并不認為那里所有的教授內(nèi)容是這里公開的發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)，它的教授內(nèi)容在這里通過引用并入。同樣在現(xiàn)有技術(shù)中是可替換的致動器，例如在Pischinger的美國專利第4,515,343中公開的。
因此，迄今未解決的需求在工業(yè)上存在，以解決前述的缺乏和不足。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施方式提供用于提供線性致動器的系統(tǒng)和方法。從結(jié)構(gòu)上筒要描述，其中，系統(tǒng)的一種實施方式能按如下實現(xiàn)。系統(tǒng)包括頂部》茲體和底部磁體。底部磁體與頂部磁體軸向?qū)R。頂部磁體和底部磁體具有相反的磁化。墊圈夾入頂部磁體與底部磁體之間。頂線圈位于頂部磁體里。底線圈位于底部磁體里。芯子(slug)可滑動地位于頂線圈和底線圏里。致動構(gòu)件與芯子一體。
本發(fā)明也能看作用矛提供并利用線性致動器的方法。在這點上，其中，這
種方法的一個實施方式能夠用以下步驟概括總結(jié)為底部永;茲體與頂部永磁體軸向?qū)R，其中頂部磁體和底部磁體具有相反的磁化；將墊圈夾在頂部磁體和底部磁體之間；將頂線圈定位在頂部;f茲體里且將底線圏定位在底部》茲體里；將芯子可滑動地、至少部分地定位在頂線圈和底線圈里；以及激勵至少一個線圈，產(chǎn)生造成芯子沿線圈的軸滑動的^f茲阻力。
在對附圖和詳細描述的分析基礎上，本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點對本領域技術(shù)人員將或變得明顯。希望所有這樣的另外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點包括在這個描述里，包括在本發(fā)明的范圍里并由隨附權(quán)利要求保護。


參考以下附圖能更好理解發(fā)明的許多方面。圖中的部件未按比例繪制，重點是放在了清楚示出本發(fā)明的原理上。此外，在圖中，貫穿幾幅^L圖同樣的參考數(shù)字表示相應的零件。
圖1是依照本發(fā)明的第一種示例性實施方式的線性致動器的剖面?zhèn)?f見圖；圖2是依照本發(fā)明的第二種示例性實施方式的線性致動器的剖面?zhèn)纫晥D；圖3是依照本發(fā)明的第二種示例性實施方式的、圖2的線性致動器的等軸測透^f見圖4是依照本發(fā)明的第三種示例性實施方式的線性致動器的剖面?zhèn)纫晥D；圖5是示出一種提供并利用依照本發(fā)明的第一種示例性實施方式的、上述圖2所示的線性致動器的方法的流;艮圖。
具體實施例方式
圖1是依照本發(fā)明的第一種示例性實施方式的線性致動器10的剖面?zhèn)纫昷圖。線性致動器IO是有頂部固定磁體12和底部固定磁體14的7Ja茲體致動器。頂部》茲體12和底部》茲體14都具有在其中形成的實質(zhì)圓柱形的開口。頂線圈16和底線圏18至少部分地分別被頂部磁體12和底部^茲體14環(huán)繞。至少一個墊圈20分離頂部》茲體12和底部》茲體14以及頂線圈16和底線圏18。芯子22可滑動地布置在線圏16、 18里并連接到細長構(gòu)件24。細長構(gòu)件24連接到致動構(gòu)件26，例如發(fā)動4幾閥。
線性致動器IO是有固定磁體12、 14和線圈16、 18的永J茲體致動器。只有由鐵i茲性材料制造的芯子22在受線圈16、 18的勵」磁的控制的力的影響下移動。施加在芯子22上的力近似與應用的電流線性成比例，并在行程上大致線性變化。頂部磁體12和底部磁體14具有相反的垂直磁性，如由頂部磁化34和底部》茲化36所示。細長構(gòu)件24不需要并優(yōu)選不影響-茲路。端蓋28、 30可連接到磁體12、 14并幫助保持線性致動器10在一起。
線性致動器10的性能可用移動質(zhì)量加速度除以輸入電功率的平方根來計量。質(zhì)量可包括芯子22、細長構(gòu)件24和致動構(gòu)件26,雖然質(zhì)量很大程度上基于發(fā)動機閥/致動構(gòu)件26(由線性致動器IO操縱，然而在別的方面不用于致動)。芯子22的加速度主要由相對于該質(zhì)量施加在芯子22上的力確定。芯子22可以完全是鐵磁性的，這將可能的力限制為磁阻力。磁阻力與芯子22—端的磁場的平方和在芯子22另一端的》茲場的平方的相減結(jié)果成正比。兩個線圈16、18獨立地被驅(qū)動；可調(diào)整一個線圈(比如，頂線圏16)來抵消在芯子22的一端的吸引磁場(從而，極其小的磁場被平方和被減去)，同時用旨在產(chǎn)生吸引芯子22的磁場的電流驅(qū)動另 一線圈(比如，底線圈18 )?？删_控制這個引力，以便在發(fā)動機閥動作的一個周期上耗散的電功率最小化。分析已經(jīng)顯示，定制的加速度分布圖達到期望的運動學運動，而同時最小化功率。這種功率效率是優(yōu)于可替換的致動器的材料改進。
圖2是依照本發(fā)明的第二種示例性實施方式的線性致動器110的剖面?zhèn)纫晥D。線性致動器110是有頂部固定-茲體112和底部固定磁體114的永磁體致動器。頂部磁體112和底部磁體114都具有在其中形成的實質(zhì)圓柱形的開口。頂線圈116和底線圏118至少部分地分別被頂部磁體112和底部i茲體114環(huán)繞。至少一個墊圈120分離頂部磁體112和底部磁體114以及頂線圏116和底線圏118。芯子122可滑動地布置在線圈116、 118里并連接到細長構(gòu)件124。芯子122被頂端蓋128和底端蓋130保持在線圈116、 118里。細長構(gòu)件124連接到致動構(gòu)件126，例如發(fā)動機閥。
頂部磁體112和底部磁體114具有相反的垂直磁化，如由頂部磁化134和底部磁化136所示。芯子122的行程被端蓋128、 130限制?！菲濗w112、 114和受激線圈116、118提供/f茲通勢，以及由鐵磁性材料制造的墊圏120和端蓋128、130使磁路閉合。細長構(gòu)件124不需要并且優(yōu)選不影響磁路。端蓋128、 130之間以及線圈116、 118里存在空氣間隙132?？諝忾g隙132的位置隨著芯子122的位置而不同?？偟目諝忾g隙132是恒定的，但是有效空氣間隙132在行程上顯著不同。由于磁阻力的本質(zhì)，有效空氣間隙132是從墊圈120到線性致動器110的最高磁場端來計量的。
圖3是依照本發(fā)明的第二種示例性實施方式的、圖2的線性致動器110的等軸測透—見圖。如圖3所示，頂部磁體112和底部;茲體114具有其中有圓形開口穿過的矩形剖面。頂部》茲體112和底部》茲體114可具有矩形棱柱形狀。制造具有矩形棱柱形狀的永磁體比制造圓柱形7Jc磁體成本更經(jīng)濟。頂部磁體112和底部磁體114可類似成形。
線性致動器110的性能可用移動質(zhì)量加速度除以輸入電功率的平方根來計量。該質(zhì)量可包括芯子122、細長構(gòu)件124和致動構(gòu)件126,雖然該質(zhì)量很大程度上基于發(fā)動機岡/致動構(gòu)件126 (其由線性致動器IIO操縱，然而在別的方面不用于致動)。芯子122的加速度主要由相對于質(zhì)量施加在芯子122上的力 確定。芯子122可以完全是鐵磁性的，這將可能的力限制為磁阻力。磁阻力與 在芯子122的一端的磁場的平方和在芯子122的另一端的5茲場的平方的相減結(jié) 果成正比。兩個線圈116、 118 ^皮獨立地驅(qū)動；可調(diào)整一個線圏(比如，頂線 圈116)來抵消在芯子122的一端的吸引磁場(這樣，極其小的磁場被平方并 ;故減去)，同時用旨在產(chǎn)生吸引芯子122的;f茲場的電流驅(qū)動另一線圈(比如， 底線圏118)。精確控制這個引力，以便最小化在發(fā)動機閩運動的一個周期上耗 散的電功率。分析已經(jīng)顯示，定制的加速度分布圖達到期望的運動學運動，同 時最小化功率。此功率效率是優(yōu)于可替換的致動器的材料改進。
如以上提到的，致動構(gòu)件126可以是發(fā)動機閥。已知發(fā)動機閥通過機械力 移動。通過磁阻力致動一個發(fā)動機閥或多個發(fā)動機閥可減少發(fā)動機磨損。為了 使線性致動器110更容易用于發(fā)動機，線性致動器110已被設計為具有整體的 矩形棱柱形狀。由于發(fā)動機往往用一系列發(fā)動機閥來操作，因此，具有剖面為 矩形的一系列的線性致動器110允許多個線性致動器110更有效捆綁。
圖4是依照本發(fā)明的第三種示例性實施方式的線性致動器210的剖面?zhèn)纫?圖。線性致動器210是有頂部固定i茲體212和底部固定石茲體214的永;茲體致動 器。頂部,茲體212和底部》茲體214都具有在其中形成的實質(zhì)圓柱形的開口。頂 線圏216和底線圈218至少部分地分別被頂部》茲體212和底部》茲體214環(huán)繞。 至少一個墊圈220分離頂部》茲體212和底部》茲體214以及頂線圏216和底線圈 218。芯子222可滑動地布置在線圈216、 218里并連接到細長構(gòu)件224。芯子 222 #1頂端蓋228和底端蓋230保持在線圈216、 218里。細長構(gòu)件224連接到 致動構(gòu)件226，例如發(fā)動機閥。
線性致動器210是有固定》茲體212、 214和線圈216、 218的永J茲體致動器。 只有芯子222在受線圈216、 218的勵磁的控制的力的影響下移動。施加在芯 子222上的力近似與應用的電流線性成比例并在行程上大致線性變化。
9頂部磁體212和底部磁體214具有相反的垂直磁化，由頂磁化234和底磁 化236所示。芯子222的行程;故端蓋228、 230限制。端蓋228、 230可由鐵石茲 性材料制造，以集中磁場。進一步，如第三種示例性實施方式所示，端蓋228、 230在線圈216、 218之間延伸，以成形i茲場。石茲體212、 214和受激線圈216、 218提供磁通勢，以及墊圈220和端蓋228、 230使磁路閉合。細長構(gòu)件224 不需要并優(yōu)選不影響^茲路。在端蓋228、 230之間以及線圈216、 218內(nèi)存在空 氣間隙232?？諝忾g隙232的位置隨著芯子222的位置變化。總的空氣間隙232 是恒定的，但是有效空氣間隙232在行程上顯著不同。由于》茲阻力的本質(zhì)，有 效空氣間隙232是>^人墊圈220到線性致動器210的最高^f茲場端來計量的。
比較圖4和圖2能夠看出，第三種示例性實施方式利用具有比第二種示例 性實施方式的》茲體112、 114更大體積的》茲體212、 214。更大體積的石茲體212、 214允許芯子222的更大的可能加速度。然而，線性致動器210符合發(fā)動機或 其他期望的位置里的可用體積的能力比芯子222的加速度重要。研究已經(jīng)建議， 形狀為矩形棱柱的線性致動器110、 210和/或7JOf茲體112/212、 114/214能夠更 有效利用可用體積。
圖5是示出一種提供并利用依照本發(fā)明的第一種示例性實施方式的、上述 圖1所示的線性致動器10的方法的流程圖300。應注意，任何過程描述或流程 圖里的塊都應理解為代表包括用于實現(xiàn)過程中特定的邏輯功能的一個或更多 個指令的模塊、段、代碼的部分或步驟，且可替換的實現(xiàn)包括在本發(fā)明的范圍 內(nèi)，其中可按照不同于所顯示或討論的次序來執(zhí)行功能，包括實質(zhì)上并行地或
次序顛倒地執(zhí)行，這依賴于所涉及的功能性，本發(fā)明領域的普通技術(shù)人員將理 解這點。
如按照塊302所示，底部永磁體與頂部永石茲體軸向?qū)R，其中頂部磁體和 底部磁體具有相反的磁化。墊圏夾在頂部磁體和底部磁體之間(塊304)。頂線 圈位于頂部磁體里，底線圈位于底部磁體里(塊306)。芯子可滑動地、至少部分地位于頂線圏和底線圏里(塊308)。激勵至少一個線圈，產(chǎn)生造成芯子沿著 線圈的軸滑動的磁阻力(塊310)。
需強調(diào)的是，以上描述的本發(fā)明的實施方式，特別是任何"優(yōu)選"實施方 式，僅僅是可能的實現(xiàn)的例子，根本上是為了清楚理解本發(fā)明的原理而提出的。 以上描述的本發(fā)明的實施方式可進行許多變化和更改，而實質(zhì)上不背離本發(fā)明 的精神和范圍。所有這樣的更改和變化希望包括在這里的本^^布和本發(fā)明的范 圍內(nèi)，并由下面的權(quán)利要求保護。
ii
權(quán)利要求
1.一種線性致動裝置，包括頂部磁體；底部磁體，其與所述頂部磁體軸向?qū)R，其中所述頂部磁體和所述底部磁體具有相反的磁化；墊圈，其夾在所述頂部磁體和所述底部磁體之間；頂線圈，其位于所述頂部磁體里；底線圈，其位于所述底部磁體里；芯子，其可滑動地位于所述頂線圈和所述底線圈里；以及致動構(gòu)件，其與所述芯子一體。
2. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其進一步包括連接到所述頂部》茲 體和所述底部^茲體中至少 一個的至少 一個限制器。
3. 如權(quán)利要求2所述的線性致動裝置，其中所述限制器是至少接近于所 述頂部磁體而連接的頂端蓋和至少接近于所述底部磁體而連接的底端蓋。
4. 如權(quán)利要求3所述的線性致動裝置,其中所述限制器是鐵磁性材料的。
5. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述芯子由至少一種鐵磁性 材料組成。
6. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述致動構(gòu)件是發(fā)動機閥。
7. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述頂部》茲體和所述底部磁 體實質(zhì)是矩形棱柱的。
8. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述墊圈由至少一種鐵磁性 材泮+組成。
9. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述致動構(gòu)件進一步包括 桿，其與所述芯子一體，所述桿可在所述石茲體中形成的至少一個開口里滑動；以及輔助元件，其與所述桿一體并與一單獨的裝置協(xié)作，由此所述輔助元件的 運動至少部分致動所述單獨的裝置。
10. 如權(quán)利要求1所述的線性致動裝置，其中所述頂部磁體的磁化的大小實質(zhì)類似所述底部石茲體的磁化的大小。
11. 一種利用線性致動裝置的方法，所述方法包括以下步驟軸向?qū)R底部7JCf茲體與頂部永》茲體，其中所述頂部》茲體與所述底部^茲體具 有相反的》茲化；將墊圈夾在所述頂部磁體和所述底部》茲體之間；將頂線圈定位在所述頂部f茲體里，以及將底線圈定位在所述底部磁體里； 將芯子可滑動地、至少部分地定位在所述頂線圈和所述底線圈里；以及 激勵至少一個線圏，產(chǎn)生造成所述芯子沿所述線圈的軸滑動的磁阻力。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括將所述芯子限制在所述頂線圈 和所述底線圈內(nèi)的步驟。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中限制所述芯子的所述步驟進一步包 括，至少接近于所述頂部石茲體連接頂端蓋，以及至少接近于所述底部磁體連接 底端蓋，由此物理上阻礙所述芯子移動超越所述線圏。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述芯子由至少一種4失磁性材料組成。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括致動與所述芯子一體的發(fā)動機閥。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括用所述端蓋的中至少一個集中 所述磁阻力的步驟。
17. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述頂部》茲體和所述底部磁體實質(zhì)是 矩形棱柱的。
18. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述墊圈由至少一種4失磁性材料組成。
19. 如權(quán)利要求IO所述的方法，進一步包括以下步驟 滑動與所述芯子一體的桿；以及致動輔助元件，其中所述輔助元件與所述桿一體并與一單獨的裝置協(xié)作， 由此所述輔助元件的運動至少部分地致動所述單獨的裝置。
20. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述頂部i茲體的磁化的大小實質(zhì)類似 所述底部磁體的》茲化的大小。
全文摘要
一種線性致動裝置，包括頂部磁體和底部磁體。底部磁體與頂部磁體軸向?qū)R。頂部磁體和底部磁體具有相反的磁化。墊圈夾在頂部磁體與底部磁體之間。頂線圈位于頂部磁體里。底線圈位于底部磁體里。芯子可滑動地定位在頂線圈和底線圈里。致動構(gòu)件與芯子一體。
文檔編號H01F1/00GK101663715SQ200880004712
公開日2010年3月3日 申請日期2008年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月12日
發(fā)明者克里斯多佛·考克蘭, 安德魯·M·賴特, 戴維·庫普 申請人:工程物資公司