專利名稱：螺線管傳動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺線管傳動(dòng)器(solenoid actuator),尤其但不排他地涉及用于在燃料噴射器中使用的螺線管傳動(dòng)器。
背景技術(shù)：
螺線管傳動(dòng)器可以采用多種不同的形式。簡(jiǎn)單的單動(dòng)螺線管包括銜鐵、電磁線圈(經(jīng)常被簡(jiǎn)稱為“電磁體”)、磁芯和彈簧。 電磁體通電引起銜鐵移動(dòng)。當(dāng)電流被切斷時(shí)，彈簧促使銜鐵返回。永磁體添加到單動(dòng)螺線管使得銜鐵閂鎖。因此，當(dāng)電流被切斷時(shí)，銜鐵保持在適當(dāng)位置。為了釋放銜鐵，用沿反指向流動(dòng)的電流來(lái)通電電磁體。雙動(dòng)螺線管通常包括兩個(gè)電磁體。雙重閂鎖可以通過(guò)使用永磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，如在US 4 751 487 A中所描述的。在一些類型的螺線管中，銜鐵被傾斜而不是被線性地平移。這類螺線管的示例可以在平衡銜鐵變換器(balanced armature transducer)中找到，例如在US I 365 898 A 中所描述的平衡銜鐵變換器。某些類型的螺線管傳動(dòng)器可以被應(yīng)用在燃料噴射器和發(fā)動(dòng)機(jī)閥中。例如，US2007/0095954A描述了一種燃料噴射器，其具有在縮進(jìn)位置和拉伸位置之間可移動(dòng)的扣釘(pintle)以及將扣釘朝向其縮進(jìn)位置偏置的復(fù)位彈簧。具有電磁線圈和可移動(dòng)式銜鐵的單動(dòng)非閂鎖式螺線管被用于將扣釘推動(dòng)到其拉伸位置。因此，當(dāng)電磁線圈被通電時(shí)，扣釘被推動(dòng)到其拉伸位置；并且當(dāng)線圈停止被通電時(shí)，扣釘返回到其縮進(jìn)位置。EP I 837 516 A描述了單動(dòng)非閂鎖式傳動(dòng)器、永磁體、彈簧和電磁體，其中單動(dòng)非閂鎖式傳動(dòng)器可移動(dòng)成使燃料閥開(kāi)啟和閉合，永磁體將銜鐵朝向閉合位置推動(dòng)，彈簧將銜鐵朝向開(kāi)啟位置推動(dòng)，電磁體產(chǎn)生與干擾永磁體磁場(chǎng)的磁場(chǎng)，這樣至少減小了由永磁體提供到銜鐵的力。當(dāng)電磁體不被通電時(shí)，永磁體施加磁力以將閥保持在閉合位置。當(dāng)電磁體被通電時(shí)，其產(chǎn)生使永磁體所產(chǎn)生的力減小的磁場(chǎng)。在彈簧的作用下，銜鐵移動(dòng)到開(kāi)啟位置。 當(dāng)電磁體被切斷時(shí)，永磁體的力閉合閥。選擇性地，電流通過(guò)電磁體的方向可以被反轉(zhuǎn)，這有助于磁場(chǎng)閉合閥。EP 2 194 543 A描述了一種燃料噴射器，其包括雙動(dòng)非閂鎖式螺線管傳動(dòng)器，該雙動(dòng)非閂鎖式螺線管傳動(dòng)器具有銜鐵、第一電磁線圈和彈簧，其中第一電磁線圈被布置成使銜鐵沿第一方向移動(dòng)，彈簧幫助迫使銜鐵沿第二方向移動(dòng)并將其保持在第一(即，閉合) 位置。該螺線管傳動(dòng)器還包括第二電磁線圈和關(guān)聯(lián)于第二電磁線圈的永磁體。永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)起到使銜鐵沿第二方向移動(dòng)并將銜鐵保持 在第一位置的作用。第二電磁線圈產(chǎn)生與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)。因此，當(dāng)?shù)诙姶啪€圈被通電時(shí)，其抵消永磁體的磁場(chǎng)。同時(shí)或者不久以后，第一電磁線圈被通電，從而使銜鐵沿第一方向朝著第二位置移動(dòng)。當(dāng)?shù)谝浑姶啪€圈和第二電磁線圈停止被通電時(shí)，由彈簧和永磁體產(chǎn)生的力起到使銜鐵返回到其第一位置的作用。
US 5 494 219 A描述了一種具有雙動(dòng)傳動(dòng)器的燃料噴射系統(tǒng)的控制閥組件，該雙動(dòng)傳動(dòng)器包括銜鐵、第一和第二線圈、以及第一和第二永磁體。銜鐵由第一永磁體保持在第一位置。第一線圈被通電，其抵消由第一永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。隨后第二線圈被通電，其產(chǎn)生與由第二永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同的磁場(chǎng)，從而將銜鐵朝向第二位置拉動(dòng)。第一線圈被切斷，并且一旦銜鐵達(dá)到第二位置，第二線圈便也被切斷。銜鐵由第二永磁體保持在第二位置。第一和第二線圈交換操作的過(guò)程可以被重復(fù)，從而將銜鐵返回到第一位置。US 5 961 045 A描述了一種具有提升閥構(gòu)件的燃料噴射器的控制閥，并且其包括具有銜鐵、線圈和復(fù)位彈簧的單動(dòng)螺線管，其中銜鐵包括永磁體并且提升閥構(gòu)件被附加到該銜鐵。共同地，復(fù)位彈簧和永磁體通常將提升閥構(gòu)件偏置到第一、開(kāi)啟位置。永磁體被定向成使得在線圈被通電時(shí)，永磁體從線圈和通量載體推離，將提升閥推動(dòng)到第二、閉合位置。EP I 939 440 A描述了一種具有雙動(dòng)雙重閂鎖式螺線管的燃料噴射閥，該螺線管包括被布置在獨(dú)立地可操作的第一和第二線圈之間的永磁體銜鐵。第一和第二線圈可操作成分別地排斥和吸引銜鐵，并由此移動(dòng)由銜鐵支撐的針閥。螺線管傳動(dòng)器還可以被用于控制燃燒室的入口閥和排氣閥，例如在GB 2 208 041 A中所描述的。在該配置中，閥閉合構(gòu)件通過(guò)永磁體的磁極抵抗壓縮的彈簧的力而被閂鎖到開(kāi)啟或者閉合位置。與每個(gè)位置相關(guān)聯(lián)的線圈在用電流脈沖激活時(shí)抵消保持閥閉合構(gòu)件的永磁極的磁場(chǎng)，并允許壓縮的彈簧使閥閉合構(gòu)件朝向其它位置而快速地移動(dòng)通過(guò)中央的中性位置。
在W02005/043266A中還描述了另一個(gè)傳動(dòng)器，并且其被應(yīng)用在超速工具伺服裝置(ultrafast tool servo)。該傳動(dòng)器包括第一和第二線圈、永磁體和由彎曲部(flexure) 支撐的銜鐵。發(fā)明概述本發(fā)明旨在提供改進(jìn)的螺線管傳動(dòng)器。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式的第一方面，提供一種短行程式螺線管傳動(dòng)器(short travel solenoid actuator),其包括至少一個(gè)極片；銜鐵,其例如布置在第一極片和第二極片之間；電磁鐵線圈，其布置成響應(yīng)于通電而引起銜鐵在第一位置和第二位置之間行進(jìn)； 永磁體，其被定位并定向成使得在銜鐵分別處于第一位置和第二位置時(shí)將銜鐵閂鎖在第一位置和第二位置；以及彈簧，其被布置用于偏置銜鐵，該彈簧提供足夠的力以便于阻止銜鐵閂鎖在第二位置。術(shù)語(yǔ)“短行程”旨在表示銜鐵和極片被布置為具有間隙長(zhǎng)度，該間隙長(zhǎng)度至少是比與間隙鄰近的磁性材料的最窄寬度(或者最窄有效寬度)小的數(shù)量級(jí)，磁性材料即磁極 (pole)或銜鐵，其中磁通流入間隙進(jìn)入磁極或銜鐵，或從磁極或銜鐵流入間隙。如果間隙被制得較短或者磁性材料被制得較寬，則磁場(chǎng)橫過(guò)間隙寬度變得更均勻。磁性材料的寬度可以是最大間隙長(zhǎng)度的至少10倍、至少20倍、至少50倍、至少100倍、至少200倍或者至少 500倍。優(yōu)選地，在第一位置和第二位置中的一處或者在第一位置和第二位置之間，彈簧具有中性點(diǎn)，即，彈簧不施加力時(shí)所在的位置?？梢杂删哂凶銐蚋邚椈沙?shù)的彈簧來(lái)提供足夠的力。在第一和/或第二位置中的閂鎖區(qū)域(latching field)可以在大約I和1.5T之間。彈簧(或者如果使用多于一個(gè)彈簧，則彈簧共同地或者組合地)可以具有至少為20Ncm_2XA/t的彈簧常數(shù)k(單位為N/ ym)，其中A是單位為cm2的極片的有效面積，而t是間隙長(zhǎng)度(單位為μπι)。有效面積可以是極片的面的面積減去線圈所占有的面積，即磁性材料的面的面積。彈簧可以具有至少為40Ncm_2XA/t的彈簧常數(shù)。面積A可以在O. 2cm2和5cm2之間。彈簧可以傳遞彈簧力，該彈簧力具有與行進(jìn)反向的方向。彈簧可以包括彎曲部或者同心管風(fēng)箱(concentric tube bellow)，彎曲部例如為具有長(zhǎng)度、寬度和厚度的平板彎曲部，其中長(zhǎng)度大于厚度，并且其中行進(jìn)方向設(shè)置成沿著彎曲部的長(zhǎng)度，同心管風(fēng)箱包括具有公共軸線的第一管和第二管，其中行進(jìn)方向沿著該軸線。銜鐵在第一位置和第二位置之間的行進(jìn)長(zhǎng)度可以不大于500 μ m、不大于200 μ m、 或者不大于100 μ m。行進(jìn)長(zhǎng)度可以在20μηι和80 μ m之間。永磁體可以由銜鐵支撐以便于隨銜鐵移動(dòng)。永磁體可以由極片來(lái)支撐。銜鐵可以是平坦的，并在銜鐵的行進(jìn)方向具有厚度。銜鐵的厚度可以至少為1_。銜鐵的厚度可以在 3_和5_之間。永磁體可以是環(huán)狀的。傳動(dòng)器可以包括至少兩個(gè)永磁體。傳動(dòng)器可以包括被布置在銜鐵中心任一側(cè)的兩個(gè)永磁體，并且該永磁體具有徑向地定向的(例如，向內(nèi)定向的)磁化。傳動(dòng)器可以包括圍繞銜鐵中心有角度地隔開(kāi)的三個(gè)或者更多(例如四個(gè)、 六個(gè)或者八個(gè))永磁體，并且該永磁體具有徑向地定向的(例如，向內(nèi)定向的)磁化。線圈可以具有環(huán)狀寬度，該環(huán)·狀寬度不大于第一極片寬度的O. I倍。傳動(dòng)器可以包括另一個(gè)電磁線圈。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種傳動(dòng)器，其包括至少一個(gè)極片、銜鐵、用于引起銜鐵在第一位置和第二位置之間行進(jìn)的電磁鐵線圈、被配置成使得至少將銜鐵閂鎖在第一位置的永磁體、以及被布置用于偏置銜鐵的彈簧。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于控制流體流動(dòng)的設(shè)備，該設(shè)備包括傳動(dòng)器。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括傳動(dòng)器的燃料噴射器。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將參考附圖通過(guò)示例的方式來(lái)描述本發(fā)明的某些實(shí)施方式，在附圖中圖I是帶有剛性彈簧的單動(dòng)螺線管傳動(dòng)器的示意圖；圖2a示出圖I中示出的傳動(dòng)器的飽和線圈電流對(duì)銜鐵位置的依賴關(guān)系；圖2b示出圖I中示出的傳動(dòng)器的彈簧特性；圖2c示出圖I中示出的傳動(dòng)器的恒定通量處的磁力特性；圖2d示出圖I中示出的傳動(dòng)器的組合力特性；圖3是包括第一和第二背對(duì)背單動(dòng)傳動(dòng)器的傳動(dòng)器的示意圖；圖4a示出圖3中示出的傳動(dòng)器的飽和線圈電流對(duì)銜鐵位置的依賴關(guān)系；圖4b示出圖3中示出的傳動(dòng)器的彈簧特性；圖4c示出圖3中示出的傳動(dòng)器的磁力特性；圖4d示出圖5中示出的傳動(dòng)器的組合的彈簧力和磁力的特性；圖5是根據(jù)本發(fā)明的螺線管傳動(dòng)器的示意圖；圖5a是圖5中示出的螺線管傳動(dòng)器的透視剖視圖；圖6a示出圖5中示出的傳動(dòng)器的飽和線圈電流對(duì)銜鐵位置的依賴關(guān)系；圖6b示出圖5中示出的傳動(dòng)器的彈簧特性；
圖6c示出圖5中示出的傳動(dòng)器的磁力特性；圖6d示出圖5中示出的傳動(dòng)器的組合力特性；圖6e示出圖3和圖5中示出的傳動(dòng)器的感應(yīng)系數(shù)與銜鐵位置的狀態(tài)特性；圖7是燃料噴射器的局部剖面，該燃料噴射器包括根據(jù)本發(fā)明的螺線管傳動(dòng)器， 該螺線管傳動(dòng)器包括一組管風(fēng)箱(tube bellows)；圖7a是圖6中示出的一組管風(fēng)箱的放大截面視圖；圖8示出不具有一組管風(fēng)箱的圖7中示出的螺線管傳動(dòng)器的力與沖程的圖；圖9示出帶有一組管風(fēng)箱的圖7中示出的螺線管傳動(dòng)器的力與沖程的圖；

圖10是圖7中示出的螺線管傳動(dòng)器的透視剖視圖；
圖IOa圖示了當(dāng)圖10中螺線管傳動(dòng)器的銜鐵在第一位置時(shí)的第一磁路；圖IOb圖示了當(dāng)圖10中螺線管傳動(dòng)器的銜鐵在第二位置時(shí)的第二磁路，圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)螺線管傳動(dòng)器的透視剖視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)螺線管傳動(dòng)器的透視剖視圖；圖13圖示了平板彎曲部；圖14是根據(jù)本發(fā)明的螺線管傳動(dòng)器的剖面圖；圖14a是圖14中示出的傳動(dòng)器的分解透視圖；圖15a是安置在矩形銜鐵內(nèi)的環(huán)狀永磁體的平面圖；圖15b是安置在圓形銜鐵內(nèi)的環(huán)狀永磁體的平面圖；圖16a是矩形銜鐵中的一組矩形磁體的平面圖；圖16b是圓形銜鐵中的一組矩形磁體的平面圖；圖17是平面外永磁體配置的剖視圖；圖17a圖示了當(dāng)圖17中的傳動(dòng)器的銜鐵在第一位置時(shí)的第一磁路；圖17b圖示了當(dāng)圖17中的傳動(dòng)器的銜鐵在第二位置時(shí)的第一磁路；以及圖18是根據(jù)本發(fā)明的濕式螺線管傳動(dòng)器和管子的剖面圖。
具體實(shí)施方式
的詳述在詳細(xì)描述本發(fā)明的某些實(shí)施方式之前，將先描述單動(dòng)螺線管傳動(dòng)器的操作，這會(huì)有助于理解本發(fā)明。在螺線管傳動(dòng)器的操作的以下描述中，用相似的參考數(shù)字來(lái)標(biāo)注相似的部分。參考圖1，示出了單動(dòng)螺線管傳動(dòng)器I。傳動(dòng)器I具有軸線2，并且包括圍繞軸線2 纏繞的電磁線圈3、與線圈3相關(guān)聯(lián)的極片4、與極片4軸向地間隔開(kāi)的銜鐵5以及具有彈簧常數(shù)的壓縮彈簧6。間隙大小為t的空氣間隙7形成在極片4和銜鐵5之間。極片4采取E型芯的形式。極片4和銜鐵5在平面視圖內(nèi)通常是矩形的。傳動(dòng)器I可以被用于這樣一種燃料噴射器(未不出)，在該燃料噴射器中閥頭(未示出)被沿著負(fù)X方向縮進(jìn)，以將其從閥座(未示出)移開(kāi)并由此開(kāi)啟閥。然而，傳動(dòng)器I 可以被用于這樣一種燃料噴射器(未示出)，在該燃料噴射器中閥頭(未示出)被沿著正X 方向拉伸，以將其從閥座(未示出)移開(kāi)。圖I示出了在電磁線圈3未通電狀態(tài)下處在完全開(kāi)啟位置的傳動(dòng)器1，即t = tmax, 并且這是最大位移，在該最大位移處，閥通過(guò)彈簧而仍然保持閉合。電磁線圈3可以用于通過(guò)用沿合適方向流動(dòng)的電流來(lái)為線圈3通電來(lái)閉合空氣間隙7,即t = O。當(dāng)被閉合時(shí)，由彈簧6施加的力Fs等于最大的磁性閉合力Fm(max)。對(duì)于與磁極寬度相比小的間隙長(zhǎng)度，t << 2和t << W1，最大磁性閉合力 Fffl (max)可以近似為Fm(max) = ΑΧΟ. 5Β. H(I)
其中A是磁極4的面積(這種情況下，Α = 0·25Χ π dp2_A線圈，其中A線圈是線圈的面積)，B是磁場(chǎng)，而H是最大飽和場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁性閉合力Fni(Iiiax)近似等于AX400, 000B2。 因此，假定鐵的最大飽和場(chǎng)是2特斯拉，則鐵極片4和銜鐵5的最大磁性閉合力Fm(max)大約是160Ncm_2。而對(duì)于I. 6特斯拉，磁性閉合力大約是100Ncm_2。對(duì)于小的間隙長(zhǎng)度，F(xiàn)m相對(duì)于行程近似是常數(shù)。在該實(shí)施例中，極片4和銜鐵5通常在平面視圖內(nèi)是正方形的(沿著X軸線觀察)， 并且tmax是50 μ m、銜鐵厚度ta是4mm、極片厚度tp是5. 2mm、線圈厚度t。是I. 2mm、極片寬度dp是14. 4_、以及線圈環(huán)狀寬度W。是I. 2mm。因此,在這種情況下,最小的極片寬度W2是 3mm,而 w2/1 是 60。當(dāng)傳動(dòng)器I完全開(kāi)啟時(shí)，在極片4中的磁場(chǎng)B飽和之前，線圈3可以承載最大電流 1_。線圈3可以被短路以穩(wěn)定與線圈3相關(guān)的磁通。圖2a示出了飽和電流對(duì)應(yīng)銜鐵位置的曲線8。如圖2a中示出的，隨著銜鐵5被帶向磁極4，線圈3中的飽和電流呈線性地減小。再參考圖2b，其示出了彈簧力Fs對(duì)應(yīng)于銜鐵位置的曲線9。如圖2b中示出的，當(dāng)傳動(dòng)器I閉合時(shí)，即，當(dāng)t = O時(shí),最大的彈簧力被施加。隨著間隙大小t的增大,彈簧力Fs 呈線性地減小，當(dāng)彈簧6未被壓縮且間隙大小t達(dá)到最大，即當(dāng)t = tmax時(shí)，彈簧力Fs到達(dá)零。在閥的操作中，閥將在tmax之前就位，以確保保有閉合力。再參考圖2c,分別示出了三個(gè)不同電流值即I = Imax> I = O. 5Imax和I=O時(shí)的磁力對(duì)應(yīng)于銜鐵位置的第一曲線IO1、第二曲線IO2、第三曲線103。如圖2c中示出的，對(duì)于給定的電流，磁力相對(duì)于銜鐵位置保持恒定。通過(guò)考慮磁能Em，可以解釋螺線管傳動(dòng)器I的狀態(tài)特性。被儲(chǔ)存在傳動(dòng)器I中的磁能Em可以通過(guò)對(duì)0.5B.H進(jìn)行體積積分來(lái)計(jì)算出。對(duì)于采用理想的軟質(zhì)材料和小間隙的傳動(dòng)器來(lái)說(shuō)，所有磁能都被儲(chǔ)存在間隙7中。對(duì)于小間隙， 磁場(chǎng)是均勻的。間隙7的體積V可以通過(guò)V = AXt來(lái)計(jì)算出。由此，儲(chǔ)存在間隙7中的磁能Em可以被計(jì)算為Em = AXtXO. 5B. H. (2)使用F = ΑΧΟ. 5B. H，其可以再表示為Em = FmXt (2，)其中F是產(chǎn)生的力。由此，如果電勢(shì)差V橫穿線圈3的端部被施加，且允許在線圈3中建立電流I，則儲(chǔ)存的磁能的量Em可以被表示為Em = O. 5LXI2(3)其中L是線圈3的感應(yīng)系數(shù)。如果隨后線圈3被短路，則與線圈有關(guān)的磁通在短期內(nèi)被固定(直到磁能由于線圈的電阻而被消散為止)。隨著銜鐵5向下移動(dòng)，減小間隙， 該能量隨后被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和由傳動(dòng)器I做的功。
圖2c中示出了隨銜鐵位置而變的在不同的磁飽和部分處的磁力。對(duì)于給定的通量，磁力是常數(shù)。然而，如圖2a中示出的，隨著間隙的增大，需要增大電流量。圖2d示出了組合的彈簧力和磁力對(duì)應(yīng)于在線圈3被布置在三種狀態(tài)即第一狀態(tài)、 第二狀態(tài)以及第三狀態(tài)中時(shí)的位置的曲線Il1UlyIl3，其中在第一狀態(tài)中，隨著位置而變化(如在圖2a所示)從而導(dǎo)致最大飽和磁場(chǎng)Bniax的電流Iniax被施加；在第二狀態(tài)中，一半的該電流被施加；在第三狀態(tài)中，線圈是開(kāi)路(并且由此在線圈中沒(méi)有電流流動(dòng))。在B = Bmax的情況下，線圈3中的電流I隨間隙大小t線性地減小(如圖2a中示出的)，而感應(yīng)系數(shù)L隨間隙大小t線性地增大。根據(jù)上述等式3，儲(chǔ)存的磁能E隨間隙大小t線性地減小，并且根據(jù)上述等式2’，磁力保持恒定?？偣可以被表示為 W = Em (t = t眶)/tmax XAt (4)其中At是間隙大小的變化。明顯地，如果間隙大小t從最大間隙大小(即，t = tmax)變化到零間隙大小(即，t = O),則At = tmax且W = E。由此,在零間隙大小時(shí),通量和磁力仍然相同，但是電流I和儲(chǔ)存的磁能Em現(xiàn)在為零。
由此，如圖2c中示出的，如果線圈3被布置為不通電流，則其不提供任何力，并且因此彈簧6趨于對(duì)抗間隙7的閉合，即其推離銜鐵5。然而，如果磁極中備有最大通量，則其提供恒定的磁力。該力的抵消致使產(chǎn)生的凈力將銜鐵5拉向極片4。參考圖3，雙動(dòng)背對(duì)背螺線管傳動(dòng)器12。類似于圖I中示出的單動(dòng)螺線管傳動(dòng)器 1，背對(duì)背螺線管傳動(dòng)器12具有軸線2，并且包括圍繞軸線2纏繞的第一電磁線圈3、與第一線圈3相關(guān)聯(lián)的第一極片4、與第一極片4軸向地間隔開(kāi)的銜鐵5和具有彈簧常數(shù)k的第一壓縮彈簧6。具有間隙大小為t的第一空氣間隙7形成在第一極片4和銜鐵5之間。傳動(dòng)器12具有和圖I中示出的單動(dòng)螺線管傳動(dòng)器I相同的尺寸。傳動(dòng)器12包括圍繞軸線2纏繞的第二電磁線圈13、與第二電磁線圈13相關(guān)聯(lián)的第二極片14、和具有彈簧常數(shù)的第二壓縮彈簧16。在本實(shí)施例中，彈簧常數(shù)是相同的。具有間隙大小為u的第二空氣間隙17形成在第二極片14和銜鐵5之間。在本實(shí)施例中，u = tmax-to 由此，當(dāng) t = 時(shí)，u = 0，且當(dāng) t = O 時(shí)，u = t眶。由此，傳動(dòng)器12可以被視為具有軸向地間隔開(kāi)的線圈3、13的一對(duì)背對(duì)背單動(dòng)傳動(dòng)器1，并且其共享一個(gè)普通銜鐵5。極片4、14各自均采用E型芯的形式，并且通常在平面視圖內(nèi)是矩形的。圖4a示出了第一和第二線圈3、13中電流分別對(duì)應(yīng)于銜鐵位置的曲線8、18。第一和第二線圈3、13中的電流具有相同的方向。如圖4a中示出的，隨著銜鐵5被帶向第一極片4 (如示出的下部磁極)，使第二極片14中的磁極飽和而所需的第一線圈3中的電流值呈線性地減小，而使第一極片4中的磁極飽和而所需的第二線圈13中的電流值呈線性地增大。再參考圖4b和圖4c，分別示出了對(duì)于第一和第二線圈3、13而言的彈簧力Fs對(duì)應(yīng)于位置的曲線9、曲線19以及三個(gè)不同電流值即I = Isa0I = O. 5Isat和I = O時(shí)的磁力對(duì)應(yīng)于銜鐵位置的曲線1(V曲線102、曲線103、曲線20ρ曲線202、曲線203。Isat是銜鐵位置的函數(shù)(見(jiàn)圖4a)。如圖4b中示出的，當(dāng)?shù)谝婚g隙開(kāi)啟且第二間隙17閉合時(shí)，g卩，當(dāng)t = tmax時(shí)，通過(guò)第二彈簧16施加最大彈簧力。
如圖4c中示出的，如果線圈3、13被配置為使用一半最大飽和電流值，則閉合力 102、202被減少到四分之一，這是因?yàn)榱εc電流的平方成比例。再參考圖4d，第一和第二彈簧6、16的彈簧力FS、F' s以及磁力疊加以產(chǎn)生組合的彈簧力特性 21^21^21^22^22^22^如圖4d中示出的，如果線圈3、13未被通任何電流(即，I = O)，則當(dāng)銜鐵12被定位在極片4、14之間的中途時(shí)，傳動(dòng)器12在零凈力處表現(xiàn)出力特性213、223。兩個(gè)電磁線圈3、13可以被用于使圖I中示出的單動(dòng)螺線管I的螺線管傳動(dòng)器12 的磁能加倍。由此，螺線管傳動(dòng)器12可以施加兩倍的力，并且由此導(dǎo)致銜鐵5較快的傳動(dòng)， 這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)設(shè)備中可以使用相同大小的銜鐵。盡管如此，圖3中示出的傳動(dòng)器12仍然作為兩個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)器有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。借助于圖4d中示出的彈簧力，電流被提供以保持傳動(dòng)器處在閉合狀態(tài)，即t = O。
本發(fā)明至少部分地基于對(duì)如背對(duì)背傳動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)的相同或者類似性能的理解， 但是更有效地并且在某種程度上基于對(duì)允許傳動(dòng)器在沒(méi)有電力的情況下被拉入傳動(dòng)器閉合狀態(tài)的理解。參考圖5和圖5b，示出了根據(jù)本發(fā)明的螺線管傳動(dòng)器23。螺線管傳動(dòng)器23具有改進(jìn)的銜鐵5’，其包括兩個(gè)永磁體24,兩個(gè)永磁體24都具有向內(nèi)定向的磁化25。傳動(dòng)器 23具有和圖3中示出的傳動(dòng)器12相同的尺寸。如圖5中示出的,W1 = W2 = 3mm,銜鐵厚度1^與永磁體厚度tpm相同,其大約是4mm 且^ = 4mm。對(duì)于兩個(gè)線圈3、13，傳動(dòng)器23以270安培匝數(shù)(amp-turns) (2X15AX9匝) 來(lái)操作。然而，安培匝數(shù)可以較低或者較高，例如每個(gè)傳動(dòng)器在50和500安培匝數(shù)之間。線圈包含O. 25mm直徑的電線。在該實(shí)施例中，傳動(dòng)器23在平面視圖內(nèi)是正方形的，即沿著X軸線來(lái)觀察。彈簧 6、16采取一對(duì)平坦的彎曲部的形式，該一對(duì)平坦的彎曲部被附接到銜鐵5和相對(duì)側(cè)上的極片4、14，以使銜鐵5和極片4、14被夾在彎曲部之間。參考圖6a，由于兩個(gè)線圈是緊密地耦合的，因此電流I是兩個(gè)線圈中的電流的加和。線18’示出了由下部磁極的飽和所限制的最大正電流。線18”示出了由上部磁極的飽和所限制的最大負(fù)電流。如圖6b中示出的，彈簧6、16具有與沒(méi)有銜鐵磁體(armature magnet) 23的傳動(dòng)器12(圖3)相同的特性9、19。然而，如圖6c中示出的，永磁體24的作用是在極片4、14中的磁場(chǎng)不飽和時(shí)引入取決于位置的磁力。由此，最大磁力與沒(méi)有銜鐵磁體23的傳動(dòng)器12(圖3)的那些磁力相同。然而，實(shí)現(xiàn)最大磁力而所需的電流是不同的。圖6d示出了組合的彈簧力和磁力的對(duì)應(yīng)的曲線20/、212，、213，、22/、222，、223，。如通過(guò)比較圖4d和圖6d中的飽和場(chǎng)(saturated field)的組合力特性21^21/ 而可以看出的，將永磁體24放置在銜鐵5’中并不影響可以通過(guò)傳動(dòng)器23傳遞的最大力。 然而，永磁體24明顯地改變了驅(qū)動(dòng)需求，尤其在下部場(chǎng)處。如從圖6c可以看出的，銜鐵5’受到負(fù)彈簧效應(yīng)，即隨著銜鐵5’被帶近極片4、14， 零電流下的磁力增大。由此，在不憑借彈簧6、16的情況下，銜鐵5’趨于在t = O和t = tmax處閂鎖。然而，如從圖6d可以看出的，彈簧6、16具有補(bǔ)償該效應(yīng)的作用。如果彈簧常數(shù)和負(fù)的彈簧常數(shù)是匹配的，則力可以被平衡。此外，可以進(jìn)一步增大一個(gè)或者兩個(gè)彈簧常數(shù)，從而使其超過(guò)負(fù)彈簧常數(shù)，產(chǎn)生在中心或者在一個(gè)端部或者其它端部處穩(wěn)定的傳動(dòng)器， 這對(duì)于繼電器、閥或者噴射器而言通常是閉合位置。如圖6e中示出的，第一和第二線圈3、13被電氣地緊密耦合，并且對(duì)于小間隙(即 t<<d)而言，可以考慮用單線圈。當(dāng)來(lái)自線圈的通量連續(xù)地通過(guò)上部間隙和下部間隙兩者時(shí)，銜鐵5’的感應(yīng)系數(shù)24相對(duì)于位置有效地保持恒定。然而，線圈3(圖1&圖3)的感應(yīng)系數(shù)25i在沒(méi)有永磁體的情況下快速地減小，這是因?yàn)槠渑c線圈13 (圖3)的感應(yīng)系數(shù)252 的對(duì)應(yīng)增加是獨(dú)立的。隨著兩個(gè)線圈被耦合到間隙，電流可以在其之間被共享(例如，通過(guò)將其串聯(lián))。 由此，傳動(dòng)器23可以更有效地操作，這是因?yàn)殂~損耗被降低。通過(guò)使用被合適地定向的永磁體，尤其當(dāng)行進(jìn)長(zhǎng)度短時(shí)，傳動(dòng)器23可以使用通量切換來(lái)操作。如圖5中示出的，示出了基于兩個(gè)E型芯的實(shí)施方式。然而，可以使用不同數(shù)量、 形狀和配置的極片。至少一個(gè)極片被布置為形成間隙，銜鐵就位于該間隙中并且可以行進(jìn)。 例如，可以在第一和第二極片例如第一和第二E型芯或者C型芯之間提供間隙。然而，可以在單極片或者多部件極片的磁極之間提供間隙，極片例如為C型芯。極片、銜鐵和永磁體被布置為當(dāng)銜鐵處在(或者接近)行進(jìn)的相對(duì)端部處的不同位置中時(shí)、當(dāng)銜鐵與一極片接觸時(shí)形成兩個(gè)不同的磁路徑(但是其可以共享部分磁性材料，例如銜鐵和/或部分極片)。本發(fā)明的實(shí)施方式可以提供短行程、通量切換的傳動(dòng)器，其可以被用在高加速度、 起止應(yīng)用(start-stop application)中，例如燃料噴射器中。這類傳動(dòng)器比起對(duì)應(yīng)大小的壓電傳動(dòng)器具有潛在地更好的性能。在一些實(shí)施方式中，傳動(dòng)器可以傳遞高達(dá)200N的力和 /或可以具有大約為50 μ m的典型沖程。在一些實(shí)施方式中，傳動(dòng)器可以具有大約為O. 2ms 的開(kāi)啟和/或閉合時(shí)間以及潛在的50 μ S的開(kāi)啟和/或閉合時(shí)間。多個(gè)噴射事件之間的延遲可以小于O. 2ms。在一些實(shí)施方式中，包括傳動(dòng)器的燃料噴射器可以具有與常規(guī)汽油直噴 (GDI)傳動(dòng)器類似的電力需求和/或可以具有與常規(guī)汽油直噴(GDI)傳動(dòng)器類似的大小。 在噴射器中可能存在零回流。另外的，傳動(dòng)器提供能夠?qū)崿F(xiàn)可變閥升程的線性傳動(dòng)?，F(xiàn)在將描述本發(fā)明的另外的實(shí)施方式。在以下描述中，用相似的參考數(shù)字來(lái)標(biāo)注相似的部分。 參考圖7，示出了用于內(nèi)燃機(jī)中的燃料噴射器36。燃料噴射器36包括多部件的噴射器殼體37，其包括在其遠(yuǎn)端部處具有噴孔39的噴嘴段38?？坩?0延伸穿過(guò)噴嘴段38，并具有頭部41。扣釘頭部41與閥座42可接合?？坩?0在噴射器殼體37內(nèi)沿著軸線43在第一縮進(jìn)位置和第二拉伸位置之間可移動(dòng)。在縮進(jìn)位置，扣釘頭部41與閥座42匹配。在拉伸位置，扣釘頭部41從閥座42脫離以使燃料從高壓燃燒室44噴射。燃料噴射器26包括根據(jù)本發(fā)明的傳動(dòng)器44，該傳動(dòng)器44是通量切換的，并且其可操作成引起扣釘40在縮進(jìn)位置和拉伸位置之間線性地往復(fù)。傳動(dòng)器44包括圍繞軸線43纏繞的第一和第二電磁線圈45、46 ;第一和第二極片 47、48，其分別與第一和第二電磁線圈45、46相關(guān)聯(lián)、由環(huán)形物49分離開(kāi)并且形成圓盤形空間50 ;圓盤形銜鐵51，其包括同軸的環(huán)狀永磁體52 ;以及剛性彈簧53，即具有高彈簧常數(shù)k 的彈簧。剛性彈簧53采用由高強(qiáng)度不銹鋼形成的一組同心管風(fēng)箱的形式。
如圖7a中更詳細(xì)示出的，管風(fēng)箱53包括附接到遠(yuǎn)端部56處的內(nèi)部風(fēng)箱54和外部55。內(nèi)部風(fēng)箱54比外部風(fēng)箱55長(zhǎng)。內(nèi)部風(fēng)箱54的近端57被附接到扣釘40，而外部風(fēng)箱55的近端58被附接到噴射器殼體37?？坩?40通過(guò)管狀套筒59而被附接到銜鐵51。通過(guò)使風(fēng)箱54、55的直徑(I1與根據(jù)泊松比被校正的閥座52的直徑、管口的直徑 S3匹配來(lái)平衡由管風(fēng)箱53施加的力，以提供干傳動(dòng)(dry actuation)并避免燃料從噴射器回流。外部管風(fēng)箱55的直徑Cl1大約是閥座42的直徑d2的I. 4倍。管風(fēng)箱53提供足夠的力以阻止將扣釘40閂鎖在拉伸位置。螺旋狀的壓縮彈簧60 被軸向地布置在校準(zhǔn)銷61和板62之間，板62鄰接扣釘40端部。由此，銷61可以被用于配平噴射器36。如稍后將更詳細(xì)解釋的，可以省略電磁線圈45、46中的一個(gè)，且然而仍容許加倍作用，例如通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電流的方向。
傳動(dòng)器44利用高機(jī)電耦合來(lái)提供線性操作，并通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)感測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)比例控制。獨(dú)立的通量測(cè)量環(huán)(未示出)可以被用于提供進(jìn)一步的控制，例如，如上在 W02005/043266A中所描述的。其可以被用于精確地控制噴射器36的局部開(kāi)啟，并通過(guò)在與端部止擋件例如極片47、48接觸之前減慢銜鐵來(lái)抑制反彈。機(jī)電耦合可以通過(guò)下述方式而被增大使用相對(duì)于磁路被合適地定位的永磁體， 例如圖5或者圖7中示出的；通過(guò)增加比率UpJtniaxVtniax，其中tPD1是永磁體厚度且是間隙大??；以及通過(guò)將線圈周圍的磁通所經(jīng)過(guò)的路徑的磁阻布置為遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于間隙的磁阻。如稍早所解釋的，因?yàn)閬?lái)自永磁體42的磁通增添到來(lái)自線圈45、46的磁通，所以可以使用較小的安培匝數(shù)(例如，與沒(méi)有永磁體的傳動(dòng)器和/或不是短行程式傳動(dòng)器的傳動(dòng)器相比)。由此，可以使用小的線圈。永磁體52可以包括等級(jí)的NdBFe磁體，且極片47、48可以包括高電阻率燒結(jié)鐵，例如由美國(guó)新澤西 Cinnaminson 的 Hoeganaes Corporation 出售的 AncorLam 。在圖7中，傳動(dòng)器44被示出具有比殼體37小的直徑。然而，差值可以很小。殼體 37不提供磁通回路。在一些實(shí)施方式中，殼體37并不環(huán)繞地包裹傳動(dòng)器44。再參考圖8，示出了力對(duì)應(yīng)于沖程的曲線64、65、66，其圖示了沒(méi)有管風(fēng)箱53的傳動(dòng)器44的典型的性能。第一和第二曲線64、65示出最大飽和的磁性驅(qū)動(dòng)力，其可以被用于使銜鐵51在分別與閉合和開(kāi)啟位置對(duì)應(yīng)的第一和第二位置67、68之間移動(dòng)。將銜鐵51在磁極之間中途的位置作為參考點(diǎn)，即沖程是O μ m。在本實(shí)施例中，閉合和開(kāi)啟位置67、68是-15 μ m和 +10 μ m。閉合位置67允許10 μ m的裕度(margin)，以確保閥在銜鐵51和極片47之間接觸前就位。開(kāi)啟位置68允許可變的閥升程。選擇性地，當(dāng)閥在+25μπι處達(dá)到極片時(shí)，閥可以被完全開(kāi)啟。如圖7中示出的，最大飽和的開(kāi)啟力和閉合力相對(duì)于位置基本是恒定的，每個(gè)都具有大約120Ν的大小。第三曲線66示出了在零電流時(shí)銜鐵51上的磁力與位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。再參考圖9，示出了力對(duì)應(yīng)于沖程的曲線64’、65’、66’，其圖示了帶有管風(fēng)箱53的傳動(dòng)器44的典型的性能。管風(fēng)箱53的作用是通過(guò)管風(fēng)箱63的彈簧常數(shù)k使圖7中示出的曲線64、65、66 傾斜，即通過(guò)大約5N μ πΓ1。
參考圖10，更詳細(xì)地示出了沒(méi)有管風(fēng)箱53的傳動(dòng)器44 (圖7)。如圖10中示出的，第一和第二極片47、48(其可以分別被稱為上部極片和下部極片)通常是具有外部直徑d#和內(nèi)部直徑(1 的環(huán)形極片。第一和第二極片47、48具有相對(duì)的面71、72(圖10中分別示出為上部面和下部面)，該相對(duì)的面具有保持線圈45、46的對(duì)應(yīng)的環(huán)狀凹槽73、74。銜鐵51具有第一和第二面75、76(圖10中分別示出為下部面和上部面)。銜鐵51位于極片47、48之間，并且因此銜鐵51的第一和第二面75、76分別面向面 71、72。在本實(shí)施例中，對(duì)于兩個(gè)線圈45、46而言，傳動(dòng)器44以270安培匝數(shù)(2Χ15ΑΧ9 匝)來(lái)操作。然而，安培匝數(shù)可以較低或者較高，例如每個(gè)傳動(dòng)器在50安培匝數(shù)和500安培阻數(shù)之間。參考圖IOa,當(dāng)銜鐵51在第一位置時(shí),永磁體52在第一磁路77中產(chǎn)生磁場(chǎng)， 其中在第一位置，銜鐵51的第一面75鄰接第一極片47的面71。如圖IOa中示出的，通量 78徑向地通過(guò)銜鐵磁體52和銜鐵51、進(jìn)入第一極片47、圍繞線圈46并回到銜鐵51。在本實(shí)施例中，磁性材料的最窄寬度等于銜鐵的外部部分，并且具有寬度為wA2。參考圖10b，當(dāng)銜鐵51在第二位置時(shí)，永磁體52在第二磁路79中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其中在第二位置，銜鐵51的第二面76鄰接第二極片48的面72。如圖IOa中示出的，通量線80 徑向地通過(guò)銜鐵磁體52和銜鐵51、進(jìn)入第二極片48、圍繞線圈47、并回到銜鐵51。如稍早所解釋的，不需要使用兩組繞組45、46，即電磁線圈。螺線管傳動(dòng)器44具有短行程。換言之，極片47、48和銜鐵被布置成使得銜鐵51 可以行進(jìn)的最大距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁性材料的最窄寬度Wa2，在這種情況下該最大距離可以被視為在極片47、48和銜鐵51之間形成的最大間隙t2。在這種環(huán)境下，銜鐵和極片之間的間隙很小，并且因此間隙中的磁場(chǎng)是均勻的。最大間隙長(zhǎng)度至少是小于磁性材料的最窄寬度wA2的數(shù)量級(jí)，即wA2 > 10t2。在本實(shí)施例中，間隙大約為50 μ m,且有效寬度大約為2mm。參考圖11，示出了另一個(gè)傳動(dòng)器44’。傳動(dòng)器44’與圖10中示出的傳動(dòng)器44相同，但是不具有第一電磁線圈45。凹槽73可以同樣地被省略。在一些其它的實(shí)施方式中， 第二電磁線圈46可以被省略。在稍早描述的實(shí)施例中，使用了銜鐵磁體。然而，可以代替地使用不隨銜鐵移動(dòng)的固定的極磁體(pole magnet)。參考圖12，示出了又一個(gè)傳動(dòng)器44”。傳動(dòng)器44”類似于圖11中示出的傳動(dòng)器 44’。然而，傳動(dòng)器44”具有第二極片81，該極片具有與稍早描述的第二極片48 (圖10)類似的基部分82和從基部分82朝向第一極片47延伸的環(huán)狀壁部分83 (或者“磁極延伸部”)。 永磁體84被固定地布置在壁部分82的徑向內(nèi)部表面85內(nèi)。銜鐵86被布置在極磁體84 的內(nèi)部表面87內(nèi)，并且在第一和第二極片47、81之間。永磁體84的磁化是徑向地定向成使得永磁體84產(chǎn)生徑向的磁場(chǎng)并且通量線(未示出)穿過(guò)徑向側(cè)壁88進(jìn)入。如圖12中示出的，銜鐵86具有10. 5mm的直徑d4，線圈46具有I. 2mm的徑向直徑r2，并且極片具有 20mm的直徑。在本實(shí)施例中，磁性材料的最窄寬度wA3有效地等于銜鐵的直徑d4。傳動(dòng)器44、44’、44’以大體相似的方式操作，并且現(xiàn)在將參考第一傳動(dòng)器44 (圖7) 來(lái)進(jìn)行描述。再參考圖7，當(dāng)?shù)诙€圈46以及(如果存在第一線圈45)第一線圈45不被通電時(shí)，銜鐵51被閂鎖在第一位置中，鄰接第一極片47。如圖7中示出的，該位置對(duì)應(yīng)于扣釘頭部41所位于其中的閉合位置。通過(guò)沿著使銜鐵51朝向第二極片吸引的方向傳遞電流來(lái)為第二線圈47通電。如果使用第一線圈45，則電流還可以在相同意義上被傳遞通過(guò)第一線圈。由此，扣釘頭部41被移位(以鏈?zhǔn)境?。即使銜鐵51可以到達(dá)第二極片48，一旦線圈被切斷通電，剛性彈簧53便防止銜鐵51被保持。由此，當(dāng)電流減小或者被切斷時(shí)，銜鐵51 朝向第一極片47向后行進(jìn)。 如稍早所解釋的，為了克服磁力以阻止開(kāi)啟閂鎖，剛性彈簧被采用。通常地，沖程的端部處的閂鎖磁場(chǎng)大約為I到I. 5T。這產(chǎn)生極片的大約40到90Ncm_2的力。如果銜鐵在磁極之間行進(jìn)50 μ m,則磁性彈簧常數(shù)(magnetic spring constant)大約為-I. 6 至IJ-3. ΘΝμπΓ1每平方厘米極片。彈簧應(yīng)該具有超過(guò)該值的彈簧常數(shù)k。優(yōu)選地，彈簧常數(shù)k大約比磁性彈簧常數(shù)大20%到100%，即大約+2到+4. 5Νμ πΓ1每平方厘米磁極。管風(fēng)箱具有足夠高的彈簧常數(shù)值。然而，可以使用其它形式的彈簧，諸如，例如，碟型墊圈(Belleville washer)和彎曲部。圖13示出了彎曲部89的合適的形式。彎曲部89采用平板彎曲部的形式，其包括薄板90，其大體是平面的，具有從板90的相對(duì)長(zhǎng)側(cè)91、92垂直延伸的相間錯(cuò)雜的槽91。彎曲部89包含完全堅(jiān)硬類型302不銹鋼。然而，可以使用其它合適的材料。彎曲部89具有長(zhǎng)度a、寬度b以及厚度C，其中c << a、b。如圖13中示出的，彎曲部89可以在其端部93、94之間平行于行進(jìn)方向被拉伸(或者被壓縮)。換言之，力被作用在平坦彎曲部的平面中，而不是例如垂直于其?？梢允褂迷擃愋蛷椈蓙?lái)代替稍早描述的傳動(dòng)器44、44’、44”中的管風(fēng)箱。如現(xiàn)在將被描述的，傳動(dòng)器不需要是軸對(duì)稱的(即，圓柱狀的)，但是可以采取例如具有盒形狀極片以及矩形銜鐵的平面層壓類型的形式。參考圖14和14a，傳動(dòng)器96被示出為其沿著軸線97操作。傳動(dòng)器96通常是細(xì)長(zhǎng)的，并且在平面視圖中是矩形的。傳動(dòng)器96包括圍繞第一和第二極片100、101纏繞的第一和第二線圈98、99。極片 100、101通常采取具有矩形剖面的‘U’型芯的形式，并且經(jīng)由第一組螺釘103通過(guò)一對(duì)剛性板塊102而相對(duì)于彼此被保持、固定。在平面視圖下通常為矩形的通常平面的銜鐵104位于在極片100、101之間。矩形永磁體105被嵌入銜鐵104的中心處。板102被附接到傳動(dòng)器96的第一和第二相對(duì)側(cè)。一對(duì)平板彎曲部106通過(guò)第一組螺釘103和第二組螺釘107將極片100、101附接到銜鐵104(極片100、101不被附接到剛性板塊102)。每個(gè)彎曲部106被夾在極片100、 101和對(duì)應(yīng)的剛性板塊102之間。每個(gè)板102和彎曲部106通過(guò)一對(duì)間隔條108或者墊圈 (未示出)而分離開(kāi)。傳動(dòng)器96的尺寸大致相同，即u V W。該尺寸可以大于10mm、 大于20mm或者大于50mm。該尺寸可以小于100mm。在本實(shí)施例中，傳動(dòng)器具有的尺寸為u =14_、V = 14mm和w = 12. 5mm。在本實(shí)施例中,磁性材料的最窄寬度wA4有效地等于極片的寬度W。傳動(dòng)器96不需要用螺釘保持在一起。例如，一些或者所有零件可以被焊接、夾緊或者卷曲。彎曲部106可以具有至少為20NcnT2XA/t或40NcnT2XA/t的(組合的)彈簧常數(shù) k，其中A是磁極的面積，而t是間隙長(zhǎng)度。在本實(shí)施例中，A大約為O. 2到5cm2，而t (和行進(jìn)長(zhǎng)度)小于100 μ m，例如，在大約30和80 μ m之間。
可以使用和以若干不同的方式布置一個(gè)或者多個(gè)永磁體。例如，可以使用一個(gè)永磁體，其可以采取單一的、連續(xù)的圓環(huán)的形式。參考圖15a和15b，示出了環(huán)狀永磁體的使用的示例。圖15a示出了被布置在正方形銜鐵5中的呈單一連續(xù)圓環(huán)形式的單個(gè)永磁體26。圖15b示出了被布置在圓盤形銜鐵 51中的呈單一連續(xù)圓環(huán)形式的單個(gè)永磁體52。在圖15a和15b中，位于永磁體26內(nèi)部的軟磁性材料S1Al1部分的面積大約與位于永磁體26外部的軟磁性材料52、512部分的面積相同。可以使用多于一個(gè)的永磁體。由此，一組兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或者更多的永久條形磁體(permanent bar magnet)可以被布置成圍繞具有向內(nèi)指向的磁化的銜鐵的中心(其還定義了行進(jìn)的軸線)而有角度地隔開(kāi)。參考圖16a和16b,不出了若干永磁體的使用的不例。圖16a不出了布置在正方形銜鐵5中的四個(gè)條形永磁體26^26^26^26^這些永磁體被成對(duì)地布置為彼此面對(duì)且磁化在相反的方向上。一對(duì)永磁體可以被省略，從而僅有兩個(gè)永磁體，例如第一和第三永磁體 26^2630圖16b示出了布置在圓形銜鐵51中的四個(gè)條形永磁體52^52^52^52^再次地， 可以省略一對(duì)磁體。同樣地，位于磁體內(nèi)部和外部的軟磁性材料的面積大致相同。如稍早所解釋的，一對(duì)磁體可以被省略，從而僅有兩個(gè)磁體。然而，該對(duì)磁體可以延伸穿過(guò)銜鐵。
參考圖16c，并且示例顯示為其包括延伸穿過(guò)銜鐵51的兩個(gè)條形磁體。位于磁體 525、526內(nèi)部(即其之間)的軟磁性材料的面積大致與位于磁體525、526外部的軟磁性材料的面積相同。在使用極磁體的情況下，相似的磁體布置可以被用于圖15a、15b、16a、16b和16c 中示出的那些磁體。在稍早描述的實(shí)施例中，永磁體和銜鐵位于相同的平面內(nèi)且磁化被定向在平面內(nèi)。然而，該配置可以通過(guò)將永磁體放置在與銜鐵不同的平面中并旋轉(zhuǎn)永磁體來(lái)進(jìn)行改進(jìn)， 以使磁化不再被定向到銜鐵的平面中。參考圖17，示出了另一個(gè)傳動(dòng)器111。傳動(dòng)器111與于圖12中示出的傳動(dòng)器44’ 的類似之處在于其使用極磁體。傳動(dòng)器111具有軸線112，線圈113在(多部件的)極片115的空腔或者暗凹槽 (blind recess) 114內(nèi)圍繞軸線112纏繞。極片115通常采用具有矩形橫截面的螺旋管 (toroid)的形式。極片115具有沿著內(nèi)部表面116延伸的槽，以便于與第一和第二極片 117、118形成‘C’形芯。傳動(dòng)器111中容納環(huán)狀永磁體119，其磁化被定向?yàn)槠叫杏谳S線 112。來(lái)自永磁體119的通量通過(guò)平坦的、截短的、錐形環(huán)狀件或者嵌件120來(lái)被引導(dǎo)。嵌件120具有右三角形(right-hand triangular)橫截面,其可以引導(dǎo)通量，以使被軸向地定向的通量引導(dǎo)成被徑向地定向。平坦的銜鐵121位于磁極117、118之間。傳動(dòng)器包括剛性彈簧122，例如，具有彈簧常數(shù)至少為20NcnT2XA/t或40NcnT2XA/t的剛性彈簧，其中A是磁極的面積，而t是間隙長(zhǎng)度。在本實(shí)施例中，A大約為0.2到5cm2，而t(和行進(jìn)長(zhǎng)度)小于100 μ m,例如，在大約30和80 μ m之間。在本實(shí)施例中，磁性材料的最窄寬度wA5有效地等于銜鐵的直徑。如圖17中示出的，銜鐵121位于垂直于軸線112的平面Pl中。然而，永磁體119位于平行的、但間隔開(kāi)的平面P2中。圖17a和17b示出當(dāng)銜鐵在第一(下部)和第二(上部)位置時(shí)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的磁路124、126而流動(dòng)穿過(guò)極片115、磁體119和銜鐵121的磁通123、125。在稍早描述的噴射器中，傳動(dòng)器是干式傳動(dòng)器。然而，傳動(dòng)器可以是濕式傳動(dòng)器，其中銜鐵被布置在具有薄壁的管道或者通道內(nèi)并且在該管道或者通道內(nèi)移動(dòng)，其中流體(氣體或者液體)可以流過(guò)該管道或者通道。極片、線圈以及可選擇的永磁體被布置在管道外部。參考圖18，示出了管狀物或者管道130和用于控制穿過(guò)管130的流體流動(dòng)的傳動(dòng)器131。傳動(dòng)器131具有類似于圖12中示出的傳動(dòng)器44”的結(jié)構(gòu)。然而，傳動(dòng)器131的一些零件被設(shè)置在管狀物130的內(nèi)部，而其它零件被布置到管130狀物的外部。·傳動(dòng)器131具有軸線132，第一和第二軸向地分開(kāi)的線圈133、134在位于管狀物130外部的外部極片135內(nèi)圍繞軸線132纏繞。外部極片135通常是環(huán)狀的形狀，并且由多于ー個(gè)零件構(gòu)成，以便于使其與圍繞管狀物130安裝。外部極片135容納ー個(gè)或者多個(gè)永磁體136，永磁體136在第一和第二線圈133、134之間位于管狀物130的任一側(cè)或者圍繞管狀物130的圓周。如圖18中示出的，磁體136具有向內(nèi)指向的磁化。圓盤形銜鐵138位于永磁體136之間和軸向地分離的內(nèi)部極片139、140之間的管狀物130內(nèi)部。如圖18中示出的，外部極片135和內(nèi)部極片139、140通常與銜鐵138所位于其間的第一和第二磁極141、142形成‘C’形芯。傳動(dòng)器131包括剛性彈簧143，例如，具有至少為20NcnT2XA/t或40NcnT2XA/t的彈簧常數(shù)k的剛性彈簧，其中A是磁極的面積，而t是間隙長(zhǎng)度。在本實(shí)施例中，A大約為O. 2到5cm2，而t (和行進(jìn)長(zhǎng)度)小于100 μ m,例如，在大約30和80 μ m之間。彈簧143采用開(kāi)槽桿彎曲部(slotted rod flexure)的形式，該開(kāi)槽桿彎曲部在一個(gè)端部處附接到銜鐵138，并且在另ー個(gè)端部處通過(guò)剛性板144附接到管狀物130的內(nèi)壁，該剛性板144具有貫穿的通道145，該通道145允許流體從ー側(cè)向另ー側(cè)流過(guò)板。傳動(dòng)器131還包括扣釘146,扣釘146具有接合ー個(gè)位置(未示出)的頭部(未示出)。該類型傳動(dòng)器可以幫助減少制造燃料噴射器(或者其它類型的流體流動(dòng)控制設(shè)備)的成本。而且，如果燃料入口優(yōu)選地位于傳動(dòng)器的中心，則可以使用該類型的傳動(dòng)器。通過(guò)薄管道130使燃料(或者其它流體)避開(kāi)線圈133、134。管道130足夠厚以承受燃料(或者流體)壓力，但是足夠薄以使磁通以最小的磁阻和渦流損耗通過(guò)。例如，管道可以由O. 12_厚的高強(qiáng)度磁性不銹鋼形成。然而，可以使用其它材料和/或厚度的管道。根據(jù)本發(fā)明的傳動(dòng)器的實(shí)施方式可以具有ー個(gè)或者多個(gè)優(yōu)勢(shì)。例如，永磁體偏置允許使用較低數(shù)字的安培匝數(shù)，由此允許使用較小的線圈橫截面并減小極片中所需的磁路徑長(zhǎng)度。這可以幫助減少磁漏，這繼而允許使用所需的更低數(shù)字的安培匝數(shù)。在使用閉環(huán)位置控制的情況下，該傳動(dòng)器比起常規(guī)的螺線管傳動(dòng)器更易于控制并且更有效地受控制，這是因?yàn)樵搨鲃?dòng)器具有對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的線性響應(yīng)，并且因?yàn)樵搨鲃?dòng)器的緊密耦合性質(zhì)。如果需要的話，電流和力之間關(guān)系的線性性質(zhì)允許驅(qū)動(dòng)器通過(guò)使電流以任意方向穿過(guò)傳動(dòng)器來(lái)達(dá)到更快的性能?？偟倪\(yùn)動(dòng)質(zhì)量之間的關(guān)系(例如，噴射器應(yīng)用中銜鐵加上扣釘)可以在設(shè)計(jì)中被調(diào)節(jié)，以通過(guò)選擇正確的彈簧常數(shù)來(lái)給予期望的開(kāi)啟/閉合速度。更剛性的彈簧給予更快的時(shí)間，但是需要更多電流來(lái)保持開(kāi)啟。對(duì)比圖6d與圖2d，可以看出，當(dāng)從第一磁極4(圖5)脫離的銜鐵上的開(kāi)啟磁力被彈簧カ結(jié)合、通過(guò)除去第二磁極14(圖5)上的磁性?shī)A緊カ而被釋放時(shí)，可實(shí)現(xiàn)使開(kāi)啟カ高達(dá)兩倍。當(dāng)溫度降低時(shí)，通過(guò)增加總間隙，磁路中的短間隙允許對(duì)帶有溫度(對(duì)于NdFeB是 O. 1%/°C)的偏置磁體的通量的可逆減少進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以使偏置通量的變化速率相對(duì)于銜鐵位置保持恒定。其通過(guò)使用器件(或者“分隔器”)來(lái)完成，其設(shè)置具有比銜鐵低的 膨脹系數(shù)的極片分離。例如，如果銜鐵比總間隙tmax厚100倍，則分隔器和銜鐵之間熱系數(shù)的差異被大約設(shè)置為O. 1% /°C除以100，或者10ppm/°C。例如，利用鐵粉銜鐵(iron dustarmature)，其可以通過(guò)Kovar或者氧化鋁間隔件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)附接到極片側(cè)部的間隔件，可以補(bǔ)償較大的總間隙或者可以使用導(dǎo)熱系數(shù)中較低的差異。例如，通過(guò)下述的間隔件和極片材料可以補(bǔ)償100 μ m的總(頂部加底部)通量間隙，其中所述間隔件具有比銜鐵的膨脹系數(shù)低的5ppm的膨脹系數(shù)，且所述極片材料在附接到類似于圖14中所示布置的上部極片和下部極片的附接件之間具有20_的距離。將理解，對(duì)于此前所述的實(shí)施方式可以做出不同的修改。這些修改可以涉及在傳動(dòng)器和其零部件的設(shè)計(jì)、制造和使用中所已知的等效的和其它的特征，并且其可以代替已經(jīng)在此描述的特征來(lái)使用或者除已經(jīng)在此描述的特征之外來(lái)使用。一個(gè)實(shí)施方式的特征可以由另一個(gè)實(shí)施方式的特征來(lái)代替或者補(bǔ)充。例如，彈簧可以包括兩個(gè)或者更多彈簧或者其它有彈性的偏置裝置。彈簧可以布置成將銜鐵偏置到其它位置。例如，銜鐵可以在銜鐵的行進(jìn)的兩端處閂鎖。傳動(dòng)器可以被使用在不同的類型的燃料噴射器中，例如，使用汽油、柴油、液化石油氣體、氫氣或者壓縮天然氣的燃料噴射器。例如對(duì)于AdB丨ue1:或者其它選擇性的催化還原系統(tǒng)，傳動(dòng)器可以在處理噴射器后被使用。燃料噴射器不需要是扣釘型噴射器，但是可以是例如針型噴射器。傳動(dòng)器不需要被使用在噴射器中，但是可以被使用在汽車泵(automotive pump)中，以輸送例如汽油、柴油、水或者潤(rùn)滑剤。傳動(dòng)器可以作為用于閥、氣流或者ABS的壓カ和/或流動(dòng)控制傳動(dòng)器來(lái)使用，其中閥例如為發(fā)動(dòng)機(jī)閥、入口閥和排氣閥。傳動(dòng)器可以用于泵送或者控制流體的流動(dòng)，流體可以是氣體或者流體。例如，傳動(dòng)器能夠以氣動(dòng)或者液壓方式來(lái)使用。傳動(dòng)器可以被使用在揚(yáng)聲器中或者用作伺服工具。傳動(dòng)器可以具有高達(dá)100 μ m、高達(dá)200 μ m或者高達(dá)500 μ m的沖程。永磁體可以被定位在離銜鐵中心不同的距離處。例如，永磁體可以將銜鐵分隔成具有寬度或者直徑2. W1的內(nèi)部區(qū)域和具有寬度或者直徑W2的外部區(qū)域。比率2. W1ZV2可以位于大約I到4之間，并且優(yōu)選地大約為2，使得內(nèi)部區(qū)域的通量密度和外部區(qū)域的通量密度大致相同。永磁體可以具有環(huán)狀寬度w。，并且比率W。、可以在大約0.2到I之間，并且優(yōu)選地大約為O. 5，使得磁體占據(jù)相對(duì)極少的銜鐵。
永磁體和線圈可以是毗連的，例如當(dāng)永磁體是具有與線圈相同的內(nèi)部直徑和外部直徑的環(huán)狀永磁體時(shí)。然而,永磁體和線圈可以是大體上毗連的,例如當(dāng)使用四個(gè)永磁體時(shí)，其可以被布置成以便于位于線圈上。銜鐵優(yōu)選地是平坦的和平面的，例如圓形或者橢圓形的盤，或者矩形或者多邊形的板或者片材。彈簧可以由除了鋼以外的材料制成，例如，具有至少為ISOXlO9Nnr1的楊氏模量的材料。例如以常規(guī)線圈彈簧的形式施加恒定或者小的力的低k彈簧可以被用于幫助配平設(shè)備。可以使用其它硬的和軟的磁性材料。例如，極片和銜鐵的軟磁性區(qū)域可以由堆疊的或者纏繞的、或者從旋轉(zhuǎn)熔合帶狀物(spin melt ribbon)例如Nanoperm(RTM)纏繞的電エ鋼層壓件(electrical steel laminate)形成。極片可以是層壓的。永磁體可以由其它稀土材料或者鐵素體制成。銜鐵和極磁體兩者都可以被使用。
在稍早描述的實(shí)施例中，線圈被保持在極片中，并且由此被固定。然而，在ー些實(shí)施方式中，線圈可以隨著銜鐵移動(dòng)。 在一些實(shí)施方式中，可以使用提供兩個(gè)磁極的單極片。 盡管在本申請(qǐng)中，已經(jīng)對(duì)特征的特定組合提出了權(quán)利要求，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容的范圍還包括明確地或者含蓄地在此公開(kāi)的任何新穎性特征或者任何新穎性的特征組合或者其任何概括，不論其是否涉及與任何權(quán)利要求中當(dāng)前要求保護(hù)的發(fā)明相同的發(fā)明，且不論其是否如本發(fā)明那樣而減輕相同技術(shù)問(wèn)題的任何部分或者全部。申請(qǐng)人因此告知，在本申請(qǐng)或者由本申請(qǐng)推導(dǎo)出的任何其它申請(qǐng)的實(shí)施期間，可以對(duì)這些特征和/或這些特征的組合提出新的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種短行程式螺線管傳動(dòng)器，包括至少一個(gè)極片(47,48 ;47、81 ;100、101 ；115 ; 135、139、140)；銜鐵(51 ；86 ；104 ；121 ；138)； 電磁鐵線圈(46 ;102)，其布置成響應(yīng)于通電而引起所述銜鐵在第一位置和第二位置之間行進(jìn)； 永磁體(52 ；84 ；105 ；119 ;136),其被定位和定向成使得在所述銜鐵分別處于所述第一位置和所述第二位置時(shí)，將所述銜鐵R鎖在所述第一位置和所述第二位置；以及 彈簧(53 ；106 ；122 ;143)，其被布置用于偏置所述銜鐵，并且被配置為提供足夠的力以便于阻止所述銜鐵閂鎖在第二位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳動(dòng)器，其中所述彈簧(53;106;122;143)具有至少為20Ncm_2XA/t的彈簧常數(shù)k(N/y m),其中A是單位為cm2的極片(47、48)的有效面積,而t是在所述銜鐵和一極片之間的單位為Pm的間隙長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳動(dòng)器，其中所述彈簧(53;106; 122; 143)具有至少為40NcnT2XA/t的彈簧常數(shù)k。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的傳動(dòng)器，其中所述有效面積A在0.2cm2和5cm2之間。
5.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述彈簧(53；106 ；122 ；143)傳遞彈簧力，所述彈簧力具有與行進(jìn)反向的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中任一項(xiàng)所述的傳動(dòng)器，其中所述彈簧(106；122 ；143)包括彎曲部或者一組彎曲部(89)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳動(dòng)器，其中所述彎曲部或者每個(gè)彎曲部(106；122)是具有長(zhǎng)度、寬度和厚度的平板彎曲部，其中所述長(zhǎng)度大于所述厚度，并且其中行進(jìn)方向設(shè)置成沿著所述彎曲部的長(zhǎng)度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I到5中任一項(xiàng)所述的傳動(dòng)器，其中所述彈簧(53)包括同心管風(fēng)箱，該同心管風(fēng)箱包括具有公共軸線的第一管和第二管，且其中行進(jìn)方向沿著所述軸線。
9.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述銜鐵(51)在第一位置和第二位置之間的行進(jìn)長(zhǎng)度不大于500 u m。
10.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述銜鐵(51)在第一位置和第二位置之間的行進(jìn)長(zhǎng)度不大于100 Pm。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳動(dòng)器，其中所述行進(jìn)長(zhǎng)度在20y m和80 y m之間。
12.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的行程式螺線管傳動(dòng)器，其中磁極和/或銜鐵的寬度至少是該銜鐵和該磁極之間的間隙長(zhǎng)度的10倍。
13.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中磁極和/或銜鐵的寬度至少是該銜鐵和該磁極之間的間隙長(zhǎng)度的100倍。
14.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中磁極和/或銜鐵的寬度至少是該銜鐵和該磁極之間的間隙長(zhǎng)度的200倍。
15.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述永磁體(52；108)由所述銜鐵(51 ；107)支撐，以便于隨銜鐵移動(dòng)。
16.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述永磁體(74)由極片(47、81)支撐。
17.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述傳動(dòng)器包括被布置在所述銜鐵的中心的任一側(cè)的至少兩個(gè)永磁體，該永磁體具有向內(nèi)或者向外定向的磁化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳動(dòng)器，其中所述永磁體具有至少為Imm的厚度。
19.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述永磁體(52;119)是環(huán)狀的。
20.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述線圈具有環(huán)狀寬度(w。)，所述環(huán)狀寬度(W。)不大于磁極的寬度(W2)的0. 5倍。
21.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，還包括另一電磁線圈(45)。
22.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述至少一個(gè)極片(47、48;47、81 ;IOOUOl ；115)提供沿著所述行進(jìn)方向而間隔開(kāi)的第一磁極和第二磁極(117、118)，并且其中所述銜鐵(51 ；86 ；104 ；121)被布置在所述第一磁極和所述第二磁極(117、118)之間。
23.根據(jù)任一上述權(quán)利要求所述的傳動(dòng)器，其中所述至少一個(gè)極片包括沿著所述行進(jìn)方向而間隔開(kāi)的第一極片和第二極片(47,48 ;47、81 ;100、101)，并且其中所述銜鐵(51 ；86 ；107)被布置在所述第一極片和所述第二極片之間。
24.—種傳動(dòng)器,包括 至少一個(gè)極片； 銜鐵； 電磁鐵線圈，其用于引起所述銜鐵在第一位置和第二位置之間行進(jìn)； 永磁體，其被配置成使得至少將所述銜鐵R鎖在第一位置；以及 彈簧，其被布置用于偏置所述銜鐵。
25.一種用于控制流體流動(dòng)的設(shè)備(36)，其包括根據(jù)權(quán)利要求I到24中任一項(xiàng)所述的傳動(dòng)器。
26.—種燃料噴射器(36),其包括根據(jù)權(quán)利要求I到24中任一項(xiàng)所述的傳動(dòng)器。
全文摘要
公開(kāi)了一種短行程式螺線管傳動(dòng)器(44)，其包括至少一個(gè)極片(47、48)、銜鐵(51)、電磁鐵線圈(46)，電磁鐵線圈(46)布置成響應(yīng)于通電而使銜鐵在第一位置和第二位置之間驅(qū)動(dòng)。永磁體(52)被定位和定向成使得在銜鐵分別處于第一位置和第二位置時(shí)將銜鐵閂鎖在第一位置和第二位置。彈簧(53)被布置用于偏置銜鐵。
文檔編號(hào)H01F7/122GK102714083SQ201080060435
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月10日
發(fā)明者安德魯·達(dá)姆斯 申請(qǐng)人:森泰克有限公司