用于在电磁系统中产生力的装置、系统和方法制造方法及图纸

本文公开了用于通过使用经受不对称电磁场分布的移动铁磁体或永磁体来产生线性和旋转运动、加速度和致动的装置、系统和方法。描述了各种示例性实施例和应用，涉及不同的线圈和致动器几何形状，以包括并允许静止和移动的磁体、电场和磁场。电场和磁场。电场和磁场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在电磁系统中产生力的装置、系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年10月2日提交的第63/086,737号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
[0003]领域
[0004]本公开大体上涉及电磁机器，更具体地涉及电磁致动器。
[0005]背景
[0006]在一般的电磁力产生系统中，根据奥斯特定律产生磁场(由Biot
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Savart给出)的载流导体与外部磁场相互作用，并因此在导体和外部磁场源两者上产生力。根据公认的电动力学定律，这种相互作用在不对称时会产生运动。
[0007]例如，在普通的螺线管设备(例如在图1A和图1B中示出并在下面参考图1A和图1B讨论的螺线管设备)中，通常称为柱塞(plunger)或芯(core)(或有时称为衔铁(armature)，不要与电气技术中使用的电枢(armature)混淆，衔铁意思是线圈绕组的框架)的刚性磁性或铁磁(非永久性)物体悬挂在圆柱形载流螺线管(也可称为线圈)附近或部分悬挂在圆柱形载流螺线管内。在线圈中施加电流产生磁力，该磁力沿着线圈的轴线总是以将柱塞拉向线圈的中点的这种方式来推进物体。在这个示例中，柱塞所经受的力取决于柱塞沿着螺线管磁场轴线的位置。当柱塞的一端处于线圈的端点处时(图为1A)，柱塞上出现最大的力。当柱塞的中点与线圈的中点对齐时(图1B)，出现零净力的平衡点。这是因为，当处于线圈的中点处时，相等且相反的磁力同时作用在柱塞的N端和S端上。当柱塞的非磁性延伸用于引起在螺线管的端部之外发生作用时，该系统通常被称为比例式、轴向或线性致动器。运动范围(具有的最大运动范围为柱塞长度的一半)限定螺线管线性致动器的行程(stroke)。
[0008]在现有的螺线管线性致动器中，作用在运动中的物体(柱塞)(通常是铁磁棒或永磁体)上的净磁力，除了在线圈的相对端处以外，沿着整个行程通常是线性的。因此，如上所述，最大行程被限制为线圈长度的一半。然而，在线性致动器应用中，线性力并不总是理想的。因此，存在对改进的线性致动器的持续需要，所述改进的线性致动器包括被配置为提供非线性力的致动器，且尤其是对于相同线圈长度被配置用于更长行程的致动器。
[0009]概述
[0010]本文公开了用于在电磁致动器系统中产生非线性力的装置和方法。本文公开的装置和方法配置有一个或更多个线圈，该线圈被布置成提供不均匀(不对称)的场分布，产生比先前用已知的螺线管线性致动器可实现的更长的行程。在一些实施例中，所公开的装置和方法针对线性致动器。在这些实施例中的一些实施例中，线性致动器被配置成提供非线性加速度。
[0011]这样的线性致动器(如本文所述的那些致动器)可以用在各种应用中。例如，所公开的技术可以用于高性能、长行程的线性和/或旋转致动器。例如，当应用涉及挤压或拉伸目标时，也可以使用所公开的线性致动器。通常，在这些情况下，如果物体上的力不是线性的，那么这些力可能更适合，因为挤压或拉伸物体所需的力随着行程的长度而变化(即，所需的力是非线性的)。作为又一个示例，在期望运动中的物体的速度平滑过渡的情形中，例
如在使客运列车或汽车加速时，具有非线性加速度可能是有利的。
[0012]作为所公开的线性致动器的总体概述，铁磁物体在被轴向插入到载流线圈中之后将受到一个力，该力使铁磁物体伸向线圈的中心，在线圈的中心处，移动铁磁物体上的来自每个磁极的力找到平衡。应当理解，较短线圈与较大线圈相比具有更短的到中点的距离，因此相对于较大线圈，较短线圈中的行程更短。为了在不增加线圈长度的情况下增加行程，我们在初级线圈的外侧且朝向初级线圈的一端添加了稍短的次级绕组(如图2A中所示和下面参考图2A讨论的)。现在，当铁磁物体在作用于其上的两个线圈内达到平衡时，该物体可以移动到从线圈的中心稍微移位的位置。因此，铁磁物体可以移位超过线圈的中心，朝向具有次级绕组的一端。随着半径不断增加的越来越短的线圈被添加到螺线管的外围并朝向其一端移位或偏移，平衡点可以朝向最里面的螺线管线圈的一个磁极进一步移位(如图2B中所示和下面参考图2B讨论的)。对于平衡和/或铁磁物体可以朝向一个磁极移动或转移到多么接近的程度，可能存在限制。然而，目的可以在于，与已知的螺线管线圈绕组几何形状相比，使用该系统的物体获得长得多的致动范围的优点。
[0013]本文公开的线性致动器的一个示例性目的是产生比先前用相同长度的单线圈螺线管致动器可实现的更长的行程。实际上，不对称的分层线圈几何形状可以沿着螺线管创建非线性磁场密度，该磁场密度朝向螺线管的一端增加(preponderate)，从而能够实现更宽的运动范围。使用这种系统，在线性致动器中运动的磁性物体在到达相反的力开始使磁性物体静止(平衡)的点之前，可能会受到沿着线圈的几乎整个长度推动磁性物体的力。使用具有不同电流水平的多个线圈使得力从一个线圈到下一个线圈增加，可以是实现这种效果的一种替代方式(如图3A和图3B中所示和下面参考图3A和图3B讨论的)。无论本专利技术采用哪个实施例，只要磁场分布不均匀，就可以相比于具有均匀磁场分布的可比线圈的行程长度增加行程长度。有利的是，在致动器中有机械止动件来阻止柱塞超过柱塞行程的极限，以便总是能够反转供应给螺线管的极性，从而反转柱塞上的力的方向，柱塞可以是例如在其整个长度上被磁化的永磁体。
[0014]参考以下详细描述和权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和/或优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了所公开技术的实施例，并且与说明书一起解释本公开的原理。
[0015]附图简述
[0016]图1A和图1B是处于最大力配置和零净力配置的已知螺线管的示意图，该螺线管具有单线圈和铁磁柱塞。
[0017]图2A和图2B是根据本公开的线性致动器的一个示例性实施例的示意图，该线性致动器包括螺线管，该螺线管具有朝向初级线圈的一端移位的多个分层线圈。
[0018]图3A和图3B是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，该线性致动器包括以线性配置布置的多个独立线圈。
[0019]图4A和图4B是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中对不均匀电场的使用产生倾向于将致动柱塞吸引向最高电势点的不对称电磁力。
[0020]图5A
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5C是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中场分布梯度沿着弯曲路线发生，以便创建旋转致动器。
[0021]图6是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中使用具有不
同匝数的多个独立线圈来创建不对称磁通量(magnetic flux)密度。
[0022]图7A和图7B是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中利用场强不断增加的级联永磁体来产生不对称的磁通(flux)密度，并且线圈被配置成在对其施加电流的情况下产生永磁体或线圈本身的运动。
[0023]图8A和图8B是根据本公开的线性致动器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种线性致动器，包括：柱塞；一个或更多个第一线圈构件，其环绕中心轴线，其中所述一个或更多个第一线圈构件被配置成产生在所述线性致动器的第一端处具有更大磁通密度的第一不对称场分布；以及一个或更多个第二线圈构件，其环绕所述中心轴线，其中所述一个或更多个第二线圈构件被配置成产生在所述线性致动器的相对的第二端处具有更大磁通密度的第二不对称场分布；其中，所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件还被配置成使得第一不对称磁通密度和第二不对称磁通密度中的每一个能够独立地控制以引起所述柱塞相对于所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件沿着所述中心轴线的运动。2.根据权利要求1所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括第一电路上的第一线圈，所述第一线圈包括第一绕组的两个或更多个段，所述第一绕组的两个或更多个段中的每一个段至少部分与第一绕组的相邻段径向地重叠，所述第一绕组的两个或更多个段被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的所述第一端分布。3.根据权利要求1或2中任一项所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第二线圈构件包括第二电路上的第二线圈，所述第二线圈包括第二绕组的两个或更多个段，所述第二绕组的两个或更多个段中的每一个段至少部分与第二绕组的相邻段径向地重叠，所述第二绕组的两个或更多个段被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第二绕组朝着所述线性致动器的所述相对的第二端分布。4.根据权利要求1所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括多个第一线圈构件，每个第一线圈构件都在单独的电路上，其中每个第一线圈构件包括与相邻的第一线圈构件径向地重叠的第一绕组的一部分，所述多个第一线圈构件被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的所述第一端分布。5.根据权利要求1、2或4中任一项所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第二线圈构件包括多个第二线圈构件，每个第二线圈构件都在单独的电路上，其中每个第二线圈构件包括与相邻的第二线圈构件径向地重叠的第二绕组的一部分，所述多个第二线圈构件被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第二绕组朝着所述线性致动器的所述相对的第二端分布。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件还被配置成使得所述第一不对称磁通密度和所述第二不对称磁通密度中的每一个能够独立地控制以停止所述柱塞相对于所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件沿着所述中心轴线的运动。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的线性致动器，还包括与所述一个或更多个第一线圈构件连通的第一可变电源以及与所述一个或更多个第二线圈构件连通的第二可变电源。8.根据权利要求1
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6中任一项所述的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置用于与控制器通信，所述控制器与第一可变电源和第二可变电源通信，并被配置为控制从所述第
一可变电源到所述一个或更多个第一线圈构件的功率以产生第一不对称场密度，并且控制从所述第二可变电源到所述一个或更多个第二线圈构件的功率以产生第二不对称场密度。9.根据权利要求1
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8中任一项所述的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成被控制，使得当相对于所述一个或更多个第二线圈构件向所述一个或更多个第一线圈构件施加更多功率时，所述第一不对称磁通密度作用在所述柱塞上，以导致所述柱塞朝向所述线性致动器的所述第一端的移动、或所述柱塞朝向所述线性致动器的所述相对的第二端的延迟移动中的至少一个。10.根据权利要求1
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9中任一项所述的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成被控制，使得当相对于所述一个或更多个第一线圈向所述一个或更多个第二线圈施加更多功率时，所述第二不对称磁通密度作用在所述柱塞上，以导致所述柱塞朝向所述线性致动器的所述相对的第二端的移动、或所述柱塞朝向所述线性致动器的所述第一端的移动的延迟中的至少一个。11.根据权利要求1
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10中任一项所述的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成被控制，使得控制所述第一不对称磁通密度相对于所述第二不对称磁通密度的磁通密度比导致对所述柱塞沿着所述中心轴线移动的速度、所述柱塞在所述中心轴线上的位置、所述柱塞沿着所述中心轴线的移动方向或所述柱塞沿着所述中心轴线的行程长度中的一个或更多个的控制。12.一种线性致动器，包括：一个或更多个第一线圈构件，其环绕中心轴线；以及柱塞，其至少部分地设置在所述一个或更多个第一线圈构件内；其中，所述一个或更多个第一线圈构件被配置成产生朝向所述线性致动器的第一端具有第一峰值密度的第一不对称场分布；以及其中，所述第一不对称场分布被配置成相对于具有对称场密度且长度与所述一个或更多个第一线圈构件的长度相同的线圈，具有所述柱塞沿着所述中心轴线的增加的最大行程长度。13.根据权利要求12所述的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括多个第一线圈构件，每个第一线圈构件都在单独的电路上，其中每个第一线圈构件包括与相邻的第一线圈构件径向地重叠的第一绕组的一部分，所述多个第一线圈构件被配置成使得有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的所述第一端分布。14.根据权利要求13所述的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成使得所述一个或更多个第一线圈构件中的每一个的极性相对于所述一个或更多个第一线圈构件中的其他线圈构件是能够独立控制的。15.根据权利要求12
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14中任一项所述的线性致动器，还包括环...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：托马斯，
类型：发明
国别省市：