磁阻機的製作方法

2023-06-23 12:00:36

專利名稱：磁阻機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁阻機，它可用於多種應用，但特別適用於將電能轉換成可用於驅動各式各樣機器的機械往復動作的場合，諸如泵、壓縮機或控制閥。
當前存在著各式各樣的電動機器，從電磁線圈到各種電機或發電機，所有這些都能將電能轉換成機械能或者將機械能轉換成電能。所有種類的這些電動機器都應用電磁學原理，這一原理是當電流通過磁場中的導線時產生機械力，或者電磁鐵對鐵磁性材料作用力。電機一般產生旋轉運動，不過這可以用簡單的機械裝置變換成往復運動。
不同種類的電機可以分為兩大類，即「電磁」機器與「磁」機器。電磁類包括感應、同步、直流、交流多m相整流式、單相交流整流式以及推斥電機，而磁機器則包括磁阻與磁滯電機以及電磁線圈與繼電器。分類成「磁」與「電磁」機器是一種較新的概念並且看來不甚精確，因為兩類機器都使用電磁鐵。但是，以評價兩類電機的不同用途上，它們之間的差別是具有根本性的重大意義的。一般說來，電磁機器的性能隨其大小自然地增長，而與之相反，磁機器的性能則一般隨其尺寸減小而增加。
本發明基本上涉及磁機器並且具體地涉及磁阻機。已知類型的磁阻機用於諸如交流電源驅動的電鐘，其中的磁阻電機只是一臺用非磁化的鋼塊代替磁化的轉子的同步電機而已，該鋼塊是這樣成形的使之具有若干可取的位置，對於任何原始磁場配置，它將在這些位置上定住。一個「可取的位置」就是磁路的阻力(磁阻)最小的位置，因而這便是這類電機的名稱。另一種使用電磁場包圍一個非磁化的鐵磁芯的器件便是簡單的電磁線圈，當電磁線圈受到激磁時，磁力將鐵芯拉入線圈中。電磁線圈廣泛地用於各種場合，但是近年來電磁線圈的基本設計與磁阻電機均沒有任何進展，自從它們原始研製以來，它們很少變化。
本發明的目的便是尋求提供一種改進的電磁線圈，並且為了生產具有改進的性能的磁阻電機的目的而開發利用這種電磁線圈，具體地，使它們能夠產生直接的往復動作。
根據本發明，提供了一種改進的電磁線圈，其中利用一個支承一個可用電勵磁的線圈的鐵磁部件來形成一條磁路，在所述鐵磁部件上開有貫通的中心孔，孔中襯有非鐵襯套，在襯套中設有鐵磁芯，所述芯具有削尖的端部。
設置非鐵襯套使「空氣」間隙能夠加以精確地控制，從而使磁通量得以最小的洩漏被集中，通過精細地加工芯與非鐵襯套的尺寸可以精確地控制空氣間隙。非鐵襯套可以是任何適用的材料的，諸如銅管材或塑料等。鐵磁芯部件的尖形端最好是園錐形的，錐角可根據芯被勵磁時所要求的行程長度而變。把圓錐加工成錐角形的除了可以加長其行程長度之外，還可以芯部件上作用一個制動效應以防止它整個從支承孔中冒出。雖然行程長度最佳是孔徑的六倍，對於一個2英寸(5釐米)的孔，行程長度大約為10英寸(25.4釐米)。這樣的一種電磁線圈設計避免了先有技術裝置中的許多缺點，其優點是，在芯的行程的終點避免了金屬與金屬的接觸並從而將工作噪音減至最小，它有效地加長了電磁線圈的行程，並在全程上提供均勻的力及使得電磁線圈的功率重量比為最大。
根據本發明，還提供了一種磁阻機，它包括一個電磁材料的支承框架，該支承框架提供一條磁路並支承一對背靠背安裝的可用電勵磁的磁場生成部件，所述部件與支承框架都有一個中心對準的通孔，通過它們延伸一根非鐵材料的支承管，在管中設有可移動的鐵磁芯，所述鐵磁芯具有一個圓柱形中間部分與對應的錐形端部。
現在參照附圖對本發明進行說明，圖中

圖1示出根據本發明的一個改進的電磁線圈;
圖2示出根據本發明的一臺改進的磁阻機的部件，它是構造成用作一臺往復泵的;
圖3示出圖2中所示的泵的組裝後的形式，並加上了線圈的散熱片;
圖4a至4e示出不同電源作用下相對於平頭的與尖頭的芯的位置所產生的力的各種曲線;以及圖5a、b、c與d示出本發明的磁阻機的各種應用。
首先參見圖1，從中可以理解本發明的基本概念。設置了一個由鐵磁性材料製成的、上面安裝有線圈11的框架10，該框架在其通孔中設置了由諸如銅或塑料等非鐵材料製成的環形支承套12。在該套12中放置了一個可移動的鐵磁芯部件13。該芯部件13具有一個錐形的端部14，它最好刻有凹溝或槽，並且還可裝有用非鐵材料製成的一個延伸部件15，作為一根推桿之類。
當線圈11被勵磁時，便產生了一個磁場使芯部件13沿管道12受到拉動，而使錐形端部14在套12的開口處伸出框架10的端面，而致動杆15則可操作在適合於使用它的任何設備上。根據下述麥克斯韋脅強概念(Maxwe11StressConcept)原理及磁阻公式，端部14的成形決定作用在芯13上的力R＝L/μA其中，μ為材料的磁導率，L為磁路的長度，而A則是磁路的截面面積。麥克斯韋脅強概念指出磁力線每彎曲一度其切向力增加一倍。因而，逐漸變細的端部用於彎曲磁力線以增加磁場作用在芯上的切向力。並且由於一條磁路的磁阻為作用在磁路上的磁通勢(mmf)與這一磁通勢所產生的磁通量之比，為了作功，在作用磁通勢時磁阻必須連續地減小，從而當圓錐通過框架10中的孔的開口處的氣隙中的磁力線時，圓錐的直徑增加，磁阻減小而磁通勢增大到最大值。這樣，在這兩種效應的聯合作用下，可以以平滑與可控的方式高效地產生有效功。
可以從圖1中理解，與傳統的電磁線圈的設計不同，由可移動的鐵磁芯部件13構成的磁極真正地通過由包圍其開口處的框架部件10的部分所形成的異性磁極，這是與傳統的電磁線圈不同的並且提供了結合這種配置的物理學上的上述優點，這一設計提供了一種無噪聲地工作的電磁線圈設備，它與現有設計的噪聲非常大的電磁線圈相比，尤其優越。
現在參見圖2與3中所示的配置，它們分別示出了一臺泵的部件及應用圖1中所示的電磁線圈配置原理的組裝後的泵。在這一設備中，一個框架部件20有效地將圖1中的框架部件10疊加在一起，並在通過它的孔25中設有套筒22。芯23具有與圖1中所公開的配置相似的兩個圓錐形端部24與24'，套筒23提供使用的孔。在芯的兩端上可連接一個適當的柔性連接盤、或者活塞頭、或者裝有活塞頭的致動杆，用於將流體泵過連接在泵上的管道中。圖3中還示出了該泵裝置的示意圖。這一裝置有效地將圖1中所公開的背靠背地安裝的一對電磁線圈型設備結合在一起，交替地勵磁該設備的每一半便可使芯部件23在套筒22中往復運動。連接在芯23的兩端的致動杆延伸到所連接的管道中的適當活塞或泵部件上，它們可具有傳統的設計而與這裡的討論無關。
至於芯23的圓錐形端部24與24'的形狀，它們可以是平滑的圓錐，但最好帶有凹槽以增強性能。
雖然這一裝置是配置成用於泵流體或氣體的一種泵的，但它也可用於其它需要往復動作的適當場合，例如可用於操作一個機械聯動裝置。由於這種設備對連續地變化的電源的需求，它特別適用於不能取得市電供應的地區，由於它最好用作由蓄電池供電的或者直接由太陽能電池供電的或者由兩者聯合供電的，所以這種設備可方便地在第三世界國家中用於驅動灌溉泵等。由於這種設備結構簡單以及基本上沒有摩擦力的操作，這種設備特別可靠且易於維護，所以特別適用技術水平較低的環境中，如在第三世界地區。
參照圖3的裝置，其中示出了結合本發明的特性的一臺組裝好的泵，為了消散勵磁線圈產生的熱量，很好地裝上了多片散熱片，這些散熱片可根據需要選擇空冷或水冷式的。在水冷情況中，從散熱片收集的熱能可用於其它有用的場所。
本發明的裝置包括一個具有多種潛在用途的一種直流脈衝式可變電壓的連續變速設備。
圖4a至4e中示出了根據這一設計的一個電磁線圈/泵的輸出與帶有平頭的芯的標準電磁線圈裝置的輸出的對比的幾個例子，例子地於多種圓錐形端部，在各條曲線下的面積表示該設備能作的有用功。
圖5a至d示出根據已提出的方案的本發明的磁阻機的若干應用實施例。
首先，參見圖5a，它示出了將磁阻機用作氣體壓縮機，其中，在鐵磁性芯的兩端連接有帶止回閥的中空活塞，管道與閥門的配置是一領域中傳統方式的，本裝置的主要優點是在工作時實際上是無聲的。
圖5b示出本發明的磁阻機用於閉環流體的流量控制，通過保持一個具有可變截面的閥體的位置、一個流量傳感器以及帶有諸如微處理器的一個差壓調節器，它能用於精確地控制流體的流量。在圖5b中，該裝置是以全封閉狀態示出的，但通過精確地調節其電磁場，鐵磁性芯的位置可以精確地加以調整以調節流速。
現在參見圖5C，該圖中示出了磁阻機作為雙向針閥的應用，其中，在連接在鐵磁芯的各端的連杆上連有針閥以在一個電控制的裝置的控制下變換流體的流道。該磁阻機的設計採用了一個非鐵套筒，鐵磁芯能在其中軸向移動而提供壽命長的無密封墊的，無洩漏的性能以及精確的「氣隙」。
現在參見圖5d，該圖中示出了磁阻機作為一臺衝壓機的應用，其中在鐵磁芯的一端連有一平衡塊，而在另一端則連接一個衝頭，磁阻機的往復運動作產生一種高度可調節的衝壓作業。這種機器的控制採用一個簡單的閘流管控制電路。
權利要求
1.一種改進的電磁線圈，其中，用一種鐵磁性材料支承一個電勵磁線圈來提供一條磁路，在所述鐵磁性材料上開有一個通孔，在通孔中襯有一非鐵套筒，在套筒中置有一可移動的鐵磁芯，所述芯具有削尖的端部。
2.如權利要求1的電磁線圈，其中，磁路是由一大體上矩形的鐵磁性材料的框架提供的，該框架支承所述線圈。
3.如權利要求2的電磁線圈，其中，所述非鐵套筒通過所述矩形鐵磁框架部件的兩個對側的開口中伸出，所述開口是與所述線圈中的一個軸向開口對準的。
4.如以上權利要求中任何一條的電磁線圈，其中，所述鐵磁芯是由一個具有基本上是圓錐形的端部的基本上圓柱形的部件構成的。
5.如以上權利要求中任何一條的電磁線圈，其中，鐵磁芯的端部帶有凹紋或槽。
6.一種磁阻機，包括一個鐵磁性材料的支承框架，由它提供一條磁路並支承一對背靠背安裝的電勵磁的磁場生成部件，每一個所述部件與該支承框架具有對準的中心通孔，通過該通孔延伸一個非鐵材料的支承管，在該支承管中放置一個可移動的鐵磁芯，所述鐵磁芯具有一個圓柱形的中間部分及對應地削尖的兩個端部。
7.如權利要求6的磁阻機，其中，該支承框架具有一種E與I形條形構造，從而使由一對線圈構成的電勵磁的磁場生成部件能夠背靠背地安裝在所述支承框架中。
8.如權利要求6或7的磁阻機，其中，所述可變磁芯由一個具有基本上圓錐形的並且基本上對稱的端部的上圓柱形的部件構成。
9.如權利要求6至8中任何一條的磁阻機，其中，該支承管由一個銅質或塑料管構成。
10.權利要求6至9中任何一條所提出的一種磁阻機，其中，為線圈提供了冷卻風扇。
全文摘要
本發明的設備包括一個鐵磁支承部件，支承一個或多個線圈，用於生成一個電磁場。一個非鐵材料的中心套筒延伸通過所述支承框架與線圈對準的孔並接納一個鐵磁芯，在線圈上作用一個電流時該鐵磁芯實際地在非鐵套筒中移動。鐵磁芯的實際位移可利用來作為一個電磁線圈設備，或者在一個雙線圈雙端裝置中用作一臺往復電機。
文檔編號H01F7/16GK1076807SQ9310219
公開日1993年9月29日 申請日期1993年3月4日 優先權日1992年3月4日
發明者威爾弗雷德·莫裡斯 申請人:威爾弗雷德·莫裡斯