磁通導引結構的製作方法

2023-06-05 21:40:36 3

專利名稱：磁通導引結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁通導引結構。本發明尤其但非唯一地涉及包含超材料的變壓器結構。
背景技術：
在磁共振成像(MRI)系統中，公知的是，使用作為磁導的磁感應耦合諧振器裝置的陣列形式的超材料結構。使用超材料結構具有這樣的優點，即可以不再需要使用鐵來作為MRI系統中的磁導。

發明內容
在本發明的第一方面，提供一種結構，包括
磁導，其包含多個諧振電路元件，各元件包括導電環部分，環部分的相對端通過電容元件彼此耦合，磁導的相鄰諧振元件被布置成彼此磁感應耦合，從而允許由磁導支持磁感應(MI)波；
其中諧振元件中的至少一個在第一狀態與第二狀態之間是可切換的，在第一狀態中元件被布置成支持MI波沿波導傳播，在第二狀態中元件被布置成阻止MI波沿波導傳播。本發明的實施例使得能夠提供多種裝置，其包括使用超材料結構的變壓器和電機。這是因為超材料結構可被布置成顯示出鐵磁行為。可以製造顯示出鐵磁行為的超材料，而不需要鐵或其他重材料的存在。因此，可以製造重量比相應的含鐵結構低很多的鐵磁超材料結構。優選地是，磁導包括基本閉合的環，該結構配備有用於感應磁導中的MI波的輸入部件。輸入部件可包括具有至少一匝的繞組。繞組意思是圍繞至少一部分磁導纏繞導體。該導體可以纏繞半匝(基本上180°)，或多於半匝，例如一匝或更多匝。優選地是，該結構還包括輸出部件，用於通過由磁導支持的MI波在導體中感應電流。輸出部件可包括具有至少一匝的繞組。這樣的結構具有優點，即可以提供變壓器結構而無需使用鐵或鐵基材料。該結構可包括第一和第二輸出部件，用於通過由磁導支持的MI波分別在第一和第二導體中感應電流。磁導可用於通過第一可切換諧振元件阻止在第一導體中感應電流。或者或另外，磁導可用於通過第二可切換諧振元件阻止在第二導體中感應電流。可選擇地，磁導可包括第一和第二基本閉合的磁通路徑，第一輸出部件設置在第一路徑而非第二路徑中，第二輸出部件設置在第二路徑而非第一路徑中。優選地，諧振元件中的至少一個通過與諧振電路元件的環部分串聯設置的開關是可切換的。該結構可包括轉子構件，轉子構件具有設置在其上的至少一個諧振電路元件，轉子構件可繞橫軸旋轉，從而可使至少一個諧振電路元件在磁導的一對相鄰諧振電路元件之間通過，該結構可用於在磁導中感應MI波，從而使得轉子構件轉動。該結構是可操作的，從而轉子的諧振電路元件可磁感應耦合到所述磁導的至少一個諧振電路元件，所述耦合被布置成在使轉子繞橫軸旋轉的方向上、在轉子的諧振電路元件與磁導的所述至少一個諧振電路元件之間生成力。轉子可配備有繞橫軸設置的一圈諧振電路元件，該一圈諧振電路元件各自被設置成離所述橫軸基本等距。在本發明的第二方面，提供一種結構，包括包含多個諧振電路元件的磁導，各元件包括導電環部分，環部分的相對端通過電容元件彼此耦合，磁導的相鄰諧振元件彼此磁 感應耦合；以及至少第一繞組構件，該第一繞組構件磁感應耦合到磁導的第一諧振電路元件，該第一繞組構件被布置成當交流電在第一繞組中流動時允許在磁導中建立磁感應波，使所述交流電在充分接近並低於磁導的諧振電路元件的諧振頻率的頻率處流動。繞組意思是圍繞至少一部分磁導纏繞導體。該導體可以纏繞半匝(基本上180°)，或多於半匝，例如一匝或更多匝。優選地是，該結構包括第二繞組構件，該第二繞組構件磁感應耦合到磁導的第二諧振電路元件。第一繞組可被布置成允許在其中流動的交流電通過磁導的相鄰諧振電路元件之間的磁感應耦合在第二繞組中感應相應的交流電。這種結構具有優點，即可以提供變壓器結構而無需使用鐵或鐵基材料。優選地，磁導的諧振電路元件包括開關構件，該開關構件被布置成阻止在第一繞組中流動的交流電在第二繞組中感應相應的交流電。
優選地，磁導包括多個彼此並聯連接的磁導部分，各部分具有圍繞其設置的繞組。磁導的諧振電路元件優選地包括開關構件，該開關構件被布置成阻止在第一繞組中流動的交流電在第二繞組中感應相應的交流電。優選地，開關構件被設置在磁導的位置，從而可基本上阻止沿著磁導部分的磁通流。開關構件可設置成與諧振電路元件的環部分串聯，並且與諧振電路的電容元件並聯。該結構還可包括轉子構件，轉子構件具有設置在其上的至少一個諧振電路元件，轉子構件被布置成繞橫軸旋轉，從而可使至少一個諧振電路兀件在磁導的一對相鄰諧振電路元件之間通過。優選地布置該結構，從而轉子的諧振電路元件可磁感應耦合到所述一對諧振電路元件中的至少一個，所述耦合被布置成在使轉子繞橫軸旋轉的方向上、在轉子的諧振電路元件與所述一對諧振電路元件中的至少一個之間生成力。轉子可配備有繞橫軸設置的一圈諧振電路元件，該一圈諧振電路元件各自被設置成離所述橫軸基本等距。在本發明的又一方面，提供一種變壓器結構，包括磁導，該磁導包含多個諧振電路元件，各元件包括導電環部分，每一個諧振電路元件的環部分的相對端通過電容元件彼此耦合，磁導的相鄰諧振元件彼此磁感應耦合；以及第一和第二繞組，該第一繞組磁感應耦合到磁導的第一諧振電路元件，該第二繞組磁感應耦合到磁導的第二諧振電路元件，該第一繞組被布置成通過磁導的相鄰諧振電路元件之間的磁感應耦合允許在其中流動的交流電在第二繞組中感應相應的交流電。


現在將參考附圖描述本發明的實施例，其中
圖I示出(a)按照本發明實施例的可切換變壓器和(b)在(a)中示出的變壓器的電路原理 圖2 (a)、(b)示出在本發明實施例中使用的諧振電路元件；
圖3示出按照本發明實施例的電機形式的致動器；
圖4 (a)、(b)示出作為頻率的函數的諧振電路元件的磁導率曲線，以及(C)示出具有在兩個各自不同的值之間可切換的電容的諧振電路元件；以及圖5示出適用於本發明一些實施例的諧振電路元件。
具體實施例方式在本發明的一個實施例中，提供一種基本如圖I所示的可切換變壓器結構100。該結構100由多個諧振電路元件110構成。如圖2所示,每一個元件110都具有環部分112以及另外的電容部分114 (見圖2)，環部分112具有電阻和電感。在圖I的結構中，電路元件110被布置成彼此耦合，以形成基本上為數字「8」形式的磁導115。諧振電路元件110沿軸向相互耦合，軸向是垂直於環部分112的平面的方向。應理解，除軸向分量外，相鄰環之間的耦合還可具有平面分量，例如在圖I (a)中磁導115的彎曲處所指示的A、B、C、D、E和F。平面分量意思是在元件110的環部分112的平面中垂直於軸向的分量。圍繞磁導115的相應部分設置有三個繞組。第一繞組131位於位置A與位置B之間；第二繞組132位於位置C與位置D之間，以及第三繞組133位於位置E與位置F之間。布置該結構，使得交流電在頻率等於或接近於磁導115的諧振電路110的諧振頻率處可通過繞組之一(例如第一繞組131)。這種電流使得在磁導115中生成磁感應波，其又使得在另外繞組中的一個或兩個(即第二和/或第三繞組132、133)中感應相應的電流。應該理解，可選擇電路元件110的電阻、電感和電容(分別為R、L、C)值，以提供在感興趣的頻率範圍內的諧振頻率。諧振頻率可被布置為從大約IOHz至大約500Hz或更大的任何適當的頻率。在一些實施例中，磁導115的一個或多個諧振元件120、120』配備有開關元件126，例如圖2 (b)所示，其被布置成允許在開關元件126處於斷開配置時阻止一個或多個諧振元件120、120』諧振。開關元件120的環部分122和電容部分124被布置成具有基本上與非切換電路元件110相同的電和磁特性。在圖I (a)的變壓器結構中，位置C和D之間的諧振電路元件120的其中之一配 備有開關元件，正如位置E和F之間的電路元件120 S』的其中之一。
應該理解，電路元件120SU20S』中的每一個的開關元件126處在閉合配置時，第一繞組131可在第二和第三繞組132、133兩者中感應電流。然而，如果諧振電路元件120S的開關元件126處在斷開配置，則在第二繞組132中不再感應電流。類似地，如果諧振電路元件120S』的開關元件處在斷開配置，則在第三繞組133中不再感應電 流。因此，本發明的實施例提供了一種方便的手段，利用該手段可以在變壓器結構中提供磁通開關。此外，本發明的實施例具有這樣的優點，即可以降低變壓器結構的重量，這是由於不再需要使用重的鐵磁材料，例如鐵或鐵基材料。圖3示出旋轉致動器裝置300形式的本發明的實施例。裝置300具有磁導315，磁導315包括多個諧振電路兀件310F,其被布置成以基本上軸向的方式相互f禹合。磁導被布置成限定基本閉合的路徑。圍繞磁導315的長度的一部分設置繞組331。繞組331被布置成磁感應耦合到磁導315的一個或多個諧振電路元件310F。裝置300還具有基本平面形式的轉子部分350，基本盤形的構件350被布置成繞軸351旋轉。轉子部分350具有一系列圍繞其圓周設置的平面耦合的諧振元件310R。其他布置也是有用的，例如這樣一種布置，其中沿轉子部分350的圓周邊緣351徑向向內設置諧振元件310R。布置磁導315,從而在磁導315的一對軸向相鄰的諧振電路兀件310F之間提供間隙315G。轉子部分350被布置成突出進該間隙315G，以使轉子部分350的旋轉導致轉子的諧振電路元件310R通過間隙315G。當諧振電路元件310R通過間隙315G時，它們與那對相鄰的諧振電路元件310F在
瞬間基本共軸。應該理解，沿磁導315傳遞的磁感應波可被布置成使通過間隙315G的轉子部分350的諧振電路元件310R首先經受引力，向著磁導315拉諧振電路元件310R，到達與那對相鄰的諧振電路元件310F基本共軸的位置，接著經受斥力，排斥諧振電路元件310R離開磁導 315。圖4 (a)示出作為頻率的函數的諧振電路元件磁導率麟，元件在該頻率處被激勵。可以看出，在低於元件的諧振頻率f。的頻率f處被激勵時，元件顯示出正值# ;在高於諧振頻率的頻率處被激勵時，顯示出負值P。因此，f < &時，在相鄰電路元件310之間可產生吸引磁力。類似地，f > &時，在相鄰電路元件310之間可產生排斥磁力。應該理解，如果改變諧振元件的電容部分的電容C，則可改變元件的諧振頻率，並因此改變蘆值。圖4 (b)示出諧振電路的作為f的函數的蘆的曲線圖，諧振電路具有電容C，電容C有兩個各自不同的值C1和c2。從該曲線圖可以看出，對電容值C1，電路具有諧振頻率4，而對電容值C2(其中C2> C1)，電路具有諧振頻率< fQ。圖4 (c)示出具有電容部分的諧振電路310S，電容部分被布置成可在值C1 (開關326斷開)和C2 (開關326閉合)之間切換。於是，如果使電路在大約+f: )/2的工作頻率f；p處諧振，例如藉助於該頻率的MI波，當開關從斷開狀態移向閉合狀態時，電路可從正的磁行為切換到負的磁行為，反之亦然。例如，如果開關326斷開，則電路310S可在頻率&處諧振，以及如果開關閉合，則諧振落到頻率f\。最終結果可以是，在接近於(f。+f\ )/2的頻率處，電路可從正的磁行為切換到負的磁行為。因此，在使用中，提供由諧振電路元件310S構成的磁導315，在磁導中建立頻率為fop的MI波。然後，磁導315的多個元件310S中的多個開關326彼此同步地在斷開和閉合狀態間切換，從而在間隙315G中建立交替的吸引和排斥磁場。從而，當轉子部分的電路310R被間隙315G中的磁場相繼吸引和排斥時,該結構可用於使轉子部分350轉動。應該理解，可以在單個裝置中使用多個磁導315，以便增加施加到轉子部分350以引起其轉動的力的幅度。可關於轉子部分350的圓周向和/或徑向布置磁導315。在本發明的一些實施例中，設置諧振電路元件220，其中的開關元件226與電容元 件224並聯連接，如圖5所示。應該理解，通過閉合開關元件226，可提供環形式的電路元件。應該理解，按照楞次定律，暴露於交變(ac)磁場的簡單閉合環線會產生相反的磁場，其會部分抵消施加的磁場。這種現象直接相當於抗磁材料的行為。於是，圖5的諧振電路元件220將因此在開關226處於閉合配置時顯示出抗磁特性。如果使用其中電容元件與環並聯連接的環替代簡單閉合的環線，則生成一種諧振電路(如圖2的電路元件的情形)。該電路會顯示出鐵磁特性。這是因為接近諧振電路的諧振頻率，低於諧振頻率，在環中的電流和感應的電動勢之間存在正相位關係。於是，第一諧振電路會在鄰近的第二諧振電路中感應電流，其方向與第一諧振電路中的電流相反。因此，各個電流各自產生方向彼此相反的磁通線。這種現象直接相當於鐵磁材料的行為。於是，圖2的諧振電路元件110、120在元件120的開關126處於閉合配置時將顯示出鐵磁特性。在本說明書和權利要求書的全文中，術語「包括」和「包含」以及其變體意味著「包括但不限於…」，並不是意欲(不是)排除其他部分、附加物、零件、整體或步驟。在本說明書和權利要求書的全文中，單數形式的詞包括複數，除非上下文另有需要。特別是，使用不定冠詞之處，說明書應該被理解為既考慮複數也考慮單數，除非上下文 另有需要。連同具體方面描述的特徵、整體、特性、複合物、化學基團或團體，本發明的實施例或實例應該理解為適用於在此描述的任何其他方面、實施例或實例，除非與其不兼容。
權利要求
1.一種結構，包括 磁導，其包括多個諧振電路元件(110，120，310F)，各元件包括導電環部分(112,122)，該環部分(112, 122)的相對端通過電容元件(114, 124)彼此耦合，磁導(115,315)的相鄰諧振元件被布置成彼此磁感應耦合，從而允許磁導(115，315)支持磁感應(MI)波， 其中諧振元件(1205 )中的至少ー個在第一狀態與第二狀態之間是可切換的，在第一狀態中所述元件被布置成支持MI波沿波導傳播，在第二狀態中所述元件被布置成阻止MI波沿波導傳播。
2.如權利要求I所述的結構，其中磁導(115，315)包括基本閉合的磁通路徑，所述結構配備有輸入部件(131,331)，用於在所述磁導中感應MI波。
3.如權利要求2所述的結構，其中所述輸入部件包括具有至少ー匝的繞組(131，331)。
4.如權利要求2或3所述的結構，其中所述結構還包括輸出部件(132，133)，用於通過所述磁導(115)支持的MI波在導體中感應電流。
5.如權利要求4所述的結構，其中所述輸出部件包括具有至少ー匝的繞組(132， 133)。
6.如權利要求4或5所述的結構，其中所述結構包括第一輸出部件(132)和第二輸出部件(133)，用於通過磁導支持的MI波分別在第一導體和第二導體中感應電流。
7.如權利要求6所述的結構，其中所述磁導用於通過第一可切換諧振元件(1205)阻止在第一導體(132)中感應電流。
8.如權利要求6或7所述的結構，其中所述磁導(115)用於通過第二可切換諧振元件(1205』 )阻止在第二導體(133)中感應電流。
9.如權利要求7或8所述的結構，其中所述磁導(115)包括第一和第二基本閉合的磁通路徑，所述第一輸出部件(132)設置在所述第一路徑中而非第二路徑中，所述第二輸出部件(132)設置在所述第二路徑中而非第一路徑中。
10.如前面任何一項權利要求所述的結構，其中所述諧振元件(1205)中的至少ー個藉助幹與所述諧振電路元件的環部分(122)串聯設置的開關(126)是可切換的。
11.如前面任何一項權利要求所述的結構，包括轉子構件(351)，該轉子構件(351)具有設置在其上的至少ー個諧振電路元件310R，所述轉子構件(351)關於橫軸是可旋轉的，從而可使得所述至少一個諧振電路元件310R通過所述磁導(315)的ー對相鄰的諧振電路元件之間，所述結構能夠用於在所述磁導(315)中感應MI波從而使所述轉子構件(351)轉動。
12.如權利要求11所述的結構，能夠操作，從而所述轉子的諧振電路元件(310R)可磁感應耦合到所述磁導的諧振電路元件(310F)中的至少ー個，所述耦合被布置成在使所述轉子(351)關於所述橫軸旋轉的方向上、在所述轉子(351)的諧振電路元件(310F)與所述 磁導(315)的至少ー個諧振電路元件之間生成力。
13.如權利要求11或12所述的結構，其中所述轉子(351)配備有圍繞所述橫軸設置的一圈諧振電路元件(310R)，該圈中的各個諧振電路元件設置成離所述橫軸基本等距。
14.一種結構,包括 磁導(115，315)，其包括多個諧振電路元件(110，120)，各元件包括導電環部分(112，122)，該環部分(112，122)的相對端通過電容元件(114，124)彼此耦合，磁導(115，315)的相鄰諧振元件(110，120)彼此磁感應耦合，以及， 至少第一繞組構件(131,331)， 所述第一繞組構件(131，331)磁感應耦合到所述磁導的第一諧振電路元件， 所述第一繞組構件(131,331)被布置成當交流電在該第一繞組(131,331)中流動時允許在所述磁導(115，315)中建立磁感應波，所述交流電以充分接近並低於所述磁導(115，315)的諧振電路元件的諧振頻率的頻率流動。
15.如權利要求14所述的結構，還包括第二繞組構件(132，133)，該第二繞組(132, 133)磁感應耦合到所述磁導(115,315)的第二諧振電路元件。
16.如權利要求15所述的結構，其中所述第一繞組(131)被布置成允許在其中流動的交流電藉助於所述磁導(115)的相鄰諧振電路元件之間的磁感應耦合在所述第二繞組(132，133)中感應相應的交流電。
17.如權利要求14至16中任一項所述的結構，其中所述磁導(115)包括彼此並聯連接的多個磁導部分，各部分具有圍繞其設置的繞組。
18.如權利要求14至17中任一項所述的結構，其中所述磁導的諧振電路元件(120S)包括開關構件(126)，該開關構件(126)被布置成阻止在第一繞組(131)中流動的交流電在第二繞組(132，133)中感應相應的交流電。
19.如權利要求17或18所述的結構，其中所述開關構件(126)被設置在所述磁導的位置，從而可基本阻止沿著磁導部分的磁通流。
20.如引用權利要求17的權利要求18或19所述的結構，其中所述開關構件(126)被設置成與所述諧振電路元件的環部分(122)串聯，而與諧振電路的電容元件並聯。
21.如權利要求14至20中任一項所述的結構，包括轉子構件(351)，該轉子構件具有設置在其上的至少ー個諧振電路元件(310R)，該轉子構件(351)圍繞橫軸是可旋轉的，從而可使所述至少一個諧振電路元件(310R)在所述磁導(310)的一對相鄰諧振電路元件(310F)之間通過。
22.如權利要求21所述的結構，其中所述轉子的諧振電路元件(310R)可磁感應耦合到所述ー對相鄰諧振元件的至少ー個諧振電路元件，所述耦合被布置成在使所述轉子(351)關於所述橫軸旋轉的方向上、在所述轉子(351)的諧振電路兀件與所述ー對諧振電路元件中的至少ー個之間生成力。
23.如權利要求21或22所述的結構，其中所述轉子(351)配備有圍繞所述橫軸設置的一圈諧振電路元件(310R)，該圈中的各個諧振電路元件設置成離所述橫軸基本等距。
24.一種變壓器結構，包括 磁導(115)，其包括多個諧振電路元件(110，120)，各元件包括導電環部分(112，122)，各諧振電路元件(110,120)的環部分(112,122)的相對端通過電容元件彼此耦合，磁導(115)的相鄰諧振元件彼此磁感應耦合，以及， 第一和第二繞組(131，132，133)， 所述第一繞組(131)磁感應耦合到所述磁導(115)的第一諧振電路元件， 所述第二繞組(132，132)磁感應耦合到所述磁導(115)的第二諧振電路元件， 所述第一繞組(131)被布置成允許在其中流動的交流電藉助於所述磁導(115)的相鄰諧振電路元件之間的磁感應耦合在所述第二繞組(132，133)中感應相應的交流電。
全文摘要
本發明的實施例提供一種結構，包括磁導，其包括多個諧振電路元件(110,120,310F)，各元件包括導電環部分(112,122)，該環部分(112,122)的相對端通過電容元件(114,124)彼此耦合，磁導(115,315)的相鄰諧振元件被布置成彼此磁感應耦合，從而允許磁導(115,315)支持磁感應(MI)波，其中諧振元件(1205)中的至少一個在第一狀態與第二狀態之間是可切換的，在第一狀態中所述元件被布置成支持MI波沿波導傳播，在第二狀態中所述元件被布置成阻止MI波沿波導傳播。
文檔編號H01P3/00GK102714092SQ201080055429
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月7日 優先權日2009年12月7日
發明者克里斯多福·約翰·史蒂文斯, 馬爾科姆·鄧肯·麥克卡羅奇 申請人:Isis創新有限公司