高強度徑向場磁致動器的製作方法

2023-05-21 00:38:06 1

專利名稱：高強度徑向場磁致動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁學領域，並且特別地涉及利用作用於閥門元件上的 徑向磁場和導電線圈的直接驅動磁致動器。
背景技術：
致動器常規地是機械技術。大多數致動器包括閥門、彈簧，以及 移動閥門的繞軸旋轉元件。機械致動器的一個問題在於機械致動器的 部件具有磨損的傾向。當彈簧變得較少彈性以及繞軸旋轉關節磨損 時，閥門停止以有效的方式工作。具有較少移動部件的致動器將易於 比常規機械致動器經久耐用。目前，已產生對非常小的致動器的需求。例如，通過基本元件例 如慣性測量單元、傳感器和電源的小型化方面的快速進步，已研發出微飛行器(MAV)。這些MAV被設計成只有15釐米那麼小。這麼 小的尺寸下的機械致動器非常不實用且不可靠。因此，在行業中存在對解決前述缺乏和不足的至今為止還未滿足 的需求。發明內容本發明的實施方案提供一種用於提供磁致動器的系統及方法。 簡要地描述，在體系結構上，除了還有其他方面之外可以如下實 施系統的一種實施方案。磁致動器系統提供至少一組兩個磁體，至少 一個磁體具有外磁體部分、中間磁體部分和外磁體部分。外磁體部分 具有至少部分指向軸向的磁化。中間磁體部分具有與外磁體部分的磁 化基本上垂直的磁化。內磁體部分具有指向與外磁體部分的磁化基本 上反平行的磁化。裝置也包括布置成至少部分在兩個磁體之間的至少一個導電線圏。至少一個基本可導磁對象布置成至少部分在兩個磁體 之間。棒與基本可導磁對象構成整體並從中延伸。本發明也可以看作提供一種用磁力移動致動器的方法。在這點 上，除了還有其他方面之外，這種方法的一種實施方案可以寬泛地概括為以下步驟緊靠地裝配至少一組兩個磁體，磁體的至少一個包 括具有至少部分指向軸向的磁化的外磁體部分；具有與外磁體部分 的磁化基本垂直的磁化的中間磁體部分；以及具有指向與外磁體部分 的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分；將至少一個基本可導磁對象 布置成至少部分在這組兩個磁體之間；將至少一個導電線圏布置成至 少部分在這組兩個磁體之間；以及在導電線圏中在第一方向上產生電 流，其用磁力將基本可導磁對象推向這組兩個磁體的第一磁體。基於下面的附圖和詳細說明書的考查，本發明的其他系統、方法 及優點將對於本領域技術人員變得明白。應當認為所有這種另外的系 統、方法、特徵及優點都包含於本說明書內，本發明的範圍內，並且 受附加權利要求的保護。


參考下面的附圖可以更好地理解發明的許多方面。附圖中的部件 不一定是按比例的，而是布置了重點以清楚地說明本發明的原理。此 外，在附圖中，相似的參考數字貫穿幾個視圖指定相應的部件。圖l是根據發明的第一示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。 圖2是根據發明的第一示例實施方案的圖1的磁致動器的透視圖。圖3是根據發明的第一示例實施方案的示範性的高強度徑向磁場 (HIRF)永久》茲體陣列的部分切除示意圖。圖4是根據發明的笫一示例實施方案的內磁體的透視圖，其說明 由內磁體的磁化建立的磁場線。圖5是根據發明的第一示例實施方案的中間磁體的透視圖，其說 明由中間磁體的磁化建立的磁場線。圖6是根據發明的第一示例實施方案的外磁體的透視圖，其說明 由外磁體的磁化建立的磁場線。圖7是說明根據發明的第一示例實施方案的圖1的永久磁體陣列 的徑向/水平磁場強度的圖表。圖8是說明根據發明的第一示例實施方案的在一個磁體陣列上方 且相交導電線圏的徑向磁場方向的箭頭圖。圖9A和圖9B是說明根據發明的第一示例實施方案的徑向磁場 方向的圖1的磁致動器的橫截面視圖。圖10是根據發明的第二示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖11是根據發明的第二示例實施方案的圖IO的磁致動器的透視圖。圖12A是根據發明的第二示例實施方案的示範性的高強度徑向 磁場(HIRF)永久磁體的部分切除示意圖。圖12B是根據發明的第二示例實施方案的另一個示範性高強度 徑向磁場(HIRF)永久磁體的橫截面側視圖。圖13是根據發明的第二示例實施方案的設置成由一組導體磁化 的單個磁體的一部分的橫截面視圖。圖14是說明根據第二示例實施方案的在一個磁體上方的徑向磁 場方向的箭頭圖。圖15是根據發明的第三示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖16是根據發明的第四示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖17是根據發明的第五示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖18是根據發明的第六示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖19是根據發明的第七示例實施方案的磁致動器的橫截面視圖。圖20顯示說明根據發明的第二示例實施方案的圖IO的磁致動器 的可能實施的功能和操作的流程圖。圖21顯示說明根據發明的第二示例實施方案的圖10的磁致動器 的可能裝配的功能和操作的流程圖。
具體實施方式
圖1是磁致動器10的第一示例實施方案的橫截面視圖，而圖2 是透視圖。提供至少一組兩個嵌套磁體陣列12，每個嵌套磁體陣列 12具有外磁體14，中間磁體16和內磁體18。三個磁體14, 16, 18 的磁化由磁體14， 16， 18中所示的箭頭說明。外磁體14具有至少部 分指向軸向的磁化。中間磁體16具有與外磁體14的磁化基本上垂直 的磁化。內磁體18具有指向與外磁體14的磁化基本上反平行的磁 化。比較兩個嵌套磁體陣列12中的磁體14， 16， 18的磁化，兩個外 磁體14的磁化是反平行的，兩個中間磁體16的磁化是平行的，並且 兩個內磁體18的磁化是反平行的。磁致動器10也包括布置成至少部 分在兩個嵌套磁體陣列12之間的至少一個導電線圏20。至少一個基 本可導磁的對象22布置成至少部分在兩個嵌套磁體陣列12之間。棒 24與基本可導磁對象22構成整體。棒24可以永久地或可鬆開地連 接到基本可導磁對象22,或者棒和基本可導磁對象可以是整塊單 元。在該實施方案中，棒24在兩個嵌套磁體陣列12和導電線圏20 的每個中軸向地延伸。特別地，磁體陣列22提供將棒24布置在其中 的通孔。因此，棒24能夠穿過磁體陣列22垂直地移動。參考回圖1,銅片28可以粘貼到磁體陣列12之一上，將磁體陣 列12與導電線圈20分隔。銅片28的功能之一是可以用作散熱片， 將來自導電線圏20的熱量消散。銅片28可以包含徑向分隔以避免用 作線圈20中的電流的導體從而改變磁場的動力學。如可以從圖2中看到，本發明的嵌套磁體陣列12設計成單件圓 柱形磁體14， 16, 18。但是，可以使用其他幾何三維形狀，包括具有正方形，六角形或八角形橫截面的那些形狀。同樣地，雖然預想單件磁體14， 16， 18，但是嵌套磁體陣列12可以包括多個磁體件，它 們共同形成圓柱形或其他可接受的三維形狀。本領域技術人員應當認 識到，對於可接受的嵌套磁體陣列12的形狀存在大量的互換。圖3是符合本發明的一個嵌套磁體陣列12的示意圖。應當注 意，雖然圖1中所示的磁體陣列12需要環形的內磁體18，但是圖3 的磁體陣列12顯示為實心圓柱元件。該圖解只是用於說明目的。在 一些實施方案中，例如在圖1中，應當明白，內》茲體18是環形的以 允許棒24居於其中以及在磁體陣列12中垂直地移動。嵌套磁體陣列12包括兩個嵌套的環形磁體14， 16以及也可以是 環形的圓柱形內磁體18，它們分別在圖3中所示的方向或在相反的 方向上磁化。外磁體14具有軸向地指向陣列底部外的磁化；中間磁 體16的磁化與外磁體14的磁化垂直並且指向向內的徑向；並且內磁 體18的磁化指向與外磁體14反平行，即指向陣列頂部外。內和外磁 體14， 18彼此反平4亍並且可以在相反的方向上磁化，而中間磁體16 可以在任一個徑向上磁化，在兩種情況中都取決於軸向上要強化磁場 的一側。由嵌套磁體陣列12中的三個嵌套磁體14， 16， 18的每個創建的 磁場在圖4-6中顯示。圖4顯示由內磁體18創建的磁場線的方向。內磁體18的磁場在 內磁體18內部垂直指向上，並且如由矢量A， B和C所示從頂部到 底部在內磁體18的外部周圍旋巻。圖5顯示中間磁體16的磁場。磁化在中間磁體16內部徑向地指 向內。矢量D和E表示中間磁體16外部的磁場的方向。外磁體14的磁場在圖6中說明。外磁體14的磁化垂直向下。磁 場的方向在圖6中由矢量F， G和H表示。將圖4-6中的三個》茲體14， 16， 18的磁場疊加將產生圖7和8 中所示的磁體陣列12的磁場。參考圖4-6，矢量A， D和F分別表 示在磁體陣列12上方的三個磁體14， 16， 18的磁場。這三個矢量在12中間磁體16上方都指向相同方向，因此磁場加在一起建立徑向地指 向外的高強度磁場。矢量B和G表示沿著磁體陣列12側面的磁場。 這兩個矢量指向相反的方向，所以彼此部分抵消。最後，矢量C， E 和H表示在磁體陣列12下方的各個磁體14， 16, 18的磁場。中間 磁體16的磁場E指向與另外兩個磁體14， 18的磁場C和H相反的 方向。因此，在該區域中存在磁場的部分抵消。結果，在磁體陣列 12下方存在非常弱的磁場。磁場的矢量相加增加磁體陣列12上方的徑向磁場，同時降低磁 體陣列12下方的徑向磁場。通過反轉中間磁體16的磁化，高強度磁 場可以從磁體陣列12的上方移動下方。可選地，內和外》茲體14， 18 兩者的磁化矢量可以反轉以控制大的徑向磁場的位置。該磁體配置的特殊優點是磁場從遠離導體的不使用空間移動到布 置導電線圈20的地方。這導致來自嵌套磁體14， 16， 18的總磁場的 高效使用。圖7顯示磁場的徑向(水平)分量的強度。應當注意，在 導電線圏20在磁體陣列12上方的地方，磁場是強的，而在磁體陣列 12下方相對不存在。磁體陣列12的另一個重要方面在於磁場在磁體14， 16， 18上方 徑向地延伸。圖8說明在導電線圏20區域中的在磁體陣列12上方的 磁場方向的箭頭圖。應當注意，磁場的大小由不同尺寸的箭頭表示， 其中較大尺寸的箭頭表示較大的磁場幅度。在本發明的一個磁體陣列 12的該示例實施方案中，磁場從穿過導電線圏20的內磁場旋巻到外 磁體14中。如果第一磁場從內磁體18向外旋巻到外磁體14，那麼 第二磁場也應當徑向地指向外，即中間磁體16磁化徑向地向內並且 在中間磁體16外部的其磁場向外。本領域技術人員應當認識到，雖然前述實施方案參考在導電線圏 20下方的磁體陣列12描述高強度徑向磁場("HIRF，，)致動器，但 是可選地，磁體陣列12可以位於導電線圏20的任一側或上方。這裡所描述的磁體14, 16, 18可以包括稀土磁體，例如NdFeB 或SmCo。因為考慮磁場疊加，陶瓷和AlNiCo磁體對於某些應用可能不怎麼合乎需要，因為它們不具有基本上線性的響應，例如與NdFeB相比。但是，因為陶瓷磁體在它們的工作曲線的一部分上是 線性的，所以它們在發明的某些非關鍵實施方案例如玩具的致動器中 可能具有潛在用途。以本發明方式使用的例如圖3中所示的磁體陣列12的示例尺寸 可以如下內磁體18具有半徑r產2mm和lmm的高度；中間磁體 16具有內半徑-n,外半徑r屍iYH).83mm和lmm的高度；並且外磁 體14具有內半徑=1*2，外半徑r3=r2+0.63mm和lmm的高度。在這 裡，導電線圏的尺寸可以是內半徑-n,外半徑-n+0.83mm和高度 t=0.5mm。應當注意，三個磁體14， 16， 18的通量面積優選地是恆 定的(雖然不是必需的)，並且通量面積可以用以下方程描述Al=pi*r (頂部) (Eq.l)A2二2頭p^r^t (側部) (Eq.2 )A3=pi*(r32-r22)(頂部)(Eq.3 )其中A1=A2=A3 (Eq.4)此外，相對磁體陣列12之間的(垂直)間隔是Z-1.6mm，並且 導電線圏20的安培匝數是NI=100安培匝。應當明白，上述幾何和尺寸只是說明性的，並且應當預期到，本 發明覆蓋沒有在這裡具體說明和描述的具有可選幾何的陣列、致動器 和致動系統的其他實施方案。例如，雖然如上所述的導電線圏20的 尺寸可能產生高的熱量水平，並且因此可能適合於空氣動力學應用例 如高強制對流或者10%或更少的佔空度，但是應當認識到，可以基 於以下因素例如期望的推力(壓力)和加熱來選擇替換的線圈尺寸。本領域技術人員應當認識到，符合本發明的陣列的內磁體18可 以是環形或管狀元件即中空的，或者可選地是實心圓柱形元件(這將 影響棒的配置)。內磁體18具有沿著其中心軸的孔口或孔洞的符合 發明的磁體陣列12可以或可以不固定到作為致動系統之一部分的另 一部件上。可以布置磁致動器10,使得嵌套磁體陣列12之間的距離等於嵌套磁體陣列12的外磁體14的半徑的大約兩倍和嵌套磁體陣列12的 外磁體14的半徑的六倍之間。更優選地，可以布置磁致動器10,使 得嵌套磁體陣列12之間的距離大約是嵌套磁體陣列12的外磁體14 的半^f聖的四倍。圖9A顯示各個》茲體14, 16， 18的磁化對導電線圏20和基本可 導磁對象22的影響。圖9A顯示沒有電流經過導電線圏20的》茲致動 器10。如所示的， 一個嵌套磁體陣列12在導電線圏20和基本可導 磁對象22的上部，而另一個嵌套磁體陣列12顯示為處於下部。上部 嵌套磁體陣列12關於在下部的嵌套磁體陣列12磁性相反。也就是， 上部嵌套磁體陣列12被布置，使得上部內磁體18中的磁場的方向與 下部內磁體18中的磁場反平行，並且上部外磁體14中的》茲場的方向 與下部外磁體14中的磁場反平行。結果，上部嵌套磁體陣列12和下 部嵌套磁體陣列12的軸向力彼此基本上抵消，同時嵌套磁體陣列12 的徑向力組合，從而放大。導電線圍20和基本可導磁對象22的任一 個都不受影響，因為任一項都不能徑向地移動。圖9B顯示外加流過導電線圏20的電流的與圖9A相同的布局。 如所示的，電流在導電線圏20的以圓圏標記的部分流出紙面，而在 導電線圏20的以"X，，標記的部分流入紙面。作為導電線圏20中的電 流的結果，提供了額外的磁力，在該例子中，其在導電線圏20和基 本可導磁對象22上導致向下力。因為導電線圏20基本上沒有提供在 軸向上移動的空間，所以導電線圏20對外加力基本上無動於衷。但 是，基本可導磁對象22向下移動，並且基本可導磁對象22所整體附 著的棒24也一樣。本發明所預想的一個應用領域是汽車領域。磁致動器10可以用 來提供完全電子控制的進氣/排氣閥起動系統。簡單提供電流到導電 線圏20可以起動連接到棒24的閥門。完全電子控制的進氣/排氣閥 起動系統完全取消凸輪軸，因此(1)消除因常規凸輪軸造型而對發 動機設置的封裝限制，以及(2)允許跨越整個發動機轉速和負荷範 圍的氣體交換過程的優化。發動機中的進氣和排氣閥的電子起動提供在機車的排放、總效率和性能上的更大控制。圖10是根據發明的第二示例實施方案的一套磁致動器110的橫 截面視圖，而圖11是其透視圖。提供了至少一組兩個磁體112，每 個磁體112具有外磁體部分114、中間磁體部分116和外磁體部分 118。磁體部分114, 116， 118中所示的箭頭說明三個磁體部分 114， 116， 118的磁化。外磁體部分114具有至少部分指向軸向的磁 化。中間磁體部分116具有與外磁體部分114的磁化基本上垂直的磁 化。內磁體部分118具有指向與外磁體部分114的磁化基本上反平行 的磁化。比較兩個磁體112中的磁體部分114， 116， 118的磁化，兩 個外磁體部分114的磁化是反平行的，兩個中間磁體部分116的磁化 是平行的，並且兩個內磁體部分118的磁化是反平行的。這套磁致動 器110也包括布置成至少部分在兩個磁體112之間的至少一個導電線 圏120。至少一個基本可導磁的對象122布置成至少部分在兩個磁體 112之間。棒124與基本可導磁對象122構成整體。棒124可以永久 地或可鬆開地連接到基本可導磁對象122，或者棒124和基本可導磁 對象122可以是整塊單元。在該實施方案中，棒124在兩個磁體112 和導電線圏120的每個中軸向地延伸。特別地，磁體122提供將棒 124布置在其中的通孔。因此，棒124能夠穿過磁體122垂直地移動。如可以從圖11中看到，本發明的磁體112 i殳計成單件圓柱形磁 體。但是，可以使用其他幾何三維形狀，包括具有正方形，六角形或 八角形橫截面的那些形狀。同樣地，雖然在該示例實施方案中預想單 件磁體112，但是磁體112可以包括多個磁體件，它們共同形成圓柱 形或其他可接受的三維形狀。本領域技術人員應當認識到，對於可接 受的磁體112的形狀及其件數存在大量的互換。圖12A是根據發明的第二示例實施方案的示例高強度徑向磁場 (HIRF)永久磁體的部分剖面示意圖。圖12B是根據發明的第二示 例實施方案的另一個示例高強度徑向磁場(HIRF)永久磁體的橫截 面側視圖。應當注意，圖12A和圖12B的磁體112顯示為實心元件，雖然圖10中所示的磁致動器110需要環形磁體112。圖12A和 12B的說明只是用於說明的目的，並且如果需要的話，任一個磁體 112都可以做成環形，而不會脫離發明的範圍。在一些實施方案例如 圖10的實施方案中，應當明白，磁體112是環形的以允許棒124居 於其中以及在磁體112中垂直地移動。磁體112可以是盤狀的，如圖 12A中所示，或者它可以徑向切角的(radially canted)，如圖12B 中所示。針對圖12A和圖12B中所示的任一種磁體112的設計，導 電線圈120應當相對於磁體112的軸線而布置以構成磁致動器110。 而且，關於圖12B的切角的磁體112，不管磁體112傾嚮導電線圏 120還是傾離導電線圏120,磁致動器110都將工作。磁體112可以是或可以不是環形的，並且可以分別在圖12A中 所示的方向上或在相反的方向上磁化。外磁體部分114具有軸向地指 向陣列底部外的磁化；中間磁體部分116的磁化與外磁體部分114的 磁化垂直並且指向向內的徑向；並且內磁體部分118的磁化指向與外 磁體部分114反平行，即指向陣列頂部外。內和外》茲體部分114， 118彼此反平行並且可以在相反的方向上磁化，而中間磁體部分116 可以在任一個徑向上磁化，在兩種情況中都取決於軸向上要強化磁場 的一側。根據發明的第二示例實施方案，磁體112可以是具有在多個方向 上工作的磁場的單個磁體。期望的磁化場分布可以通過幾種已知的磁 化固定類型來獲得。因為永久磁體材料必需被驅動至超過其大約 IT ~ 1.5T飽和值的典型3-4倍，所以可能要求3T ~ 6T的磁場峰值。 現今可獲得的三種基本類型的磁化器是電磁鐵磁化器、半周期磁化器 和電容性放電磁化器。電磁鐵磁化器可以提供長脈沖，並且主要用於 磁化鋁鎳鈷和鐵氧體。半周期磁化器基於線致動，並且需要高電流固 定設備。半周期磁化器可以提供一個，兩個或三個半周期電流脈衝， 並且主要用於鐵氧體磁體。電容性放電磁化器可以提供用於稀土永久 磁體的非常高的電流。期望的磁場模式由圖12A中所示的三個組成磁體部分的磁化指示。為了將對應於三個組成磁體部分114, 116和118的期望磁場印 記到單個磁體112上需要獨特的導體線圏140布局。 一個這種布局在 圖13中顯示。圖13是根據發明的第二示例實施方案的設置成由一組 導體140磁化的單個磁體112的一部分的橫截面視圖。對於所示的幾 何排列、各磁體112和線圏140軸142,應當基於最終件的期望尺 寸，根據期望的最終磁場和所示的比例調整電流(其中緊挨每個線圏 140提供^x，並且5x是五倍乘數，正乘數表示進入紙面的電流，而 負乘數表示從紙面出來的電流)。對於所示形狀下的5mm厚的件， 電流比例的乘數應當是8000,即將需要±40,000安培-匝的峰值電流-匝。當磁體112的相對形狀或其各個磁場改變時，可以在本發明的範 圍內使用其他導體線圏140位置和比例。磁場有限元軟體包可用來幫 助設計者選擇導體線圏140位置和電流-匝值。磁場有限元計算的結果在圖14中顯示。圖14說明在磁體112上 方的磁場方向的箭頭圖。應當注意，磁場的大小由不同尺寸的箭頭表 示，其中較大尺寸的箭頭表示較大的磁場幅度。與關於第一示例實施 方案的圖8的說明類似，磁通量線在磁體112上方顯示。應當注意， 在比較實施方案時，可以使用單個磁體112、多個圓柱形磁體或不同 形狀的多個磁體來建立這種類似的磁場方向。本領域技術人員應當認 識到使用多種形狀或大小的多個磁體建立類似的磁場方向的許多方 法。產生與所公開方向相似的磁場方向的所有預期的磁體配置^L認為 處於發明的範圍內。幾個有用的磁性材料，例如NdFeB,被發現基本上是各向異性 的。各向異性意味著材料在不同方向上具有不同的磁性能。為了增加 存儲的磁場，以及為了適應材料的這種特性，可以在磁化發生之前根 據期望的磁化模式在磁化夾具中將材料預校直。在已按所示方式磁化 永久磁體材料之後，可以根據應用，單獨地或具有氣隙而成對地使用 單件磁體或者可以它們堆疊在一起。圖1中所示的發明的第一示例實施方案和圖10中所示的發明的 第二示例實施方案之間的一個不同在於第 一示例實施方案講授嵌套磁18體陣列12，而第二示例實施方案講授單件磁體112。同樣地，本領域 技術人員應當認識到，存在使用在兩個示例實施方案中講授的技術的 組合嵌套兩個磁體的發明的其他實施方案，並且那些實施方案被認為 處於本發明的範圍內。圖15是磁致動器210的第三示例實施方案的橫截面視圖。提供 了至少一組兩個磁體212，每個磁體212具有外磁體部分214、中間 磁體部分216,以及內磁體部分218。磁體部分214， 216， 218中所 示的箭頭說明三個磁體部分214， 216， 218的磁化。外磁體部分214 具有至少部分指向軸向的磁化。中間磁體部分216具有與外磁體部分 214的磁化基本上垂直的磁化。內磁體部分218具有指向與外磁體部 分214的磁化基本上反平行的磁化。比較兩個磁體212中的磁體部分 214， 216， 218的磁化，兩個外磁體部分214的/P茲化是反平行的，兩 個中間磁體部分216的》茲化是平行的，並且兩個內磁體部分218的》茲 化是反平行的。磁致動器210也包括布置成至少部分在兩個磁體212 之間的至少一個導電線圏220。至少一個基本可導磁的對象222布置 成至少部分在兩個磁體212之間，並且在該第三示例實施方案中，至 少部分在徑向上在至少一個導電線圏220中。棒224與基本可導磁對 象222構成整體，並且在兩個磁體212和導電線圏220的每個中軸向 地延伸。特別地，磁體212提供將棒224布置在其中的通孔。因此， 棒224能夠穿過磁體212垂直地移動。可導磁護鐵226連接到磁體組212的外磁體部分214的每個並且 在每個之間延伸。可導磁護鐵226用來匯聚磁場的路徑並且可以與這 裡所描述的發明的任何實施方案一起用於該目的。在其他實施方案 中，可導磁護鐵226可以更有用地布置在磁體212的其他位置之間。電流可以在導電線圏220上分布，其中至少一個磁體212的磁場 可以基本上垂直於導電線圏220中的電流。棒224可以是基本上不可 導磁的。如果棒224是可導磁的，磁致動器210將工作，但是棒224 則可能干擾磁化，結果導致磁致動器210較無效率地工作。圖16是磁致動器310的第四示例實施方案的橫截面視圖。磁致動器310包括兩組雙磁體312。每個磁體312具有外磁體部分314、 中間磁體部分316，以及內磁體部分318。磁體部分314， 316， 318 中所示的箭頭說明三個磁體部分314， 316， 318的磁化。外磁體部分 314具有至少部分指向軸向的磁化。中間磁體部分316具有與外磁體 部分314的磁化基本上垂直的磁化。內磁體部分318具有指向與外磁 體部分314的磁化基本上反平行的磁化。比較每組的兩個磁體312中 的磁體部分314， 316， 318的磁化，兩個外磁體部分314的磁化是反 平行的，兩個中間磁體部分316的磁化是平行的，並且兩個內磁體部 分318的磁化是反平4亍的。兩組雙》茲體312軸向對準且彼此鄰接。比 較每組的鄰接磁體312中的磁體部分314， 316， 318的磁化，兩個外 磁體部分314的磁化是反平行的，兩個中間磁體部分316的磁化是平 行的，並且兩個內》茲體部分318的磁化是反平行的。磁致動器310也 包括兩個導電線圏320。 一個導電線圍320布置成至少部分在兩組磁 體312的每個中。 一個基本可導磁的對象322布置成至少部分在兩組 雙磁體312的每個之間。棒324與基本可導萬茲對象322構成整體，並 且在雙磁體組312和導電線圏320的每個中軸向地延伸。特別地，磁 體312提供將棒324布置在其中的通孔。因此，棒324能夠穿過磁體 312垂直地移動。如圖16中所示，如果兩個基本可導磁對象322都連接到一個棒 324，那麼將兩組磁體312鄰接對於增加施加到棒324上的力而不增 加獨個磁體312的強度會是有用的。可選地，將磁體312鄰接的布局 可以用來影響相同區域中的兩個不同棒324，雖然影響兩個棒324將 必然需要沿著這組雙磁體312之間的空間的外圍布置至少 一 個基本可 導磁對象322，在這裡進一步討論這種布局。圖16中所示的獨特鄰 接磁體312將反平行磁力施加在內磁體部分318和外磁體部分314 上，基本上抵消了來自那些磁體部分314， 318的磁力而僅留下來自 中間磁體部分316的組合徑向磁力。可選地，僅具有徑向磁力的單個 磁體可以用來代替獨特鄰接磁體312。圖17是磁致動器410的第五示例實施方案的橫截面視圖。提供了一組兩個嵌套磁體412，每個磁體412具有外磁體部分414、中間 磁體部分416，以及內磁體部分418。磁體414， 416， 418中所示的 箭頭說明三個磁體414， 416, 418的磁化。外磁體部分414具有至少 部分指向軸向的磁化。中間磁體部分416具有與外磁體部分414的磁 化基本上垂直的磁化。內磁體部分418具有指向與外磁體部分414的 磁化基本上反平行的磁化。比較兩個嵌套磁體412中的磁體414， 416， 418的磁化，兩個外磁體部分414的磁化是反平行的，兩個中 間磁體部分416的磁化是平4亍的，並且兩個內磁體部分418的磁化是 反平行的。第三磁體430安裝在兩個嵌套磁體412之間。第三磁體 430具有與中間磁體部分416的磁化基本上平行的單一磁化。磁致動 器410也包括兩個導電線圏420， 一個導電線圏420布置成至少部分 在第三磁體430和這兩個嵌套磁體412的每個之間。提供了兩個基本 可導磁對象422， 一個基本可導磁對象422布置成至少部分在第三磁 體430和這兩個嵌套磁體412的每個之間。棒424與基本可導磁對象 422構成整體，並且在兩個嵌套磁體412、第三》茲體430以及導電線 圏420的每個中軸向地延伸。特別地，磁體412提供將棒424布置在 其中的通孔。因此，棒424能夠穿過》茲體412垂直地移動。圖16和圖17基本上是等效的。圖17中的第三磁體430在磁致 動器410中具有與兩個鄰接磁體312在圖16的磁致動器310的中央 處所具有的相同效果。由圖16的磁致動器310的中央處的兩個鄰接 磁體312產生的合力等效於由圖17的磁致動器410的第三磁體430 產生的力。圖18是磁致動器510的第六示例實施方案的橫截面視圖。提供 了至少一組兩個磁體212，每個嵌套磁體陣列512具有外磁體部分 514、中間磁體部分516，以及內磁體部分518。磁體部分514, 516, 518中所示的箭頭i兌明三個磁體部分514， 516， 518的磁化。 外》茲體部分514具有至少部分指向軸向的磁化。中間磁體部分516具 有與外》茲體部分514的磁化基本上垂直的磁化。內磁體部分518具有 指向與外磁體部分514的磁化基本上反平行的磁化。比較兩個磁體512中的磁體部分514， 516， 518的磁化，兩個外磁體部分514的磁 化是反平行的，兩個中間磁體部分516的磁化是平行的，並且兩個內 磁體部分518的磁化是反平行的。磁致動器510也包括布置成至少部 分在兩個磁體512之間的至少一個導電線圏520。至少一個基本可導 磁的對象522布置成至少部分在兩個磁體512之間，並且徑向上在導 電線圏520的外面。棒524與基本可導磁對象522構成整體，並且沿 著兩個磁體512軸向地延伸。可導磁護鐵526布置在磁體512的內磁 體部分518之間。圖18中所示的磁致動器510的第六示例實施方案允許棒524布 置在磁體512的外面而不是穿透磁體512。本領域技術人員應當認識 到，該實施方案可以針對不同的效用而與多種其他實施方案結合。可 以提供兩組鄰接的磁體512， 一組具有在磁體512外面的棒524，而 一組具有穿透磁體512的棒524。棒524可以封裝磁體512的中空圓 柱形，或者棒524可以簡單地粘貼到磁體512的僅一側上。圖19是磁致動器610的第七示例實施方案的橫截面視圖。磁致 動器610包括具有磁力的磁體612，磁力具有至少垂直分量和徑向分 量。導電線圏620與磁體612在軸向上對準並且布置成緊靠磁體612 以增強以及/或者改變磁力。具有一定活動範圍的基本可導磁對象622 布置成足夠緊靠磁體612以藉助由導電線圏620增強或改變的磁力而 移動。平衡器632布置成緊靠基本可導磁對象622以限制基本可導磁 對象622的活動範圍，由此基本可導磁對象622保持緊靠磁體612。 可導磁護4失626連接到磁體612的外磁體部分614並從中延伸。平衡器632可以是彈簧、磁體、彈性物體、剛性物體、重力或特 別地當磁力或因缺乏磁力而促使基本可導磁對象622遠離磁體612時 能夠約束基本可導磁對象622的任意其他元件或力。平衡器632將基 本可導磁對象622保持緊靠磁體612以及/或者能夠將基本可導磁對 象622推到緊靠磁體612的位置。可以與第二示例實施方案的所述磁 體112相同地形成第七示例實施方案中的磁體612，或者可以另外地 設計它。雖然這裡所公開的示例實施方案主要從事一個或多個磁體與線圏 和致動棒一起的使用，但是存在其他應用使用這裡所公開的磁體作為 致動器。例如，可以使用單個磁體和印刷在柔性膜上的線圏製造致動 器，並且至少部分在軸向上與磁體對準(其中磁場是基本上徑向的以 及垂直於線圏)。當電流流經線圏時，力被施加到磁體和線圏之間， 這有助於使柔性膜彎曲。因流過線圏的電流導致的柔性膜的彎曲可以 像揚聲器那樣產生聲音、扭曲鏡面、攪動/搖動流體、使用於拋光表 面的裝置振動。相反地，膜或線圏的外部位移可以產生例如可由麥克風xc測和記錄的電壓。通過已知的印刷和刻蝕工藝，可以製造疊縮線圏(從線圏的初始平面向外的運動)，其依賴於在磁體存在的情況下 流過線圏的電流的極性在任一方向上延伸。圖20的流程圖顯示根據發明的第二示例實施方案的，圖10的磁 致動器110的可能實施的功能和操作。在這點上，每個方框表示包括 用於實施指定功能的一個或多個指令的模塊、部分或步驟。還應當注 意到，在某些可選實施中，在方框中表示的功能可能在圖20中所表 明的順序之外發生。例如，圖20中相繼顯示的兩個方框實際上可能 依賴於將在這裡進一步闡明的相關功能而基本同時地執行，或者方框 可能有時候以相反的順序執行。如圖20中所示，用於移動致動器的方法700包括緊靠地裝配至 少兩個磁體112 (方框702)。每個義茲體112包括具有至少部分指向 軸向的磁化的外磁體部分114。每個磁體112包括具有與外磁體部分 114的磁化基本垂直的磁化的中間磁體部分116。每個磁體112也包 括具有指向與外磁體部分U4的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分118。至少一個基本可導磁對象122布置成至少部分在兩個磁體112 之間(方框704)。至少一個導電線圏120布置成至少部分在兩個磁 體112之間(方框706)。在導電線圏20中在第一方向上啟動電 流，其用磁力將基本可導磁對象122推向這組兩個磁體112的第一磁 體122 (方框708 )。圖21的流程圖顯示根據發明的第二示例實施方案的，圖10的磁致動器110的可能裝配的功能和操作。如圖21中所示，用於裝配致 動器的方法800可以包括共軸地、相隔預定距離地、緊靠地布置至少 兩個磁體112 (方才匡802)。兩個磁體112的至少一個被磁化(方框 804)，使得磁化的磁體112包括具有至少部分指向軸向的磁化的外 磁體部分114;具有與外磁體部分114的磁化基本垂直的磁化的中間 磁體部分116;以及具有指向與外磁體部分114的磁化基本反平行的 磁化的內磁體部分118。至少一個導電線圈120布置成至少部分在兩 個磁體112之間(方框806 )。至少一個基本可導磁對象122布置成 至少部分在兩個磁體112之間(方框808)。致動棒124與基本可導 磁對象122構成整體並從中延伸。將磁體組112的至少一個磁體112磁化(方框804)可以包括將 多個導電線圏140布置成靠近磁體112，其中磁體112材料處於預對 準狀態。然後，發起多個電流流過導電線圏140，從而磁化磁體112 材料。應當強調的是，本發明的上述實施方案只是可能的實施例，只是 為了發明原理的清晰理解而闡述。可以對發明的上述實施方案進行許 多變化和修改，而基本上不背離發明的本質和原理。所有這種修改和 變化被認為在這裡包含於本公開內容和本發明的範圍內並且受下面的 權利要求保護。
權利要求
1.一種裝置，包括一組至少兩個磁體；兩個磁體的至少一個包括具有至少部分地指向軸向的磁化的外磁體部分；具有與外磁體部分的磁化基本垂直的磁化的中間磁體部分；以及具有指向與外磁體部分的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分；布置成至少部分地在兩個磁體之間的至少一個導電線圈；布置成至少部分地在兩個磁體之間的至少一個基本可導磁對象；以及與基本可導磁對象構成整體並從中延伸的致動棒。
2. 根據權利要求1的裝置，還包括連接到每個磁體並在每個磁 體之間延伸的護鐵。
3. 根據權利要求1的裝置，還包括分布在導電線圏上的電流， 其中磁體的至少一個的磁場與導電線圏中的電流基本垂直。
4. 根據權利要求l的裝置，其中所述棒是基本上不可導磁的。
5. 根據權利要求1的裝置，還包括粘貼到磁體上的至少一個銅 片，銅片布置在一個磁體和一個導電線圏之間。
6. 根據權利要求l的裝置，包括 兩組雙磁體，其中每一單組雙磁體包括布置成至少部分地在單組雙磁體中的一個導電線圏；以及布置成至少部分地在單組雙磁體之間並且至少部分地在徑向上在該一個導電線圏中的一個基本可導磁對象；並且 其中所述棒與每個基本可導磁對象構成整體，並且在每組雙磁體 和每個導電線圏中軸向地延伸。
7. 根據權利要求l的裝置，還包括具有與中間磁體部分的磁化基本平行的磁化的第三磁體，該第三 磁體軸線地布置在這組兩個磁體之間；其中該至少一個導電線圏還包括兩個導電線圏， 一個導電線圏布 置成至少部分地在這組兩個磁體中的每個磁體和第三磁體之間；其中該至少一個基本可導磁對象還包括兩個基本可導磁對象，一個基本可導磁對象布置成至少部分地在這組雙磁體中的每個磁體和第 三磁體之間。
8. 根據權利要求1的裝置，其中所述棒在這組雙磁體的每個和 導電線圏的每個中軸向地延伸。
9. 一種致動方法，所述方法包括步驟 緊靠地裝配至少一組兩個磁體，磁體包括具有至少部分地指向軸向的磁化的外磁體部分；具有與外磁體部分的磁化基本垂直的磁化的中間磁體部分；以及具有指向與外磁體部分的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分；將至少 一個基本可導磁對象布置成至少部分地在這組兩個磁體之間；將至少一個導電線圏布置成至少部分地在這組兩個磁體之間；以及啟動在導電線圏中在第一方向上的電流，其用磁力將基本可導磁對象推向這組兩個磁體的第一磁體。
10. 根據權利要求9的方法，還包括將電流重新定向到與第一方 向相反的方向上，將基本可導磁對象推向這組兩個磁體的第二磁體。
11. 根據權利要求9的方法，還包括用粘貼到一個磁體上的導熱 片消散在導電線圏附近的熱量。
12. 根據權利要求9的方法，還包括通過插入連接磁體的護鐵而 匯聚磁體的磁化。
13. —種用於磁力移動致動器的系統，該系統包括 用於提供第一磁場的裝置，第一磁場至少具有第一垂直方向和第一徑向；與用於提供第一磁場的裝置靠近的用於提供第二磁場的裝置，第 二磁場具有與第一垂直方向相反的第二垂直方向以及與第一徑向協同 的第二徑向；用於致動的裝置，通過第一磁場和第二磁場被近似靜態平衡；以及用電學方法添加第三磁場的裝置， 一旦添加了第三磁場，該磁場 使用於致動的裝置失去平衡並且使用於致動的裝置移動。
14. 一種致動器，包括具有第一磁場的第一磁體，第一磁場至少具有第一軸向和第一徑向；具有第二磁場的第二磁體，第二磁體靠近第一磁體，並且第二磁 場具有第二軸向和第二徑向，其中第一軸向和第二軸向是對稱相反 的，並且第一徑向和第二徑向是協同的；布置成至少部分地在第一和第二磁體之間的導電線圏；以及布置在第一和第二磁體之間的基本可導磁對象。
15. 根據權利要求14的致動器，還包括連接到基本可導磁對象 的致動棒，其中該致動棒是基本不可導磁的。
16. —種致動裝置，包括 第一磁體，其包括具有至少部分地指向軸向的磁化的外磁體部分； 具有與外磁體部分的磁化基本垂直的徑向磁化的中間磁體部 分；以及具有指向與外磁體部分的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分。
17. 根據權利要求16的致動裝置，其中第一磁體是環形的。
18. 根據權利要求16的致動裝置，還包括 第二磁體，其包括具有至少部分地指向軸向的磁化的第二磁體的外磁體部分； 具有與外磁體部分的磁化基本垂直的徑向磁化的第二磁體的 中間磁體部分；具有指向與外磁體部分的磁化基本反平行的磁化的第二磁體 的內磁體部分；以及布置在第一磁體和第二磁體之間的導電線圏，電流分布在導電線 圏的巻上，其中第一磁體的第一磁場與導電線圏中的電流基本垂直， 並且第二磁體的第二磁場與導電線圏中的電流基本垂直。
19. 根據權利要求16的致動裝置，還包括在導電線圏的巻上分 布有電流的導電線圏，其中第一磁體的磁場與線圏中的電流基本垂 直。
20. 根據權利要求19的致動裝置，還包括連接到第一磁體並從 中延伸的護鐵。
21. 根據權利要求16的致動裝置，其中第一磁體是切角的。
22. 根據權利要求16的致動裝置，還包括 與第一磁體軸向對準並且布置成靠近第一磁體的導電線圈； 布置成足夠緊靠第一磁體具有一定移動範圍以通過磁力可移動的基本可導磁對象；以及被布置以限制基本可導磁對象的運動範圍從而基本可導磁對象保 持緊靠磁體的平衡器。
23. 根據權利要求22的致動器，其中平衡器是第二磁體。
24. 根據權利要求22的致動器，還包括與基本可導磁對象構成 整體的棒，並且其中平衡器是彈簧。
25. 根據權利要求16的致動器，還包括印刷在柔性膜上的線 圏，該線圏至少部分地與磁體對準，從而當電流流經線圏時，柔性膜 將相對於磁體在軸向上移動。
26. —種致動器，包括具有第一磁場的第一磁體，第一磁場具有第一徑向； 具有第二磁場的第二磁體，第二磁體緊靠第一磁體，並且第二磁 場具有第二徑向，其中第一徑向和第二徑向是平行的；布置成至少部分地在第一和第二磁體之間的導電線圏；以及 布置在第一和第二磁體之間的基本可導磁對象。
27. —種構成磁致動器的方法，該方法包括步驟 共軸地、相隔預定距離地布置至少兩個磁體； 磁化兩個磁體的至少一個，使得兩個磁體的該至少一個包括具有至少部分地指向軸向的磁化的外磁體部分； 具有與外磁體部分的磁化基本垂直的磁化的中間磁體部分；以及具有指向與外磁體部分的磁化基本反平行的磁化的內磁體部分；將至少一個導電線圏布置成至少部分地在兩個磁體之間；以及 將至少一個基本可導磁對象布置成至少部分地在兩個磁體之間， 致動棒與基本可導磁對象構成整體並從中延伸。
28. 根據權利要求27的方法，其中磁化兩個磁體的至少一個的 步驟還包括將多個導電線圏布置成緊靠磁體，其中磁體的材料處於預對準狀 態；以及通過導電線圏產生多個電流，從而磁化磁體的材料。
29. —種用於產生磁力的方法，該方法包括步驟 產生巻入導電線圏的磁場，磁場包括從磁體的內磁體部分旋巻向磁體的外磁體部分的第 一磁場和從磁體的中間磁體部分徑向地指向外 的第二磁場的疊加；以及 施加流過線圏的電流。
全文摘要
提供了至少一組兩個磁體(12)，至少一個磁體具有外磁體部分(14)、中間磁體部分(16)和內磁體部分(18)。外磁體部分具有至少部分指向軸向的磁化。中間磁體部分具有與外磁體部分的磁化基本上垂直的磁化。內磁體部分具有指向與外磁體部分的磁化基本上反平行的磁化。裝置也包括布置成至少部分在這組兩個磁體之間的至少一個導電線圈(20)。至少一個基本可導磁對象(22)布置成至少部分在這組兩個磁體之間。棒(24)與基本可導磁對象構成整體。
文檔編號H01F7/20GK101248496SQ200680016459
公開日2008年8月20日 申請日期2006年3月6日 優先權日2005年4月1日
發明者安德魯·M·賴特, 戴維·庫普 申請人:工程物資公司