用於電磁致動器的系統和方法與流程

2023-06-18 05:54:06 3

本申請基於2016年11月9日提交的且題為「Systems and Methods for an Electromagnetic Actuator(用於電磁致動器的系統和方法)」的美國臨時專利申請62/252，675，要求其優先權並將其全部內容通過引用的方式併入本文。

關於聯邦政府資助的研究的聲明

不適用。

背景技術：

本公開通常涉及電磁致動器，並且更具體地，涉及具有利用永磁體的簡化設計的電磁致動器。

電磁致動器(例如，螺線管)典型地包括布置在殼體內部並圍繞可動銜鐵的線圈。可在線圈上施加電流以產生磁場，該磁場可隨後相對於殼體致動(即，移動)可動銜鐵。當前的趨勢趨向於減小電磁致動器的尺寸。然而，減小電磁致動器的尺寸可能需要減小銜鐵與殼體內部其它磁性部件(例如，線圈)之間的氣隙。減小電磁致動器內的氣隙會極大地緊縮公差(tolerance)和間隙(clearance)，對於製造目的來說，這會過分地增加成本。此外，如果銜鐵沒有被完全保持在中心，則減小氣隙會導致高的側承載力(即，基本垂直於所期望致動方向的力)。

此外，減小電磁致動器的尺寸可增大通過電磁致動器的磁性部件承載的磁通。增大通過電磁致動器的磁性部件承載的磁通可能需要磁通承載部件(即，磁性部件)製造得更厚，或者限定出更大的截面積，以防止磁飽和。增大磁通承載部件的截面積會由於額外的材料而導致增加成本，並且還需要更多的空間，這偏離了將電磁致動器製造得更小的目標。

技術實現要素：

本發明提供用於電磁致動器的系統和方法。電磁致動器包括可致動的永磁體和簡單的結構。使用可致動的永磁體降低了貫穿電磁致動器的整個磁通水平並且防止了磁飽和，其使得能夠使用更小、更薄和/或更輕的部件來構造電磁致動器。

在一個方面，本發明提供一種包括殼體的電磁致動器，該殼體具有基部，從基部延伸至端面的側壁，以及基本敞開的側部。電磁致動器進一步包括布置在殼體內部的極片，圍繞極片設置並布置在殼體內的線圈，以及可在第一位置與第二位置之間移動的永磁體。永磁體在第一位置與第二位置之間的致動位置與施加至線圈的電流幅值成比例。

在另一方面，本發明提供一種包括電磁致動器的控制閥。電磁致動器包括殼體，該殼體具有基部，從基部延伸至端面的側壁，以及基本敞開的側部。電磁致動器進一步包括布置在殼體內部的極片，圍繞極片設置並布置在殼體內的線圈，以及可在第一位置與第二位置之間移動的永磁體。永磁體在第一位置與第二位置之間的致動位置與施加至線圈的電流幅值成比例。控制閥進一步包括具有至少一個工作埠的閥主體，以及可滑動地容納在閥主體內並耦接至永磁體以隨之致動的閥芯。

本發明的前述和其它方面以及優點將通過下面的描述而顯而易見。在該描述中，參照形成為其一部分的附圖，並且其中通過示例的方式示出了本發明的優選實施例。然而，該實施例不必表示出本發明的全部範圍，並且因此參照權利要求和本文用於詮釋本發明的範圍。

附圖說明

當參考下面的詳細描述後，本發明將更加容易理解並且上述那些之外的特徵、方面和優點將變得顯而易見。該詳細描述參照以下附圖。

圖1是根據本發明一個實施例的電磁致動器的示意示圖。

圖2示出了當沒有電流施加至電磁致動器的線圈時的圖1的電磁致動器的磁通。

圖3示出了當中等電流施加至電磁致動器的線圈時的圖1的電磁致動器的磁通。

圖4示出了當大電流施加至電磁致動器的線圈時的圖1的電磁致動器的磁通。

圖5是根據本發明一個實施例的圖，示出了作用在電磁致動器的永磁體上的吸引力和作用在永磁體上的彈力作為永磁體的位置或衝程的函數。

圖6是圖1的電磁致動器的部分的放大視圖，示出了根據本發明一個實施例的永磁體的一個致動範圍。

圖7是圖1的電磁致動器的部分的放大視圖，示出了根據本發明另一個實施例的永磁體的另一個致動範圍。

圖8是示出了電磁致動器的永磁體的輸出力作為用於圖1的電磁致動器的殼體的變化的外形的永磁體的位置或衝程的函數的圖。

圖9是根據本發明一個實施例的圖，示出施加至電磁致動器線圈的電流作為電磁致動器的永磁體的位置或衝程的函數。

圖10是根據本發明一個實施例的控制閥的頂部、前部、左側的等距視圖。

圖11是圖10的控制閥沿著線10-10截取的截面圖。

具體實施方式

在詳細闡釋本發明的任意實施例之前，應當理解本發明並未將其應用限制在下面描述所闡述或下面附圖所示出的部件的構造和配置的細節。本發明能夠是其它實施例並且能夠以各種方式實踐或實施。而且，應當理解本文使用的用語和術語意在描述並且不應認為是限制。本文使用的「包括」、「包含」或「具有」及其變型意在涵蓋之後所列的項及其等同以及其它項。除非另有指定或限制，術語「安裝」、「連接」，、「支承」和「耦接」及其變型被廣泛地使用並且涵蓋直接和間接的安裝、連接、支承和耦接。此外，「連接」和「耦接」不限制為物理或機械的連接或耦接。

呈現以下討論以使所屬領域技術人員能夠製造並使用本發明的實施例。所示實施例的各種改變對於所屬領域技術人員來說是顯而易見的，而且在不脫離本發明實施例的情況下，本文的一般原理可應用於其它實施例和應用。因此，本發明的實施例並不意在限制於所示實施例，而是被賦予與本文公開的原理和特徵相一致的最寬範圍。下面的詳細描述將參照附圖，其中不同附圖中相同的元件具有相同的附圖標記。該附圖，不必按比例繪製，示出了所選實施例並且不意在限制本發明的實施例的範圍。所屬領域技術人員將認識到本文提供的示例具有很多有用的替換並且落入本發明實施例的範圍內。

本文所使用的術語「在第一位置和第二位置之間」及其變型並不暗指方向性並且可包括，例如，從第一位置向第二位置移動以及從第二位置向第一位置移動。此外，術語「在第一位置和第二位置之間」及其變型並不暗指離散性並且可涵蓋，例如，從第一位置向第二位置移動和/或從第二位置向第一位置移動以及在其之間的所有位置。

圖1示出了根據本發明一個實施例的電磁致動器10。電磁致動器10可包括殼體12，該殼體至少部分地包裝極片14和線圈16。殼體12可由磁性材料(例如，磁性的鋼、鐵、鎳等等)製成並且可限定出大致柱形。在其它實施例中，殼體12根據需要可限定出不同的形狀，例如矩形。殼體12可包括基部18和從基部18延伸的側壁20。如圖1所示，側壁20可從基部18基本垂直地延伸至端面22，其中殼體12可限定出基本敞開的側部24。

極片14可由磁性材料(例如，磁性的鋼、鐵、鎳等等)製成並且可限定為大致柱形。在其它實施例中，極片14根據需要可限定出不同的形狀，例如矩形。極片14可從殼體12的基部18延伸。在所示實施例中，極片14可位於殼體12中心。即，極片14可與殼體12享有共同的縱軸。

線圈16可由例如銅圈製成，其可被構造為響應被施加至線圈16的電流產生磁場，並且由此施加力。由線圈16產生的磁場和力的方向及幅值可由施加至線圈16的電流的方向及幅值來確定。線圈16可圍繞非磁性線軸(bobbin)(未示出)包繞，如所屬領域技術人員所知曉的。線軸(未示出)的緯度可設計為填充極片14、線圈16和殼體12之間的空間，由此將線圈16定位在極片14周圍，如圖1所示。

彈簧26可圍繞極片14的遠端27定位。彈簧26可嚙合永磁體28。彈簧26可耦接至極片14，例如通過從極片14突伸出的切口(未示出)，使得彈簧26可在永磁體28的致動期間伸展和壓縮。應當知曉彈簧26可通過現有技術中已知的另一固定或附接機構耦接至極片14。在另一個實施例中，例如，彈簧26可耦接至線軸(未示出)，而不是極片14。

如圖24所示，當電流被施加至線圈16時，永磁體28和線圈16可作用以感應出穿過電磁致動器10的變化磁通。當沒有電流被施加至線圈16時，如圖2所示，永磁體28可限定出從永磁體28的第一側30(即，北極)行進穿過極片14，圍繞殼體12，並隨後回到永磁體28的第二側32(即，南極)的磁通路徑。在該運行條件下，作用在永磁體28上沿向上方向33的力(即，永磁體28與極片14之間的磁吸引)可以處於最大值。該作用在永磁體28上沿向上方向33的力可由彈簧26作用在永磁體28上沿向下方向35的力平衡(即，彈簧26防止永磁體28磁性附接至極片14)。

當電流被施加至線圈16時，由線圈16產生的磁場開始抵制來自永磁體28的磁通，如圖3所示。在該運行條件下，穿過殼體12和極片14載送的全部磁通可通過由線圈16產生的磁場來減小，這可減小永磁體28上沿向上方向33的力。相較於彈簧26所提供的力，現在作用在永磁體28上的該減小的力可在永磁體28上產生沿向下方向35的淨輸出力，並且因此，永磁體28可沿向下方向35移動至新的平衡位置。

如圖4所示，當施加至線圈16的電流增大至高電平時，線圈16產生的磁場進一步抵制來自永磁體28的磁通。此外，相比於沒有電流被施加至線圈16時殼體12所承載的磁通(圖2)，殼體12承載的磁通的方向可被逆轉。相比於圖2的運行條件，該增大的電流進一步減小了永磁體28上沿向上方向33的力，除了彈簧26提供的力以外，這可在永磁體28上沿向下方向35產生大的淨輸出力。當有電流施加至線圈16時，永磁體28上沿向下方向35的淨輸出力可以使電磁致動器10能夠在第一位置(用圖1中的實線示出)與第二位置(用圖1中的虛線示出)之間成比例地致動永磁體28。應當知曉，在一些非限制性示例中，電磁致動器10可被構造為提供沿向上方向33的輸出力。

相比於目前的電磁致動器(尤其是具有減小氣隙的那些電磁致動器)，以上參照圖2-4描述的變化的磁通路徑能夠使電磁致動器10經受顯著減小的磁通水平。即，由永磁體28所產生的初始磁通路徑(圖2)通過施加電流至線圈16而被逆轉(圖4)，這可提供低得多整體磁通水平。該更低的整體磁通水平可防止磁飽和並且允許使用更小、更薄和/或更輕的部件(例如，殼體12和極片14)來構造電磁致動器10。

如上所述，當電流被施加至線圈16時，作用在永磁體28上沿向上方向33的力(即，永磁體28與極片14之間的磁吸引)可降低。圖5示出了在不同電平的電流施加至線圈16時，作用在永磁體28上沿向上方向33的力作為永磁體28的位置(衝程)的函數的圖。具體地，圖5的圖包括三條線34，36和38，每一條均表示當不同的電流被施加至線圈16時，作用在永磁體28上沿向上方向33的力。線34可表示沒有電流被施加至線圈16，線36可表示中等電平電流被施加至線圈16，並且線38可表示高電平電流被施加至線圈16。圖5的圖還包括線40，其可表示彈簧26所施加的作用在永磁體28上沿向下方向35的力作為永磁體的位置的函數。應當理解，儘管線34、36、38和40在圖5中全部示為「正向」，但這些是絕對值，並且在運行中，彈簧26所施加的力抵制永磁體28與極片14之間的磁吸引。

如圖5所示，當線圈16兩端的電流增大時，作用在永磁體28上沿向上方向33的力的幅值降低(即，線34的幅值大於線36並且線36的幅值大於線38)。然而，在圖5的非限制性示例中，不論施加至線圈16的電流電平，該力的幅值可以總是「正向」或沿向上方向33。當施加至線圈16的電流被移除時，一旦永磁體被致動遠離第一位置，該永磁體28上恆定的「正向」或向上的力可以允許永磁體28自動地返回至第一位置。永磁體28的該自動返回可使電磁致動器10不再需要使用雙繞線圈和/或不必逆轉施加至線圈16的電流方向來將永磁體28返回至第一位置。

為了均衡永磁體28上的「正向」或向上的力，彈簧26可在永磁體28上施加向下的力，其可以隨著永磁體28在第一位置與第二位置之間成比例地致動而減小。彈簧26所施加的均衡力可在永磁體28上產生沿向下方向35的淨輸出力，並且可防止電磁致動器10在小電流時必須克服初始吸引力，或「死」區。

繼續參照圖5，線34，36和38中的每一條可限定出相對於永磁體28的位置基本平穩，或基本恆定的永磁體28上沿向上方向33的力。由線34，36和38限定的基本平穩的力的輪廓能夠使電磁致動器10能夠相對於施加至線圈16的電流成比例地致動永磁體28。即，永磁體28在第一位置與第二位置之間的致動位置可與施加至線圈16的電流幅值成比例。

回到圖6和7，永磁體28在電磁致動器10的第一位置(實線)與第二位置(虛線)之間的致動比例可通過殼體12的適當的幾何設計來實現，如將要在下文詳細描述的。當永磁體28從第一位置致動至第二位置時，致動範圍或衝程DA可定義為永磁體28在第一與第二位置之間行進的距離。在圖6所示的一個實施例中，一旦永磁體28到達第二位置，永磁體28的第二側32可稍微延伸超過殼體12限定的端面22。在圖7所示的另一個實施例中，一旦永磁體28到達第二位置，永磁體28的第二側32可與殼體12限定的端面22基本平齊。

當永磁體28位於第二位置時，延伸距離DE可被定義為永磁體28的第二側32與殼體12的端面22之間的距離。永磁體28的致動與施加至線圈16的電流之間的比例可通過延伸距離DE與致動範圍DA之間的幾何關係來調節。具體地，比例率PR可被定義為延伸距離DE與致動範圍DA的比率。比例率PR範圍可從大約0(圖7)至近似大於0的值(圖6)。在一個實施例中，比例率PR可以在大約0至1之間。在又一個實施例中，比例率PR可以在大約0至0.5之間。在另一個實施例中，比例率PR可以在大約0至0.2之間。

圖8示出了比例率PR相對於永磁體28的成比例致動的重要性。具體地，圖8示出了永磁體28上的輸出力作為用於變化比例率PR的永磁體28的位置或衝程的函數的圖的一個非限制性示例。應當知曉，當永磁體28位於第二位置時對於永磁體28的第二側32的給定位置來說，比例率PR可通過改變殼體12的端面22的位置來改變。即，側壁20從殼體12的基部18伸出的長度可改變端面22的位置並進而改變延伸距離DE。

圖8的線42表示當比例率PR介於大約0至1之間時永磁體28上的輸出力作為用於電磁致動器10的永磁體28的位置的函數的示例性實施例。如圖8所示，線42可限定出相對於永磁體28的位置基本平穩的力的輪廓，如上所述，這能夠使電磁致動器10響應於施加至線圈16的電流成比例地致動永磁體28。圖8的線44可表示當殼體12的端面22大致平行於極片14的遠端27時輸出力與永磁體28的位置之間的關係。在該示例中，殼體12的側壁20沒有延伸足夠的長度並且比例率PR可以大於大約1.5。如圖8所示，線44沒有限定出基本平穩的力的輪廓，並且因此沒有展示出永磁體28的致動與施加至線圈16的電流之間的比例關係。此外，相比於線42限定的示例性實施例，線44所限定的輸出力幅值顯著減小。圖8的線46可表示當端面22被定位為遠超出永磁體28時，輸出力與永磁體的位置之間的關係。在該示例中，殼體12的側壁20延伸足以超出永磁體28並且比例率PR可大於大約1.5。如圖8所示，線46沒有限定出基本平穩的力的輪廓，並且因此可能沒有展示出永磁體28的致動與施加至線圈16的電流之間的比例關係。此外，相比於線42限定的示例性實施例，線46所限定的輸出力幅值的顯著減小。

應當理解儘管圖8的線44和46表示具有相似比例率PR值的殼體設計，但是它們表示不適當殼體設計的不同情況。即，線44表示其中側壁20沒有從基部18延伸出足夠的距離以將端面22布置在提供比例關係的範圍內的殼體設計。相反地，線46表示其中側壁20從基部18延伸出太遠並且將端面22布置得超過永磁體28太遠而無法提供比例關係的殼體設計。因此，這兩個殼體設計中側壁20太短以及太長，這可導致不成比例。然而，如果限定在殼體12與永磁體28的致動之間的比例率PR介於期望範圍中的一個之間，如上所述，則電磁致動器10可與施加至線圈16的電流在第一位置與第二位置之間成比例地致動永磁體28並提供增大的輸出力。

圖9示出了施加至線圈16的電流與永磁體28的致動位置或衝程之間關係的一個非限制性示例。如圖9所示，對於施加至線圈16的每一等級電流來說，永磁體28可以有相應的位置。因此，永磁體28的致動位置可與施加至線圈16的電流成比例。這可不同於雙穩態或開關致動器的運行。典型地，雙穩態或兩位置(two-position)致動器只能夠在一個位置或另一個位置並且不在兩者之間運行。因此，一旦施加至線圈的電流足以致動銜鐵，那麼雙穩態致動器的電流-位置曲線是平穩的。在雙穩態致動器中一旦達到足夠的電流，銜鐵便以恆定電流致動，並且因此無法成比例致動。

使用以上標識的技術或特性設計或構造的上述電磁致動器10或其它電磁致動器的示例性優點將參照電磁致動器10的運行和圖1-9來論述。本發明提供的多個優點決非是下面的窮舉列表，如所屬領域技術人員理解的。

運行時，電磁致動器10的永磁體28可耦接至期望被致動的構件(例如，閥中的芯(spool)，或其中期望機械運動的任意其它系統)。殼體12可被剛性地固定使得殼體12無法相對於永磁體28移動。如上所述，永磁體28可在第一位置與第二位置之間與施加至線圈16的電流量成比例地被致動。這能夠使電磁致動器10能夠例如響應於電子輸入改變芯上孔的尺寸。在該非限制性示例中，當芯上的孔需要關閉時，到線圈16的電流可減小至零，並且由於永磁體28上淨正向或向上的力(圖5)，永磁體28可自動返回至第一位置。

可使用簡化的形狀和部件來構造電磁致動器10，相比於電流型電磁致動器，簡化的形狀和部件能夠允許使用較大的氣隙來設計電磁致動器10。本領域熟知氣隙在磁路中可起到類似電阻的作用，並且因此由於電磁致動器10中相對大的氣隙，當相比於當前的電磁致動器的銜鐵時，永磁體28會經手顯著減小的側邊負載(即，基本垂直於致動方向的力)。

電磁致動器10中僅有的移動部件可以是永磁體28和彈簧26。相反於銜鐵典型地沿著鄰近線圈的表面滑動的當前的電磁致動器，永磁體28可基本遠離線圈16(即，鄰近極片14的遠端27)設置並可以不需要沿著電磁致動器10內的表面滑動。當相比於當前的電磁致動器時，這可以顯著地降低電磁致動器10所承受的滑動摩擦。相比於當前的電磁致動器，減小滑動摩擦可延長電磁致動器10的生命周期。

如上所述，在一些非限制性應用中，電磁致動器10可耦接至芯(spool)以用於所述芯的致動。圖10示出了其中電磁致動器10集成到控制閥100中的一個非限制性示例。如圖10和11所示，電磁致動器10可耦接至控制閥100的閥主體102。在所示的非限制性示例中，包膠模具(overmold)104可被包塑(overmold)在電磁致動器10的殼體12和閥主體102的頂端106上。應當知曉包膠模具是一個非限制性的耦接機構，並且可實施其它耦接機構(例如，夾持、互鎖等)來耦接電磁致動器10和閥主體102。閥主體102包括沿著閥主體102縱向間隔的一個或多個工作埠108。閥芯110能夠可滑動地容納在閥主體102內並耦接至永磁體28以隨該永磁體致動。閥芯110可包括一個或多個芯切口111，芯切口可被位移以便在一個或多個工作埠108之間選擇性地提供流體通路。在所示的非限制性示例中，永磁體28可限定耦接凹槽112，耦接凹槽構造為容納耦接機構114。耦接機構114可將永磁體28耦接至閥芯110以便使閥芯110能夠隨永磁體28致動。

永磁體28可至少部分被磁體外殼116包裝。磁體外殼116可由非磁性材料(例如，塑料、不鏽鋼、鋁、碳纖維、黃銅等)製成。磁體外殼116可便於耦接永磁體28和閥芯110。然而，應當知曉，在一些非限制性示例中，閥芯110可被直接耦接至永磁體28並且可不包括磁體外殼116。如上所述，永磁體28可被彈簧26沿向下方向35偏置。彈簧26可嚙合從極片14突伸出的切口118。切口118可用作彈簧26的擋塊以便於彈簧26偏置永磁體28。線圈16可至少圍繞布置在殼體12內的線軸120布置。

運行時，響應於施加至線圈16的電流，電磁致動器10可在第一位置與第二位置之間成比例地致動永磁體28，並且進而致動閥芯110。這能夠使閥芯110能夠在一個或多個工作埠108之間選擇性地提供流體通路。此外，電磁致動器10的比例關係使得能夠通過改變施加至線圈16的電流量而使控制閥100選擇性地改變限定在工作埠108與芯切口111的相應對之間的孔的尺寸。這能夠使電磁致動器10能夠選擇性地控制流過控制閥100或由控制閥100提供的流體量。

應當知曉控制閥100的結構和設計並不意味著以任意的方式限制。即，電磁致動器10可在需要部件的受控致動的各種應用中使用。

儘管以撰寫上清楚且簡明的說明方式描述了本具體實施例，但是意在並應當理解這些實施例在不脫離本發明的情況下可以被各種組合或分解。例如，應當理解本文描述的所有優選特徵適用於本文描述的本發明的所有方面。

因此，儘管已經結合具體實施例和示例描述了本發明，但本發明不必受制於此，並且源於這些實施例、示例和用途的多種其它實施例、示例、用途、修改和剝離意在由附屬於此的權利要求所涵蓋。本文引用的每個專利和公開物的全部公開內容通過引用的方式併入，就像每個該專利或公開物通過引用的方式單獨併入本文。

本發明的各個特徵和優點在下面的權利要求中闡述。