CN107204227A - 用于电磁致动器的***和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种电磁致动器，该电磁致动器具有耦接至该电磁致动器的衔铁的永磁体。该电磁致动器包括壳体、布置在壳体内并由端板固定的极片，以及具有衔铁和耦接至衔铁的永磁体的衔铁组件。该衔铁可在第一位置与第二位置之间移动。该电磁致动器还包括围绕衔铁组件定位并布置在壳体内的线圈。衔铁在第一位置与第二位置之间的致动位置与施加至线圈的电流的幅值成比例。

Description

用于电磁致动器的***和方法

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年3月17日提交的且题为“(Systems and Methods for anElectromagnetic Actuator用于电磁致动器的***和方法)”的美国临时专利申请62/309,505，要求其优先权并将其全部内容通过引用的方式并入本文。

关于联邦政府资助的研究的声明

不适用。

背景技术

本公开通常涉及电磁致动器，并且更具体地，涉及具有永磁体的可变力螺线管(variable force solenoid)。

电磁致动器(例如，可变力螺线管)典型地包括布置在壳体内部并围绕可动衔铁的线圈。可在线圈上施加电流以产生磁场，该磁场可随后相对于壳体致动(即，移动)可动衔铁。当前的趋势趋向于改善电磁致动器的输出力和效率；然而，这需要通过，例如，减小电磁致动器内部的气隙来降低磁损。减小电磁致动器内部的气隙会导致逐渐增高的初始磁通(例如，插针完全回缩进螺线管壳体内)，因为磁路的磁阻在所有运行条件下可以更低。作为减小气隙结果，更高的初始磁通需要承载磁通的零部件(例如，壳体，衔铁等)以便需要更多的区域(例如，增加的厚度，更大的直径等)来防止磁饱和。增加磁通承载部件的区域会导致由于额外的材料而增加成本，并且还需要更多的空间，这违背了所期望的使电磁致动器更小的结果。

此外，减小气隙会极大地紧缩公差(tolerance)和间隙(clearance)，对于制造目的来说，这会过度地增加成本。此外，如果衔铁没有完全被保持在中心，则减小气隙会导致高的侧承载力(即，基本垂直于所期望致动方向的力)。

发明内容

本发明提供一种电磁致动器，其具有耦接至电磁致动器的衔铁的永磁体。该永磁体可提供贯穿电磁致动器的减小的磁通，由此使电磁致动器能够采用更小的磁通承载部件。该永磁体还可用作输出力增强器(即，当相比于没有永磁体的电磁致动器时，增大电磁致动器的输出力)，使电磁致动器能够采用更少的安培匝(即线圈中更少的铜绕组)来实现(与没有永磁体的电磁致动器)相似的性能。

在一方面，本发明提供一种电磁致动器，包括壳体、布置在壳体内并由端板固定的极片、以及具有衔铁和耦接至衔铁的永磁体的衔铁组件。衔铁可在第一位置与第二位置之间移动。电磁致动器进一步包括围绕衔铁组件定位并布置在壳体内部的线圈。衔铁在第一位置与第二位置之间的致动位置与施加至线圈的电流的幅值成比例。

本发明的前述和其它方面以及优点将通过下面的描述而显而易见。在该描述中，参照形成为其一部分的附图，并且其中通过示例的方式示出了本发明的优选实施例。然而，该实施例不必表达出本发明的全部范围，并且因此参照权利要求和本文用于诠释本发明的范围。

附图说明

当参考下面的详细描述后，本发明将更加容易理解并且上述那些之外的特征、方面和优点将变得显而易见。该详细描述参照以下附图：

图1是根据本发明一个实施例的电磁致动器的底部、前部、左侧的等距视图。

图2是图1的电磁致动器的分解的左侧、前部、底部的等距视图。

图3是图1的电磁致动器被提取部分截面的分解的左侧、前部、底部的等距视图。

图4是图1的电磁致动器沿着线4-4截取的截面图。

图5是根据本发明一个实施例的图示，其示出了作用在图1的电磁致动器的衔铁上的输出力作为衔铁在变化电流幅值下的位置或冲程的函数。

图6是根据本发明一个实施例的图示，其示出了图1的电磁致动器和不具有永磁体的电磁致动器的输出力作为位置或冲程的函数。

图7示出了当大电流施加至电磁致动器线圈上时图1的电磁致动器的磁通。

图8是根据本发明一个实施例的图示，其示出了在变化电流幅值下图1的电磁致动器和不具有永磁体的电磁致动器的磁通作为位置或冲程的函数。

图9是根据本发明一个实施例的电磁致动器的底部、前部、右侧的等距视图。

图10是图9的电磁致动器沿着线9-9截取的截面图。

具体实施方式

在详细阐释本发明的任意实施例之前，应当理解本发明并未将其应用限制在下面描述所阐述或下面附图所示出的部件的构造和配置的细节。本发明能够是其它实施例并且能够以各种方式实践或实施。而且，应当理解本文使用的用语和术语意在描述并且不应认为是限制。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型意在涵盖之后所列的项及其等同以及其它项目。除非另有指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支承”和“耦接”及其变型被广泛地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支承和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限制为物理或机械的连接或耦接。

呈现以下讨论以使所属领域技术人员能够制造并使用本发明的实施例。所示实施例的各种改变对于所属领域技术人员来说是显而易见的，而且在不脱离本发明实施例的情况下，本文的一般原理可应用于其它实施例和应用。因此，本发明的实施例并不意在限制于所示实施例，而是被赋予与本文公开的原理和特征相一致的最宽范围。下面的详细描述将参照附图，其中不同附图中相同的元件具有相同的附图标记。该附图，不必按比例绘制，示出了所选实施例并且不意在限制本发明的实施例的范围。所属领域技术人员将认识到本为提供的示例具有有用的替换并且落入本发明实施例的范围内。

本文所使用的术语“在第一位置和第二位置之间”及其变型并不暗指方向性并且可包括，例如，从第一位置向第二位置移动以及从第二位置向第一位置移动。此外，术语“在第一位置和第二位置之间”及其变型并不暗指离散性并且可涵盖，例如，从第一位置向第二位置移动和/或从第二位置向第一位置移动以及在其之间的所有位置。

图1示出了根据本发明一个实施例的电磁致动器10。在一些非限制性示例中，电磁致动器10可以是可变力螺线管。如图1和2所示，电磁致动器10可包括构造为容纳线管(bobbin)14和衔铁组件16的壳体12。壳体12可由磁性材料(例如，磁性的钢、铁、镍等等)制成并且可限定出大致柱形。在其它实施例中，壳体12根据需要可限定出不同的形状，例如矩形。壳体12可被部分容纳在包胶模具(overmold)17中。线管14可由非磁性材料(例如，塑料)制成。

衔铁组件16可包括衔铁18、推动销20和永磁体22。衔铁18可由磁性材料(例如，磁性的钢、铁、镍等等)制成并且可限定出大致柱形。衔铁18可包括周向围绕衔铁18的外周布置的多个轴承槽24。多个轴承槽24中的每一个可在衔铁中限定出径向凹槽，该径向凹槽从衔铁18的第一端26轴向延伸到在衔铁18的第一端和第二端28之间的一位置。多个轴承槽24中的每一个构造为将相应的轴承30容纳在其中以便在衔铁18致动期间减小摩擦。

推动销20可耦接至衔铁18以用于随其致动，并且可从衔铁18的第二端28突出。永磁体22限定为大致环形并且包括推动销20可从其突出的中心孔32。应当知晓，在其它实施例中，永磁体22可不包括中心孔32。永磁体22可耦接至衔铁18的第二端28以用于随其致动。在一些实施例中，永磁体22可附接至衔铁18的第二端28，例如通过粘合物。在其它实施例中，永磁体22可以可移除地耦接至衔铁18的第二端28，例如通过永磁体22与衔铁18之间的磁性吸引。在又一些其它实施例中，永磁体22可不耦接至衔铁18的第二端28并且相对集成到衔铁18中第二端28附近。

包胶模具17可由非磁性材料(例如，塑料)制成并且可包括一对相对的安装孔33。该对相对的安装孔33可被构造为容纳安装元件(未示出)用以在安装期间将电磁致动器10固定至一表面。

继续参照图2，电磁致动器10可包括弹簧34，螺线管筒(solenoidtube)36，极片38，和端板40。弹簧34可布置在衔铁18与螺线管筒36之间并且可被构造为从经延伸或致动位置回缩衔铁18并由此回缩推动销20。应当认识到，在一些安装中，推动销20可从经延伸或致动位置(例如，通过外力作用)自动回缩。在这些安装中，弹簧34可不包含在电磁致动器10中。

螺线管筒36可由磁性材料(例如，磁性的钢、铁、镍等等)制成并且可限定出大致柱形。螺线管筒36可构造为容纳衔铁组件16。极片38可由磁性材料(例如，磁性的钢、铁、镍等等)制成并且可限定为大致环形。极片38可包括极孔42，凸缘部44，以及锥形面46。极孔42的维度可设计为容纳螺线管筒36。凸缘部44可径向向外延伸并且锥形面46可从凸缘部44沿远离端板40的方向上轴向延伸。端板40可被构造为将线管14和极片38固定在壳体12内。端板40可由磁性材料(例如，磁性的钢、铁、镍等等)制成并且可限定为大致环形。端板40可包括维度设计为容纳螺线管筒36的板孔48。

转向图3，电磁致动器10可包括布置在壳体12内部的线圈50。线管14可限定出线圈凹槽52，线圈凹槽的维度设计为将线圈50定位在壳体12内，由此当组装时，线圈50围绕衔铁组件16延伸。线圈50可由例如铜线圈制成，其可被构造为响应于被施加至线圈50的电流产生磁场，并进而施加力。由线圈50产生的磁场和力的方向及幅值可由施加至线圈50的电流的方向及幅值来确定。

衔铁18可限定出中心孔53，该中心孔从第一端26穿过衔铁18纵向延伸至第二端28。推动销20可被容纳在衔铁18的中心孔53内由此将推动销20耦接至衔铁18。衔铁平台54在螺线管筒36邻近极片38的端部处径向向内延伸。衔铁平台54限定出销孔56，在电磁致动器10运行期间，推动销20可穿过销孔56伸出和回缩。

当组装电磁致动器10时，如图3所示，衔铁组件16可以可滑动地容纳在螺线管筒36中。螺线管筒36和衔铁组件16可被固定在壳体12的壳体孔58中并由线圈50环绕。线圈50可通过线管14固定在壳体12内，并且极片38可通过线管14和端板40围绕邻近衔铁平台54的螺线管筒36固定。随着极片38围绕螺线管筒36固定，当锥形面46从凸缘部44沿远离端板40的方向延伸时，其逐渐变尖。

如图4最佳所示，衔铁18和永磁体22可以为同心(即，共享由衔铁18限定的共用纵轴)。衔铁18可限定出衔铁厚度T_a和衔铁体积V_A。类似地，永磁体22可限定出磁体厚度T_m和磁体体积V_m。

在运行中，电磁致动器10可与控制器(未示出)通信，该控制器可被配置为以期望的幅值并在与线圈50的期望的方向上施加电流。响应于施加至线圈50的电流，衔铁18并且进而永磁体22和推动销20可在第一位置(实线)与第二位置(虚线)之间可移动。也就是说，通过向线圈50施加电流所产生的磁场可在第一位置与第二位置之间对衔铁18施加力。衔铁18在第一位置与第二位置之间的致动可产生输出力(即，作用在衔铁18上并且进而作用在推动销20上的力，沿向下的方向60)，例如，该力由推动销20施加。

电磁致动器10的构造能够使衔铁18能够与施加至线圈50的电流幅值成比例地被致动。图5示出了沿向下的方向作用在衔铁18上的输出力作为衔铁18在施加至线圈50的变化电流幅值下的位置(冲程)的函数的图示。具体地，图4的图示包括四条线62，64，66和68，每一条均表示当不同幅值的电流被施加至线圈50时，沿向下方向60作用在衔铁18上的输出力。线62可表示没有电流施加至线圈50，线64和66可表示中等电流，线66表示比线64更大的电流，施加至线圈50，并且线68可表示高电平电流施加至线圈50。

如图5所示，衔铁18上沿向下方向60的输出力可随着施加至线圈50的电流幅值的增大而增大(即，线68大于线66的幅值，线66大于线64的幅值，等等)。此外，线62，64，66和68中的每一条限定出相对于衔铁18的位置(冲程)基本平稳，或基本恒定的衔铁18上沿向下方向60的输出力。由线62，64，66和68限定的基本平稳的输出力曲线可与衔铁18的致动相对于施加至线圈50的电流幅值的比例相关。换句话说，施加至线圈50的电流幅值可确定出衔铁18在第一位置与第二位置之间的位置。

除了通过电磁致动器10实现的衔铁18致动的比例以外，当相比于没有永磁体22的电磁致动器时，使用附接至衔铁18的永磁体22能够使电磁致动器10能够提供增大的输出力。该增大的输出力在图6的图示中示出，其示出了电磁致动器10(即，具有永磁体22的衔铁18上的输出力)的输出力和位置(冲程)与不具有永磁体22的电磁致动器之间的关系。具体地，图6的图示包括线70和线72，线70可表示具有施加至线圈50的大电流的电磁致动器10的输出力，并且线72可表示具有施加至线圈的相同大电流的而不具有永磁体22的电磁致动器的输出力。如图6所示，在第一位置与第二位置之间的基本全部致动范围上，线70的幅值显著大于线72的幅值。增大的输出力尤其在致动范围的端部(即，邻近第二位置)是突出的，在该处线70的幅值大致比线72大10倍。明确地，永磁体22为电磁致动器10提供了增大的输出力。这可以使电磁致动器10的线圈50具有较少的安培匝(即，线圈50中较少的铜绕组)来实现与不具有永磁体22的电磁致动器相似的性能。由此，为实现相似的性能，电磁致动器10可需要较少的铜，降低了成本，而且尺寸可以更小。当电流施加至线圈50时，永磁体22还可感应穿过电磁致动器10的磁性部件的变化磁通。当对线圈50施加大电流并且衔铁18位于第二位置时，如图7所示，由线圈50产生的磁通可部分被由永磁体22产生的磁通消除。具体地，由线圈50产生的磁通可限定磁通路径，其穿过衔铁18进入到极片38中并随后围绕端板40和壳体12。由线圈50产生的该路径可被由永磁体22产生的磁通消除，其可限定出源自永磁体22并且沿相比于由线圈50限定的磁通路径的方向相反的方向行进的磁通路径。

消除由永磁体22提供的线圈50的磁通可导致电磁致动器10的所有磁性部件中减小的磁饱和。即，永磁体22可用于防止电磁致动器10的磁性部件中的磁饱和，其能够允许使用更小/更薄/更轻的磁性部件(例如，壳体12，端板40，极片38，等等)。

图8中可进一步示出通过在电磁致动器10中使用永磁体22所提供的减小的磁通水平。图8示出了在变化电流幅值下电磁致动器10和不具有永磁体22的电磁致动器的磁通作为位置或冲程的函数。具体地，图8的图示包括线74和76，其可表示穿过电磁致动器10的磁通，以及线78和80，其可表示穿过不具有永磁体22的电磁致动器的磁通。线74可表示没有电流施加至线圈50，而线76可表示大电流施加至线圈50。线78可表示没有电流施加至线圈，而线80可表示相同的大电流施加至没有永磁体22的电磁致动器的线圈。

如图8所示，当没有电流施加至线圈50时，永磁体22可在电磁致动器10中感应负磁通，如线74所示。此外，上述通过永磁体22消除线圈50所产生的磁通可通过相比于不具有永磁体22的电磁致动器(线80)而由电磁致动器10(线76)在第一位置与第二位置之间的全部致动范围上所产生的显著减小的磁通水平来示出。由此，使用永磁体22使电磁致动器10能够在全部电流范围和全部致动范围上提供减小的磁通水平。

由电磁致动器10的永磁体22所提供的减小磁通水平可通过衔铁18和永磁体22的适合的几何设计来实现。即，下述的特定几何比例可以使电磁致动器10能够实现改善的性能特性，并且如果设计落在这些比例以外，则可对性能造成负面影响。减小的磁通水平可由衔铁厚度T_a，衔铁体积V_a，磁体厚度T_m和磁体体积V_m之间的几何关系来调节。即，厚度比率R_t可被定义为衔铁厚度T_a与磁体厚度T_m的比率，并且体积比率R_v可被定义为衔铁体积V_a与磁体体积V_m的比率。在一些实施例中，厚度比率R_t可大于大约3，并且体积比率R_v可大于大约3。在其它实施例中，厚度比率R_t可在大约8与18之间，并且体积比率R_v可在大约8与18之间。在又一些其它实施例中，厚度比率R_t可在大约10与15之间，并且体积比率R_v可在大约10与15之间。

上述的电磁致动器10可在推动销20处沿向下的方向60提供输出力。换句话说，电磁致动器10可以是推致动器，其中推动销20可被构造为沿推动或向下的方向60提供输出力。应当理解电磁致动器10可被构造为拉致动器。即，在一些非限制示例中，电磁致动器10可被构造为在推动销20上沿向上的方向100提供输出力。在该非限制示例中，衔铁18以及进而推动销20可在第一位置(实线)与第二位置(虚线)之间可移动。随着衔铁18以及进而推动销20在第一位置与第二位置之间移动，推动销20可回缩进壳体12中。

如图9和10所示，相比于图1-8的推致动器，永磁体22的位置可以改变。在图9和10的非限制性示例中，电磁致动器10包括耦接至衔铁18第一端26而不是图2-4中所示的第二端28的永磁体22。此外，弹簧34可与衔铁18的第一端26啮合并且可被构造为与磁拉力的方向相反地偏置衔铁。该布置提供了相同的输出力和减小的磁通水平的优点，如上所述，但是作为拉力致动而非推致动器运行。

尽管以撰写上清晰简洁的说明方式描述了本具体实施例，但是意在并应当理解这些实施例在不脱离本发明的情况下可以是多种组合或分解。例如，应当理解本文描述的所有优选特征适用于本文描述的本发明的所有方面。

因此，尽管已经结合具体实施例和示例描述了本发明，但本发明不必受制于此，并且源于这些实施例、示例和用途的多种其它实施例、示例、用途、修改和剥离意在由附属于此的权利要求所涵盖。本文引用的每个专利和公开物的全部公开内容通过引用的方式并入，就像每个该专利或公开物通过引用的方式单独并入本文。

本发明的各个特征和优点在下面的权利要求中阐述。

Claims (21)

1.一种电磁致动器，包括：

壳体；

布置在所述壳体内部的极片；

衔铁组件，所述衔铁组件包括衔铁和耦接至所述衔铁的永磁体，其中所述衔铁能够在第一位置与第二位置之间移动；

围绕所述衔铁组件定位并布置在所述壳体内的线圈；以及

其中所述衔铁在所述第一位置与所述第二位置之间的致动位置与被施加至所述线圈的电流的幅值成比例。

2.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体限定出磁体厚度并且所述衔铁限定出衔铁厚度。

3.根据权利要求2的电磁致动器，其中所述衔铁厚度与所述磁体厚度的比率大于大约3。

4.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体限定出磁体体积并且所述衔铁限定出衔铁体积。

5.根据权利要求4的电磁致动器，其中所述衔铁体积与所述磁体体积的比率大于大约3。

6.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述极片包括凸缘部和锥形面。

7.根据权利要求6的电磁致动器，其中所述凸缘部径向向外延伸并且所述锥形面从所述凸缘部沿远离端板的方向轴向延伸。

8.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述衔铁组件可滑动地容纳在螺线管筒内，并且其中所述螺线管筒容纳在由所述壳体限定的壳体孔中。

9.根据权利要求8的电磁致动器，其中所述螺线管筒包括衔铁平台，所述衔铁平台在螺线管筒邻近所述极片的端部处径向向内延伸。

10.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述衔铁组件进一步包括耦接至所述衔铁的推动销。

11.根据权利要求10的电磁致动器，其中所述推动销构造为响应于所述衔铁在所述第一位置与所述第二位置之间的移动从所述壳体伸出以及回缩到所述壳体中。

12.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体耦接至所述衔铁的第二端。

13.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体耦接至所述衔铁的第一端。

14.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体可移除地耦接至所述衔铁。

15.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体集成到所述衔铁中。

16.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述永磁体通过粘合物附接至所述衔铁。

17.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述衔铁包括多个轴承孔，每一个轴承孔构造为容纳轴承并周向地围绕衔铁的外周布置，所述多个轴承孔中的每一个轴承孔在所述衔铁中限定径向凹槽，所述径向凹槽从所述衔铁的第一端轴向延伸至所述衔铁的第一端与第二端之间的一位置。

18.根据权利要求1的电磁致动器，进一步包括与所述衔铁啮合的弹簧，当将电流从所述线圈移除时，所述弹簧将所述衔铁从所述第二位置回缩至所述第一位置。

19.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述电磁致动器为成比例的可变力螺线管。

20.根据权利要求1的电磁致动器，其中所述壳体、所述衔铁和所述极片由磁性材料制成。

21.根据权利要求1的电磁致动器，进一步包括端板，所述端板固定至所述壳体以便将所述极片、所述线圈和所述衔铁组件中的至少一个保持在所述壳体内。