CN1457544A - 具有比例螺丝管型特性的长行程线性音圈致动器 - Google Patents

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Abstract

一种音圈致动器，它提供了一个比例螺线管型特性，其中第一和第二磁铁被配置在第一软磁极杆的不同端并在相反方向中被磁化。第一软磁极杆的长度大于第一磁铁的长度和第二磁铁的长度。一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，并被配置使能够沿第一软磁极杆和第一和第二磁铁的公共轴线移动，一个结构，在第一和第二磁铁的自由端之间提供一个磁通路。

Description

具有比例螺丝管型特性的长行程线性音圈致动器
相关申请
本申请按照35U.S.C.§119(e)规定，要求2001年2月27日申请的，临时申请号为60/271,902的专利申请的优先权。
背景技术
一般长行程圆柱形线性音圈致动器10，是由一个外壳12，一个长轴磁化磁铁14，一个短软磁极16和一个长重线圈18组成，如图1所示。图1提供了这样一个具有开口端的传统圆柱形致动器的纵截面视图的一半。最底下的水平线是致动器的中心线。图1的致动器通常具有钟形的力对行程曲线，如图2所示。不过，在行程起点上要求最大力的各种应用中，需要有不同的设计。这样一个致动器的力对行程特性曲线将是直线的，类似于比例螺线管。不过，比例螺线管的力对行程特性曲线的斜率是由一个弹簧确定的，比例螺线管是单向性元件。因此，需要线性音圈致动器设计，它具有线性的力对行程特性曲线，它不依赖于这样特性的弹簧，它的操作是双向的。
本发明概述
上述要求可通过本发明的音圈致动器得到满足，它包括第一和第二磁铁，一个第一软磁极杆，它的长度大于第一磁铁和第二磁铁的长度，其中，第一和第二磁铁被配置在第一软磁极杆的不同端并在相反方向上被磁化，一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，它被配置得可沿第一软磁极杆和第一和第二磁铁的公共轴线移动，一个结构，它在第一和第二磁铁的自由端之间提供一个磁通路。
在本发明的闭口端实施例中，一个磁渗透材料的外壳配置在第一和第二磁铁和第一软磁极杆的周围并与第一和第二磁铁的自由端连接。一些缝口配置在外壳中，通过它们，线圈组件可以和负载连接。在闭口端实施例中，第一和第二磁铁可以具有基本上相同的长度。
在本发明的开口端实施例中，第二软磁极配置在第一磁铁的自由端上，磁渗透材料的外壳被配置在第一和第二磁铁，和第一和第二软磁极杆的周围，从而一个开口端被提供在第二软磁极杆上，外壳与第二磁铁的自由端接触。
本申请的线性音圈致动器，如下所述，它可以被认为是在螺线管和音圈致动器技术之间搭了一个桥。这样一个致动器的力对行程特性是直线的，朝向运动方向倾斜。但是这里没有弹簧，运动方向可以通过加在线圈上的电压极性的简单便化而改变。不象螺线管，由于致动器的移动部分没有任何磁性材料，这里就没有磁滞现象。
由于本申请的线性音圈致动器使用较少量的永久磁铁材料，它的成本就比传统的(现有技术)同样行程的致动器要低。
本发明的这些和其它一些优点，通过下面的本发明的详细描述和附图将更容易理解。
附图的简短描述
图1是具有一个开口端的传统圆柱形致动器的简化的一半纵截面图。
图2是图1的致动器的一般的力对行程曲线图。
图3是本发明闭口端圆柱形致动器的简化的，一半纵截面视图。
图4是从左到右和从右到左移动的图3的闭口端圆柱形致动器的力对行程的曲线图。
图5是本发明开口端圆柱形致动器的简化的纵截面视图。
图6是线圈的不同安匝数的图5的开口端圆柱形致动器的力对行程曲线。
本发明的详细描述
根据本发明，具有比例螺线管型特性的长行程音圈致动器的两种不同结构被描述：一个闭口端设计，和一个开口端设计。
本发明的闭口端结构20示于图3的一半纵截面图中，这个结构包括一个外壳22，它有两个纵长的缝(未示出)，以便从线圈组件(未示出)引出机械连接到负载(未示出)，两个同样长度的永久磁铁24和26，它们在相反方向中被磁化，一个长软磁极杆28，一个适于伺服应用的短而轻的线圈30。在图3中，两个磁铁的长度与致动器的长轴线平行，两个磁铁的磁化极性用箭头和字母“N”表示。在这样一个致动器的空气隙中磁通密度的法线分量是恒定的，通过整个行程，只有少量落在行程的始端和末端。在两个方向移动的这个致动器的力对行程特性曲线如图4所示。
因此，从图4中可以看出，磁极杆28的长度比磁铁24或26的长度大几倍。磁铁24配置在磁极杆28的一端，磁铁26配置在磁极杆的另一端。在图4所示的实施例中，磁铁24和26的北极N，通过磁极杆28，彼此面对面地被分开。可以理解，其它磁极杆取向可以被利用，例如磁铁24和26可以被配置，使得它们的南极S，通过磁极杆28而被彼此面对面地分开。
外壳由磁渗透材料制成，它包围住线圈30，永久磁铁24，26和磁极杆28。外壳22的一端32与磁铁24的自由端相邻，外壳22的端34与磁铁26的自由端相邻。在最佳实施例中，永久磁铁24，26分别与外壳22的端部32和34直接接触。不过，可以理解，其它连接结构可以用在磁铁24，26和外壳22之间，而在本发明的精神内。同样可以理解，其它从线圈组件到负载的机械连接可以被采用，例如是通过致动器末端32或34的孔或缝。
由于在闭口端设计中线圈组件到负载的连接有时是困难的，所以/开口端设计就比较好。在这个开口端元件的空气隙中磁通密度的法线分量在大多数行程中也应该是恒定的。这样一个设计在图5中表示，它提供了一个本发明的开口端设计的截面。
结构40的特点是包括两个永久磁铁42和44，它们长度不同，在相反方向中被磁化。一个软磁极杆46，一个短软磁极杆48，它被用作磁路的返回通路的一部分。线圈50短而轻，它被配置在线圈基座51的周围。磁极杆48和磁极杆46的长度之间的最合适的比可以被确定，永磁铁42和永久磁铁44的长度之间的合适比可以被建立，这种比的一个是一半——1∶2。
从图5可以看到，外壳52具有一个闭口端54和一个开口端56。永久磁铁42被配置得使其一个磁极与长磁极杆46的一端相邻，永久磁铁44被配置得与长磁极杆46的另一端相邻。如果磁铁42的北极N朝向长磁极杆46，则磁铁44也被配置成使它的北极N，朝向长磁极杆46；反之亦然。短磁极杆48被配置得与磁铁44的自由端相邻，从而其自由端被配置在外壳52的开口端56中。磁铁42的自由端被配置得与外壳52的闭口端54相邻。本发明的开口端结构40的最佳实施例中，永久磁铁42的自由端直接与外壳52的闭口端54接触，不过，在本发明的精神内，其它连接方式也可以被采用。
在本发明的开口端结构40的一个实施例中，磁铁44是磁铁42的长度的两倍，短磁极杆48的长度不大于磁铁42的长度，外壳52具有一个部分，它从邻近短磁极杆48的点延伸到邻近磁铁42的自由端。再者，长软磁极杆46的长度大于永磁铁42或44的长度，线圈50的长度小于长软磁极杆46的长度。
在图5的开口端实施例中，短磁极杆48的长度近似为线圈50的长度的一倍半。线圈50的长度稍微小于永久磁铁42的长度、永久磁铁44的长度近似是永久磁铁42的长度的两倍。长磁极杆46的长度近似是永久磁铁44的长度的4倍。
在线圈中不同安匝数的本发明开口端设计的力对行程特性曲线示于图6上。应该指出，每根线的斜率取决于线圈中的电流，它可以被看成“电磁弹性”常数。
致动器产生的力可以通过下面等式描述：
F＝Fconst-K(x-s/2)，
其中
Fconst是在中行程中不计算弹性效应的力；
K是“电磁弹性”常数；
X是沿运动方向的坐标；
s是全行程。
“电磁弹性”常数是由几何形状，磁性材料和线圈中的电流量确定的。对于一个给定的几何形状来说，它严格地是电流的函数。这个常数，例如，可以由图6描述的每根特性曲线获得，如下所示，
K＝2(F0-Fconst)/S，
其中
F0是致动器在行程起点上产生的力。
这里使用的术语和表达式是作为说明用的术语，而不是进行限制，这里在使用这些术语和表达式中不打算排除所描述特点的等效物的概念，可以认为，在本发明权利要求范围内，各种修改是可能的。

Claims (6)

1.一种音圈致动器，包括
一个具有长度的第一磁铁；
一个具有长度的第二磁铁；
一个第一软磁性磁极杆，它的长度比第一磁铁的长度和第二磁铁的长度要长，其中第一和第二磁铁被配置在第一软磁极杆的不同端并在相反方向中被磁化；
一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，并被配置以便沿着第一软磁极杆和第一和第二磁铁的公共轴线移动；和
一个结构，它提供了在第一和第二磁铁的自由端之间的一个磁通路。
2.一种音圈致动器，包括
一个第一磁铁；
一个第二磁铁；
一个第一软磁极杆延公共轴线被配置在第一和第二磁铁之间，其中第一和第二磁铁在相反方向中被磁化，沿公共轴线，第一软磁极杆的长度大于第一磁铁的长度和第二磁铁的长度；
一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，并被配置使得能沿公共轴线移动；和
一个结构，它在第一和第二磁铁的自由端之间提供了一个磁通路。
3.权利要求1或2的音圈致动器，其特征在于第一磁铁的长度基本上与第二磁铁的长度相同。
4.如权利要求1或2的音圈致动器，其特征在于第一磁铁的长度基本上是第二磁铁的长度的两倍，其中结构包括在第一磁铁的自由端上沿公共轴线配置的第二软磁极杆，它的长度不大于第一磁铁的长度，和一个外壳部分，它从第二软磁极杆邻近的点沿伸到第二磁铁的自由端。
5.一种闭口端圆柱形音圈致动器，包括
一个第一磁铁；
一个第二磁铁；
一个第一软磁极杆沿公共轴线配置在第一和第二磁铁之间，其中第一和第二磁铁在相反方向中被磁化，沿公共轴线，第一软磁极杆的长度大于第一磁铁的长度和第二磁铁的长度；
一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，并被配置使能沿公共轴线移动；和
一个磁渗透材料做的外壳，配置在第一和第二磁铁和第一软磁极杆的周围，它与第一和第二磁铁的自由端连接，它具有两个纵长的缝，通过缝，线圈组件与负载连接。
6.一种开口端圆柱形音圈致动器，包括
一个磁穿透材料做的外壳；
一个第一磁极；
一个第二磁极；
一个第一软磁极杆沿公共轴线配置在第一和第二磁铁之间，其中第一和第二磁铁在相反方向中被磁化，沿公共轴线，第一软磁极杆的长度大于第一磁极的长度和第二磁极的长度；
一个线圈，它的长度小于第一软磁极杆的长度，并被配置得能够沿公共轴线移动；和
一个第二软磁极杆配置在第一磁铁的一个自由端，
其中，外壳被配置在第一和第二磁铁和第一和第二磁极杆周围，以便在第二磁极杆上提供一个开口端，并与第二磁铁接触。
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