专利名称：磁通导引结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁通导引结构。本发明尤其但非唯一地涉及包含超材料的变压器结构。
背景技术：
在磁共振成像(MRI)系统中，公知的是，使用作为磁导的磁感应耦合谐振器装置的阵列形式的超材料结构。使用超材料结构具有这样的优点，即可以不再需要使用铁来作为MRI系统中的磁导。
发明内容
在本发明的第一方面，提供一种结构，包括
磁导，其包含多个谐振电路元件，各元件包括导电环部分，环部分的相对端通过电容元件彼此耦合，磁导的相邻谐振元件被布置成彼此磁感应耦合，从而允许由磁导支持磁感应(MI)波；
其中谐振元件中的至少一个在第一状态与第二状态之间是可切换的，在第一状态中元件被布置成支持MI波沿波导传播，在第二状态中元件被布置成阻止MI波沿波导传播。本发明的实施例使得能够提供多种装置，其包括使用超材料结构的变压器和电机。这是因为超材料结构可被布置成显示出铁磁行为。可以制造显示出铁磁行为的超材料，而不需要铁或其他重材料的存在。因此，可以制造重量比相应的含铁结构低很多的铁磁超材料结构。优选地是，磁导包括基本闭合的环，该结构配备有用于感应磁导中的MI波的输入部件。输入部件可包括具有至少一匝的绕组。绕组意思是围绕至少一部分磁导缠绕导体。该导体可以缠绕半匝(基本上180°)，或多于半匝，例如一匝或更多匝。优选地是，该结构还包括输出部件，用于通过由磁导支持的MI波在导体中感应电流。输出部件可包括具有至少一匝的绕组。这样的结构具有优点，即可以提供变压器结构而无需使用铁或铁基材料。该结构可包括第一和第二输出部件，用于通过由磁导支持的MI波分别在第一和第二导体中感应电流。磁导可用于通过第一可切换谐振元件阻止在第一导体中感应电流。或者或另外，磁导可用于通过第二可切换谐振元件阻止在第二导体中感应电流。可选择地，磁导可包括第一和第二基本闭合的磁通路径，第一输出部件设置在第一路径而非第二路径中，第二输出部件设置在第二路径而非第一路径中。优选地，谐振元件中的至少一个通过与谐振电路元件的环部分串联设置的开关是可切换的。该结构可包括转子构件，转子构件具有设置在其上的至少一个谐振电路元件，转子构件可绕横轴旋转，从而可使至少一个谐振电路元件在磁导的一对相邻谐振电路元件之间通过，该结构可用于在磁导中感应MI波，从而使得转子构件转动。该结构是可操作的，从而转子的谐振电路元件可磁感应耦合到所述磁导的至少一个谐振电路元件，所述耦合被布置成在使转子绕横轴旋转的方向上、在转子的谐振电路元件与磁导的所述至少一个谐振电路元件之间生成力。转子可配备有绕横轴设置的一圈谐振电路元件，该一圈谐振电路元件各自被设置成离所述横轴基本等距。在本发明的第二方面，提供一种结构，包括包含多个谐振电路元件的磁导，各元件包括导电环部分，环部分的相对端通过电容元件彼此耦合，磁导的相邻谐振元件彼此磁 感应耦合；以及至少第一绕组构件，该第一绕组构件磁感应耦合到磁导的第一谐振电路元件，该第一绕组构件被布置成当交流电在第一绕组中流动时允许在磁导中建立磁感应波，使所述交流电在充分接近并低于磁导的谐振电路元件的谐振频率的频率处流动。绕组意思是围绕至少一部分磁导缠绕导体。该导体可以缠绕半匝(基本上180°)，或多于半匝，例如一匝或更多匝。优选地是，该结构包括第二绕组构件，该第二绕组构件磁感应耦合到磁导的第二谐振电路元件。第一绕组可被布置成允许在其中流动的交流电通过磁导的相邻谐振电路元件之间的磁感应耦合在第二绕组中感应相应的交流电。这种结构具有优点，即可以提供变压器结构而无需使用铁或铁基材料。优选地，磁导的谐振电路元件包括开关构件，该开关构件被布置成阻止在第一绕组中流动的交流电在第二绕组中感应相应的交流电。
优选地，磁导包括多个彼此并联连接的磁导部分，各部分具有围绕其设置的绕组。磁导的谐振电路元件优选地包括开关构件，该开关构件被布置成阻止在第一绕组中流动的交流电在第二绕组中感应相应的交流电。优选地，开关构件被设置在磁导的位置，从而可基本上阻止沿着磁导部分的磁通流。开关构件可设置成与谐振电路元件的环部分串联，并且与谐振电路的电容元件并联。该结构还可包括转子构件，转子构件具有设置在其上的至少一个谐振电路元件，转子构件被布置成绕横轴旋转，从而可使至少一个谐振电路兀件在磁导的一对相邻谐振电路元件之间通过。优选地布置该结构，从而转子的谐振电路元件可磁感应耦合到所述一对谐振电路元件中的至少一个，所述耦合被布置成在使转子绕横轴旋转的方向上、在转子的谐振电路元件与所述一对谐振电路元件中的至少一个之间生成力。转子可配备有绕横轴设置的一圈谐振电路元件，该一圈谐振电路元件各自被设置成离所述横轴基本等距。在本发明的又一方面，提供一种变压器结构，包括磁导，该磁导包含多个谐振电路元件，各元件包括导电环部分，每一个谐振电路元件的环部分的相对端通过电容元件彼此耦合，磁导的相邻谐振元件彼此磁感应耦合；以及第一和第二绕组，该第一绕组磁感应耦合到磁导的第一谐振电路元件，该第二绕组磁感应耦合到磁导的第二谐振电路元件，该第一绕组被布置成通过磁导的相邻谐振电路元件之间的磁感应耦合允许在其中流动的交流电在第二绕组中感应相应的交流电。
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中
图I示出(a)按照本发明实施例的可切换变压器和(b)在(a)中示出的变压器的电路原理 图2 (a)、(b)示出在本发明实施例中使用的谐振电路元件；
图3示出按照本发明实施例的电机形式的致动器；
图4 (a)、(b)示出作为频率的函数的谐振电路元件的磁导率曲线，以及(C)示出具有在两个各自不同的值之间可切换的电容的谐振电路元件；以及图5示出适用于本发明一些实施例的谐振电路元件。
具体实施例方式在本发明的一个实施例中，提供一种基本如图I所示的可切换变压器结构100。该结构100由多个谐振电路元件110构成。如图2所示,每一个元件110都具有环部分112以及另外的电容部分114 (见图2)，环部分112具有电阻和电感。在图I的结构中，电路元件110被布置成彼此耦合，以形成基本上为数字“8”形式的磁导115。谐振电路元件110沿轴向相互耦合，轴向是垂直于环部分112的平面的方向。应理解，除轴向分量外，相邻环之间的耦合还可具有平面分量，例如在图I (a)中磁导115的弯曲处所指示的A、B、C、D、E和F。平面分量意思是在元件110的环部分112的平面中垂直于轴向的分量。围绕磁导115的相应部分设置有三个绕组。第一绕组131位于位置A与位置B之间；第二绕组132位于位置C与位置D之间，以及第三绕组133位于位置E与位置F之间。布置该结构，使得交流电在频率等于或接近于磁导115的谐振电路110的谐振频率处可通过绕组之一(例如第一绕组131)。这种电流使得在磁导115中生成磁感应波，其又使得在另外绕组中的一个或两个(即第二和/或第三绕组132、133)中感应相应的电流。应该理解，可选择电路元件110的电阻、电感和电容(分别为R、L、C)值，以提供在感兴趣的频率范围内的谐振频率。谐振频率可被布置为从大约IOHz至大约500Hz或更大的任何适当的频率。在一些实施例中，磁导115的一个或多个谐振元件120、120’配备有开关元件126，例如图2 (b)所示，其被布置成允许在开关元件126处于断开配置时阻止一个或多个谐振元件120、120’谐振。开关元件120的环部分122和电容部分124被布置成具有基本上与非切换电路元件110相同的电和磁特性。在图I (a)的变压器结构中，位置C和D之间的谐振电路元件120的其中之一配 备有开关元件，正如位置E和F之间的电路元件120 S’的其中之一。
应该理解，电路元件120SU20S’中的每一个的开关元件126处在闭合配置时，第一绕组131可在第二和第三绕组132、133两者中感应电流。然而，如果谐振电路元件120S的开关元件126处在断开配置，则在第二绕组132中不再感应电流。类似地，如果谐振电路元件120S’的开关元件处在断开配置，则在第三绕组133中不再感应电 流。因此，本发明的实施例提供了一种方便的手段，利用该手段可以在变压器结构中提供磁通开关。此外，本发明的实施例具有这样的优点，即可以降低变压器结构的重量，这是由于不再需要使用重的铁磁材料，例如铁或铁基材料。图3示出旋转致动器装置300形式的本发明的实施例。装置300具有磁导315，磁导315包括多个谐振电路兀件310F,其被布置成以基本上轴向的方式相互f禹合。磁导被布置成限定基本闭合的路径。围绕磁导315的长度的一部分设置绕组331。绕组331被布置成磁感应耦合到磁导315的一个或多个谐振电路元件310F。装置300还具有基本平面形式的转子部分350，基本盘形的构件350被布置成绕轴351旋转。转子部分350具有一系列围绕其圆周设置的平面耦合的谐振元件310R。其他布置也是有用的，例如这样一种布置，其中沿转子部分350的圆周边缘351径向向内设置谐振元件310R。布置磁导315,从而在磁导315的一对轴向相邻的谐振电路兀件310F之间提供间隙315G。转子部分350被布置成突出进该间隙315G，以使转子部分350的旋转导致转子的谐振电路元件310R通过间隙315G。当谐振电路元件310R通过间隙315G时，它们与那对相邻的谐振电路元件310F在
瞬间基本共轴。应该理解，沿磁导315传递的磁感应波可被布置成使通过间隙315G的转子部分350的谐振电路元件310R首先经受引力，向着磁导315拉谐振电路元件310R，到达与那对相邻的谐振电路元件310F基本共轴的位置，接着经受斥力，排斥谐振电路元件310R离开磁导 315。图4 (a)示出作为频率的函数的谐振电路元件磁导率麟，元件在该频率处被激励。可以看出，在低于元件的谐振频率f。的频率f处被激励时，元件显示出正值# ;在高于谐振频率的频率处被激励时，显示出负值P。因此，f < &时，在相邻电路元件310之间可产生吸引磁力。类似地，f > &时，在相邻电路元件310之间可产生排斥磁力。应该理解，如果改变谐振元件的电容部分的电容C，则可改变元件的谐振频率，并因此改变芦值。图4 (b)示出谐振电路的作为f的函数的芦的曲线图，谐振电路具有电容C，电容C有两个各自不同的值C1和c2。从该曲线图可以看出，对电容值C1，电路具有谐振频率4，而对电容值C2(其中C2> C1)，电路具有谐振频率< fQ。图4 (c)示出具有电容部分的谐振电路310S，电容部分被布置成可在值C1 (开关326断开)和C2 (开关326闭合)之间切换。于是，如果使电路在大约+f: )/2的工作频率f；p处谐振，例如借助于该频率的MI波，当开关从断开状态移向闭合状态时，电路可从正的磁行为切换到负的磁行为，反之亦然。例如，如果开关326断开，则电路310S可在频率&处谐振，以及如果开关闭合，则谐振落到频率f\。最终结果可以是，在接近于(f。+f\ )/2的频率处，电路可从正的磁行为切换到负的磁行为。因此，在使用中，提供由谐振电路元件310S构成的磁导315，在磁导中建立频率为fop的MI波。然后，磁导315的多个元件310S中的多个开关326彼此同步地在断开和闭合状态间切换，从而在间隙315G中建立交替的吸引和排斥磁场。从而，当转子部分的电路310R被间隙315G中的磁场相继吸引和排斥时,该结构可用于使转子部分350转动。应该理解，可以在单个装置中使用多个磁导315，以便增加施加到转子部分350以引起其转动的力的幅度。可关于转子部分350的圆周向和/或径向布置磁导315。在本发明的一些实施例中，设置谐振电路元件220，其中的开关元件226与电容元 件224并联连接，如图5所示。应该理解，通过闭合开关元件226，可提供环形式的电路元件。应该理解，按照楞次定律，暴露于交变(ac)磁场的简单闭合环线会产生相反的磁场，其会部分抵消施加的磁场。这种现象直接相当于抗磁材料的行为。于是，图5的谐振电路元件220将因此在开关226处于闭合配置时显示出抗磁特性。如果使用其中电容元件与环并联连接的环替代简单闭合的环线，则生成一种谐振电路(如图2的电路元件的情形)。该电路会显示出铁磁特性。这是因为接近谐振电路的谐振频率，低于谐振频率，在环中的电流和感应的电动势之间存在正相位关系。于是，第一谐振电路会在邻近的第二谐振电路中感应电流，其方向与第一谐振电路中的电流相反。因此，各个电流各自产生方向彼此相反的磁通线。这种现象直接相当于铁磁材料的行为。于是，图2的谐振电路元件110、120在元件120的开关126处于闭合配置时将显示出铁磁特性。在本说明书和权利要求书的全文中，术语“包括”和“包含”以及其变体意味着“包括但不限于…”，并不是意欲(不是)排除其他部分、附加物、零件、整体或步骤。在本说明书和权利要求书的全文中，单数形式的词包括复数，除非上下文另有需要。特别是，使用不定冠词之处，说明书应该被理解为既考虑复数也考虑单数，除非上下文 另有需要。连同具体方面描述的特征、整体、特性、复合物、化学基团或团体，本发明的实施例或实例应该理解为适用于在此描述的任何其他方面、实施例或实例，除非与其不兼容。
权利要求
1.一种结构，包括 磁导，其包括多个谐振电路元件(110，120，310F)，各元件包括导电环部分(112,122)，该环部分(112, 122)的相对端通过电容元件(114, 124)彼此耦合，磁导(115,315)的相邻谐振元件被布置成彼此磁感应耦合，从而允许磁导(115，315)支持磁感应(MI)波， 其中谐振元件(1205 )中的至少ー个在第一状态与第二状态之间是可切换的，在第一状态中所述元件被布置成支持MI波沿波导传播，在第二状态中所述元件被布置成阻止MI波沿波导传播。
2.如权利要求I所述的结构，其中磁导(115，315)包括基本闭合的磁通路径，所述结构配备有输入部件(131,331)，用于在所述磁导中感应MI波。
3.如权利要求2所述的结构，其中所述输入部件包括具有至少ー匝的绕组(131，331)。
4.如权利要求2或3所述的结构，其中所述结构还包括输出部件(132，133)，用于通过所述磁导(115)支持的MI波在导体中感应电流。
5.如权利要求4所述的结构，其中所述输出部件包括具有至少ー匝的绕组(132， 133)。
6.如权利要求4或5所述的结构，其中所述结构包括第一输出部件(132)和第二输出部件(133)，用于通过磁导支持的MI波分别在第一导体和第二导体中感应电流。
7.如权利要求6所述的结构，其中所述磁导用于通过第一可切换谐振元件(1205)阻止在第一导体(132)中感应电流。
8.如权利要求6或7所述的结构，其中所述磁导(115)用于通过第二可切换谐振元件(1205’ )阻止在第二导体(133)中感应电流。
9.如权利要求7或8所述的结构，其中所述磁导(115)包括第一和第二基本闭合的磁通路径，所述第一输出部件(132)设置在所述第一路径中而非第二路径中，所述第二输出部件(132)设置在所述第二路径中而非第一路径中。
10.如前面任何一项权利要求所述的结构，其中所述谐振元件(1205)中的至少ー个借助干与所述谐振电路元件的环部分(122)串联设置的开关(126)是可切換的。
11.如前面任何一项权利要求所述的结构，包括转子构件(351)，该转子构件(351)具有设置在其上的至少ー个谐振电路元件310R，所述转子构件(351)关于横轴是可旋转的，从而可使得所述至少一个谐振电路元件310R通过所述磁导(315)的ー对相邻的谐振电路元件之间，所述结构能够用于在所述磁导(315)中感应MI波从而使所述转子构件(351)转动。
12.如权利要求11所述的结构，能够操作，从而所述转子的谐振电路元件(310R)可磁感应耦合到所述磁导的谐振电路元件(310F)中的至少ー个，所述耦合被布置成在使所述转子(351)关于所述横轴旋转的方向上、在所述转子(351)的谐振电路元件(310F)与所述 磁导(315)的至少ー个谐振电路元件之间生成力。
13.如权利要求11或12所述的结构，其中所述转子(351)配备有围绕所述横轴设置的一圈谐振电路元件(310R)，该圈中的各个谐振电路元件设置成离所述横轴基本等距。
14.一种结构,包括 磁导(115，315)，其包括多个谐振电路元件(110，120)，各元件包括导电环部分(112，122)，该环部分(112，122)的相对端通过电容元件(114，124)彼此耦合，磁导(115，315)的相邻谐振元件(110，120)彼此磁感应耦合，以及， 至少第一绕组构件(131,331)， 所述第一绕组构件(131，331)磁感应耦合到所述磁导的第一谐振电路元件， 所述第一绕组构件(131,331)被布置成当交流电在该第一绕组(131,331)中流动时允许在所述磁导(115，315)中建立磁感应波，所述交流电以充分接近并低于所述磁导(115，315)的谐振电路元件的谐振频率的频率流动。
15.如权利要求14所述的结构，还包括第二绕组构件(132，133)，该第二绕组(132, 133)磁感应耦合到所述磁导(115,315)的第二谐振电路元件。
16.如权利要求15所述的结构，其中所述第一绕组(131)被布置成允许在其中流动的交流电借助于所述磁导(115)的相邻谐振电路元件之间的磁感应耦合在所述第二绕组(132，133)中感应相应的交流电。
17.如权利要求14至16中任一项所述的结构，其中所述磁导(115)包括彼此并联连接的多个磁导部分，各部分具有围绕其设置的绕组。
18.如权利要求14至17中任一项所述的结构，其中所述磁导的谐振电路元件(120S)包括开关构件(126)，该开关构件(126)被布置成阻止在第一绕组(131)中流动的交流电在第二绕组(132，133)中感应相应的交流电。
19.如权利要求17或18所述的结构，其中所述开关构件(126)被设置在所述磁导的位置，从而可基本阻止沿着磁导部分的磁通流。
20.如引用权利要求17的权利要求18或19所述的结构，其中所述开关构件(126)被设置成与所述谐振电路元件的环部分(122)串联，而与谐振电路的电容元件并联。
21.如权利要求14至20中任一项所述的结构，包括转子构件(351)，该转子构件具有设置在其上的至少ー个谐振电路元件(310R)，该转子构件(351)围绕横轴是可旋转的，从而可使所述至少一个谐振电路元件(310R)在所述磁导(310)的一对相邻谐振电路元件(310F)之间通过。
22.如权利要求21所述的结构，其中所述转子的谐振电路元件(310R)可磁感应耦合到所述ー对相邻谐振元件的至少ー个谐振电路元件，所述耦合被布置成在使所述转子(351)关于所述横轴旋转的方向上、在所述转子(351)的谐振电路兀件与所述ー对谐振电路元件中的至少ー个之间生成力。
23.如权利要求21或22所述的结构，其中所述转子(351)配备有围绕所述横轴设置的一圈谐振电路元件(310R)，该圈中的各个谐振电路元件设置成离所述横轴基本等距。
24.一种变压器结构，包括 磁导(115)，其包括多个谐振电路元件(110，120)，各元件包括导电环部分(112，122)，各谐振电路元件(110,120)的环部分(112,122)的相对端通过电容元件彼此耦合，磁导(115)的相邻谐振元件彼此磁感应耦合，以及， 第一和第二绕组(131，132，133)， 所述第一绕组(131)磁感应耦合到所述磁导(115)的第一谐振电路元件， 所述第二绕组(132，132)磁感应耦合到所述磁导(115)的第二谐振电路元件， 所述第一绕组(131)被布置成允许在其中流动的交流电借助于所述磁导(115)的相邻谐振电路元件之间的磁感应耦合在所述第二绕组(132，133)中感应相应的交流电。
全文摘要
本发明的实施例提供一种结构，包括磁导，其包括多个谐振电路元件(110,120,310F)，各元件包括导电环部分(112,122)，该环部分(112,122)的相对端通过电容元件(114,124)彼此耦合，磁导(115,315)的相邻谐振元件被布置成彼此磁感应耦合，从而允许磁导(115,315)支持磁感应(MI)波，其中谐振元件(1205)中的至少一个在第一状态与第二状态之间是可切换的，在第一状态中所述元件被布置成支持MI波沿波导传播，在第二状态中所述元件被布置成阻止MI波沿波导传播。
文档编号H01P3/00GK102714092SQ201080055429
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者克里斯托弗·约翰·史蒂文斯, 马尔科姆·邓肯·麦克卡罗奇 申请人:Isis创新有限公司