用于电磁致动器的系统和方法与流程

本申请基于2016年11月9日提交的且题为“Systems and Methods for an Electromagnetic Actuator(用于电磁致动器的系统和方法)”的美国临时专利申请62/252，675，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，涉及具有利用永磁体的简化设计的电磁致动器。

电磁致动器(例如，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。当前的趋势趋向于减小电磁致动器的尺寸。然而，减小电磁致动器的尺寸可能需要减小衔铁与壳体内部其它磁性部件(例如，线圈)之间的气隙。减小电磁致动器内的气隙会极大地紧缩公差(tolerance)和间隙(clearance)，对于制造目的来说，这会过分地增加成本。此外，如果衔铁没有被完全保持在中心，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)。

此外，减小电磁致动器的尺寸可增大通过电磁致动器的磁性部件承载的磁通。增大通过电磁致动器的磁性部件承载的磁通可能需要磁通承载部件(即，磁性部件)制造得更厚，或者限定出更大的截面积，以防止磁饱和。增大磁通承载部件的截面积会由于额外的材料而导致增加成本，并且还需要更多的空间，这偏离了将电磁致动器制造得更小的目标。

技术实现要素：

本发明提供用于电磁致动器的系统和方法。电磁致动器包括可致动的永磁体和简单的结构。使用可致动的永磁体降低了贯穿电磁致动器的整个磁通水平并且防止了磁饱和，其使得能够使用更小、更薄和/或更轻的部件来构造电磁致动器。

在一个方面，本发明提供一种包括壳体的电磁致动器，该壳体具有基部，从基部延伸至端面的侧壁，以及基本敞开的侧部。电磁致动器进一步包括布置在壳体内部的极片，围绕极片设置并布置在壳体内的线圈，以及可在第一位置与第二位置之间移动的永磁体。永磁体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幅值成比例。

在另一方面，本发明提供一种包括电磁致动器的控制阀。电磁致动器包括壳体，该壳体具有基部，从基部延伸至端面的侧壁，以及基本敞开的侧部。电磁致动器进一步包括布置在壳体内部的极片，围绕极片设置并布置在壳体内的线圈，以及可在第一位置与第二位置之间移动的永磁体。永磁体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幅值成比例。控制阀进一步包括具有至少一个工作端口的阀主体，以及可滑动地容纳在阀主体内并耦接至永磁体以随之致动的阀芯。

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，该实施例不必表示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示意示图。

图2示出了当没有电流施加至电磁致动器的线圈时的图1的电磁致动器的磁通。

图3示出了当中等电流施加至电磁致动器的线圈时的图1的电磁致动器的磁通。

图4示出了当大电流施加至电磁致动器的线圈时的图1的电磁致动器的磁通。

图5是根据本发明一个实施例的图，示出了作用在电磁致动器的永磁体上的吸引力和作用在永磁体上的弹力作为永磁体的位置或冲程的函数。

图6是图1的电磁致动器的部分的放大视图，示出了根据本发明一个实施例的永磁体的一个致动范围。

图7是图1的电磁致动器的部分的放大视图，示出了根据本发明另一个实施例的永磁体的另一个致动范围。

图8是示出了电磁致动器的永磁体的输出力作为用于图1的电磁致动器的壳体的变化的外形的永磁体的位置或冲程的函数的图。

图9是根据本发明一个实施例的图，示出施加至电磁致动器线圈的电流作为电磁致动器的永磁体的位置或冲程的函数。

图10是根据本发明一个实施例的控制阀的顶部、前部、左侧的等距视图。

图11是图10的控制阀沿着线10-10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。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文提供的示例具有很多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。电磁致动器10可包括壳体12，该壳体至少部分地包装极片14和线圈16。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可包括基部18和从基部18延伸的侧壁20。如图1所示，侧壁20可从基部18基本垂直地延伸至端面22，其中壳体12可限定出基本敞开的侧部24。

极片14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柱形。在其它实施例中，极片14根据需要可限定出不同的形状，例如矩形。极片14可从壳体12的基部18延伸。在所示实施例中，极片14可位于壳体12中心。即，极片14可与壳体12享有共同的纵轴。

线圈16可由例如铜圈制成，其可被构造为响应被施加至线圈16的电流产生磁场，并且由此施加力。由线圈16产生的磁场和力的方向及幅值可由施加至线圈16的电流的方向及幅值来确定。线圈16可围绕非磁性线轴(bobbin)(未示出)包绕，如所属领域技术人员所知晓的。线轴(未示出)的纬度可设计为填充极片14、线圈16和壳体12之间的空间，由此将线圈16定位在极片14周围，如图1所示。

弹簧26可围绕极片14的远端27定位。弹簧26可啮合永磁体28。弹簧26可耦接至极片14，例如通过从极片14突伸出的切口(未示出)，使得弹簧26可在永磁体28的致动期间伸展和压缩。应当知晓弹簧26可通过现有技术中已知的另一固定或附接机构耦接至极片14。在另一个实施例中，例如，弹簧26可耦接至线轴(未示出)，而不是极片14。

如图24所示，当电流被施加至线圈16时，永磁体28和线圈16可作用以感应出穿过电磁致动器10的变化磁通。当没有电流被施加至线圈16时，如图2所示，永磁体28可限定出从永磁体28的第一侧30(即，北极)行进穿过极片14，围绕壳体12，并随后回到永磁体28的第二侧32(即，南极)的磁通路径。在该运行条件下，作用在永磁体28上沿向上方向33的力(即，永磁体28与极片14之间的磁吸引)可以处于最大值。该作用在永磁体28上沿向上方向33的力可由弹簧26作用在永磁体28上沿向下方向35的力平衡(即，弹簧26防止永磁体28磁性附接至极片14)。

当电流被施加至线圈16时，由线圈16产生的磁场开始抵制来自永磁体28的磁通，如图3所示。在该运行条件下，穿过壳体12和极片14载送的全部磁通可通过由线圈16产生的磁场来减小，这可减小永磁体28上沿向上方向33的力。相较于弹簧26所提供的力，现在作用在永磁体28上的该减小的力可在永磁体28上产生沿向下方向35的净输出力，并且因此，永磁体28可沿向下方向35移动至新的平衡位置。

如图4所示，当施加至线圈16的电流增大至高电平时，线圈16产生的磁场进一步抵制来自永磁体28的磁通。此外，相比于没有电流被施加至线圈16时壳体12所承载的磁通(图2)，壳体12承载的磁通的方向可被逆转。相比于图2的运行条件，该增大的电流进一步减小了永磁体28上沿向上方向33的力，除了弹簧26提供的力以外，这可在永磁体28上沿向下方向35产生大的净输出力。当有电流施加至线圈16时，永磁体28上沿向下方向35的净输出力可以使电磁致动器10能够在第一位置(用图1中的实线示出)与第二位置(用图1中的虚线示出)之间成比例地致动永磁体28。应当知晓，在一些非限制性示例中，电磁致动器10可被构造为提供沿向上方向33的输出力。

相比于目前的电磁致动器(尤其是具有减小气隙的那些电磁致动器)，以上参照图2-4描述的变化的磁通路径能够使电磁致动器10经受显著减小的磁通水平。即，由永磁体28所产生的初始磁通路径(图2)通过施加电流至线圈16而被逆转(图4)，这可提供低得多整体磁通水平。该更低的整体磁通水平可防止磁饱和并且允许使用更小、更薄和/或更轻的部件(例如，壳体12和极片14)来构造电磁致动器10。

如上所述，当电流被施加至线圈16时，作用在永磁体28上沿向上方向33的力(即，永磁体28与极片14之间的磁吸引)可降低。图5示出了在不同电平的电流施加至线圈16时，作用在永磁体28上沿向上方向33的力作为永磁体28的位置(冲程)的函数的图。具体地，图5的图包括三条线34，36和38，每一条均表示当不同的电流被施加至线圈16时，作用在永磁体28上沿向上方向33的力。线34可表示没有电流被施加至线圈16，线36可表示中等电平电流被施加至线圈16，并且线38可表示高电平电流被施加至线圈16。图5的图还包括线40，其可表示弹簧26所施加的作用在永磁体28上沿向下方向35的力作为永磁体的位置的函数。应当理解，尽管线34、36、38和40在图5中全部示为“正向”，但这些是绝对值，并且在运行中，弹簧26所施加的力抵制永磁体28与极片14之间的磁吸引。

如图5所示，当线圈16两端的电流增大时，作用在永磁体28上沿向上方向33的力的幅值降低(即，线34的幅值大于线36并且线36的幅值大于线38)。然而，在图5的非限制性示例中，不论施加至线圈16的电流电平，该力的幅值可以总是“正向”或沿向上方向33。当施加至线圈16的电流被移除时，一旦永磁体被致动远离第一位置，该永磁体28上恒定的“正向”或向上的力可以允许永磁体28自动地返回至第一位置。永磁体28的该自动返回可使电磁致动器10不再需要使用双绕线圈和/或不必逆转施加至线圈16的电流方向来将永磁体28返回至第一位置。

为了均衡永磁体28上的“正向”或向上的力，弹簧26可在永磁体28上施加向下的力，其可以随着永磁体28在第一位置与第二位置之间成比例地致动而减小。弹簧26所施加的均衡力可在永磁体28上产生沿向下方向35的净输出力，并且可防止电磁致动器10在小电流时必须克服初始吸引力，或“死”区。

继续参照图5，线34，36和38中的每一条可限定出相对于永磁体28的位置基本平稳，或基本恒定的永磁体28上沿向上方向33的力。由线34，36和38限定的基本平稳的力的轮廓能够使电磁致动器10能够相对于施加至线圈16的电流成比例地致动永磁体28。即，永磁体28在第一位置与第二位置之间的致动位置可与施加至线圈16的电流幅值成比例。

回到图6和7，永磁体28在电磁致动器10的第一位置(实线)与第二位置(虚线)之间的致动比例可通过壳体12的适当的几何设计来实现，如将要在下文详细描述的。当永磁体28从第一位置致动至第二位置时，致动范围或冲程D_A可定义为永磁体28在第一与第二位置之间行进的距离。在图6所示的一个实施例中，一旦永磁体28到达第二位置，永磁体28的第二侧32可稍微延伸超过壳体12限定的端面22。在图7所示的另一个实施例中，一旦永磁体28到达第二位置，永磁体28的第二侧32可与壳体12限定的端面22基本平齐。

当永磁体28位于第二位置时，延伸距离D_E可被定义为永磁体28的第二侧32与壳体12的端面22之间的距离。永磁体28的致动与施加至线圈16的电流之间的比例可通过延伸距离D_E与致动范围D_A之间的几何关系来调节。具体地，比例率P_R可被定义为延伸距离D_E与致动范围D_A的比率。比例率P_R范围可从大约0(图7)至近似大于0的值(图6)。在一个实施例中，比例率P_R可以在大约0至1之间。在又一个实施例中，比例率P_R可以在大约0至0.5之间。在另一个实施例中，比例率P_R可以在大约0至0.2之间。

图8示出了比例率P_R相对于永磁体28的成比例致动的重要性。具体地，图8示出了永磁体28上的输出力作为用于变化比例率P_R的永磁体28的位置或冲程的函数的图的一个非限制性示例。应当知晓，当永磁体28位于第二位置时对于永磁体28的第二侧32的给定位置来说，比例率P_R可通过改变壳体12的端面22的位置来改变。即，侧壁20从壳体12的基部18伸出的长度可改变端面22的位置并进而改变延伸距离D_E。

图8的线42表示当比例率P_R介于大约0至1之间时永磁体28上的输出力作为用于电磁致动器10的永磁体28的位置的函数的示例性实施例。如图8所示，线42可限定出相对于永磁体28的位置基本平稳的力的轮廓，如上所述，这能够使电磁致动器10响应于施加至线圈16的电流成比例地致动永磁体28。图8的线44可表示当壳体12的端面22大致平行于极片14的远端27时输出力与永磁体28的位置之间的关系。在该示例中，壳体12的侧壁20没有延伸足够的长度并且比例率P_R可以大于大约1.5。如图8所示，线44没有限定出基本平稳的力的轮廓，并且因此没有展示出永磁体28的致动与施加至线圈16的电流之间的比例关系。此外，相比于线42限定的示例性实施例，线44所限定的输出力幅值显著减小。图8的线46可表示当端面22被定位为远超出永磁体28时，输出力与永磁体的位置之间的关系。在该示例中，壳体12的侧壁20延伸足以超出永磁体28并且比例率P_R可大于大约1.5。如图8所示，线46没有限定出基本平稳的力的轮廓，并且因此可能没有展示出永磁体28的致动与施加至线圈16的电流之间的比例关系。此外，相比于线42限定的示例性实施例，线46所限定的输出力幅值的显著减小。

应当理解尽管图8的线44和46表示具有相似比例率PR值的壳体设计，但是它们表示不适当壳体设计的不同情况。即，线44表示其中侧壁20没有从基部18延伸出足够的距离以将端面22布置在提供比例关系的范围内的壳体设计。相反地，线46表示其中侧壁20从基部18延伸出太远并且将端面22布置得超过永磁体28太远而无法提供比例关系的壳体设计。因此，这两个壳体设计中侧壁20太短以及太长，这可导致不成比例。然而，如果限定在壳体12与永磁体28的致动之间的比例率P_R介于期望范围中的一个之间，如上所述，则电磁致动器10可与施加至线圈16的电流在第一位置与第二位置之间成比例地致动永磁体28并提供增大的输出力。

图9示出了施加至线圈16的电流与永磁体28的致动位置或冲程之间关系的一个非限制性示例。如图9所示，对于施加至线圈16的每一等级电流来说，永磁体28可以有相应的位置。因此，永磁体28的致动位置可与施加至线圈16的电流成比例。这可不同于双稳态或开关致动器的运行。典型地，双稳态或两位置(two-position)致动器只能够在一个位置或另一个位置并且不在两者之间运行。因此，一旦施加至线圈的电流足以致动衔铁，那么双稳态致动器的电流-位置曲线是平稳的。在双稳态致动器中一旦达到足够的电流，衔铁便以恒定电流致动，并且因此无法成比例致动。

使用以上标识的技术或特性设计或构造的上述电磁致动器10或其它电磁致动器的示例性优点将参照电磁致动器10的运行和图1-9来论述。本发明提供的多个优点决非是下面的穷举列表，如所属领域技术人员理解的。

运行时，电磁致动器10的永磁体28可耦接至期望被致动的构件(例如，阀中的芯(spool)，或其中期望机械运动的任意其它系统)。壳体12可被刚性地固定使得壳体12无法相对于永磁体28移动。如上所述，永磁体28可在第一位置与第二位置之间与施加至线圈16的电流量成比例地被致动。这能够使电磁致动器10能够例如响应于电子输入改变芯上孔的尺寸。在该非限制性示例中，当芯上的孔需要关闭时，到线圈16的电流可减小至零，并且由于永磁体28上净正向或向上的力(图5)，永磁体28可自动返回至第一位置。

可使用简化的形状和部件来构造电磁致动器10，相比于电流型电磁致动器，简化的形状和部件能够允许使用较大的气隙来设计电磁致动器10。本领域熟知气隙在磁路中可起到类似电阻的作用，并且因此由于电磁致动器10中相对大的气隙，当相比于当前的电磁致动器的衔铁时，永磁体28会经手显著减小的侧边负载(即，基本垂直于致动方向的力)。

电磁致动器10中仅有的移动部件可以是永磁体28和弹簧26。相反于衔铁典型地沿着邻近线圈的表面滑动的当前的电磁致动器，永磁体28可基本远离线圈16(即，邻近极片14的远端27)设置并可以不需要沿着电磁致动器10内的表面滑动。当相比于当前的电磁致动器时，这可以显著地降低电磁致动器10所承受的滑动摩擦。相比于当前的电磁致动器，减小滑动摩擦可延长电磁致动器10的生命周期。

如上所述，在一些非限制性应用中，电磁致动器10可耦接至芯(spool)以用于所述芯的致动。图10示出了其中电磁致动器10集成到控制阀100中的一个非限制性示例。如图10和11所示，电磁致动器10可耦接至控制阀100的阀主体102。在所示的非限制性示例中，包胶模具(overmold)104可被包塑(overmold)在电磁致动器10的壳体12和阀主体102的顶端106上。应当知晓包胶模具是一个非限制性的耦接机构，并且可实施其它耦接机构(例如，夹持、互锁等)来耦接电磁致动器10和阀主体102。阀主体102包括沿着阀主体102纵向间隔的一个或多个工作端口108。阀芯110能够可滑动地容纳在阀主体102内并耦接至永磁体28以随该永磁体致动。阀芯110可包括一个或多个芯切口111，芯切口可被位移以便在一个或多个工作端口108之间选择性地提供流体通路。在所示的非限制性示例中，永磁体28可限定耦接凹槽112，耦接凹槽构造为容纳耦接机构114。耦接机构114可将永磁体28耦接至阀芯110以便使阀芯110能够随永磁体28致动。

永磁体28可至少部分被磁体外壳116包装。磁体外壳116可由非磁性材料(例如，塑料、不锈钢、铝、碳纤维、黄铜等)制成。磁体外壳116可便于耦接永磁体28和阀芯110。然而，应当知晓，在一些非限制性示例中，阀芯110可被直接耦接至永磁体28并且可不包括磁体外壳116。如上所述，永磁体28可被弹簧26沿向下方向35偏置。弹簧26可啮合从极片14突伸出的切口118。切口118可用作弹簧26的挡块以便于弹簧26偏置永磁体28。线圈16可至少围绕布置在壳体12内的线轴120布置。

运行时，响应于施加至线圈16的电流，电磁致动器10可在第一位置与第二位置之间成比例地致动永磁体28，并且进而致动阀芯110。这能够使阀芯110能够在一个或多个工作端口108之间选择性地提供流体通路。此外，电磁致动器10的比例关系使得能够通过改变施加至线圈16的电流量而使控制阀100选择性地改变限定在工作端口108与芯切口111的相应对之间的孔的尺寸。这能够使电磁致动器10能够选择性地控制流过控制阀100或由控制阀100提供的流体量。

应当知晓控制阀100的结构和设计并不意味着以任意的方式限制。即，电磁致动器10可在需要部件的受控致动的各种应用中使用。

尽管以撰写上清楚且简明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被各种组合或分解。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。