用于在电磁系统中产生力的装置、系统和方法与流程

用于在电磁系统中产生力的装置、系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年10月2日提交的第63/086,737号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
3.领域
4.本公开大体上涉及电磁机器，更具体地涉及电磁致动器。
5.背景
6.在一般的电磁力产生系统中，根据奥斯特定律产生磁场(由biot-savart给出)的载流导体与外部磁场相互作用，并因此在导体和外部磁场源两者上产生力。根据公认的电动力学定律，这种相互作用在不对称时会产生运动。
7.例如，在普通的螺线管设备(例如在图1a和图1b中示出并在下面参考图1a和图1b讨论的螺线管设备)中，通常称为柱塞(plunger)或芯(core)(或有时称为衔铁(armature)，不要与电气技术中使用的电枢(armature)混淆，衔铁意思是线圈绕组的框架)的刚性磁性或铁磁(非永久性)物体悬挂在圆柱形载流螺线管(也可称为线圈)附近或部分悬挂在圆柱形载流螺线管内。在线圈中施加电流产生磁力，该磁力沿着线圈的轴线总是以将柱塞拉向线圈的中点的这种方式来推进物体。在这个示例中，柱塞所经受的力取决于柱塞沿着螺线管磁场轴线的位置。当柱塞的一端处于线圈的端点处时(图为1a)，柱塞上出现最大的力。当柱塞的中点与线圈的中点对齐时(图1b)，出现零净力的平衡点。这是因为，当处于线圈的中点处时，相等且相反的磁力同时作用在柱塞的n端和s端上。当柱塞的非磁性延伸用于引起在螺线管的端部之外发生作用时，该系统通常被称为比例式、轴向或线性致动器。运动范围(具有的最大运动范围为柱塞长度的一半)限定螺线管线性致动器的行程(stroke)。
8.在现有的螺线管线性致动器中，作用在运动中的物体(柱塞)(通常是铁磁棒或永磁体)上的净磁力，除了在线圈的相对端处以外，沿着整个行程通常是线性的。因此，如上所述，最大行程被限制为线圈长度的一半。然而，在线性致动器应用中，线性力并不总是理想的。因此，存在对改进的线性致动器的持续需要，所述改进的线性致动器包括被配置为提供非线性力的致动器，且尤其是对于相同线圈长度被配置用于更长行程的致动器。
9.概述
10.本文公开了用于在电磁致动器系统中产生非线性力的装置和方法。本文公开的装置和方法配置有一个或更多个线圈，该线圈被布置成提供不均匀(不对称)的场分布，产生比先前用已知的螺线管线性致动器可实现的更长的行程。在一些实施例中，所公开的装置和方法针对线性致动器。在这些实施例中的一些实施例中，线性致动器被配置成提供非线性加速度。
11.这样的线性致动器(如本文所述的那些致动器)可以用在各种应用中。例如，所公开的技术可以用于高性能、长行程的线性和/或旋转致动器。例如，当应用涉及挤压或拉伸目标时，也可以使用所公开的线性致动器。通常，在这些情况下，如果物体上的力不是线性的，那么这些力可能更适合，因为挤压或拉伸物体所需的力随着行程的长度而变化(即，所需的力是非线性的)。作为又一个示例，在期望运动中的物体的速度平滑过渡的情形中，例
如在使客运列车或汽车加速时，具有非线性加速度可能是有利的。
12.作为所公开的线性致动器的总体概述，铁磁物体在被轴向插入到载流线圈中之后将受到一个力，该力使铁磁物体伸向线圈的中心，在线圈的中心处，移动铁磁物体上的来自每个磁极的力找到平衡。应当理解，较短线圈与较大线圈相比具有更短的到中点的距离，因此相对于较大线圈，较短线圈中的行程更短。为了在不增加线圈长度的情况下增加行程，我们在初级线圈的外侧且朝向初级线圈的一端添加了稍短的次级绕组(如图2a中所示和下面参考图2a讨论的)。现在，当铁磁物体在作用于其上的两个线圈内达到平衡时，该物体可以移动到从线圈的中心稍微移位的位置。因此，铁磁物体可以移位超过线圈的中心，朝向具有次级绕组的一端。随着半径不断增加的越来越短的线圈被添加到螺线管的外围并朝向其一端移位或偏移，平衡点可以朝向最里面的螺线管线圈的一个磁极进一步移位(如图2b中所示和下面参考图2b讨论的)。对于平衡和/或铁磁物体可以朝向一个磁极移动或转移到多么接近的程度，可能存在限制。然而，目的可以在于，与已知的螺线管线圈绕组几何形状相比，使用该系统的物体获得长得多的致动范围的优点。
13.本文公开的线性致动器的一个示例性目的是产生比先前用相同长度的单线圈螺线管致动器可实现的更长的行程。实际上，不对称的分层线圈几何形状可以沿着螺线管创建非线性磁场密度，该磁场密度朝向螺线管的一端增加(preponderate)，从而能够实现更宽的运动范围。使用这种系统，在线性致动器中运动的磁性物体在到达相反的力开始使磁性物体静止(平衡)的点之前，可能会受到沿着线圈的几乎整个长度推动磁性物体的力。使用具有不同电流水平的多个线圈使得力从一个线圈到下一个线圈增加，可以是实现这种效果的一种替代方式(如图3a和图3b中所示和下面参考图3a和图3b讨论的)。无论本发明采用哪个实施例，只要磁场分布不均匀，就可以相比于具有均匀磁场分布的可比线圈的行程长度增加行程长度。有利的是，在致动器中有机械止动件来阻止柱塞超过柱塞行程的极限，以便总是能够反转供应给螺线管的极性，从而反转柱塞上的力的方向，柱塞可以是例如在其整个长度上被磁化的永磁体。
14.参考以下详细描述和权利要求，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和/或优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了所公开技术的实施例，并且与说明书一起解释本公开的原理。
15.附图简述
16.图1a和图1b是处于最大力配置和零净力配置的已知螺线管的示意图，该螺线管具有单线圈和铁磁柱塞。
17.图2a和图2b是根据本公开的线性致动器的一个示例性实施例的示意图，该线性致动器包括螺线管，该螺线管具有朝向初级线圈的一端移位的多个分层线圈。
18.图3a和图3b是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，该线性致动器包括以线性配置布置的多个独立线圈。
19.图4a和图4b是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中对不均匀电场的使用产生倾向于将致动柱塞吸引向最高电势点的不对称电磁力。
20.图5a-5c是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中场分布梯度沿着弯曲路线发生，以便创建旋转致动器。
21.图6是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中使用具有不
同匝数的多个独立线圈来创建不对称磁通量(magnetic flux)密度。
22.图7a和图7b是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中利用场强不断增加的级联永磁体来产生不对称的磁通(flux)密度，并且线圈被配置成在对其施加电流的情况下产生永磁体或线圈本身的运动。
23.图8a和图8b是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图，其中两组线圈几何形状被布置在致动器轴线的相对端上，每组线圈几何形状连接到单独的电压源和电势计(potentiometer)，该电压源和电势计被配置成产生推拉(push-pull)效应和磁通密度的最大可变轴向分布(profile)。
24.图9是被配置用于使用图8a和图8b的示例性致动器的示例性柱塞的示意图。
25.图10是可以与本文公开的示例性致动器组合使用的示例性线圈芯的示意图。
26.图11是根据本公开的线性致动器的另一示例性实施例的示意图。
27.图12是针对本文公开的致动器的通过平方反比函数示出距离的示例性曲线。
28.图13是根据本公开的示出由于不均匀电场导致的电离粒子在更宽长度上加速的示意图。
29.图14是根据本公开的示例性致动器和控制器系统的逻辑框图。
30.详细描述
31.一般注意事项
32.在本文中描述的系统和方法及其单独的部件不应被解释为以任何方式限于在本文中描述的特定用途或系统。相反，本公开涉及单独地以及以彼此的各种组合和子组合的形式的各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面。例如，所公开的实施例的任何特征或方面可以以彼此的各种组合和子组合的形式来使用，这将由相关领域的普通技术人员根据本文公开的信息而认识到。另外，所公开的系统、方法及其部件不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的事物和方法也不要求存在任何一个或更多个特定优点或解决问题。
33.如在本技术中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数形式。另外，术语“包括(includes)”是指“包括(comprises)”。此外，术语“耦合”或“固定”包括机械和化学耦合以及将物品耦合或链接在一起的其他实用方式，并且不排除在被耦合物品之间存在中间元件，除非另有说明，例如通过提及“直接”耦合或固定的元件或其表面。此外，如在本文中所使用的，术语“和/或”意为短语中的任何一项或短语中的项的组合。
34.如本文所使用的，术语“示例性”意味着用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引入了一个或更多个非限制性实施例、示例、实例和/或说明的列表。
35.如本文所使用的，术语“非线性”和“不均匀”通常用于描述当电或磁通量线以强度从场源的一端到另一端变化的方式产生时电或磁通量线的不规则形状。
36.尽管为了方便呈现，以特定的连续顺序描述了一些所公开的方法的操作，但是这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，按顺序描述的操作在一些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能不会描绘所公开的事物和方法可以与其他事物和方法结合使用的各种方式。另外，本描述有时使用诸如“提供”和“产生”的术语来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高级描述。对应于这些术语的实际操作将根据特定实现而变化，并且可由受益于本公开的本领域普通技术人员容易辨别。
37.如本文所使用的，除非特别声明相反方式，否则术语“附接”和“耦合”通常意味着物理连接或链接，其包括直接附接/耦合的项以及与该附接/耦合的项之间的中间元件附接/耦合的项。
38.如本文所使用的，术语“螺线管线圈”、“螺线管”和“线圈”通常指线性致动器的线圈绕组部分。术语“螺线管致动器”通常指作为整体的整个致动器，并且可以区别于其他形式的线性致动器，诸如液压致动器、机动化致动器(motorized actuators)和气动致动器。
39.如本文所使用的，术语“固定地附接”和“固定地耦合”是指以这样的方式联接(join)的两个部件，该方式使得在不破坏和/或不损坏一个或两个部件的情况下，这些部件可能不容易彼此分离。固定附接的示例性形式可以包括用永久性粘合剂联接、缝合、焊接或其他热粘合和/或其他联接技术。另外，两个部件可以通过例如在模塑工艺中整体形成而被“固定地附接”或“固定地耦合”。相反，术语“可移除地附接”或“可移除地耦合”指的是以这样的方式联接的两个部件，该方式使得部件可以容易地彼此分离以返回到它们单独的、分立的形式，而不会破坏和/或损坏任一个部件。临时附接的示例性形式可以包括配合型连接、可释放紧固件、可移除缝合和/或其他临时联接技术。
40.除非另有解释，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域中的普通技术人员所通常理解的相同含义。虽然与本文所描述的那些方法和材料类似或等效的方法和材料可以用于本公开的实践或试验中，但是下文描述了合适的方法和材料。材料、方法和示例仅是说明性的，并不旨在进行限制。从详细描述、摘要和附图中可以明显看出本公开的其他特征。
41.示例性实施例
42.作为参考，图1a和图1b描绘了已知的螺线管或线性致动器100的示例。如图所示，线性致动器100包括线圈101和柱塞108，柱塞108是穿过其长度被磁化的磁体或磁化物体，柱塞108的北极109意图远离螺线管的北极106。在该位置，由于电流源103产生的磁力105，柱塞108受到可以将柱塞108拉到线圈101中的净力112。通过电路102且通过线圈101的绕组的电流104的方向决定线圈的极性(即，北极106和南极107的取向)。在这种情况下，柱塞108静止于线圈101的绕组的第一匝111内。绕组104a与线圈的另一部分重叠，以便示出线圈101的绕组方向。开关116被描绘为处于断开位置116a，以示出没有电流流过线圈。柱塞108的中点110处于允许当电流流动时力112被施加在柱塞上的位置。
43.如上文所讨论的，开关117的闭合允许电流流动以进入线圈101，线圈101产生磁力，该磁力沿着线圈的轴线推动柱塞108，使得柱塞被拉向线圈108的中点。在该示例中，柱塞108所受到的力112取决于柱塞沿着螺线管的磁场轴线的位置。当柱塞的一端位于线圈101的端点处时(如图1a所示)，柱塞108上出现最大力。当柱塞108的中点110与线圈101的中点对齐时(如图1b所示)，出现零净力的平衡点。这是因为，当位于线圈101的中点处时，相等且相反的磁力同时作用在柱塞108的n端和s端上。距离115对应于终止于线圈的中心113处的螺线管致动器的行程，并且由柱塞108的中心110的原始位置110a和柱塞108的中心110的最终位置113限定。当柱塞位于位置113处时，柱塞114上的力可以非常接近等于零。
44.图2a和图2b中示出了根据本公开的螺线管线性致动器200的一个示例性实施例。如在附图中可以看出的，螺线管致动器200包括多个线圈，这些线圈的绕组被布置成具有能够使磁力朝向一个磁极增加的几何形状，并且这些线圈可以被配置成沿着直线/线性的移动轴线作用在柱塞(即，磁化物体)208上。在本实施例中，线圈几何形状包括相对于螺线管致动器200的相对端朝向螺线管致动器200的一端的更多绕组或线圈(线圈201、202、203)。应当理解，柱塞或磁化物体208可以是临时或永久性磁体、铁磁性材料或连接到电力源的另一个电磁线圈。另外应当理解，柱塞208可以位于线圈的顶部、位于线圈内或其组合，只要它可以受到非线性磁场密度的作用以产生相对于图1a和图1b的传统线性致动器100(其中峰值磁场密度位于线圈101的中心(即，在线圈边界的中心处))更长的致动行程。
45.在一些实施例中，固定到磁化物体208的弹性带或弹簧也可以在被认为有利的情况或条件下(例如，在希望在行程上有更多线性力的情况下)用于在柱塞208上产生附加的力源。在另一个示例中，如果电力随后被切断，则附加的力或张力源可以允许柱塞208在其移动了整个运动行程之后返回到起始位置。例如，如果应用需要或实现线性致动器，该线性致动器被设计成连接到dc源而没有反转极性的选项，则这可能是有利的，因为这可以允许系统中的柱塞经历(由于当电力切断时的磁场导致的)向前移动和(由于当电力切断时在相反方向上作用的张力导致的)向后移动。此外，当使用可变电源以便部分地但不是完全地克服张力时，这样的实施例可能是有利的，从而使得能够控制或改变柱塞沿着螺线管线圈的位置。
46.回到图2a，螺线管致动器100中的柱塞208具有不对称的磁通量密度(由逐渐变细的b场207示出)。在这种情况下，柱塞208被定向成使得其北极209面向线圈的相反方向(即，背离线圈)。线圈201的绕组从线性致动器100的一端(第一端)跨越到致动器的相对(第二)端。在相对端处，线圈201可以经由第一连接线201a连接到它连接到第二线圈202的绕组的地方。然后，第二线圈202经由第二连接线202a连接到第三线圈203的绕组。第二线圈202的绕组可以缠绕在第一线圈201的绕组的一部分上，以便产生朝向螺线管致动器200的一端(例如，右侧)增加的磁场密度。第三线圈203缠绕在第二线圈202的绕组的一部分上，以便产生朝向螺线管致动器200的一端(例如，右侧)进一步增加的磁场密度。图2a具体地示出了当电路上的开关219从断开位置216向闭合移动时的时刻，其导致电流204沿指定方向205流入螺线管致动器200。绕组203a与线圈的另一部分重叠，以便示出线圈201的绕组方向。
47.图2b示出了在开关219已经移动成闭合位置217之后的螺线管致动器200。当开关219处于闭合位置217时，柱塞208移动了距离215的行程，当线圈101和201具有相等或相似的长度时，该距离215大于图1b中描绘的螺线管致动器100的行程距离115。图2b中描绘的这个行程距离215示出柱塞208的中点从初始位置210a)移动到静止位置210，该静止位置210与沿着螺线管致动器200的线圈201、202、203的峰值磁通量密度紧密地对应。当开关207闭合时，可以产生或显现电势b场207。
48.当柱塞208保持静止时，线圈201、202、203可以在螺线管致动器200系统中受到力。当线圈201、202、203中的一个或更多个的极性被反转时，由反转后的线圈对螺线管致动器中的其它部件的作用所产生的力可以被反转。每个相应线圈201、202、203中的绕组数和流向每个线圈201、202、203的功率流可以决定柱塞208在螺线管致动器200中的位置。因此，本实施例使得可以利用例如控制器装置(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置
1410)来实现柱塞208的可变或可调位置控制，特别是当线圈被分开供电而不是在一个电路中联接在一起时(如在下面讨论的图6的实施例中)。在图2b中示出了由开关216b的闭合产生的所产生的b场207a。
49.线圈(诸如图2a和图2b所示的线圈)的构造可以通过改变线圈的绕组数的分度(graduation)来实现。一层绕组的分度可以具有比前一层少至少三个(-3)的绕组。换句话说，每个连续层的绕组数可以具有比前一层少至少三匝的匝。每个连续层可以朝向一端移位，使得线圈的轮廓(profile)类似于图2a和图2b中所示的轮廓，也就是说，螺线管的轮廓显示出大多数绕组聚集在螺线管的一端或朝向螺线管的一端分布，而在另一端绕组相对较少。在替代实施例中，线圈或绕组可以具有单独的线轴(spool of wire)，每个线轴具有不同的匝数，其中较高数量的匝数朝向一端增加，并且线轴电连接到下一个线轴使得绕组的轮廓采取类似于图2a和图2b中所示的形式。线轴可以以它们之间的最小距离间隔开(例如，线轴之间的间距为1mm)。如上所述，在每个相邻线轴之间可以有三匝绕组的最小差异。
50.应当理解，将不对称磁通密度应用于线性致动器可以实现基于线圈中的绕组数和/或流过它们各自电路的功率流来预测或控制柱塞的停止点。例如，当系统中的一个或更多个参数(例如，功率流)改变时，可以使用数学分析来计算沿着螺线管致动器的行程在柱塞上的力和/或柱塞的停止位置，从而允许进一步的可预测性和细化。此外，本文公开的用于向具有可变位置控制(经由控制电路分支的功率和作用在柱塞上的线圈的极性的差异)的螺线管致动器供电的装置和方法允许操作者或控制板或使操作者或控制板能够执行先前(利用常规螺线管致动器)会需要相当复杂的控制器(包括例如液压、气动和/或三相线性马达)的动作。此外，常规螺线管致动器通常只能执行单个动作(例如，柱塞在第一方向上的移动)，并且所有后续动作(例如，柱塞在相反的第二方向上的移动)可能需要复位弹簧或其他机构来使柱塞返回到最高力产生点。本实施例描绘了一种配置或策略，其可以通过结合沿着柱塞的行程不对称的磁场密度(例如，图2a中示出的逐渐变细的b场207)来实现对柱塞位置的完全电气控制。
51.在一些实施例中，致动器可以包括多个重叠线圈，这些线圈可以随意接通或切断。因此，线圈可以以非线性方式向系统引入力，从而允许利用该致动器的给定装置产生多种力分布，每种力分布可以倾向于使运动中的物体或柱塞在选定位置居中，并且可以产生作用在物体或柱塞上的不同力。在多个线圈存在且单独被致动的情况下，可以获得力的各种分布，如图6所示和在下面讨论的。
52.图6示出了另一个实施例，其中螺线管致动器600由不同匝数和直径的线圈组成，以帮助产生磁场不对称性，从而可以延长柱塞的行程。与螺线管致动器600不同，在本实施例中，线圈601a、602a、603a中的每一个分别连接到单独的电路601、602、603上的单独电源，每个电路601、602、603具有单独的功率开关610、611、612。最里面的线圈601a延伸螺线管致动器600的整个长度，并且当单独接通时，线圈601a可以将柱塞608拉到线圈601a的中心点。较短的第二线圈602a可以缠绕在第一线圈601a的一部分或一段之上，使得其朝向致动器600的一侧或一端(例如，右侧)移位或定位。第三线圈603a缠绕在第二线圈602a上，并且类似地朝向致动器的一侧或一端(例如，右侧)移位或定位。当电流i1、i2、i3可以分别施加到线圈601a、602a、603a中的每一个时。当电流i1、i2、i3相等并且每个电路具有流过线圈601a、602a、603a的功率时，以能够使峰值磁场密度从例如线圈601a的中心向螺线管致动器的一
端移位的方式产生磁场，并且因此柱塞608能够移动到相对于传统的螺线管致动器(例如，图1中示出的螺线管致动器100)更靠近螺线管致动器的一端的位置。此外，如果通过电源601、602、603中的一个或更多个的极性被反转，则柱塞608可以在螺线管致动器600的相对端达到平衡。
53.在附加或替代实施例中，被配置成产生不均匀磁场梯度的螺线管致动器或线性马达可以包括由不同电路馈电的多个共线线圈(例如在图6的实施例中)，其中位置传感器可以允许在物体经过电路时切断电路，以便减小将运动中的柱塞向后拉的力。此外，可以(利用例如控制器装置，例如下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)控制电路以改变它们的极性，以便在需要这样做的情况下，例如当重物连接到柱塞并且其位置旨在保持恒定时，阻挡柱塞的向后移动。在实施方式中，被改变为交替极性的线圈可以是不紧邻仍然对柱塞进行作用的线圈的那些线圈，以限制在其各自磁场中的破坏性干扰。
54.在另一示例性实施例中，图3a和图3b中示出了螺线管致动器300。如图中所示，螺线管致动器300包括多个线圈301、302、303，该多个线圈301、302、303沿着公共中心轴线309首尾相连地线性布置，每个线圈之间设置有间隙。换句话说，螺线管致动器300包括沿着公共轴线布置的多个不重叠线圈(线圈301、302、303)。在一些示例中，线圈301、302、303彼此非常接近，例如，沿着线性轴线相隔1mm的距离。在一些示例中，线圈301、302、303中的每一个可以具有不同的线圈匝数和/或不同的线圈直径，然而，在其他示例中，线圈可以具有相似或相同的匝数和/或相似或相同的直径。
55.如图3a和图3b所示，线圈301、302、303可以各自(分别地)连接到单独的电路304、305、306，使得用于每个线圈的电流可以被单独控制并且电流i1、i2、i3可以在线圈之间选择性地不同。因此，沿着公共轴线309的磁通密度可以沿着轴线不连续(即，可变的)，其中优势磁通量密度被偏置，以便为柱塞308产生期望的移动方向(即，朝向螺线管致动器300的第一端或相对的第二端偏置)。由于线圈301、302、303非常接近，磁场跨越公共轴线，并且线圈301、302、303可以例如以类似于可以堆叠多个较小永磁体以产生与较大永磁体的场类似的场的方式，作为单个电磁体起作用。可以通过应用脉宽调制来改变到每个线圈301、302、303的功率流。在图3a中，开关处于断开位置311a、311b、311c，因此电势b场309还不是活跃的。
56.使用螺线管致动器300，沿着公共轴线布置的线圈301、302、303可以以这样的方式选择性地接通和切断，该方式为通过例如当柱塞沿着轴线309移动时在与柱塞相同的位置处产生相对弱的磁场以及在柱塞前面产生相对较强的磁场来保持在运动中的柱塞308上的力。附加地或替代地，在一些示例中，可以产生磁场，使得排斥力从后面作用在移动的柱塞308上，以便在柱塞上提供附加的加速力。这也可以有效地减少柱塞在加速时滑出现场(spot)的趋势或在柱塞受到最大加速力时变得未对齐的趋势。此外，被配置成检测柱塞沿轴线的位置的传感器可以用于对切换线圈301、302、303的电路304、305、306进行适当定时。通过控制到每个单独线圈的功率流，可能创造沿着轴线的位置控制的条件，其中柱塞被相对于其他线圈具有更多绕组和/或更多功率的线圈最强地作用。换句话说，通过选择性地接通和切断线圈301、302、303中的各个线圈，只有那些具有有功功率流的线圈作用在柱塞308上，这允许利用例如控制器装置(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)来微调位置控制。应当理解，当柱塞308设置在绕组内并与公共轴线309对齐(如图3a和图3b中所描绘的)时，线圈301、302、303可以作用在柱塞308上，或者螺线管致动器300可以与在线
圈外部(例如，沿着线圈的顶部)移动的柱塞类似地起作用，只要柱塞(物体)被磁化或能够被磁化。
57.图3a具体描绘了一个实施例，其中在每个电路上的开关312、313、314从断开位置311向闭合位置移动的时刻，柱塞308受到线圈301、302、303(每个线圈都在单独的电路上)的作用。电流307流过相应的电路304、305、306，因此流过线圈301、302、303。三个线圈301、302、303由间隙309隔开，并且每个线圈可以具有不同的电流水平(例如，使得在电路306中流动的电流i1大于在电路305中流动的电流i2，在电路305中流动的电流i2大于在电路304中流动的电流i3)。这些不同的电流水平可以产生不对称的磁通量密度316，从而相对于诸如螺线管致动器100的常规螺线管致动器延长了螺线管致动器300的行程。
58.图3b示出了在各个电路304、305、306上的开关312、313、314移动成闭合位置312之后的螺线管致动器300。位置310a对应于开关闭合之前的柱塞的中点的位置，而位置310对应于开关闭合之后的柱塞308的中点的位置，它们限定行程距离315。如上所述，借助于朝向例如螺线管致动器300的右侧增加的不对称磁通量密度，行程距离315大于传统螺线管线性致动器(例如螺线管致动器100)的行程距离。绕组307a与线圈的一部分重叠，以示出线圈301的绕组方向。在图3b中，开关被示出处于闭合位置312a、312b、312c，因此活跃的b场309被产生并能够作用在柱塞308上。
59.应当理解，在图3a和图3b的实施例中示出了三个线圈和电路，但是在替代实施例中，螺线管致动器可以包括更多或更少的线圈和电路(例如，两个或四个或更多个线圈和电路)。另外，在实施例中，电路可以连接到例如电路控制器，或连接到用于在相应电路之间产生不同的场梯度并因此使b场的磁通密度不同或在b场的磁通密度中产生梯度的另一机构。
60.在实施例中，如果在柱塞移动经过线圈时切断位于柱塞后面的线圈，则包括多个线圈和电路(例如在图6a和图6b的实施例中)的螺线管致动器以及用于引入不均匀磁场的相关联方法可以变得更有效。在这样的实施例中，可以经由柱塞前面的线圈来在柱塞前面产生不均匀磁场，但是柱塞已经移动通过的场不再是活跃的，从而对于给定的线圈或一组线圈产生甚至更大的移动行程。在使用多个线圈并沿着单个轴线接通和切断线圈的情况下，当移动的柱塞进入给定的线圈的场时，线圈可以主动地减小功率流。以此方式，每个连续电路中的功率电平不需要随着柱塞沿着轴线移动而连续增加。相反，只要刚好在柱塞前方的线圈的功率电平保持比刚好在移动的柱塞后方的线圈更高的通量，从而在行进方向上保持正的通量梯度，那么柱塞的移动就可以继续。在实施方式中，不均匀场可以以这样的方式定向，使得致动沿着其发生的轴线呈围绕圆柱形物体的螺旋状形式。这种实施方式可以允许以致动长度为代价，沿着气缸的中心轴线产生更大的扭矩。
61.在实施例中，为了使柱塞制动(break)或减速，线圈中的位于移动的柱塞后面的各个线圈可以在柱塞移动经过它们时接通，从而在与柱塞的动量相反的方向上吸引柱塞，并使柱塞减速或停止其移动。因此，本文公开的实施例可以包括元件或采用策略和方法以用于阻挡螺线管致动器沿着行进轴线的运动，该螺线管致动器被配置成产生朝向致动器的一端增加的不均匀磁场分布。此外，本文公开的实施例可以允许一种产生针对给定功率输入或在功率输入的给定时间段内起作用来对抗阻力的移动的方法，这在期望柱塞位置的小的或特定的变化时可以是有利的。例如，当阻力源是柱塞和系统中的静止物体(其可能被固定附接)之间的张力或压缩的源时，移动的柱塞可以具有相对于功率输入或功率输入的持续
时间的位移。此外，当到线圈和电路的功率被切断时，柱塞可以通过普通弹性装置返回到使张力或压缩最小化的位置。在另一示例中，具有质量或物体的负载可以附接到柱塞上，该负载需要动力才能移动。克服移动柱塞的阻力损失然后可以代替有目的地采用的机械或弹性阻力(如在前面示例中的)，因为其上附接有质量的柱塞可以固有地产生其自身的惯性运动阻力和机械运动阻力。示意性地，这可以采取与图2a和图2b的实施例中相同的形式。
62.在实施例中，具有不均匀磁场的螺线管致动器(或线性马达)中的两个或更多个线圈可以起作用来(通过具有例如相反的输入功率极性和/或相反缠绕的线圈方向)使上述示例中的柱塞在相反方向上加速，使得功率输入水平的微小变化或功率输入到一个或更多个线圈的时间间隔的微小变化可以引起致动器或马达的柱塞位置的相对应的变化。在图8a和图8b的实施例中示出了这种情况的一个示例。
63.在实施例中，本文公开的示例性螺线管致动器可以在朝向致动器一端增加的不均匀磁场分布内具有移动线圈系统、移动磁体系统或其组合中的任何一种。例如，线圈可以具有普通场分布，或者它可以被设计成当它作用在柱塞中的永磁体源上时产生不均匀磁场，该柱塞本身产生非均匀磁场，例如，如在图7a和图7b的实施例中永磁体产生不均匀磁场那样。替代地，这样的永磁体或电磁线圈中的两个永磁体或电磁线圈可以这样一种方式作用在系统中的柱塞上，即它们在柱塞上产生的力可以相反(即，在推拉拓扑结构中，类似于在图8的实施例中可能发生的情况)，或者力可以是相加的(即，作用在相同方向上)。当一个部件保持静止时，根据每个部件各自的极性，会使另一个部件朝向或远离最高磁通密度的点移动。例如，一个小线圈可以作用在一大组永磁体上，以产生相对于在其中移动的永磁体柱塞的长度的宽行程。该行程可以是作用在其上的电磁线圈的长度的许多倍(例如，2-5倍)。在这个示例中，柱塞中的永磁体可以被布置或附接成使得在各种长度的磁体之间存在间隔。
64.例如，这样的实施例还可以使得能够生产能够使磁体连续加速的线性马达。当这种形式的线性马达承载附接到柱塞的负载时，负载和柱塞可以沿着一系列对齐的线圈进行加速。当负载和柱塞到达期望位置时，不均匀的磁场梯度可以用于通过反转作用在负载和柱塞上的线圈的极性来使运动中的柱塞逐渐减速。在实施例中，可以使用线圈本身具有沿其中心轴线不均匀的磁场梯度的线圈来获得更平滑的减速。在实施例中，当线圈被一次接通以便在相对于当前行进方向相反的方向上吸引运动中的柱塞的峰值磁场密度时，也可以获得减速。附加地或替代地，在实施例中，对运动中的柱塞的排斥作用或力可以来自柱塞的在柱塞行进方向上的前方的线圈。因此，可以用这种形式的线性螺线管致动器或马达来实现加速和减速的方法。可选地，螺线管致动器还可以包括位置反馈机构或位置传感器和控制器，或被配置用于与位置反馈机构或位置传感器和控制器进行通信，该控制器能够基于柱塞的位置接通和切断到每个线圈的功率流，以选择性地产生其加速度或减速度(例如下面参考图14讨论的那些控制器)。在一些实施方式中，当作用在柱塞上的线圈不切断而是保持低的连续功率流时，位置保持或控制是可能的。示意性地，这种设置可以采取类似于图2a和图2b中所示的实施例的形式，其中类似构造的多个致动器可以在单个移动轴线上，每个相应致动器之间的间距例如为1mm。
65.由具有不均匀磁场的共线螺线管致动器或线性马达进行作用的两个或更多个柱塞可以使用刚性或半刚性构件连接，这可以导致更高的总力产生，如图9的实施例中所示。
驱动螺线管致动器的每个不均匀磁场源之间的距离可以使得在产生的磁场中存在最小干扰。共线致动器或马达中的一个或更多个可以被配置用于极性反转，并且包括用于调节到其的功率流的机构。这可以使得能够在连接螺线管致动器的柱塞的刚性或半刚性构件上产生反作用力，并允许到达和保持在沿着柱塞的行程路径的各种位置。具体地，在图9的示例性实施例中，刚性或半刚性构件901分成两个弯头902，以便连接两个永磁体903，这些永磁体903可以用作螺线管致动器900中的柱塞。两个线圈904和905被构造成产生朝向相对的端增加的不均匀磁场，示出的是，线圈904相对于线圈905面向相反方向。当电力被同时施加到这两个线圈904和905时，柱塞903都被施加可以在相反方向上作用的力。当每个线圈中的平均功率改变时，两个柱塞的位置可以改变或变化。当两个线圈904和905对柱塞903施加在相同方向上作用的力时，在给定方向上获得最大力。此外，以这种方式，任意数量的线圈和柱塞都可以连接在一起，具有提高致动功率的额外益处。在期望在宽行程上进行精确控制的实施例或应用中，这可能是特别有利的，例如当额外的螺线管线圈和柱塞被添加到系统中时，这些额外的螺线管线圈和柱塞具有线圈或柱塞的相对于系统中的其他线圈和柱塞的移位位置。这些额外的部件可以允许力通过它们的连接构件(例如刚性或半刚性构件901)施加到柱塞上，而当柱塞处于其行程末端时，作用在柱塞上的力可以忽略不计。
66.在附加或替代实施例中，被配置成产生不均匀磁场梯度的螺线管致动器或线性马达可以具有配置成在相反方向上作用的至少两个线圈，其中至少一个线圈连接到具有用于位置控制的功率缓解机构的电路。另外，在实施例中，开/关开关可以被包括在连接到电磁线圈的每个电路中，用于选择性地断开功率流并允许致动器的其他线圈接管对柱塞的作用的目的。当在螺线管致动器中使用两个或更多个反作用线圈时，这种开关可以允许沿着线性路径在每个方向上进行全行程或几乎全行程的移动(例如，通过断开各个电路)，以及实现执行小的增量移动的谨慎动作(例如，通过对由控制器控制的各个电路的功率流控制，该控制器例如是下面参照图14讨论的计算机化控制器装置1410)。在图8a和图8b的实施例中示出了这种情况的一个示例。
67.在附加或替代的实施例中，当线圈在其每一端处具有较大数量的绕组时，可以形成电磁弹簧。这种线圈几何形状可以产生双极不均匀磁场，当柱塞偏离线圈的中点时，该磁场可以有更强的磁力作用在柱塞上。当处于任一端点处时，运动中的柱塞(其可以是磁性、铁磁性或电磁物体)可能会被迫改变方向。柱塞可能会受到阻止其动量然后使其返回到中点的力。相对于传统的螺线管致动器，朝向螺线管致动器中线圈的端部的安装力可以允许以更有效的方式实现这一点。不仅柱塞可以经受返回力，该返回力将其从那里存在的磁平衡拉向线圈的中点，而且柱塞还可以受到不均匀磁场的作用，该不均匀磁场本身可以在电磁系统中引起运动。应当理解，当更大的电流密度被施加到在多个线圈的相对端处的线圈时，可以通过包括在类似轴线上对齐的多个线圈的致动器实施例(例如图3a和图3b中示出的螺线管致动器300)来实现类似的结果。除了两个电路可以通过一个电源联接使得由两组线圈产生的场是相加的以外，其示例性实施例可以与图8a和图8b的实施例几乎相同。
68.如上面所讨论的，在实施例中，线圈可以具有一个或更多个相邻的线圈，这些相邻的线圈也具有流过其中的功率，这可以通过向线圈施加不同的功率电平来改变它们各自对柱塞(例如，一个或更多个磁性或顺磁性物体)的影响。然而，在替代实施例中，在具有多个线圈的螺线管致动器或线性马达中控制柱塞的位置的更潜在更具成本效益的方法可以被
配置成朝向螺线管致动器的一端具有增加数量的绕组和/或线圈，或者朝向螺线管致动器的一端具有增加的功率流。在这样的实施例中，可变电源(例如电池和电势计)可以导致系统中的柱塞具有变化量的吸引力或排斥力，这可以驱动到新位置的移动。例如，可以通过将马达附接到电势计并从能够引起马达位置的增量变化的计算机化控制器(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)驱动马达，来实现螺线管致动器的自动化控制。在实施方式中，不同功率额定值的单独的电池可以通过开关连接到电路，开关可以使用计算机化控制器来控制。应当理解，其他类型的可变电源和方法(诸如脉宽调制)可以与本文公开的致动器结合使用，并且本公开不限于上述示例。在图8a和图8b的实施例中示出了这种类型的致动器的示例。
69.在实施例中，为了给磁通量分布增加非线性，可以改变线圈的芯的材料。线圈的芯可以包含增加线圈的电感的材料。这种材料可以被使用以相比于其他绕组，更多地影响线圈中的某些绕组的电感。例如，当包括沿行程的不均匀磁场的螺线管致动器由两个或更多个相互作用的电磁线圈组成时，可能希望线圈在配置上类似于传统螺线管致动器中的线圈，但是可能希望在一段绕组中包括芯成分，该芯成分包括某种材料(例如，该材料可以是铁磁性的)，以便增加某些绕组相对于其余绕组的电感。例如，线圈可以被配置成相对于在线圈的相对一端处的绕组，在线圈的一端处的绕组中具有更多的电感材料。这样的配置可以增加朝向线圈的一侧(即，线圈的具有感应芯的一侧)的非线性度，以便增加线圈的行程长度。
70.在说明性示例中，圆柱形销钉(dowel)可以以在一端上相对于相对端留下更多体积的方式被挖空。中空空间可以填充有能够影响附近绕组的电感的材料，例如铁氧体粉末。然后可以将线圈缠绕在销钉之上。线圈由此可以被配置成沿其长度保持不对称磁通密度，而无需使用不同的线圈几何形状或多个电路。在实施例中，具有这种配置的芯的初级线圈可以具有在初级线圈保持静止的同时在它们外部移动的分离的次级线圈(例如，在初级线圈的顶部)。这种线圈还可以产生具有不对称磁通密度的磁场，以便进一步增加螺线管致动器的行程距离。此外，在实施例中，可以产生或不产生在其长度上变化的磁通密度的线圈和/或磁体可以受到另一线圈或磁体作用，该另一线圈或磁体本身产生不均匀磁场密度，以便增加运动中的物体(柱塞)通过螺线管致动器的移动行程。例如，如图10所示，圆柱形线圈芯1001具有的一部分1002是被挖空的体积(以剖面影线示出)，并且该体积填充有与芯的其余部分具有不同磁导率的材料。然后，整个芯1000可以用于在其上缠绕线圈。在实施例中，由于磁导率在圆柱体1000的长度上变化，线圈然后可以产生不均匀磁场。然后，该磁场可受到永磁体作用，永磁体可以为环形的，以便沿着缠绕在芯1000上的线圈的长度行进。当作用在线圈和芯上的另一磁场源保持静止时，线圈和芯也可以是致动器系统中的柱塞。因此，像这样缠绕在芯上的线圈以许多方式起作用，就像从其他实施例(诸如图2a中描绘的实施例)中产生的磁场一样。
71.在另一实施例中，类似于自耦变压器，螺线管致动器可以沿着其长度具有多个抽头。前述螺线管致动器可以被配置为与电源和控制器(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)一起使用，以产生不均匀磁场，目的是增加在螺线管致动器的一个或更多个线圈中的行程。线圈的第一端可以连接到第一电池的负极端子，并且线圈的相对的第二端可以连接到第一电池的正极端子，使得电池向线圈长度供电。第一抽头(例如，在从第一
端开始沿线圈长度向下路径的三分之一处)可以连接到第二电池的正极端子，并且第二电池的负极端子可以连接到第一电池的负极端子。因此，第二电池提供通过线圈的对应三分之一的功率流，这是对其中由第一电池提供的功率流的附加。例如，第二抽头可以在从第一端开始沿线圈向下路径的三分之二处。第二抽头可以连接到第三电池的正极端子。第三电池的负极端子可以连接到其他电池通过其接地的同一端子，因此第三电池的功率流被包含在螺线管长度的三分之二内。因此，螺线管致动器的这个实施例可以包括流过线圈的三个不同的电流，因为三个电池中的每一个在其所连接到的线圈的相应部分上以相称(commensurate)的方式工作。在该示例性实施例中，单层线圈可以被配置成使用电源(例如，三个电池)产生不均匀磁场分布。在一些实施方式中，附加开关可以被配置成切换每个电池的极性，以便反转系统中作用在柱塞上的力。此外，在附加或替代的实施方式中，通过结合用于控制从每个电池流出的功率流的方法(例如，经由通过电势计和另一开/关开关的连接)，柱塞位置的微调是可能的。例如，图11示出了螺线管致动器1100，其具有构造与自耦变压器的构造非常相似的线圈，除了该线圈可以被配置成沿着其长度产生不均匀磁场。线圈1104可以沿着其长度具有多个抽头1103a、1103b和1103c，在这些抽头之间以非线性方式分配功率。电源1101和1102可以具有不同数量的功率单元(power cell)，这些功率单元被配置成使在抽头1103b和1103c之间流动的功率大于在1003a和1103b之间流动的功率。这产生了沿着线圈1104的长度变化的磁场密度。在替代实施例中，更大数量的抽头可以允许更精细地调节沿着该线圈的长度存在的磁场密度梯度。可变电源(其改变通过给定段的平均功率)可以提供一种改变柱塞在线圈内的位置的机制，特别是当柱塞位置通过控制器(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)被监测和/或控制时，以及在数据用于控制或改变通过线圈1104上的各个抽头的平均功率的情况下。
72.此外，在附加或替代的实施方式中，螺线管致动器的前述实施例可以包括线圈内的芯，该芯被配置成实现了沿着线圈的长度从线圈到芯的不断变化或可变的磁导率和/或距离。这可以允许单个线圈通过在沿着线圈长度的各个点处增强芯对线圈电感的影响而在线圈的表面上产生不对称的磁场密度。因此，柱塞可以以类似于其它实施例中柱塞运动的方式在线圈的表面上方(例如，在线圈的顶部上方)移动，其中柱塞受到一个力，该力驱动它朝向或远离最高磁通量密度的点，这取决于柱塞和线圈的极性。只要电感从线圈的一端到相对端增加，该示例中的不对称性也可以增加螺线管致动器的行程。在柱塞在螺线管的顶部上方移动的应用中，这种实施例可以是有用的，因为线圈可以被线性缠绕并具有一个电路，这因此使得柱塞和线圈之间的距离最小化并且简化了螺线管致动器的构造。
73.现在转向图4a和图4b，图4a和图4b中描绘了包括锥形物体401的线性致动器400。如图4a所示，锥形物体410可以由金属组成，并且可以包括设置在其中并与锥体的中心轴线对齐的空心金属管402。图4b描绘了当锥形物体401沿着与带电轨道408接触的方向滑向多个绝缘带电环409时的锥形物体401，这些绝缘带电环409可以具有相对于锥形物体401相反的电极性。绝缘带电环409可以以使得每个环能够具有不同电压电势的方式连接到电压源403。电压电势可以取决于例如连接到线性致动器400的电池(例如，电池v
1-vn)的数量和/或它们各自的特性。当环403在锥形物体401沿着轨道408移动时基于例如它们各自的电压电势和/或它们到锥形物体401的距离产生非线性力函数时，可以产生不均匀的磁场或电场。在环403之间可以存在电容性质或关系，使得当锥形物体401接近环时，电弧放电(arcing)
受到限制，并且在相应的环403和锥形物体401之间存在电势差。当使用诸如电池的dc电源时，电势在电源的一侧404上是正的，而在另一(相对的)侧405上是负的。当运动导致开关407闭合时，可以形成电路406。这种运动可以是由锥形物体401的锥形形状及其对绝缘环403的吸引力所产生的不均匀场的结果。在该示例性实施例中，能量可以从电池中汲取，并且可以经由电容器消耗，其中由于锥形物体401的锥形形状导致作用在电容器上的力不平衡。可以通过使用高压电势源来进一步辅助运动能量。
74.在一个示例性应用中，可以使用类似于线性致动器400的配置(或类似于本文公开的其他线性致动器的配置)来实现旨在递增地加速的物体(例如移动精密物体的线性致动器，其中力的突然变化会产生不期望的冲量(impulse))，因为线性致动器中的力可以是诸如在沿着行程的给定点处的场密度和电流的因子的乘积。由于这些因子可以随着不对称分布而变化，自然递增的速度是可能的。系统中物体的加速度曲线可以根据应用进行定制，例如，可以利用平方反比曲线并获得有效的结果。在图12中描绘了示例性曲线1200，其中电场或磁场(取决于实施例)相对于距离通过平方反比函数变化。
75.在另一示例性应用中，围绕接头(joint)旋转或枢转的物体可以利用沿着行程的不对称场分布以达到增加行程的目的(下面参考图5a和图5b详细讨论的)。在这个示例中，定子(stator)、转子(rotor)或两者的磁场密度或电流密度的不对称分布会导致物体的运动。与常规致动器不同，示例性应用可以排除马达和/或齿轮，而代之以使用螺线管相互作用，这可以实现更简单和/或更便宜的制造。例如，在具有直流应用的旋转接头中，当作用在具有运动中物体的非恒定磁通分布的系统上的具有最高磁通密度的线圈与系统的静止部分上的最高磁通密度点对齐时，运动可以停止。如果当系统的静止部分(即作用在系统上的线圈)和移动部分的最高磁通密度点对齐时，系统的静止部分被脉冲化或(例如，像换向dc马达一样从换向连接)递增地切断，则该实施例也可以应用于马达。由于系统的静止部分和移动部分的对齐通常会导致移动的停止，因此可以通过在旋转的这一部分期间切断线圈来产生恒定的旋转。在实施方式中，旋转构件可以具有附接的弹簧，以在功率电平改变时使运动中的物体返回到先前(例如初始)位置，从而使得物体在暴露于附近磁场时在停止之前能够旋转多达近一圈。在诸如这些的旋转致动器系统中，磁力沿着旋转轴线的不对称分布会导致在较高rpm下的振动。在实施方式中，可以通过在旋转体上放置配重(counterweights)来减轻振动。在附加的或替代的实施方式中，可以通过在共享的旋转体上使用几个类似的布置(一个紧挨着另一个)来减轻振动，其中线圈或永磁体的每个布置在其加速度曲线中与位于其旁边的线圈或永磁体处于不同点处。
76.在实施例中，被配置为产生用于产生运动的不均匀磁场梯度的旋转螺线管致动器可以包括彼此靠近定位的具有不同的极性和/或绕组方向的两个线圈。这可以允许永磁体或电磁体使每个磁极同时作用于两个线圈中的一个上或与两个线圈中的一个相互作用，以通过同时利用两个磁极来更有效地产生力。沿着旋转线性致动器的直径产生不均匀磁场梯度的线圈的绕组形式的示例性实施例可以通过例如具有径向延伸出致动器的多个线圈绕线筒(bobbin)来实现，该线圈绕线筒可以是非磁性的。此外，可以缠绕线圈，使得两个或更多个相邻的绕线筒具有缠绕在它们周围的绕组，其中下一个绕组比前一个绕组缠绕在更少的绕线筒上，直到绕组缠绕在单个绕线筒上。在实施例中，围绕较少绕线筒直到到达单个绕线筒的渐进缠绕可以用相同的线或附接的线重复一次或更多次。这种线圈几何形状可以产
生不均匀磁场，随着该磁场接近周围有最多绕组的线圈绕线筒时，磁场会逐渐变大，并可能作用在永磁性源或电磁源的一个极上。在实施例中，这种形式的线圈可以具有相同几何形状的相邻线圈，以作用在永磁源或电磁源的另一磁极上，如上所述，这可以导致旋转线性致动器的增加的效率。该几何形状涉及图8a和图8b的实施例，以及图5a-5c的示例性旋转致动器。
77.图5a-5c描绘了旋转致动器装置500的示例性实施例，其被设计成致动旋转构件501。旋转构件501可以被配置成当围绕旋转构件501的第一磁场或由单独的线圈507产生的第二磁场中的一个或两个是在旋转方向上的非线性场梯度时，通过第一磁场与第二磁场的相互作用而围绕中心旋转轴线511旋转。在该实施例中，由于旋转构件501的线圈504的几何形状，导致围绕旋转构件501的磁场可以是不均匀磁场的源。在实施方式中，线圈504以这样的配置分段，该配置能够朝向线圈504的一端产生峰值磁通量密度并在线圈504的相对端产生最小磁通密度。线圈504可以通过连接线504和504a连接到电源503。类似于上述旋转线性致动器，线圈504缠绕在多个绕线筒505a-505e上，使得围绕绕线筒505a的绕组数大于围绕绕线筒505b的绕组数。此外，每个后续绕线筒上的绕组数小于前一个绕线筒(例如，绕线筒505a具有的绕组数大于绕线筒505b，绕线筒505b具有的绕组数大于绕线筒505c，绕线筒505c具有的绕组数大于绕线筒505d，绕线筒505d具有的绕组数大于绕线筒505e)。这种配置导致单个线圈(即，线圈504)被配置为产生峰值磁场密度的区域，该区域相对于线圈的中心(即，朝向线圈507的一端)移位。单独的线圈507通过开关509连接到电源508(在图5a中，开关509被示出为处于断开位置509a)。线圈507可以被配置成产生第二磁场，用于与由旋转构件501产生的第一磁场进行相互作用，从而旋转构件501朝向峰值磁场与线圈507的静止磁场对齐的点(例如，505a的位置)。图5b的侧立视图描绘了包括致动器502的旋转致动器装置500的侧视图。
78.图5b描绘了旋转构件501的侧视图，示出了线圈504的几何形状。从图中可以看出，每个连续绕组缠绕在绕线筒505a-505e中的连续绕线筒上，从而导致每个绕组与第一绕线筒505a的距离不同。此外，该配置导致绕线筒505a具有与其接触的最多绕组(最大数量的绕组)，因此最大磁场密度的位置在第一绕线筒505a的区域中。
79.图5c描绘了在开关移动到闭合位置509b(这导致旋转构件501的旋转)之后的旋转致动器500。具体地，旋转构件501可以被旋转成使得峰值磁通量密度(位于绕线筒505a处并对应于线圈504的磁北极)与线圈507的磁南极对齐。围绕中心轴线511的旋转方向512描绘了在开关509处于闭合509b之后或当开关509处于闭合509b时发生的移动。
80.在实施方式中，这个实施例可以在旋转构件501内包括弹簧，这可以实现在不切换线圈507的极性的情况下使物体返回到预定位置的致动。在这种实施方式中，可以通过选择部分地克服弹簧的张力的指定功率电平来控制(和改变)旋转构件501的旋转距离，该指定功率电平可以经由例如控制器装置(例如下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)来选择。替代地或附加地，致动器500可以包括柔性电缆，其可以是系统中的移动物体。电缆的柔性允许致动器用于各种应用，尤其是那些需要柔性或柔性有益的应用。柔性可能有益的示例可以是系统中的移动物体需要转弯的示例，例如在服装或一些机器人系统中。在这样的实例中，柔性电缆可以形成致动的非线性中心轴线。这方面的示例是向图5a、图5b和图5c的致动器装置500添加螺旋弹簧。例如，螺旋弹簧可以在一端刚性地安装在固定构件上，
在另一端附接到旋转致动器。切断功率或降低平均功率可以允许旋转物体完全或部分地返回到预定位置。此外，弹簧可以被设计成将旋转构件从致动行程的末尾带到开始，使得它可以被线圈作用，而极性反转不是必需的。
81.在其他实施方式中，致动器500可以与液压或气动致动器组合使用，以增加由组合致动器产生的力和/或组合致动器的可靠性。例如，在使用过程中，可以降低系统的一个或更多个部件上的应变。在另一示例中，一个致动器可以在一个致动器发生故障的情况下充当另一个致动器的备用致动器。
82.在还有的其它实施方式中，致动器500可以在可能期望不对称的场密度的情况下用于音圈致动器中。由于能够使用来自更简单的电源的dc并使运动中的物体或柱塞执行各种移动，例如全向和/或双向移动，因此不对称场密度致动器可以比传统的音圈类型更容易操作。也可以以比典型音圈更低成本的方式和/或在与车辆相关的其他应用中(包括在内燃机阀、流体泵、流体阀、振荡器、射弹、自动表面整平中和/或在悬架系统中)生产不对称场密度螺线管致动器。致动器的形式可以采用图2a和图2b的实施例的形式。
83.相对于传统致动器，旋转致动器500(以及本文公开的其他致动器)可以更紧凑地用于给定应用。此外，当沿着单个轴线存在多个线圈时，旋转致动器500(以及本文公开的其他致动器)可以减少时间间隙，在该时间间隙内，运动中的物体接收到很少驱动力或没有接收到驱动力(由于其位置与峰值或最小磁通量密度重合)。相反，在传统致动器中，物体或柱塞只能在一个方向上行进，并且当物体到达沿着相应线圈长度的中点时，由于线圈被接通和切断，物体或柱塞可能被多个同轴线圈作用。本文公开的致动器的不对称场密度设计可以解决这些问题。在图5a、图5b和图5c的实施例中，这将采取类似于线圈507的一个或更多个附加线圈的形式。
84.图5a、图5b和图5c可以表示轴向通量致动器的实施例。尽管轴向通量致动器的这种设计是围绕旋转轴线进行的，但是相同的致动器也可以在线性运动应用中起作用。这在柱塞和线圈不需要受缠绕在柱塞外部的螺线管绕组约束或柱塞位于螺线管绕组顶部的应用中可能是有利的。当空间约束限制了刚性或半刚性件的长度时，该刚性或半刚性件连接需要对其施加运动的物体和致动器的柱塞，采用这种形式的线性致动器也可能是有利的。这种减小的空间约束是线圈绕组的配置的结果。此外，永磁体的两极可以用于作用于由以类似于图5a、图5b和图5c的实施例的方式缠绕的线圈产生的磁场的两极。
85.在其他实施例中，脉冲式dc可以与配置成本文公开的致动器结合使用，用于热管理。另外，本文公开的致动器可以与具有冷却系统的壳体结合使用，该冷却系统被体现为包含盘管(coil)的金属叶片或中空体，该盘管被装备用于冷却被泵送通过其中的流体。
86.致动器、旋转接头或马达还可以具有用于锁定到位的装置。这允许当致动器保持预定位置时不消耗能量。
87.应当理解，本文公开的致动器的部件可以以线性和旋转致动器以外的形式实现。例如，其他磁力系统可以被配置成包括本文公开的致动器的特征，以便实现非线性，这可以有助于所施加的力的持续时间以及力的斜率的定制。由于每个随后的外围线圈都加到其下方的线圈的场上，因此系统可以形成组合力或相加力的函数(即，每个单独线圈的力的总和)。随着线圈系统设计中引入更多的非线性，生成的磁场和随后的力分布也随之变化。
88.此外，磁通电势的非线性分布可以适用于需要线性致动器(或另一个致动器)的应
用。例如，应当理解，磁通密度分布的某个功能可以特别适合于应用，并且该分布可以采取平方反比曲线(即，1/d^2)的形式。在应用期望运动中的物体或柱塞上的力的特定分布的情况下，可以使用各种其他磁通分布模式。这种特性可能是期望的或有用的应用的一个具体示例是，具有在被致动时必须使其抵抗某些应变的物体的应用，其中这些应变不以线性方式增加，而是在致动行程上以指数方式变化。
89.本文公开的另一个特征可以是由移动物体或柱塞经历的渐进且连续更大的加速度。与恒定振幅的力的强冲量相比，逐渐叠起来的连续加速度可以产生将力传递到物体或柱塞上的更大效率。增加的效率可以通过加速度函数的积分大于可比线圈来获得。这种效率增加的原因可能至少部分是由于这样的事实，即所施加的力的函数的极限是普通线圈的两倍，因为当物体或柱塞在初级线圈内时，它能够被作用近两倍的时间量。
90.在期望最佳效率的应用中，本文公开的线性致动器或其他致动器可以设置有线圈，线圈以双线方式缠绕，以便对于给定匝数增加线圈的场密度，如例如在第512,340号美国专利中所描述的，该美国专利通过引用并入本文。这可以允许在制造具有特定期望力的致动器时使用较少的材料。通过以对应于平方反比定律的方式分布场密度，从而模仿永磁体的自然磁场分布，可以进一步提高效率。
91.图7a和图7b示出了线性致动器700，该线性致动器700包括被配置为产生不对称磁通密度的磁体701(包括一系列永磁体701a、701b、701c、701d)，其中具有电势的线圈703被施加到线性致动器700以产生永磁体701a、701b、701c、701d或线圈703本身的运动。如在图7a中可以看到的，圆柱形永磁体701a、701b、701c、701d可以各自具有不同直径并连接在一起以形成单个磁偶极子。直径的变化可以增强线圈703从磁体701经受的磁通量密度，以便沿着磁体701的长度产生不均匀磁场。与电流源和开关706连通的电路705可以允许静止线圈作用在磁体701上，以便产生由于磁通量密度沿着永磁体长度的增强的分布而导致具有更宽行程(相对于传统线性致动器)的线性致动器。
92.图7a示出了处于闭合位置706的开关#，而图7b描绘了其中开关706处于断开位置706a并被移动成闭合位置706b的状态下的线性致动器700。当处于闭合位置706b时，流过线圈的功率可以作用于磁体701上并使其移动沿线圈703向下路径的几乎全长。磁体701的南极708可以在磁体701已经移动了其全部行程后从线圈703的端部前面向外延伸，并且北极702可以与线圈703的后端对齐。
93.在不脱离本公开的范围的情况下，环形线圈(toroidal coil)可以用于线性致动器700，其可采用芯。由于固有的较高品质因数，当期望超快速移动时，环形芯可能是有益的，固有的较高品质因数使得它们易于快速切换极性或功率电平。附加地或替代地，利兹线也可以用于此目的。这一点的图解表示可以不偏离图7a和图7b中所示的实施例，其中线圈是环形线圈，而不是普通的螺线管。
94.为了降低线性致动器700的重量和/或成本，磁体701a、701b、701c、701d可以与铁棒连接，铁棒可以是中空的，以形成实际上更长的永磁体。附加地或替代地，电磁螺线管可以用于代替永磁体(具有或不具有可磁化的芯)。例如，电磁螺线管可以是经典构造的电磁螺线管，或被不对称地构造以适应应用的特定力分布。在实施方式中，当使用em螺线管代替致动器700中的永磁体时，可以以功耗为代价来提供由于缺少永磁体中发现的磁力劣化而导致的更长寿命。
95.转向图8a和图8b，示出并描述了线性致动器800。在期望移动精确的应用中，可以使用相反磁化的两个线圈。在这种配置中，使用能够进行移动的智能计算和精确的功率致动的电控制系统(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)，可以偏置每个线圈的功率，使得一个线圈占主导地位(predominate)。这种控制系统在螺旋型致动器中的使用是已知的。线圈可以在不同的移动轴线上，并且可以通过刚性或半刚性机构连接在一起，以防止它们各自的场的失真。
96.图8a示出了线性致动器800包括第一线圈820a和第二线圈820b，第一线圈820a包括在第一电路上的三组绕组801、803、805，第二线圈820b包括在第二电路上的三组绕组802、804、806，第一线圈820a和第二线圈820b各自沿着单个轴线807设置并被配置成作用在柱塞上。具体地，第一和第二线圈各自由内绕组801、802、中间绕组803、804和端部绕组805、806组成，内绕组801、802延伸致动器800的全长。可以利用线性致动器800产生两个不均匀磁场，它们的峰值磁通密度在线圈的相对的两侧。它们中的每一个都可以作用于柱塞上以使得线圈同时推动或拉动柱塞。
97.图8b示出了前述线圈(电路)820a、820b，每个线圈都连接到电源808、809，并且每个线圈都具有电势计810、811，电势计810、811可以用在致动器800中以增强每个线圈的功率流。这可以实现使作用在柱塞上的力偏置，以便沿着行程增大柱塞的停止位置。如上所述，每个线圈820a、820b由三段或三组绕组构成，其中，除了具有不同长度之外，绕组段还相对于线圈中的其他段具有不同的直径，因为每个绕组段缠绕在前一组绕组上。当线圈820a、820b中的一个或任一个的电势被增强时，其可导致运动中的柱塞与两个线圈之间产生的磁通密度比成比例地被吸引到致动器800的一端或相对端。应当理解，可以使用改变线圈820a、820b中的一个或两个的磁通密度的其他配置和/或方法，例如包括和利用可变电源。在示例中，所选择的磁通密度比可以用于经由控制器装置(例如下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)控制向线圈820a、820b中的一个或两个的功率输送，该控制器装置还可以用于控制柱塞的位置。应当进一步理解，线圈的缠绕方向和施加电势的方式可以反转，而不偏离产生的最终运动。
98.还将进一步理解，由引起不均匀场分布的线性致动器800(或本文公开的其他致动器)中的一个或更多个线圈产生的热量可能在场密度最大的地方较大。因此，在实施方式中，用于供冷却流体流过的外壳可以结合到致动器中。类似地，在替代的或附加的实施方式中，可以使用叶片，该叶片可以在最大场密度点处较长，以帮助冷却线圈。此外，在附加或替代实施方式中，水密外壳可以用于给定应用。脉宽调制可以用于通过将其应用于一个或两个电路来改变柱塞的位置。
99.在实施方式中，线性致动器800(或本文公开的其他致动器)可以用于逐渐吸收高冲量力。移动通过包括逐渐更多或分层的绕组的线圈的永磁体(柱塞)可能经历由于增加的反emf而对移动逐步增加的磁阻(reluctance)。这可以类似于弹簧的压缩，除了能量不是通过张力来动态地存储，尽管它可以根据冲量吸收装置的配置被电气地产生和存储。例如，一种配置可以具有使用由电源产生的电磁场来主动抵抗运动的线圈，而另一种配置可以具有无源线圈，其中永磁体在其沿着包含更多(或更少)绕组的线圈的长度朝向线圈一极或一端行进时遇到更大的反emf。后一种配置可以提供发电电势，而前一种配置可以提供移动柱塞的更大的力延迟。因此，高冲量力可以被吸收，并且绕组沿着线圈的密度可以被定制以用于
逐渐减慢柱塞(柱塞原本会经历更快速的速度下降)，从而降低力冲量。冲量减小的另一示例可以是这样一种配置，其中具有不均匀磁通密度的线圈被通电，并且当软铁棒(柱塞)移动通过线圈时，软铁棒(柱塞)被施加一些力。在这个示例中，线圈可以在给定点处与场成比例地抵抗铁棒的移动。由于场不是线性的，因此力可能经历对移动的不断变化的磁阻，这可能降低棒上的力的冲量曲线。在实施方式中，具有可变电源的多个线圈可以用于改变磁场的梯度，以进一步实时定制对施加在磁化物体(柱塞)上的力的磁阻。此外，线圈可以以这样的方式配置，其中冲力(impact)通过物理撞击或通过将断开电路的物体移出来触发电路接通。多个这样的物体可以用于多个电路。本实施例的形式可以不偏离图2a和图2b中所示的形式。
100.这种类型的致动器可以特别适合于系统施加在致动器上的力不恒定的应用。该应用的一个示例包括例如压碎物体、拉伸具有一定弹性的物体以及从线圈系统的单个极排斥磁化物体。
101.在实施方式中，线性致动器800(或本文公开的其他致动器)可以用于使磁化物体在空间中快速移动和悬浮。例如，物体可以被放置在由产生磁场的致动器包围的空间中，诸如被放置在一个或更多个线圈中。线圈可以以与物体在空间中的位置相对应的极性和频率接通和切断，使得物体在物体的期望轨迹方向上被吸引到更密集的磁场中。例如，该物体可以是球形磁性物体，其在北极和南极垂直于重力的拉力的情况下抵抗重力进行悬挂。多个线圈位于物体周围，这些线圈本身可以由一个或更多个单独的电路组成，用于进一步微调场密度(例如，如在图7a和图7b的示例性实施例中的那样)。当球形物体朝致动器的底部下降时，一系列线圈可以产生场，该场形成将北极和南极都向上拉的场密度分布。当物体上升时，线圈会断开，导致物体上升和下降(crest and fall)。当场梯度与物体的拉力不平行时，会发生球形物体的自旋，并且随后会发生物体在其轴线上的摆动。假设存在某种机制来跟踪物体在空间中的位置和极点所在的位置，则来自线圈的力可以继续将球形物体保持在高处。应当理解，物体可以是任何形状的物体，并且它可以是顺磁性的、电磁的或包含永磁体。磁体可以具有期望的分布，该分布被配置成使得以指向所期望的行进方向的磁通量分布来产生场。
102.在实施方式中，计算机可以与线性致动器800(或本文公开的其他致动器)结合使用，以基于过去或现在的位置预测轨迹并相应地切换到线圈的功率，从而以智能方式移动物体(或柱塞)。此外，在实施方式中，只要从移动物体收集了足够的数据，就可以以这种方式移动多于一个物体(或柱塞)。可以找到预测模型，它允许计算机独立于实时位置中心而运行，只要它具有物体的先前位置数据。在示例中，使用这种配置，多个小物体可以保持围绕中心磁化物体的轨道。中心物体可以包括例如指向径向向外的不同方向上的多个线圈，每个线圈具有附接到计算机化控制器(例如，下面参考图14讨论的计算机化控制器装置1410)的单独电路。外围的线圈可以作用于移动的磁化物体以保持空间取向。在这种类型的致动器中，可以建立行星运动模型，其中通过使用快速波动的磁场来实现移动的磁化物体的椭圆轨道，该磁场的受智能控制的场密度通过在期望的运动方向上产生更密集的场来改变物体轨迹。在这样的致动器中，吸引力和排斥力都可以用来引起期望的运动。目标可以是通过在整个移动过程中保持移动物体的极性瞄准相同方向来最小化相应轨迹的失真。例如，可以将液体涡流模型应用于计算机的轨迹算法，因为落入液体涡流中的漂浮物体在其
围绕中心轴线旋转时持续指向相同方向。
103.在实施方式中，可以类似地控制电离粒子和等离子体，而不是在致动器中使用磁体，该致动器产生通量分布以在三个维度中智能地移动物体。在这种实施方式中，电场分布可以被增强。除了在指定空间中的给定点处的场的强度之外，对颜色密度和/或移动速度可以有很少限制或没有限制。为了与等离子体一起使用，可以使用具有用于在给定点处动态增强电势并达到高通量水平的机构的真空容器，以获得最大可调节性。这种配置和方法可以用于在例如粒子加速器中加速粒子。可以结合声波，以通过产生压缩和稀疏(这可以影响电离粒子的密度)来给这些致动器添加另一层控制。图13描绘了示出电离粒子由于不均匀电场而在更宽长度上加速的示例性实施例，下面将进一步讨论。
104.在实施方式中，线性致动器800(或本文公开的其他致动器)可以用于延长例如在等离子体致动器中的介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)的长度。可以通过在被覆盖(sheathed)在介质屏障(dielectric barrier)下方的带电导体上施加非线性电压分布来增加介质阻挡放电的长度。使用介质阻挡放电以便例如影响周围介质的流体流的等离子体致动器可以通过这种方法通过相对较长的行进长度来扩展等离子体对流体介质的影响，通过引入场不对称性使电离的等离子体在该相对较长的行进长度上被输送。在该示例中用于产生场的非线性的配置和方法可以通过次级源的互电容对被覆盖导体的影响来实现。互电容会导致沿导体表面的电荷分布的变化，从而导致沿导体的电压分布的变化。当希望仅在导体的一小部分上引起电压分布的变化时，次级源可以在被覆盖导体的一小部分表面上提供互电容影响。当希望使介质阻挡放电具有等离子体沿放电轴线的特定或动态分布时，可以采用多个其他电压源，这些电压源可以具有不同的电压水平。应当理解，产生非线性场的系统中的互电容可以是电压和表面积的函数，因此可以增强电压和表面积中的任一个来改变场分布。这在图13中示出，其中等离子体致动器1300由上电极1301构成，上电极1301暴露于其表面上方的流体流。电介质1303将电极和第二电极1302分开，第二电极1302被成形为使得当从第一电极1301行进的电离粒子在电介质表面上进一步行进时，向这些电离粒子提供增加的电场密度。这可以通过扩大等离子体致动器对流体主体的影响范围来增加等离子体致动器在作用于流体介质中的有效性。
105.替代地，在实施方式中，等离子体致动器中的一个电极可以具有由电介质隔开的多个导体段(如图5中的示例性实施例所示)。每个导体可以具有来自合适的高压源的单独电压。电荷可以在一个方向上占主导地位。因此，介质阻挡放电可能倾向于重新分布其密度，以有利于更高电压导体的方向。这种实施方式的好处可以包括介质阻挡放电等离子体致动器以相对较低的流体介质速度和相对较高的效率起作用，相对较低的流体介质速度和相对较高的效率两者可以是对于给定的等离子体致动器具有较长影响场的结果。此外，它可以应用于车辆或航空器的外部，以通过产生更大的放电影响场以及通过等离子体中电离粒子朝向更高密度电压导体的加速来更有效地影响曳引系数(drag coefficient)。等离子体放电的扩展也可以应用于工业的其他领域，例如食品的消毒和任何其他使用介质阻挡放电的领域。该实施例在功能上类似于图13中描绘的实施例，除了弯曲电极1302可以用平面电极来代替以外，该平面电极与电极1301平行并由不同电势的多个导体组成，以便增强电场强度，从而增加电离粒子行进的长度。这还通过扩大等离子体致动器对流体主体的影响范围来增加等离子体致动器在作用于流体介质中的有效性。
106.图14示出了致动器和控制器系统1400的示例性实施例。如图中可以看到的，在实施例中，系统1400可以包括螺线管致动器1402(其可以是任何致动器实施例，并且包括在图2a-图13中示出和描述的致动器实施例的任何部件)。致动器1402位于用于与一个或更多个电源1404(例如可变电源)通信的一个或更多个电路上，其中电路的闭合和断开分别由一个或更多个开关1406控制。系统1400可以任选地包括位置传感器1408，该位置传感器1408被配置为感测或识别致动器1402中的一个或更多个柱塞的位置。开关1406、电源1404和位置传感器1408中的每一个可以与一个或更多个计算机化控制器装置1410通信。计算机化控制器装置1412可以包括例如通信接口1412、包括存储器(或数据存储装置)1416的一个或更多个处理器或微处理器1414和/或被配置为接收用户输入和/或向用户显示数据的图形用户界面(gui)1418。存储器1416可以在其中存储一个或更多个计算机程序，该计算机程序包括用于操作或控制致动器1402以执行上面参考图2a-图13讨论的和本文其他地方讨论的各种操作和应用的多个计算机可执行指令。
107.在示例性实施例中，前述处理器和/或微处理器可以包括各种类型的数字处理设备，包括但不限于数字信号处理器(dsp)、精简指令集计算机(risc)、通用(cisc)处理器、微处理器、门阵列(例如fpga)、pld、状态机、可重构计算机结构(rcf)、阵列处理器、安全微处理器和专用集成电路(asic)。这种数字处理器可以被包含在单个一体式集成电路(ic)管芯上，或者分布在多个部件上。此外，在示例性实施例中，前述存储器和存储设备可以包括适用于存储数字数据的各种类型的集成电路或其他存储设备，包括但不限于rom、prom、eeprom、dram、sdram、ddr/2sdram、edo/fpms、rldram、sram、“闪存”存储器(例如nand/nor)、3d存储器和psram。此外，在示例性实施例中，前述通信接口可以是与部件或网络的信号接口或数据接口，所述部件或网络包括但不限于firewire(例如，fw400、fw800等)、usb(例如，usb 2.0、3.0、otg)、以太网(例如，10/100、10/100/1000(千兆以太网)、10-gig-e等)、moca、lte/lte-a、wi-fi(802.11)、wimax(802.16)、z-wave、pan(例如802.15)/zigbee、蓝牙、蓝牙低能量(ble)或电力线载波(plc)系列。
108.下面列举所公开技术的附加示例。
109.1.一种通过沿线圈长度和沿包含永磁体的杆的长度引入磁通密度的非线性，来通过使用磁场对力产生系统的行程长度的改善。
110.2.一种通过改变场密度分布来使线圈或螺线管内的集中力的点移位的方法。
111.3.一种非线性线圈几何形状的优化，其用于通过以非线性形状创建装置的磁场或线圈来施加移动物体的加速度。
112.4.一种线性运动产生装置，其通过在系统中的移动物体上实现磁力平衡的点的移位以更长行程的能力操作，该系统应用于线性致动器、线性马达、线性加速器、机械振荡器等。
113.5.一种定制电磁运动系统中的力分布的方法，该电磁运动系统包括马达、致动器等。
114.6.一种具有多个线圈的系统，该多个线圈具有不对称定向的磁通密度，该多个线圈能够单独偏置电功率以允许精确地致动移动物体。以这种方式，可以提供线性致动器的任何期望的方向、速度或行程距离。
115.7.一种包括可变磁密度永磁体的系统，其中使电磁体或另一永磁体沿相对较长的
行程移动。
116.8.一种系统，其中通过操纵在物体的行程上的场密度可以实现对实施物体上的力的定制，该场密度可以是非线性的，从而产生非线性的加速度分布。这些加速度分布和磁密度分布可以有利地包括平方反比曲线、双曲曲线或跟随最速曲线的分布的分布。关于力分布的最有效曲线是最接近地表示自然永磁体的曲线的曲线，这是根据平方反比定律得出的曲线。
117.9.一种系统，其中线圈系统或永磁体的磁场密度的增加的功能可以根据应用进行定制或改变以获得最大效率。
118.10.此外，线圈系统、永磁体或电荷的磁场密度或电场密度的增加的功能可以根据应用进行定制或改变以获得最大效率。平方反比定律曲线形状的场将给出最高的操作效率。
119.11.一种系统，其中在包括不均匀磁场的线性或旋转致动器的系统中的力的非线性可以通过引入张力源(例如橡皮带子(rubber band))来改变。
120.12.一种系统，其中许多附加的力系统可以使用刚性或半刚性装置附接到不均匀场分布致动器的移动构件和静止构件上。
121.13.一种移动系统，其可以包括不均匀场分布的系统，该系统在使用多个电磁线圈时完全不使用永磁体。
122.14.一种系统，其包括一个或更多个线圈、磁体、静电源或其他具有不对称分布的通量场的高电势源，该系统可以被封装在空气或水密外壳中，而不脱离所公开技术的范围。
123.15.一种非线性磁通密度的系统，其可以不使用标准的圆形线圈绕组的情况下制造，并且可以使运动发生在作用于磁场或被磁场作用的任何其他物体上。
124.16.在没有很大程度上脱离所公开技术的范围的情况下，电磁线圈和永磁体可以用具备要素的静电势代替，该要素包括在一个方向上增加的磁通密度，该静电势能够被具有静电电荷或偏置的物体作用，所述物体包括驻极体和带电导体。
125.17.一种具有不对称密集的磁通场的系统，其可以以吸引力或排斥力的方式作用，以提供移动或致动。
126.18.一种系统，其中线性致动器或线性马达可以具有一个移动部件，该移动部件几乎行进致动线圈的全长，减少了公共螺线管或音圈的冗余空间，从而提供了取消多个移动部件的可能性。
127.19.一种系统，其中通过在要设置为运动的物体的轴线上改变永磁体到使用中的线圈的距离，具有相同尺寸和磁通密度的多个永磁体可以在普通几何形状的电磁线圈中使用。
128.20.一种线性致动器，包括：柱塞、环绕中心轴线的一个或更多个第一线圈构件和环绕中心轴线的一个或更多个第二线圈构件，其中该一个或更多个第一线圈构件被配置成产生在线性致动器的第一端处具有较大磁通密度的第一不对称场分布，其中该一个或更多个第二线圈构件被配置成产生在线性致动器的相对的第二端处具有更大磁通密度的第二不对称场分布，其中一个或更多个第一线圈构件和一个或更多个第二线圈构件还被配置成使得第一不对称磁通密度和第二不对称磁通密度中的每一个可独立地控制以引起柱塞沿着中心轴线相对于一个或更多个第一线圈构件和一个或更多个第二线圈构件的运动。
129.21.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括第一电路上的第一线圈，所述第一线圈包括第一绕组的两个或更多个段，所述第一绕组的两个或更多个段中的每一个段至少部分与第一绕组的相邻段径向地重叠，所述第一绕组的两个或更多个段被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的第一端分布。
130.22.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第二线圈构件包括第二电路上的第二线圈，所述第二线圈包括第二绕组的两个或更多个段，所述第二绕组的两个或更多个段中的每一个段至少部分与第二绕组的相邻段径向地重叠，所述第二绕组的两个或更多个段被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第二绕组朝着所述线性致动器的相对的第二端分布。
131.23.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括多个第一线圈构件，每个第一线圈构件都在单独的电路上，其中每个第一线圈构件包括与相邻的第一线圈构件径向地重叠的第一绕组的一部分，所述多个第一线圈构件被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的第一端分布。
132.24.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第二线圈构件包括多个第二线圈构件，每个第二线圈构件都在单独的电路上，其中每个第二线圈构件包括与相邻的第二线圈构件径向地重叠的第二绕组的一部分，所述多个第二线圈构件被配置成使得相对于所述线性致动器的中心，有更多数量的重叠的第二绕组朝着所述线性致动器的相对的第二端分布。
133.25.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件还被配置成使得第一不对称磁通密度和第二不对称磁通密度中的每一个可独立地控制以停止所述柱塞沿着所述中心轴线相对于所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件的运动。
134.26.根据本文公开的任一示例的线性致动器，还包括与所述一个或更多个第一线圈构件连通的第一可变电源和与所述一个或更多个第二线圈构件连通的第二可变电源。
135.27.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置用于与控制器通信，所述控制器与第一可变电源和第二可变电源通信并被配置为控制从所述第一可变电源到所述一个或更多个第一线圈构件的功率以产生第一不对称场密度，并且控制从第二可变电源到所述一个或更多个第二线圈构件的功率以产生第二不对称场密度。
136.28.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成被控制，使得当相对于所述一个或更多个第二线圈构件向所述一个或更多个第一线圈构件施加更多功率时，所述第一不对称磁通密度作用在所述柱塞上，以导致所述柱塞朝向所述线性致动器的第一端的移动、或所述柱塞朝向所述线性致动器的相对的第二端的延迟移动中的至少一个。
137.29.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成被控制，使得控制所述第一不对称磁通密度相对于所述第二不对称磁通密度的磁通密度比导致对所述柱塞沿着所述中心轴线移动的速度、所述柱塞在所述中心轴线上的位置、所述柱塞沿着所述中心轴线的移动方向或所述柱塞沿着所述中心轴线的行程长度中的一个或更多
个的控制。
138.30.一种线性致动器，包括：环绕中心轴线的一个或更多个第一线圈构件，以及至少部分地设置在一个或更多个第一线圈构件内的柱塞，其中一个或更多个第一线圈构件被配置成产生朝向线性致动器的第一端具有第一峰值密度的第一不对称场分布，并且其中第一不对称场分布被配置成相对于具有对称场密度且长度与一个或更多个第一线圈构件的相同的线圈，所述柱塞沿着所述中心轴线具有增加的最大行程长度。
139.31.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述一个或更多个第一线圈构件包括多个第一线圈构件，每个第一线圈构件都在单独的电路上，其中每个第一线圈构件包括与相邻的第一线圈构件径向地重叠的第一绕组的一部分，所述多个第一线圈构件被配置成使得有更多数量的重叠的第一绕组朝着所述线性致动器的所述第一端分布。
140.32.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置成使得所述一个或更多个第一线圈构件中的每一个的极性相对于所述一个或更多个第一线圈构件中的其他线圈构件是可独立控制的。
141.33.根据本文公开的任一示例的线性致动器，还包括环绕所述中心轴线的一个或更多个第二线圈构件，所述一个或更多个第二线圈构件被布置成在所述线性致动器的相对的第二端处相对于所述线性致动器的中心具有更大的线圈密度，其中所述一个或更多个第二线圈构件被配置成产生朝向所述线性致动器的所述相对的第二端具有第二峰值密度的第二不对称场分布。
142.34.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置用于与控制器通信，所述控制器被配置为控制所述第一不对称场分布和所述第二不对称场分布之间的磁通密度比，以控制所述柱塞沿着所述中心轴线移动的速度、所述柱塞在所述中心轴线上的位置、所述柱塞沿着所述中心轴线的移动方向或所述柱塞沿着所述中心轴线的行程长度中的一个或更多个。
143.35.一种线性致动器，包括：柱塞；一个或更多个第一线圈构件，所述一个或更多个第一线圈构件环绕中心轴线，并且在所述线性致动器的第一端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组，其中所述一个或更多个第一线圈构件被配置成产生在所述线性致动器的第一端处具有更大磁通密度的第一不对称场分布；第一可变电源，其与所述一个或更多个第一线圈构件中的至少一个连通；一个或更多个第二线圈构件，所述一个或更多个第二线圈构件环绕所述中心轴线，并且在所述线性致动器的相对的第二端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组，其中所述一个或更多个第二线圈构件被配置成产生在所述线性致动器的相对的第二端处具有更大磁通密度的第二不对称场分布；以及第二可变电源，其与所述一个或更多个第一线圈构件中的至少一个连通；其中，所述一个或更多个第一线圈构件和所述一个或更多个第二线圈构件还被配置成使得经由所述第一不对称场分布和所述第二不对称场分布之间的磁通密度比来控制所述柱塞沿着所述中心轴线移动的速度、所述柱塞在所述中心轴线上的位置、所述柱塞沿着所述中心轴线的移动方向或所述柱塞沿着所述中心轴线的行程长度中的一个或更多个。
144.36.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述线性致动器被配置用于与控制器通信，所述控制器与第一可变电源和第二可变电源通信，并被配置为控制从所述第一可变电源到所述一个或更多个第一线圈构件的功率以产生第一不对称场密度，并且控制
从第二可变电源到所述一个或更多个第二线圈构件的功率以产生第二不对称场密度。
145.37.根据本文公开的任一示例的线性致动器，其中，所述柱塞包括两个或更多个柱塞段，每个柱塞段通过连接构件连接到相邻的柱塞段。
146.38.一种操作线性致动器的方法，所述线性致动器包括柱塞；一个或更多个第一线圈构件，所述一个或更多个第一线圈构件环绕中心轴线，并在所述线性致动器的第一端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组；以及一个或更多个第二线圈构件，所述一个或更多个第二线圈构件环绕所述中心轴线，并且在所述线性致动器的相对的第二端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组，所述方法包括：控制从第一可变电源到所述一个或更多个第一线圈构件的功率，所述一个或更多个第一线圈构件被配置成产生第一不对称场分布；以及控制从第二可变电源到所述一个或更多个第二线圈构件的功率，所述一个或更多个第二线圈构件被配置成产生第二不对称场分布；其中对来自所述第一可变电源的功率的控制和对来自所述第二可变电源的功率的控制包括在所述第一不对称磁通密度和所述第二不对称磁通密度之间产生指定磁通密度比，所述指定磁通密度比被配置成导致所述柱塞沿着所述中心轴线移动的指定速度、所述柱塞在所述中心轴线上的指定位置、所述柱塞沿着所述中心轴线移动的指定方向或所述柱塞沿着所述中心轴线的指定行程长度中的一个或更多个。
147.39.一种被配置成与线性致动器通信的计算机化控制器，所述线性致动器包括柱塞；一个或更多个第一线圈构件，所述一个或更多个第一线圈构件环绕中心轴线，并在所述线性致动器的第一端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组；以及一个或更多个第二线圈构件，所述一个或更多个第二线圈构件环绕所述中心轴线，并在所述线性致动器的相对的第二端处相对于所述线性致动器的中心包括更多数量的重叠绕组，所述一个或更多个第一线圈构件被配置为产生第一不对称磁通密度，并且所述一个或更多个第二线圈构件被配置为产生第二不对称磁通密度，所述计算机化控制器包括：通信接口，其被配置为与用于向所述一个或更多个第一线圈构件提供功率的第一可变电源和用于向所述一个或更多个第二线圈构件提供功率的第二可变电源中的每一个通信；一个或更多个处理器装置；与所述一个或更多个处理器装置通信的一个或更多个存储装置，所述一个或更多个存储装置包括在其中存储有多个计算机可读指令的非暂时性存储器，所述多个计算机可读指令被配置成当由所述一个或更多个处理器装置执行时，使所述计算机化控制器：识别所述第一不对称磁通密度和所述第二不对称磁通密度之间的指定磁通密度比；至少部分地基于所述指定磁通密度比控制从所述第一可变电源到所述一个或更多个第一线圈构件的功率流；以及至少部分地基于所述指定磁通密度比控制从所述第二可变电源到所述一个或更多个第二线圈构件的功率流；其中，当对来自所述第一可变电源的功率流的控制和对来自所述第二可变电源的功率流的控制包括使相对于所述一个或更多个第二线圈构件向所述一个或更多个第一线圈构件施加更多的功率时，所述第一不对称磁通密度作用在所述柱塞上以导致所述柱塞朝向所述线性致动器的第一端的移动或所述柱塞朝向所述线性致动器的相对的第二端的移动延迟中的至少一个；并且其中，当对来自所述第一可变电源的功率流的控制和对来自所述第二可变电源的功率流的控制包括使相对于所述一个或更多个第一线圈构件向所述一个或更多个第二线圈构件施加更多的功率时，所述第二不对称磁通密度作用在所述柱塞上以导致所述柱塞朝向所述线性致动器的相对的第二端的移动或所
述柱塞朝向所述线性致动器的第一端的移动延迟中的至少一个。
148.除非另有说明，否则本文公开的任何示例的任何特征可以与本文公开的任何示例的任何特征相结合或分离。此外，鉴于本公开的原理可以应用到的许多可能的实施例，应该认识到，所示出的实施例仅仅是示例，且不应该被认为限制了所公开的主题或权利要求的范围。
149.鉴于所公开的发明的原理可以应用到的许多可能的实施例，应当认识到，所示出的实施例仅仅是发明的优选示例，并且不应被认为是限制本发明的范围。相反，本发明的范围由随附的权利要求限定。因此，我们要求在这些权利要求的范围和精神内的所有内容作为我们的发明。