专利名称：具有带状线圈的线性可变磁阻致动器的制作方法
具有带状线圈的线性可变> 兹阻致动器
本公开通常涉及一种电磁致动器。更具体地说，本公开提供了一种 具有带状线圈的可变磁阻致动器。
如在U. S.专利No. 5, 866， 965中所公开的、且通过引用而并入到这 里的旋转可变磁阻(VR)电机通常用作步进电机，并且如果对其进行 适当控制，那么可使其更像伺服电机地起作用。VR电机具有转子和定 子，然而与其他类型的电机不同，VR电机中的定子包含线圈绕组(无 电刷电机)。通常由诸如具有齿状物的铁之类的分层导磁(permeable magnetic)材料组成的转子是不具有线圈绕组或永久磁铁的无源部件。 定子典型地由其上巻绕了导线以形成一系列线圏的突出物组成。对这 些线圈的激发进行电切换以产生旋转电磁场。通常在任何给定时间仅 激发单个线圏集。
当一个定子线圈集处于导通时，在该线圈周围并且通过转子生成 了磁通路。转子受到扭矩以与磁场所生成的磁通线对齐，这可最小化 磁通路径。利用对定子线圏的适当切换和激发，可促使转子以任何期 望速度和扭矩进行旋转。
该设置提供了比许多其他类型的电机更好的性能。VR电机不需要 正弦曲线激励波形用于有效操作，因此与其他高级变速系统相比，它 可在更宽的速度范围上保持更高的扭矩和效率。激励VR电机所需的最 佳波形具有高的自然谐波含量，并且典型地是以预定转子角度施加到 电机线圈上的固定电压的结果。这种波形实际上可以以任何速度来实 现。
另外，只要相对于转子角度对换向进行准确控制，电机就可以其 预测的高效率进行操作。事实上，利用VR技术，可以很好价格设计出 系统效率在90%之上且速度可变的低成本电机。
VR电才几还一是供了其他好处。可对它们进4亍编程以准确地匹配它们 所服务的负载，并且它们简单、坚固的结构没有贵的磁铁或像AC感应 电机这样的鼠笼。不具有内部激发或者永久磁铁，该电机是固有地耐过载并且不受单点故障的影响。
在1800的头几十年中对VR电动机的初始使用之后，这些好处基 本上保持隐匿。随着无刷电机的电子控制器的发展，在1980初重新出 现了这些电机；这些相同控制器还可用于高度非线性VR电机。
美国国防部积极地推进VR-电机应用。已经在范围从涡轮引擎的
在可靠性具有i高优先级^不是成本i有最高优先级的应用中是非常 有吸引力的。由于相同的原因，航空航天工业也开始使用VR电机以用 于包括航空器襟翼的致动器控制在内的应用。
然而，VR电机不是没有它们的缺点。最重要的不利一面是由于电 机的高脉动磁通量所造成的声音噪声以及大振动。通过向电子设备添 加部件、设计专门的磁电路、并且对机械设计进行调整(tweaking ) 可降低噪音，但是采用这些步骤的一些或全部会牺牲电机的好处。设 计师通常选择降噪与性能的正确组合以适用于特定应用。
另一限制是转矩波动。很难向VR电机给予平滑的转矩分布，因此 与作为伺服电机相比，通常更多地使用它们以代替变速电机。存在诸 如添加编码器和电子设备以进行补偿之类的、对转矩波动进行控制的 方式，但是这些添加的控制会至少花费与电机本身所节省的 一般多的 费用。如果转矩波动是主要考虑的问题，那么最好的替代可能是使用 永》兹电才几作为替代。
VR电机利用典型小于0. 5mm的相对小的空气间隙进行操作。如果 转轴偏离中心，那么由于强的非线性行为而使失衡的切向力开始起作 用，因此转轴和承载系统通常必须具有比其他电机更高的质量。各种 电机设计师正从事使空气间隙变宽的设计。
对于诸如定位系统或平台这样的非连续旋转的应用而言，与洛伦 兹电机和致动器相比、线性VR电机和致动器是高效的，尤其是在具有 高外部负载(高K因数)的应用中。洛伦兹电机或致动器包括经过空 气的》兹场中的有线线圈或带状线圈和用于磁通路径重要部分的磁性材 料(可以被认为是空气)，并且因此，这些电机或致动器是相当低效 的。另一方面，在VR电机和致动器中，在定子和移动器(转子)这两 者中使用了铁基材料来捕获磁场并且因此，空气间隙更小得多。
其结果是，对于等效力而言，与VR电才几和致动器相比，洛4仑兹电机和致动器中的能量消耗显著更高。典型地，VR电机和致动器中的线圈是由直径大约在0.25mm与 0. 5mm量级之间的环形铜线构成。这些导线通常利用正交圓 (orthocyclic )绕线方法进行巻绕。正交圆绕线方法被定义为环形导线的特定绕线技术以实现最大填 充。代替随机堆叠线圈，正交圓绕线方法使导线交错以便第二层的导 线位于在前一级别的双线绕组之间形成的空间中。因此，对于环形导 线而言，被定义为导线的实际传导金属与总的线圈区域的比率的填充 系数理论上是最大的。尽管现有导线线圈中存在正交圓绕线方法，但是由于导线之间的 夹带空气而使铜的填充系数受到限制。对于随机堆叠线圈而言，大约 0. 7的填充系数是可行的，而对于正交圓绕线线圈而言，实际上的大约 0.8的填充系数是可获得的(对于很大数目的匝数而言理论上是 0.906 )。另外，由于各个导线的隔离罩的低导热性而没有将在导电导 线中所产生的热量有效地传到环境。在给定长度上，导线的热阻通常 是比仅仅金属的热阻要大100倍。对于致动器的某个工作循环而言，传统导线线圏的相对高的热阻 会导致对每单元横截面积的最大电流的限制，即对电流密度的限制， 并且因此，限制了单位体积的最大电机力。为了结合VR电机或致动器的效率(高K因数)与由于到致冷体的 更好导热性而改善的最大电流密度，在VR电机和致动器中提议了带状 线圈。这些带状线圏是用铜、铝、或者具有高导电性和导热性的其他 这样的材料做成的。尤其对于高吞吐量的应用(高工作循环)而言， 可获得更高的最大电机力。另外，对于相同致动器负载或电流密度，可实现更低且更稳定的 操作温度。在高精确度应用中，结果导致的更低操作温度提供了更多 的好处。本公开提供了一种线性VR电机或致动器，该线性VR电机或致动 器包括具有从交叉条(crossbar)垂直突出的多个条的第 一芯。另外， 永久磁铁可以位于竖条中的中心条的顶部，并且多个带状线圈位于多 个条之间。带状线圈由导电材料形成。进一步，大小为条的第二芯位于竖条之上。根据以下描述、随后权利要求、以及附图可更好地理解本公开的这些及其他特征、方面、与优点，在附图中
图1是根据本公开的单侧线性VR致动器的截面表示；以及 图2是根据本公开的双侧线性VR致动器的截面表示。在这里，"线性"是指运动的平移方向，其实质上是与磁通线平行 的方向，也就是说，与在U.S.专利No. 5， 866， 965中所描述的旋转应 用中所使用的切向力相比，基本上使用法向力用于增大或降低定子与 移动器之间的空隙高度，所述切向力与磁通线粗略正交以使转子齿与 来自定子齿的磁通线对齐，这暗指以恒定间隙沿横向的运动。参考图1，其中示出了本公开的实施例。可利用钢的E芯102来构合金。E芯，如其名称所暗示:那样:是;状为在i侧翻转的大写^母 "E"状。多个紧密封装的导电带状线圈104占据了 E芯102的竖条之间 的空间。另外，中心竖条顶上可盖有由铁磁或陶瓷磁性材料所构成的 永久磁铁106以用于预加载致动器，从可控性观点来看这是很有利的， 这可使致动器抵消重力负载而无需通过该导线的标称电流。在竖条对 面，定位了由钢或者可使用任何铁磁金属或者合金所制成的I芯108。在存在永久磁铁106的情况下，致动器100将在垂直方向上的磁 性吸引力(即法向力)沿虚线箭头IIO所示方向诱发到I芯108上。 因此，以等于零的电流，向上拖曳E芯102直至E芯102与I芯108 之间的间隙是零为止。将电流施加到带状线圈104上可导致来自永久i兹铁106的》兹通量 被放大并且根据电流的方向进行消除。通过对该磁通量进行放大，E芯 102更快速地关闭E芯/I芯间隙。然而，通过改变流过带状线圈104 的电流的方向，可局部地消除》兹通量并且例如通过重力而4吏E芯102 下降，因此增大了 E芯/I芯间隙。E芯102上升或下降的速度取决于 实际的电流值和方向。因此，通过应用如该技术领域所熟知的、具有 间隙测量装置的控制回路，在诸如用于精确扫描的可移动平台之类的 应用中，致动器IOO可用作线性定位设备。现在参考图2,其中示出了具有双E芯202以代替先前实施例的单 个E芯102的双侧VR致动器200。从可控性观点来看，如图1所示的 单侧VR致动器100需要例如由重力或者另一致动器所提供的附加外部 负载，而如图2所示的双侧VR致动器200不需要任何附加外部负载。多个紧密封装的导电带状线圈204占据了双E芯202的竖条之间 的空间。另外，每个中心竖条顶上盖有永久磁铁206以用于预加载每 个单独的致动器部件，从可控性观点来看这是#>有利的、并且可使致 动器抵消作为上下磁力差的重力负载而无需标称电流通过。I芯208位 于在竖条对面的每一侧上。在提供了永久磁铁206的情况下，致动器100将在向上和向下垂 直方向上的吸引力(即法向力)沿虚线箭头210所示方向诱发到I芯 208 二者上。取决于两个单独的磁铁的强度和垂直位置，在向上或向下 方向上将双E芯致动器磁性地吸引到I芯208。如所示，双E芯在两个 相对方向上受到吸引力210,以便以等于零的电流、使双E芯202位于 两个I芯208之间的中心，其中取决于永久i兹铁206之间的差，线性 VR致动器能够将重力抵消到平台。改变流过带状线圈204的电流的大 小和方向来朝着一个方向或其它方向来偏置该双E芯。应该注意的是，虽然已对具有I芯和单个或双E芯的本发明的实 施例进行了描述，但是取决于特定应用、也可使用诸如环形芯这样的 其它形状。所描述的本发明的实施例是说明性的而并非限制性的，并且不是 表示本发明的每个实施例。在不脱离如在字面上的权利要求以及法律 上认可的等效体所阐述的本发明的精神或范围的情况下，可做出各种 修改和变化，如利用I芯(例如环形轴的一部分)的不同形状(例如 圆形形状)以及E芯的相对部分。在对随后权利要求进行解释的过程中，应该清楚的是 a )词"包括"不排除存在除了给定权利要求所列出的那些之外的其 他元件或者动作；b) 元件之前的词"一"或者"一个"不排除存在多个这种元件；c) 权利要求中的任何参考符号不对其范围做出限制；d) 若千"装置"可以由相同项或者硬件或软件实现的结构或功能来 表示；e) 除非另外特定说明，否则任何公开的设备或其部分可以结合在一起或者将其分离成进一步的部分；以及f) 除非具体地指出，否则不要求特定顺序的动作。
权利要求
1、一种线性VR电机或致动器，包括具有从交叉条垂直突出的多个条的第一芯；位于所述多个条之间的多个带状线圈，所述带状线圈由导电材料形成；以及大小为条的第二芯，所述第二芯位于所述第一芯的所述多个条之上。
2、 根据权利要求1的VR致动器，还包括位于中心竖条的顶部上 的永久A兹纟失。
3、 根据权利要求1的VR致动器，其中所述多个条是三个等间距 的条。
4、 根据权利要求1的VR致动器，其中所述多个条被排列到第一 组的三个条以及第二组的三个条中，所述第二组位于与所述第一组面对的所述交叉条的一侧上。
5、 根据权利要求1的VR致动器，其中所迷第一芯和所述第二芯由铁磁性材料形成。
6、 根据权利要求1的VR致动器，其中所迷永久磁铁由陶瓷材料 形成。
7、 根据权利要求1的VR致动器，其中所述永久磁铁由铁磁材料 形成。
8、 根据权利要求1的VR致动器，其中在所述带状线圈中诱发出 电流以便可对所述永久磁铁的磁通量进行可控地放大或消除。
9、 一种VR电机或致动器，包括具有从交叉条垂直突出的三个竖条的第一芯，所述竖条是等间距的；位于所述多个竖条之间的多个带状线圏，所述带状线圈由导电材 料形成；以及大小为条的第二芯，所述第二芯位于所述三个竖条之上。
10、 根据权利要求9的VR致动器，还包括位于所述三个竖条的中心条的顶部上的永久石兹纟失。
11、 根据权利要求9的VR致动器，其中所迷第一芯和所述第二芯由铁磁性材料形成。
12、 根据权利要求9的VR致动器，其中所述永久磁铁由陶瓷材料 形成。
13、 根据权利要求9的VR致动器，其中所述永久磁铁由铁磁材料 形成。
14、 根据权利要求9的VR致动器，其中在所述带状线圈中诱发出 电流以便可对所述永久磁铁的磁通量进行可控地放大或消除。
15、 一种VR电机或致动器，包括具有从中心交叉条垂直突出的第 一组条的第 一芯； 从所述中心交叉条垂直突出、且位于与第一组条面对位置上的第 二组条，所述第一组中的所述条沿着所述中心交叉条是等间距的，并 且所述第二组中的所述条沿着所述中心交叉条是等间距的；位于所述多个竖条之间的多个带状线圈，所述带状线圏由导电材 料形成；大小为条的第二芯，所述第二芯位于所述第一组条之上；以及 大小为条的第三芯，所述第三芯位于所述第二组条之上。
16、 根据权利要求15的VR致动器，还包括位于第一组中的中 心条的顶部上的第 一永久磁铁；以及位于第二组中的中心条的顶部上 的第二永久》兹铁。
17、 根据权利要求15的VR致动器，其中所述第一组条具有三个 等间距的条；并且所述第二组条具有三个等间距的条。
18、 根据权利要求15的VR致动器，其中所述第一芯和所述第二 芯由铁磁性材料形成。
19、 根据权利要求15的VR致动器，其中所述第一和第二永久磁 铁由铁磁性材料和陶瓷材料之一形成。
20、 根据权利要求15的VR致动器，其中在所述带状线圈中诱发 出电流以便可对所述第一永久磁铁的磁通量进行可控地放大或消除， 同时反向地对所述第二永久i兹铁的》兹通量起作用。
全文摘要
提供了具有带状线圈的线性VR电机或致动器。该VR致动器包括大小为单个“E”或者为双“E”的第一芯。每个中心突出条可盖有由铁磁性材料或陶瓷磁性材料构成的永久磁铁以用于预加载致动器，从可控性观点来看，这是很有利的，这可使致动器抵消重力负载而无需通过该导线的标称电流。第一芯还由铁磁性材料构成。与突出条平行排列且导电的带状线圈填充突出条之间的空间。铁磁性材料的I芯与突出条相垂直。在带状线圈中所诱发的电流可对永久磁铁所产生的磁通量可控地放大或消除。可使用不同形状(例如圆形)的I芯(例如圆形轴的一部分)以及E芯的相对部分。
文档编号H02K19/06GK101310430SQ200680042811
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月14日 优先权日2005年11月18日
发明者A·T·A·佩南伯格, J·P·M·弗姆伦 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司