[發明專利]具有帶狀線圈的線性可變磁阻致動器

無效

• 申請號: 200680042811.1
• 申請日: 2006-11-14
• 公開（公告）號: CN101310430A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: J·P·M·弗姆倫;A·T·A·佩南伯格
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: H02K41/03
• 分類號: H02K41/03;H02K21/04;H02K19/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 李靜嵐;譚祐祥

本公開通常涉及一種電磁致動器。更具體地說，本公開提供了一種 具有帶狀線圈的可變磁阻致動器。

如在U.S.專利No.5,866,965中所公開的、且通過引用而并入到這 里的旋轉可變磁阻(VR)電機通常用作步進電機，并且如果對其進行 適當控制，那么可使其更像伺服電機地起作用。VR電機具有轉子和定 子，然而與其他類型的電機不同，VR電機中的定子包含線圈繞組(無 電刷電機)。通常由諸如具有齒狀物的鐵之類的分層導磁(permeable magnetic)材料組成的轉子是不具有線圈繞組或永久磁鐵的無源部件。 定子典型地由其上卷繞了導線以形成一系列線圈的突出物組成。對這 些線圈的激發進行電切換以產生旋轉電磁場。通常在任何給定時間僅 激發單個線圈集。

當一個定子線圈集處于導通時，在該線圈周圍并且通過轉子生成 了磁通路。轉子受到扭矩以與磁場所生成的磁通線對齊，這可最小化 磁通路徑。利用對定子線圈的適當切換和激發，可促使轉子以任何期 望速度和扭矩進行旋轉。

該設置提供了比許多其他類型的電機更好的性能。VR電機不需要 正弦曲線激勵波形用于有效操作，因此與其他高級變速系統相比，它 可在更寬的速度范圍上保持更高的扭矩和效率。激勵VR電機所需的最 佳波形具有高的自然諧波含量，并且典型地是以預定轉子角度施加到 電機線圈上的固定電壓的結果。這種波形實際上可以以任何速度來實 現。

另外，只要相對于轉子角度對換向進行準確控制，電機就可以其 預測的高效率進行操作。事實上，利用VR技術，可以很好價格設計出 系統效率在90％之上且速度可變的低成本電機。

VR電機還提供了其他好處。可對它們進行編程以準確地匹配它們 所服務的負載，并且它們簡單、堅固的結構沒有貴的磁鐵或像AC感應 電機這樣的鼠籠。不具有內部激發或者永久磁鐵，該電機是固有地耐 過載并且不受單點故障的影響。

在1800的頭幾十年中對VR電動機的初始使用之后，這些好處基 本上保持隱匿。隨著無刷電機的電子控制器的發展，在1980初重新出 現了這些電機；這些相同控制器還可用于高度非線性VR電機。

美國國防部積極地推進VR-電機應用。已經在范圍從渦輪引擎的 發電機至噴氣式戰斗機的泵用電機的應用中使用了這些電機。該技術 在可靠性具有最高優先級而不是成本具有最高優先級的應用中是非常 有吸引力的。由于相同的原因，航空航天工業也開始使用VR電機以用 于包括航空器襟翼的致動器控制在內的應用。

然而，VR電機不是沒有它們的缺點。最重要的不利一面是由于電 機的高脈動磁通量所造成的聲音噪聲以及大振動。通過向電子設備添 加部件、設計專門的磁電路、并且對機械設計進行調整(tweaking) 可降低噪音，但是采用這些步驟的一些或全部會犧牲電機的好處。設 計師通常選擇降噪與性能的正確組合以適用于特定應用。

另一限制是轉矩波動。很難向VR電機給予平滑的轉矩分布，因此 與作為伺服電機相比，通常更多地使用它們以代替變速電機。存在諸 如添加編碼器和電子設備以進行補償之類的、對轉矩波動進行控制的 方式，但是這些添加的控制會至少花費與電機本身所節省的一般多的 費用。如果轉矩波動是主要考慮的問題，那么最好的替代可能是使用 永磁電機作為替代。

VR電機利用典型小于0.5mm的相對小的空氣間隙進行操作。如果 轉軸偏離中心，那么由于強的非線性行為而使失衡的切向力開始起作 用，因此轉軸和承載系統通常必須具有比其他電機更高的質量。各種 電機設計師正從事使空氣間隙變寬的設計。

對于諸如定位系統或平臺這樣的非連續旋轉的應用而言，與洛倫 茲電機和致動器相比、線性VR電機和致動器是高效的，尤其是在具有 高外部負載(高K因數)的應用中。洛倫茲電機或致動器包括經過空 氣的磁場中的有線線圈或帶狀線圈和用于磁通路徑重要部分的磁性材 料(可以被認為是空氣)，并且因此，這些電機或致動器是相當低效 的。另一方面，在VR電機和致動器中，在定子和移動器(轉子)這兩 者中使用了鐵基材料來捕獲磁場并且因此，空氣間隙更小得多。

其結果是，對于等效力而言，與VR電機和致動器相比，洛倫茲電 機和致動器中的能量消耗顯著更高。

典型地，VR電機和致動器中的線圈是由直徑大約在0.25mm與 0.5mm量級之間的環形銅線構成。這些導線通常利用正交圓 (orthocyclic)繞線方法進行卷繞。