專利名稱：磁阻機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁阻機，它可用于多種應(yīng)用，但特別適用于將電能轉(zhuǎn)換成可用于驅(qū)動各式各樣機器的機械往復(fù)動作的場合，諸如泵、壓縮機或控制閥。
當(dāng)前存在著各式各樣的電動機器，從電磁線圈到各種電機或發(fā)電機，所有這些都能將電能轉(zhuǎn)換成機械能或者將機械能轉(zhuǎn)換成電能。所有種類的這些電動機器都應(yīng)用電磁學(xué)原理，這一原理是當(dāng)電流通過磁場中的導(dǎo)線時產(chǎn)生機械力，或者電磁鐵對鐵磁性材料作用力。電機一般產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，不過這可以用簡單的機械裝置變換成往復(fù)運動。
不同種類的電機可以分為兩大類，即“電磁”機器與“磁”機器。電磁類包括感應(yīng)、同步、直流、交流多m相整流式、單相交流整流式以及推斥電機，而磁機器則包括磁阻與磁滯電機以及電磁線圈與繼電器。分類成“磁”與“電磁”機器是一種較新的概念并且看來不甚精確，因為兩類機器都使用電磁鐵。但是，以評價兩類電機的不同用途上，它們之間的差別是具有根本性的重大意義的。一般說來，電磁機器的性能隨其大小自然地增長，而與之相反，磁機器的性能則一般隨其尺寸減小而增加。
本發(fā)明基本上涉及磁機器并且具體地涉及磁阻機。已知類型的磁阻機用于諸如交流電源驅(qū)動的電鐘，其中的磁阻電機只是一臺用非磁化的鋼塊代替磁化的轉(zhuǎn)子的同步電機而已，該鋼塊是這樣成形的使之具有若干可取的位置，對于任何原始磁場配置，它將在這些位置上定住。一個“可取的位置”就是磁路的阻力(磁阻)最小的位置，因而這便是這類電機的名稱。另一種使用電磁場包圍一個非磁化的鐵磁芯的器件便是簡單的電磁線圈，當(dāng)電磁線圈受到激磁時，磁力將鐵芯拉入線圈中。電磁線圈廣泛地用于各種場合，但是近年來電磁線圈的基本設(shè)計與磁阻電機均沒有任何進展，自從它們原始研制以來，它們很少變化。
本發(fā)明的目的便是尋求提供一種改進的電磁線圈，并且為了生產(chǎn)具有改進的性能的磁阻電機的目的而開發(fā)利用這種電磁線圈，具體地，使它們能夠產(chǎn)生直接的往復(fù)動作。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種改進的電磁線圈，其中利用一個支承一個可用電勵磁的線圈的鐵磁部件來形成一條磁路，在所述鐵磁部件上開有貫通的中心孔，孔中襯有非鐵襯套，在襯套中設(shè)有鐵磁芯，所述芯具有削尖的端部。
設(shè)置非鐵襯套使“空氣”間隙能夠加以精確地控制，從而使磁通量得以最小的泄漏被集中，通過精細(xì)地加工芯與非鐵襯套的尺寸可以精確地控制空氣間隙。非鐵襯套可以是任何適用的材料的，諸如銅管材或塑料等。鐵磁芯部件的尖形端最好是園錐形的，錐角可根據(jù)芯被勵磁時所要求的行程長度而變。把圓錐加工成錐角形的除了可以加長其行程長度之外，還可以芯部件上作用一個制動效應(yīng)以防止它整個從支承孔中冒出。雖然行程長度最佳是孔徑的六倍，對于一個2英寸(5厘米)的孔，行程長度大約為10英寸(25.4厘米)。這樣的一種電磁線圈設(shè)計避免了先有技術(shù)裝置中的許多缺點，其優(yōu)點是，在芯的行程的終點避免了金屬與金屬的接觸并從而將工作噪音減至最小，它有效地加長了電磁線圈的行程，并在全程上提供均勻的力及使得電磁線圈的功率重量比為最大。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種磁阻機，它包括一個電磁材料的支承框架，該支承框架提供一條磁路并支承一對背靠背安裝的可用電勵磁的磁場生成部件，所述部件與支承框架都有一個中心對準(zhǔn)的通孔，通過它們延伸一根非鐵材料的支承管，在管中設(shè)有可移動的鐵磁芯，所述鐵磁芯具有一個圓柱形中間部分與對應(yīng)的錐形端部。
現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明進行說明，圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個改進的電磁線圈;
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一臺改進的磁阻機的部件，它是構(gòu)造成用作一臺往復(fù)泵的;
圖3示出圖2中所示的泵的組裝后的形式，并加上了線圈的散熱片;
圖4a至4e示出不同電源作用下相對于平頭的與尖頭的芯的位置所產(chǎn)生的力的各種曲線;以及圖5a、b、c與d示出本發(fā)明的磁阻機的各種應(yīng)用。
首先參見圖1，從中可以理解本發(fā)明的基本概念。設(shè)置了一個由鐵磁性材料制成的、上面安裝有線圈11的框架10，該框架在其通孔中設(shè)置了由諸如銅或塑料等非鐵材料制成的環(huán)形支承套12。在該套12中放置了一個可移動的鐵磁芯部件13。該芯部件13具有一個錐形的端部14，它最好刻有凹溝或槽，并且還可裝有用非鐵材料制成的一個延伸部件15，作為一根推桿之類。
當(dāng)線圈11被勵磁時，便產(chǎn)生了一個磁場使芯部件13沿管道12受到拉動，而使錐形端部14在套12的開口處伸出框架10的端面，而致動桿15則可操作在適合于使用它的任何設(shè)備上。根據(jù)下述麥克斯韋脅強概念(Maxwe11StressConcept)原理及磁阻公式，端部14的成形決定作用在芯13上的力R＝L/μA其中，μ為材料的磁導(dǎo)率，L為磁路的長度，而A則是磁路的截面面積。麥克斯韋脅強概念指出磁力線每彎曲一度其切向力增加一倍。因而，逐漸變細(xì)的端部用于彎曲磁力線以增加磁場作用在芯上的切向力。并且由于一條磁路的磁阻為作用在磁路上的磁通勢(mmf)與這一磁通勢所產(chǎn)生的磁通量之比，為了作功，在作用磁通勢時磁阻必須連續(xù)地減小，從而當(dāng)圓錐通過框架10中的孔的開口處的氣隙中的磁力線時，圓錐的直徑增加，磁阻減小而磁通勢增大到最大值。這樣，在這兩種效應(yīng)的聯(lián)合作用下，可以以平滑與可控的方式高效地產(chǎn)生有效功。
可以從圖1中理解，與傳統(tǒng)的電磁線圈的設(shè)計不同，由可移動的鐵磁芯部件13構(gòu)成的磁極真正地通過由包圍其開口處的框架部件10的部分所形成的異性磁極，這是與傳統(tǒng)的電磁線圈不同的并且提供了結(jié)合這種配置的物理學(xué)上的上述優(yōu)點，這一設(shè)計提供了一種無噪聲地工作的電磁線圈設(shè)備，它與現(xiàn)有設(shè)計的噪聲非常大的電磁線圈相比，尤其優(yōu)越。
現(xiàn)在參見圖2與3中所示的配置，它們分別示出了一臺泵的部件及應(yīng)用圖1中所示的電磁線圈配置原理的組裝后的泵。在這一設(shè)備中，一個框架部件20有效地將圖1中的框架部件10疊加在一起，并在通過它的孔25中設(shè)有套筒22。芯23具有與圖1中所公開的配置相似的兩個圓錐形端部24與24'，套筒23提供使用的孔。在芯的兩端上可連接一個適當(dāng)?shù)娜嵝赃B接盤、或者活塞頭、或者裝有活塞頭的致動桿，用于將流體泵過連接在泵上的管道中。圖3中還示出了該泵裝置的示意圖。這一裝置有效地將圖1中所公開的背靠背地安裝的一對電磁線圈型設(shè)備結(jié)合在一起，交替地勵磁該設(shè)備的每一半便可使芯部件23在套筒22中往復(fù)運動。連接在芯23的兩端的致動桿延伸到所連接的管道中的適當(dāng)活塞或泵部件上，它們可具有傳統(tǒng)的設(shè)計而與這里的討論無關(guān)。
至于芯23的圓錐形端部24與24'的形狀，它們可以是平滑的圓錐，但最好帶有凹槽以增強性能。
雖然這一裝置是配置成用于泵流體或氣體的一種泵的，但它也可用于其它需要往復(fù)動作的適當(dāng)場合，例如可用于操作一個機械聯(lián)動裝置。由于這種設(shè)備對連續(xù)地變化的電源的需求，它特別適用于不能取得市電供應(yīng)的地區(qū)，由于它最好用作由蓄電池供電的或者直接由太陽能電池供電的或者由兩者聯(lián)合供電的，所以這種設(shè)備可方便地在第三世界國家中用于驅(qū)動灌溉泵等。由于這種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單以及基本上沒有摩擦力的操作，這種設(shè)備特別可靠且易于維護，所以特別適用技術(shù)水平較低的環(huán)境中，如在第三世界地區(qū)。
參照圖3的裝置，其中示出了結(jié)合本發(fā)明的特性的一臺組裝好的泵，為了消散勵磁線圈產(chǎn)生的熱量，很好地裝上了多片散熱片，這些散熱片可根據(jù)需要選擇空冷或水冷式的。在水冷情況中，從散熱片收集的熱能可用于其它有用的場所。
本發(fā)明的裝置包括一個具有多種潛在用途的一種直流脈沖式可變電壓的連續(xù)變速設(shè)備。
圖4a至4e中示出了根據(jù)這一設(shè)計的一個電磁線圈/泵的輸出與帶有平頭的芯的標(biāo)準(zhǔn)電磁線圈裝置的輸出的對比的幾個例子，例子地于多種圓錐形端部，在各條曲線下的面積表示該設(shè)備能作的有用功。
圖5a至d示出根據(jù)已提出的方案的本發(fā)明的磁阻機的若干應(yīng)用實施例。
首先，參見圖5a，它示出了將磁阻機用作氣體壓縮機，其中，在鐵磁性芯的兩端連接有帶止回閥的中空活塞，管道與閥門的配置是一領(lǐng)域中傳統(tǒng)方式的，本裝置的主要優(yōu)點是在工作時實際上是無聲的。
圖5b示出本發(fā)明的磁阻機用于閉環(huán)流體的流量控制，通過保持一個具有可變截面的閥體的位置、一個流量傳感器以及帶有諸如微處理器的一個差壓調(diào)節(jié)器，它能用于精確地控制流體的流量。在圖5b中，該裝置是以全封閉狀態(tài)示出的，但通過精確地調(diào)節(jié)其電磁場，鐵磁性芯的位置可以精確地加以調(diào)整以調(diào)節(jié)流速。
現(xiàn)在參見圖5C，該圖中示出了磁阻機作為雙向針閥的應(yīng)用，其中，在連接在鐵磁芯的各端的連桿上連有針閥以在一個電控制的裝置的控制下變換流體的流道。該磁阻機的設(shè)計采用了一個非鐵套筒，鐵磁芯能在其中軸向移動而提供壽命長的無密封墊的，無泄漏的性能以及精確的“氣隙”。
現(xiàn)在參見圖5d，該圖中示出了磁阻機作為一臺沖壓機的應(yīng)用，其中在鐵磁芯的一端連有一平衡塊，而在另一端則連接一個沖頭，磁阻機的往復(fù)運動作產(chǎn)生一種高度可調(diào)節(jié)的沖壓作業(yè)。這種機器的控制采用一個簡單的閘流管控制電路。
權(quán)利要求
1.一種改進的電磁線圈，其中，用一種鐵磁性材料支承一個電勵磁線圈來提供一條磁路，在所述鐵磁性材料上開有一個通孔，在通孔中襯有一非鐵套筒，在套筒中置有一可移動的鐵磁芯，所述芯具有削尖的端部。
2.如權(quán)利要求1的電磁線圈，其中，磁路是由一大體上矩形的鐵磁性材料的框架提供的，該框架支承所述線圈。
3.如權(quán)利要求2的電磁線圈，其中，所述非鐵套筒通過所述矩形鐵磁框架部件的兩個對側(cè)的開口中伸出，所述開口是與所述線圈中的一個軸向開口對準(zhǔn)的。
4.如以上權(quán)利要求中任何一條的電磁線圈，其中，所述鐵磁芯是由一個具有基本上是圓錐形的端部的基本上圓柱形的部件構(gòu)成的。
5.如以上權(quán)利要求中任何一條的電磁線圈，其中，鐵磁芯的端部帶有凹紋或槽。
6.一種磁阻機，包括一個鐵磁性材料的支承框架，由它提供一條磁路并支承一對背靠背安裝的電勵磁的磁場生成部件，每一個所述部件與該支承框架具有對準(zhǔn)的中心通孔，通過該通孔延伸一個非鐵材料的支承管，在該支承管中放置一個可移動的鐵磁芯，所述鐵磁芯具有一個圓柱形的中間部分及對應(yīng)地削尖的兩個端部。
7.如權(quán)利要求6的磁阻機，其中，該支承框架具有一種E與I形條形構(gòu)造，從而使由一對線圈構(gòu)成的電勵磁的磁場生成部件能夠背靠背地安裝在所述支承框架中。
8.如權(quán)利要求6或7的磁阻機，其中，所述可變磁芯由一個具有基本上圓錐形的并且基本上對稱的端部的上圓柱形的部件構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求6至8中任何一條的磁阻機，其中，該支承管由一個銅質(zhì)或塑料管構(gòu)成。
10.權(quán)利要求6至9中任何一條所提出的一種磁阻機，其中，為線圈提供了冷卻風(fēng)扇。
全文摘要
本發(fā)明的設(shè)備包括一個鐵磁支承部件，支承一個或多個線圈，用于生成一個電磁場。一個非鐵材料的中心套筒延伸通過所述支承框架與線圈對準(zhǔn)的孔并接納一個鐵磁芯，在線圈上作用一個電流時該鐵磁芯實際地在非鐵套筒中移動。鐵磁芯的實際位移可利用來作為一個電磁線圈設(shè)備，或者在一個雙線圈雙端裝置中用作一臺往復(fù)電機。
文檔編號H01F7/16GK1076807SQ9310219
公開日1993年9月29日 申請日期1993年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月4日
發(fā)明者威爾弗雷德·莫里斯 申請人:威爾弗雷德·莫里斯