[发明专利]可编程永磁致动器和磁场产生装置及方法

说明书

一种可编程永磁致动器，磁场产生装置及其控制方法。致动器具有：第一主体，其为铁磁性材料；第二主体，其为单个磁化铁磁体；以及磁场产生装置，该磁场产生装置与第二主体相关联，以在第二主体附近产生磁场。致动器还具有控制器，该控制器适于控制磁场产生装置以产生受控磁场。受控磁场适于改变第二主体的磁化，从而与第二主体产生所需的磁场，以根据期望的位置或期望的转矩使第一主体或第二主体中的一个相对于彼此移动。即使在施加受控磁场之后，所期望的位置或期望转矩也将被保持。该设备具有永久磁体，该永久磁体的固有矫顽力(Hci)值大于200kA/m，剩磁(Br)值大于0.4特斯拉。该设备还具有与永磁体关联的磁场产生装置和与该磁场产生装置相连的控制器。控制器适于控制磁场产生装置以产生受控磁场，以可变地改变永磁体的磁化，以便产生期望的可变磁场，并且当置于期望的可变磁场中时影响带电或磁化的材料。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年2月2日提交的美国临时专利申请62/625,418的优先权，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及致动器和硬铁磁材料的磁化，更具体地说，本发明涉及使硬铁磁材料磁化的致动器和通过硬铁磁材料的磁化产生磁场。

背景技术

机器人有望在许多应用中变得重要，例如医疗保健、军事、制造业，以及实际上任何仿人型机器人可以代替人类体力劳动的领域。然而，与人相比，当代的仿人型机器人具有有限的功能。尽管技术取得了巨大进步，但与任何有能力的人相比，即使是当今最先进的仿人型机器人也很慢且笨拙。原因之一就是当今机器人致动的限制。

机器人致动的主要问题是传统的电磁马达自身不适用于机器人。似乎令人惊讶的是，自1830年代以来开发和改进的各种电动机中，没有哪一种真正适合于机器人。例如，即使最近对电动机的研究带来了电动汽车的巨大进步，但是对于机器人却没有带来同样的进步，因为机器人需要完全不同的致动类型。

常规电动机，如直流电动机或无刷电动机，由于产生的反电动势(EMF)而在高速下达到高效率，如现有技术图1的曲线图100所示。值得注意的是，在常规电动机以每分钟低的转速(RPM)运行的情况下，大部分输入功率(P_in)丢失了(P_loss)，并且只能提供低转矩。例如，在1000RPM时，施加了165瓦的输入功率，但是损失了超过125瓦，仅约35瓦的机械功率可用，由于P_mech＝τω，从而导致了相对较低的转矩输出。然而，机器人应用通常需要低速率(例如低RPM)和高转矩运动，这对于常规电动机而言是低效率的。

从现有技术的图2A和2B中可以看出，传统的电动机具有定子202和转子204。定子202具有铜线圈201和由软铁磁材料206构成的主体，在这种情况下为无刷电动机 200，通过流过铜线圈201的电流来工作，以便在转子周围产生磁场。转子具有圆柱形永磁体204，该永磁体在径向方向上被磁化并且具有四个磁极，如图2A所示。因此，当电流停止，仅剩一个磁场(转子204)，电动机就静止了。当激活电流后，将有两个磁场 (转子和定子的)，并且由于错位的磁极彼此排斥，因此在这种情况下转子204将旋转。

常规的无刷电动机200将接收输入电功率(P_in)，并伴随着一定的损失(P_loss)，进一步转换为机械功率(P_mech)，其中机械功率(P_mech)是转矩和转速的直接函数。此关系由下式给出：

P_in＝P_loss+P_mech，

其中

P_in＝Vi，

P_mech＝τω，

P_loss＝i²R，