[其他]受控力可变磁阻致动器

说明书

本发明涉及可变磁阻致动器，特别是涉及这样一种致动器，在这种致动器中，可以在其可动致动部件的整个活动范围内，对致动器的机械力进行控制。

可变磁阻致动器的工作原理是这样的：当磁性材料被放置在磁场中时，该磁性材料将受到机械力的作用，这种机械力趋向于使该磁性材料沿着与磁场平行的方向进行运动，磁性材料表面上任意一点处的机械力与该点处的磁通量密度的平方成正比。磁性材料就是这样的材料：当把它放置在磁场中时，它能显示出增强的磁化。

在实际的可变磁阻致动器中，用磁性材料制做的活动部件受到磁场的作用，以便把产生的力传给其它的装置，从而达到致动的目的。上述的磁场是由线圈中的电流产生的。活动部件通常被制做成铁磁活塞的形式。这类致动器之所以被称作“可变磁阻”致动器，是因为当活动部件-它构成磁路的一部分-在机械力的作用下发生移动时，它改变了磁路中的磁阻。通常是通过改变气隙的大小来使磁阻改变。

可变磁阻致动器的一个典型的例子是线性致动器，这种线性致动器包含用于在螺线管的磁芯内进行滑动的活塞。（尽管“螺线管”一词通常用来泛指整个这类装置，但在这里它的含意是技术性的，即表示包含一层或多层导电体绕组的线圈，这些导电体通常绕成螺距很短的螺线管状。）这类线性致动器可以用于运载工具、家庭用具，以及各种各样的工业用途，如阀门控制等，等等。

应当把可变磁阻致动器同另外一种致动器区别开来。在那种致动器中，机械力的产生是电流流过一根导体的结果，这根导体中电流的方向同磁场垂直，从而产生作用在导体上的横向力，导体通常绕成可动螺线管。在通常情况下，后面这种致动器更难于制做，而且每单位体积所提供的致动力较小。

限制了可变磁阻致动器的应用的一个主要问题在于致动器的活动部件所受的机械力是该活动部件位置的函数，并随着活动部件的位置发生变化。这种变化通常是非线性的。由于气隙的减小导致磁路磁阻的减小和磁路中磁通量的相应增加，所以当装置的有效气隙减小时，力则增加得很快。这通常导致活动部件在同止动器相碰撞时以不希望有的振动和噪声的形式释放能量，并使该活动部件的位置控制更难进行。上述止动器是用来限制活动部件的移动幅度的。虽然在理论上可以通过控制螺线管中的电流来对力进行控制，但到目前为止，很难有效的实现这样的控制。因此，这类装置通常只能用做简单的通-断装置，在上述通-断装置中，活动部件同致动器相碰撞所引起的噪声和振动的影响很小或是没有。而这类装置常常是不完善的。

为了使这类致动器能够被用于更复杂的用途，在以前已进行了多方面的努力，以便对可变磁阻致动器所产生的机械力进行控制。在这些努力中，采用了传感器来测量机械力或活动部件的位置，以提供用于控制螺线管中的电流的反馈信号。这种尝试的一个例子是克勒尔（keller）的美国专利第3，584，496号，其中采用力敏传感器来测量可变磁阻致动器的活动部件所施加的机械力，并利用该传感器的输出来控制致动器的螺线管中的电流。在厄姆伯（Umbaugh）的美国专利第3，697，837中，还采用位移敏感传感器对活动部件的位置进行检测，以控制螺线管中的电流，从而控制活动部件的位置。

要对活动部件所受的实际机械力进行测量，必须有对物理量的变化敏感的装置，例如应变装置。对活动部件所受的实际机械力所进行的这种测量有一些缺陷。这些缺陷在于这些装置通常只对方位、惯量，和震动敏感，其响应时间长，并且要用复杂的电路来对励磁线圈中的电流进行控制。虽然采用测量活动部件位置的装置来调节活动部件的位置可以更容易一些，但这种装置也存在一些同样的问题。另外，如果不了解致动器的力-位置特性，并且不对此进行补偿的话，就不能用它们来调节机械力。

由于可变磁阻致动器的活动部件所受到的力同该活动部件所感受到的磁通量密度的平方成正比，因此，可望对这个磁通量密度进行直接测量。尽管有人已经在双稳态（bistable）可变磁阻致动器中采用了线圈来探测磁场强度的变化，就象在马西亚（Massie）的美国专利第3，932，792中所描述的那样，但采用线圈并不能测量磁场强度或磁通量密度的瞬时幅度。作为一种选择，可以采用霍尔效应装置，这种装置的输出是其所感受的磁通量密度的函数。虽然有人已经将霍尔效应装置同永磁铁结合起来用作位置探测器，如在贝雷斯（Brace）的美国专利第4，319，236中所描述的那样，但是可以确信，还没有人利用霍尔效应装置来测量可变磁阻致动器中的活动部件所感受到的磁通量密度。