CN105427998A - 具有磁性管和电枢稳定元件的螺线管及其制造和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种具有磁性管和电枢稳定元件的螺线管及其制造和使用方法。其中，该螺线管可以包括：电枢，其包括磁场响应电枢材料；管，其包括铁磁管材料；和电枢稳定元件，该电枢具有平行于轴向方向的外径向电枢表面，该管具有径向管壁，该径向管壁具有同心于该外径向电枢表面的内径向管表面，该径向管壁具有小于约1mm的厚度，该电枢稳定元件在外径向电枢表面和内径向管表面之间建立径向空气间隙，该径向空气间隙在所述外径向电枢表面上具有大致均匀的厚度且当所述电枢在所述电枢的整个移动范围的至少一部分上移动时维持基本均匀的厚度。本发明由于不需要涂层或表面处理、额外加工、或对污染额外小心，所以提供了改善的性能特征。

Description

具有磁性管和电枢稳定元件的螺线管及其制造和使用方法

相关文件的交叉引用

本申请要求2014年9月2日提交的、序列号为62/044,597、名称为“具有磁性管和电枢稳定元件的螺线管及其制造和使用方法”的美国临时专利申请的优先权，其内容在此通过引用的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及具有磁性管和电枢稳定元件的螺线管及其制造和使用方法。

背景技术

已知的是，螺线管具有非磁性螺线管。具有非磁性管会限制电枢所经历的磁场的强度，因为在产生磁场的线圈和电枢之间定位有非磁性材料。

还已知的螺线管是这样的：非磁性管不存在于螺线管中，而一个极片或多个极片形成容纳电枢的管形空腔且其内表面直接接触电枢。然而，在使极片直接接触电枢的所有实例中，需要考虑下列特殊制造因素：1)非磁性涂层或表面处理必须应用于电枢或极片，以便在电枢的磁性材料和极片的磁性材料之间提供间隙；2)极片和/或电枢必须另外进行处理(磨削、珩磨、超精加工等)以提供特别光滑的表面，其中电枢在该表面上滑动；和3)必须特别注意污染物(例如，包括诸如过滤物或隔膜等附加成分)，因为任何污染物会导致电枢和极片之间的表面摩擦增加，并因此会对性能产生负面影响。

因此，期望提供一种具有改进的性能特性、但不需要考虑上述特殊制造因素的螺线管。

发明内容

本技术通过在不需要涂层或表面处理、额外加工、或对污染额外小心的情形下提供具有改善性能的系统和方法而克服了上述缺点。

在本发明的一个方面，提供一种螺线管。该螺线管可包括电枢、管和电枢稳定元件。电枢可以包括磁场响应电枢材料。该管可包括铁磁管材料。电枢可以具有平行于轴向方向的外径向电枢表面。该管可具有径向管壁，该径向管壁具有同心于外径向电枢表面的内径向管表面。该径向管壁的厚度可以小于约1毫米。电枢稳定元件可以在外径向电枢表面和内径向管表面之间建立径向空气间隙。径向空气间隙可以在外径向电枢表面上具有基本均匀的厚度。

在一些实施例中，电枢可以为基本上圆柱形的。

在其它实施例中，电枢稳定元件可以包括至少两组滚珠支承件。电枢可以进一步包括多个沿轴向设置在外径向电枢表面上的通道。所述至少两组滚珠支承件可以定位在多个通道内。多个通道中的每个可包括至少两组支承件止挡块以限定至少两个支承件移动区，其中所述至少两组滚珠支承件中的至少一个滚珠支承件可以驻留在每个支承件移动区中。

在其它实施例中，螺线管可包括围绕并同心于管设置的线圈。线圈可包括导电线圈材料。线圈可被定向成产生当电流流过线圈时在轴向方向上移动电枢的磁场，该磁场。螺线管可具有约3毫米的最大行程且电枢可以产生一个推或拉的力：该力响应于约1A的电流在约0.25毫米至约2.5毫米之间的行程距离处至少为约9N；或响应于约0.5A的电流在约0.25毫米至约2.5毫米之间的行程距离处至少为约3N。

在其它实施例中，螺线管可具有约3毫米的最大行程，并且：在约0.25毫米至大约2.5毫米的行程距离范围上推或拉力和返回力的平均差值小于约0.5N；或在大约0.25毫米至大约2.5毫米的特定行程距离处，推或拉力和返回力之间的差小于约0.5N。

为了完成前述和相关目的，因此，本技术包括下文中充分描述的特征。下面的描述和附图在细节上阐述了本技术的某些说明性方面。然而，这些方面仅示出了本技术的原理可以被采用的各种方式中的一小部分。本技术的其它方面、优点和新颖性特征从以下结合附图考虑时的详细描述中将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的螺线管的剖视图；

图2是根据本发明的电枢-管组件的立体图，其中电枢从管中取出；

图3是根据本发明的电枢-管组件的立体图，其中电枢位于管内；

图4是根据本发明的沿管的孔向下观看螺线管的电枢-管组件的图；

图5是根据本发明的电枢-管组件的剖视图，该剖面是沿着一组滚珠支承件截取的；

图6是显示了具有磁性和非磁性管的螺线管的计算机模型比较的曲线图；

图7是显示了比较具有磁性和非磁性管的螺线管的测量的力-行程数据的曲线图；

图8是显示了比较带滚珠支承件和不带滚珠支承件的磁性管螺线管的测量的力-行程数据的曲线图；

图9是示出了比较具有磁性管和滚珠支承件的螺线管与具有磁性管但不带滚珠支承件的螺线管的测量的力-行程数据的曲线图；和

图10是电枢-管组件的示意性剖视图，示出了磁性管的磁隙与非磁性管的磁隙之间的比较。

虽然本技术易于进行各种修改和替代形式，但是其具体实施例已经通过附图中的示例示出，并在本文中详细描述。然而，应当理解，此处具体实施例的描述不是旨在将本技术限制于所公开的特定形式，而是相反，其意图覆盖如所附权利要求限定的、落入本技术的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

具体实施方式

本文中提及的方向关系和移动，诸如提高和降低，或左和右，是指组件在附图中和所描述的本发明的示例性应用中所示的取向中的关系和移动，并且各组件的其它关系和取向可以存在于本发明的其它应用中。

参照图1，本公开内容提供了一种螺线管110。螺线管可包括电枢12、管14、极片15、c-极17和线圈16。

参照图2，电枢12和管14组合被称为电枢-管组件10。图2示出了电枢12从管14移出的角度看到的电枢-管组件10。电枢-管组件10可以包括电枢稳定元件，其以滚珠支承件18的形式示出。管14可滑动地接收电枢12，其中，电枢12可沿着轴向方向100相对于管14滑动。电枢12可具有第一端电枢表面26、相对的第二端电枢表面(不可见)、和外径向电枢表面28。电枢12可包括多个通道20，其中可以保持电枢稳定元件(例如，多个滚珠支承件18)。多个支承件止挡块22可以限定滚珠支承件18可以移动的支承件移动区24。电枢12和管14基本上具有圆柱形，圆柱形的长轴与轴向方向100对齐。

在某些实施例中，电枢稳定元件可以包括至少两组滚珠支承件18，一组滚珠支承件18更靠近第一端电枢表面26而另一组滚珠支承件18更靠近第二端电枢表面(不可见)。应当理解，多个通道20和多个滚珠支承件18提供了抵抗污染的改进的鲁棒性，因为滚珠支承件可绕污染物或在污染物上移动(相对于两个彼此滑过的表面)且该通道提供了积累污染物而不影响性能的空间。此外，由于滚珠支承件具有较少的与管的接触点，该管可在其内表面具有更多的污染物而不会消极地影响性能。还应该理解的是，电枢稳定元件建立和保持了径向空气间隙，并减少了电枢与管之间的摩擦。

仍参见图2，管14可包括具有外径向管壁表面34的径向管壁30。径向管壁30的厚度可以小于约1mm、小于约500μm、或小于约300μm。径向管壁30的厚度可以为至少约1μm、至少约50μm、或至少约100μm。管14还可以包括在开口端39上的凸缘38。另一端部36可以被封闭。

图3示出了电枢12置于管14中的电枢-管组件10的立体图。电枢12和管14被同心地布置。管14可具有径向管壁30，径向管壁30具有内径向管壁表面32和外径向管壁表面34。管14可具有端部管壁36。管14可包括凸缘38和在管14的相对端上的端部管壁36。管14可包括内孔40，该内孔40用于接收该电枢。以滚珠支承件18的形式示出的电枢稳定元件可以在内径向管壁表面32处接触管壁30。电枢稳定元件或滚珠支承件18、通道20、和滚珠支承件止挡块22可以位于电枢12上，以确保当电枢12在管14内移动时电枢12沿轴线方向100保持对齐。

图4示出了从第一端电枢表面26的端部、沿轴向方向100俯视所看到的电枢-管组件10。多个通道20可成形和定位为使得滚珠支承件18从电枢12延伸预定小的距离。多个通道20可以在电枢12周围均匀地分布，从而使电枢12居中地保持在管14内。

图5示出了沿轴向方向100俯视的电枢-管组件10的横截面，该横截面通过直接穿过一组滚珠支承件18而绘制。多个通道20和滚珠支承件18被成形和定位以在外径向电枢表面28和内径向管壁表面32之间产生径向空气间隙42。径向空气间隙42的大小是基于两个对抗的考虑。一方面，降低径向空气间隙提高磁效率(结果是形成一个较小的磁隙)。另一方面，增加径向空气间隙提高污染鲁棒性(形成污染物的更大空间而不消极影响性能)。径向空气间隙42是由电枢12和管14的相对尺寸以及通道20的深度和滚珠支承件18的尺寸控制的。在某些实施例中，径向空气间隙42等于滚珠支承件18从电枢12延伸的预定小的距离。

径向空气间隙42可以在外径向电枢表面28上具有基本均匀的厚度。当电枢12在电枢移动的整个范围的至少一部分上移动时径向空气间隙可保持基本均匀的厚度。如本文所用，“基本均匀”应表示从平均值加减50％的允差，使得最大值小于平均值的约150％并且最小值为平均值的至少约50％。在某些实施例中，径向空气间隙可以具有从平均值加减40％的允差、从平均值加减30％、加减20％或加减10％的允差。

图6是显示了具有磁性管和非磁性管的螺线管的计算机模型比较的曲线图。对于0.5A或1.0A的电流，从0.25到2.5的所有行程距离处产生的力是较大的。在某些实施例中，对于具有约3mm的最大行程的螺线管，力可以被测量。

图7是比较具有磁性和非磁性管的螺线管的测量的力-行程数据的曲线图，其中螺线管具有相同尺寸且在相同的电流下进行操作。带有磁性管的螺线管在大多数距离处产生较高的行程力，但在推或拉的力和返回力之间引入了大量的滞后。如本文所用，推或拉的力应指当通过线圈的电流增加并且电枢移动或试图移动离开静止位置时由螺线管施加的力。如本文所使用的，返回力应指当通过线圈的电流降低且电枢被强制返回到返回位置时由螺线管施加的力。电枢可以通过线性致动器(诸如弹簧)所施加的力保持在静止位置。不希望受任何特定理论的束缚，可以相信的是使用磁性管所导致的增加的磁场可使得侧向载荷增加，这可以增加电枢与管之间的摩擦，导致推或拉力和返回力之间存在偏差。

图8是比较带滚珠支承件和不带滚珠支承件的磁性管螺线管的测量的力-行程数据的曲线图。螺线管具有用于图7的曲线图的磁性管螺线管的尺寸和操作参数。如所看到的，增加形式为滚珠支承件的电枢稳定元件和由此导致的受控的空气间隙降低了滞后现象。

图9是示出了比较具有磁性管和滚珠支承件的螺线管和具有磁性管但不带滚珠支承件的螺线管的测量的力-行程数据的曲线图。螺线管具有用于图7的曲线图的螺线管的尺寸和操作参数。如所看到的，磁性管和形式为滚珠支承件的电枢稳定元件的存在增加了在所有抽样行程长度(从0mm到2.5mm)上的力，并在大多数采样的行程长度上表现出减少的滞后。在某些实施例中，对于具有约3mm的最大行程的螺线管，可以测量该力。

图10是根据本发明(没有线圈，其未示出)的螺线管的电枢12、径向空气间隙42、管14、极片15和c-极17(注意，极片15和c-极17在此视图中可以互换)的交界的示意性剖视图。在管是磁性的实施例中的磁隙52由电枢12和管14之间的距离来表示。在管是非磁性的情况下的磁隙54由电枢12和极片15之间的距离表示。

作为这里所描述的特征的结果，本文中所描述的螺线管可具有减小的尺寸和质量。在某些实施例中，本文所描述的螺线管质量降低约40％，而性能不会显著变化。例如，示出的具有7.9欧姆的线圈电阻、39.7mm的高度、23.514mm的直径、约17,240立方毫米的体积以及在0-1A的电流范围内工作的磁性管的螺线管提供了与具有7.8欧姆的线圈电阻、46mm的高度、30mm的直径、约32,516立方毫米的体积以及在0-1A的电流范围内工作的非磁性管的螺线管相同的性能。

如本文中所述的螺线管不需要在后处理。应该理解的是，为了最大的性能，磁性螺线管应具有减小的厚度，但较薄的管不能进行在后处理以改善表面光洁度、圆度、直线度等。因此，本发明使得能够使用较薄的磁性管，其可以以单个制造步骤来制造。然而，执行这些在后处理步骤的一个或多个不必使所述螺线管或方法从本发明的范围移除。

在某些实施例中，外径向电枢表面或内径向管壁表面可以不进行涂覆或表面处理。为了本发明的目的，原生氧化层不被认为是涂层或表面处理。因此，本发明使得能够使用未经涂覆或表面处理并且可以在单个制造步骤来制造的磁性管和电枢。

电枢12可以包括磁场响应电枢材料。合适的磁场响应电枢材料包括但不限于铁、钴、镍、钆、陶瓷、它们的氧化物、它们的合金、它们的组合、磁性不锈钢、由非磁性成分制成的磁性合金、过渡金属-准金属合金、和类似物。

管14可以是磁性的且可以包括铁磁管材料。合适的铁磁管材料包括，但不限于，铁、钴、镍、钆、陶瓷、它们的氧化物、它们的合金、它们的组合、磁性不锈钢、由非磁性成分制成的磁性合金、过渡金属-准金属合金、和类似物。

线圈16可以包括导电线圈材料。合适的导电线圈材料包括但不限于铜、金、银、铝、铂、导电有机化合物、半导体、它们的氧化物、它们的合金、它们的组合、和类似物。

电枢稳定元件(例如，多个滚珠支承件18)可以包括磁性或非磁性的稳定材料。合适的磁性稳定材料包括但不限于铁、钴、镍、它们的氧化物、它们的合金、它们的组合、磁性不锈钢、和类似物。合适的非磁性稳定材料包括但不限于非磁性不锈钢、铝、铜、塑料、陶瓷、它们的氧化物、它们的合金、它们的组合和类似物。

当电枢稳定元件的形式是滚珠支承件时，在某些实施例中，电枢稳定元件可以是一对滚珠支承件组，一组布置在更靠近电枢的一端且另一组设置在更靠近电枢的相对端。在某些实施例中，电枢稳定元件可包括两组、三组、四组、五组、六组、七组、八组、九组、十组或更多组的滚珠支承件，滚珠支承件组相对于彼此充分间隔开，以通过将电枢基本上中心定位于管内而维持径向气隙。在某些实施例中，一组滚珠支承件包括至少3个支承件。在某些实施例中，一组滚珠支承件包括至少4个支承件、至少5个、至少6个、或至少7个支承件。

当电枢稳定元件的形式是包括磁性稳定材料的滚珠支承件时，在某些实施例中，一组滚珠支承件可包括至多25个支承件、至多20个支承件、至多15个支承件、或至多10个支承件。当电枢稳定元件的形式是包括磁性稳定材料的滚珠支承件时，在某些实施例中，整个电枢稳定元件可包括至多50个支承件、至多40个支承件、至多30个支承件、或至多20个支承件。当电枢稳定元件的形式是包括非磁性稳定材料的滚珠支承件时，在某些实施例中，一组滚珠支承件可包括至多25个支承件、至多20个支承件、至多15个支承件、或至多10个支承件。当电枢稳定元件的形式是包括非磁性稳定材料的滚珠支承件时，在某些实施例中，整个电枢稳定元件可包括至多50个支承件、至多40个支承件、至多30个支承件或至多20个支承件。

不希望受到任何特定理论的束缚，但可以相信的是，滚珠支承件和磁性管之间的小的接触面积允许空气间隙建立在绝大多数的表面上，同时在电枢的磁性响应材料、电枢稳定元件的磁性材料和磁性管的磁性材料之间具有直接接触。本发明人发现，尽管在电枢、电枢稳定元件和磁性管的材料之间有直接接触，但是由于使用支承件而减小的摩擦以及在支承件和磁性管之间减小的表面区域接触的组合提供了改进的性能特性。

前面的描述主要针对的是本发明的优选实施例。虽然关注了在本发明的范围内的各种替代方案，可以预料，本领域的技术人员将很可能意识到其它的替代形式，其现在从公开的本发明的实施例中是显而易见的。因此，本发明的范围应该由所附权利要求书来确定，而不是由上述公开的内容来限制。

Claims (20)

1.一种螺线管，包括：

电枢，其包括磁场响应电枢材料；

管，其包括铁磁管材料；和

电枢稳定元件，

所述电枢具有平行于轴向方向的外径向电枢表面，

所述管具有径向管壁，所述径向管壁具有同心于所述外径向电枢表面的内径向管表面，所述径向管壁具有小于约1mm的厚度，

所述电枢稳定元件在所述外径向电枢表面和所述内径向管表面之间建立径向空气间隙，所述径向空气间隙在所述外径向电枢表面上具有大致均匀的厚度且当所述电枢在所述电枢的整个移动范围的至少一部分上移动时维持基本均匀的厚度，

其中，基本均匀表示从平均厚度加减1％的允差。

2.如权利要求1所述的螺线管，其特征在于，所述电枢基本上是圆柱形的。

3.如权利要求1所述的螺线管，其特征在于，所述电枢稳定元件包括至少两组滚珠支承件。

4.根据权利要求3所述的螺线管，其特征在于，所述电枢还包括多个通道，所述通道沿所述轴向方向设置在所述外径向电枢表面上，并且其中所述至少两组滚珠支承件位于所述多个通道内。

5.如权利要求4所述的螺线管，其特征在于，所述多个通道的每个包括至少两组支承件止挡块以限定至少两个支承件移动区，其中所述至少两组滚珠支承件中的至少一个滚珠支承件驻留在每个支承件移动区中。

6.如权利要求1所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管还包括线圈，所述线圈围绕且同心于所述管布置，所述线圈包括导电线圈材料，所述线圈定向成当电流通过所述线圈时产生在所述轴向方向上移动所述电枢的磁场。

7.如权利要求6所述的螺线管，其特征在于，所述电流为至少约1mA。

8.如权利要求6所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程且所述电枢产生一推或拉的力：

响应于约1A的电流在约0.25毫米和约2.5毫米之间的特定行程距离处至少约9N；或

响应于约0.5A的电流在约0.25毫米和约2.5毫米之间的特定行程距离处至少约3N。

9.如权利要求1所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程，且其中在约0.25毫米至大约2.5毫米的行程距离的范围上推或拉的力和返回力之间的平均差值小于约0.5N。

10.如权利要求1所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程，且其中在约0.25毫米至大约2.5毫米的特定行程距离上推或拉的力和返回力之间的差值小于约0.5N。

11.一种螺线管，包括：

电枢，其包括磁场响应电枢材料；

管，其包括铁磁管材料；和

电枢稳定元件，

所述管具有小于约1毫米厚度的径向管壁。

12.如权利要求11所述的螺线管，其特征在于，所述电枢基本上是圆柱形的。

13.如权利要求11所述的螺线管，其特征在于，所述电枢稳定元件包括至少两组滚珠支承件。

14.如权利要求13所述的螺线管，其特征在于，所述电枢还包括多个通道，所述通道沿轴向方向设置在外径向电枢表面上，并且其中所述至少两组滚珠支承件位于所述多个通道内。

15.如权利要求14所述的螺线管，其特征在于，所述多个通道的每个包括至少两组支承件止挡块以限定至少两个支承件移动区，其中所述至少两组滚珠支承件中的至少一个滚珠支承件驻留在每个支承件移动区。

16.如权利要求11所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管还包括线圈，所述线圈围绕且同心于所述管布置，所述线圈包括导电线圈材料，所述线圈定向成当电流通过所述线圈时产生在所述轴向方向上移动所述电枢的磁场。

17.如权利要求16所述的螺线管，其特征在于，所述电流为至少约1mA。

18.如权利要求16所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程且所述电枢产生一推或拉的力：

响应于约1A的电流在约0.25毫米和约2.5毫米之间的特定行程距离处至少约9N；或

响应于约0.5A的电流在约0.25毫米和约2.5毫米之间的特定行程距离处至少约3N。

19.如权利要求11所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程，且其中在约0.25毫米至大约2.5毫米的行程距离范围上推或拉的力和返回力之间的平均差值小于约0.5N。

20.如权利要求11所述的螺线管，其特征在于，所述螺线管具有约3毫米的最大行程，且其中在约0.25毫米至大约2.5毫米的特定行程距离上推或拉的力和返回力之间的差值小于约0.5N。