專利名稱：用于產生期望低頻振動或者消除非期望低頻振動的電磁電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有如下自由移動內部質量體的線性行程電磁電機，有選擇地通過施加電信號使該質量體移動以對自由移動內部質量體產生電磁力，以便產生期望低頻聲音或者強可變振動或者與施加的信號成比例地驅動如螺線管等的裝置。
背景技術：
現(xiàn)有技術包括各種線性行程電磁電機。在于1985年9月17日授權并且發(fā)明名稱為 LONG LINEAR STROKE RECIPROCATING ELECTRIC MACHINE 的美國專利 4，542，311 (下文稱為'311)中公開了一種這樣的早期設備。這一設備包括在限定表面的外間隙與內間隙 (至少一個間隙具有與電線圈的長度加上行程的長度相等)之間限定的圓柱形氣隙。此外， 它包括在移動方向上的長度與線圈在相同方向上的長度相等的通量聚焦環(huán)，該環(huán)集中基本上所有場通量和所有電線圈匝以在整個行程內相互作用。
在于1993年7月27日授權并且發(fā)明名稱為ACTUATOR FOR ACTIVE VIBRATION CONTROL的美國專利5，231，336(下文稱為'336)中公開了另一設備。這里公開了一種可以具有移動線圈或者移動磁體的設備，其中該移動元件響應于電輸入信號而經歷往復運動。 在專利'336中描述的設備運用經過致動器的中心延伸的定心軸桿以使移動元件徑向地居中。此外，對移動元件的縱向返回力依賴于位于定心軸桿的各端部周圍的機械彈簧。在這一設計中，對彈簧的使用需要頻繁維護，因為彈簧常數(shù)往往隨時間改變。此外隨著移動元件移動，彈簧在致動器使用中時往往產生可聽噪聲，這致使這一設備的應用在作為低頻輻射體的音頻系統(tǒng)中不可接受。另外，如果豎直裝配致動器而定心軸桿豎直定向，則移動元件的重量將對彈簧施加不均勻負荷。移動元件的重量因此將使移動元件部分地壓縮較低彈簧， 并且使移動元件采用比在止動時的期望居中位置更低的位置；這使磁體和致動線圈(在音頻應用中為音圈)相互偏移。這一未對準將產生熱、性能下降和對致動器可能的破壞。
另一有代表性的現(xiàn)有技術出版物是于1995年6月13日授權并且標題為 ELECTROMAGNETIC TRANSDUCER 的美國專利 5，424，592 (下文稱為 ’ 592)。這里公開了一種電磁致動器，該致動器包括第一組件、設置用于相對于第一組件相對移動的第二組件以及互連第一組件和第二組件的至少第一彎曲部。第一組件包括芯，該芯具有第一極性的第一磁極和第二極性的第二磁極。第二組件包括具有第一線圈部分和第二線圈部分的導電線圈。第一磁極與第一線圈部分為相向關系，而第二磁極與第二線圈部分為相向關系。布置第一線圈部分和第二線圈部分，以使得線圈中的電流形成在第一線圈部分和第二線圈部分中的各線圈部分處的附加通量電流產物。第一組件和第二組件中的又一組件包括在第一線圈與第二線圈部分之間的磁通返回路徑。在這一設計中的簡稱“彎曲部”是彈簧，因此這一設計具有與上文相對于專利'336描述的問題類似的問題。
第四份有代表性的現(xiàn)有技術出版物是于1999年10月沈日授權并且發(fā)明名稱為 LOW FREQUENCY VIBRATOR的美國專利5，973，422 (下文稱為，422)。這里公開的設備具有 定子構件，具有圓柱形中心室；低摩擦非鐵磁材料的圓柱形管襯墊，定位于室中以形成軸承；以及圓柱形鐵磁往復式活塞，可滑動地裝配于襯墊中。定子具有成對線圈和居中地定位于往復式活塞中的永磁體。鐵磁通量導體包圍線圈并且在室的相對端之間延伸。這一配置產生具有彈簧常數(shù)K的磁彈簧而使K與往復式構件的質量M之比基本上等于在振動器的操作頻率范圍中的弧度頻率的平方。
專利'442公開的優(yōu)選設計依賴于金屬或者鐵素體材料安裝于定子上以使滑塊居中。在定子上的金屬和移動滑塊的磁體在止動時具有最強力。在操作期間，忽略力幅度比將滑塊保持于它的靜止位置的力更小的信號。例如，如果IOlbs的力保持鐵素體和磁體就位，則將往往忽略產生libs.上至9.991bs.的力幅度的信號。lllbs.的力將造成與輸入信號不成比例的加速。這些致使這一設計僅為具有輸出ON或者OFF的螺線管。這一設計同樣未解決在豎直裝配期間的定心，因為重力將偏移中心滑塊從而使它具有很差性能、升溫、 然后出故障。
這些和其它先前設計各自包括有所公開的設備的各種應用的弊端。一些需要定心桿和用于使滑塊回到它的中性位置的彈簧。這些復雜設計產生彈簧噪聲、彈簧疲勞并且需要復雜組件。用于幫助使滑塊居中的其它設計包括在兩個線圈之間中在定子的外側上緊固的鐵環(huán)，其中鐵環(huán)的寬度和滑塊磁體必須相等以求精確定心。該設計受短行程所困擾，因為滑塊的偏移與在線圈之間的距離直接有關?，F(xiàn)有技術設計的另一弱點在于，它們未賦予在整個移動路徑內對滑塊的線性阻力，即滑塊從中心位置行進越遠，在移動方向上的阻力就越少。這些設計僅在非致動位置時幫助使滑塊居中而它們產生的振動為非線性的，并且以這些方式設計的設備所提供的僅略多于通-斷類型順應性。
期望設計是如下設計，該設計無論是水平、是豎直還是在任何其它角度裝配電磁電機，都隨著滑塊在它行進于終端磁體之間的整個過程中自由浮動而產生線性偏移，并且具有更少在滑塊處于非激活位置時運用的定心技術所產生的限制。本發(fā)明提供這樣的優(yōu)點O

發(fā)明內容
本發(fā)明的電磁電機設計有在兩個方向上相對于定子線性移動的滑塊。本發(fā)明的實施例包括滑塊在定子內部的實施例以及滑塊在定子外部的實施例。在各實施例中，滑塊包括一個磁通產生元件能夠產生恒定磁通的線圈或者各自具有相對于定子縱向地定向的磁通的磁體。
在滑塊在定子內部的實施例中，定子包括最少三個磁通產生元件而最多四個這樣的元件。在滑塊在定子外部的實施例中，定子包括兩個磁通產生元件。所有實施例提供主動滑塊返回到中心止動位置。在內部滑塊的實施例中，滑塊由于以下力而居中于定子內與由于其重量而在滑塊上的重力拉力相反的來自單個磁通產生元件的排斥力的組合；或者來自定子的相對側上的磁通產生元件的對定子的相對側的相等和相反排斥力，所有三個元件相互縱向對準。


圖1是本發(fā)明一個基本實施例的縱向橫截面； 圖2是與圖1的實施例類似的本發(fā)明第二實施例的縱向橫截面； 圖3是與圖2的實施例類似的本發(fā)明第三實施例的縱向橫截面； 圖4是與圖1的實施例類似的本發(fā)明第四實施例的縱向橫截面； 圖5A-圖5C總地來講是以滑塊為最外部件的本發(fā)明第五實施例的縱向橫截面分解視圖，其中圖5B為滑塊并且圖5C是配合于定子周圍的絕緣體套管而滑塊在套管周圍； 圖5D是圖5A-圖5C的第五實施例的縱向橫截面組裝視圖； 圖6A-圖6C總地來講是與圖5A-圖5D的實施例類似的本發(fā)明第六實施例的縱向橫截面分解視圖，其中圖6A為裝配柱、圖6B是配合于裝配柱周圍的定子，且圖6C是配合于定子周圍的滑塊； 圖6D是圖6A-圖6C的第六實施例的縱向橫截面組裝視圖； 圖7是本發(fā)明第七實施例的縱向橫截面，該實施例是圖4的第四實施例的一個修改版本； 圖8是用于本發(fā)明的電磁電機的第一示例裝配技術的分解透視圖； 圖9A示出了配備用于裝配的圖4的電磁電機的縱向橫截面； 圖9B示出了水平裝配于表面以下的圖4的電磁電機的縱向橫截面； 圖9C示出了水平裝配于兩個表面之間的圖4的電磁電機的縱向橫截面； 圖10是本發(fā)明第八實施例的端式裝配的縱向橫截面，該實施例具有的部件比前圖的實施例更少； 圖11是本發(fā)明第九實施例的縱向橫截面，該實施例是圖4的實施例的單磁體修改實施例； 圖12是與各圖1和圖11類似的本發(fā)明第十實施例的縱向橫截面； 圖13包括圖12的第十實施例的一種改進；以及 圖14包括對圖12的第十實施例的若干變化。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種能夠產生具有強振動的低頻聲音的低頻振蕩變換器，該變換器具有作為如下低頻變換器的應用，該低頻變換器在可聽范圍以下擴展揚聲器的頻率響應而在使用時不產生其它機械聲音。本發(fā)明的其它應用示例為如下振動致動器，該致動器例如用于與電影同步地交互式搖動影院座椅以增加電影的感知特效；用于在玩游戲期間與視頻游戲同步地交互式振動視頻游戲控制器；等等。本發(fā)明也有在不期望振動的情形中作為振動消除設備的諸多應用。為了消除非期望振動，本發(fā)明的電磁電機被定向成滑塊的移動軸線平行于待消除的振動的軸線，然后向電磁電機產生模式可變和強度可變的所選信號，該電磁電機在與非期望振動的方向相反的方向上產生模式相同和強度相等的相反振動，以有效消除非期望振動，以便提供機器或者其它設備的可靠性。
本實施例提供一種產生強線性振動而無任何軸向振動副產物的完全平衡磁電路。這一設計也使用比現(xiàn)有技術實施例更少的移動部分。在本實施例中，線性和平衡磁力使移動質量體居中。
本發(fā)明的實施例處理兩種主要系統(tǒng)這里稱為“定子”的靜止系統(tǒng)和這里稱為“滑塊”的移動系統(tǒng)。本發(fā)明有其中滑塊在定子內部的實施例以及其中滑塊在定子外部的實施例。
圖1是本發(fā)明的電磁電機的一個基本實施例的縱向橫截面。圖1的電磁電機的定子包括具有所選長度和內徑的非鐵(非磁)材料管10。在管10的相對端部是將管10的端部閉合的端帽12。直徑比管10的內徑略小、尺寸設定成配合于管10內的圓形磁體14在管 10的各端內部并且緊固到各端帽12(盡管此圖中所示磁體為盤形，但是它們可以代之以是在中心具有孔的磁體類型)。如圖1中所示，磁體14之一具有面向管10(左側)中的N(北) 極，而另一磁體14具有面向管10(右側)的S(南)極。此外，各自與管10的縱向中心隔開基本上相同所選距離(即在管10的縱向中心周圍相互隔開)的兩個導電線圈16(即電感器)纏繞于管10的外側周圍。在圖1中還示出了可選的非磁性、非導電蓋18，該蓋圍繞兩個線圈16并且靠近兩個線圈16的相對側上的管10 (例如收縮管道)。蓋18向線圈16 的外層提供灰塵覆蓋和電絕緣。
圖1的滑塊在管10內部并且包括直徑在這里圖示為比管10的內徑更小的第三圓形磁體20，然而磁體20可以具有比管10的內徑略小的直徑。有在磁體20的各面上居中的導磁板22 (鐵材料、比如鋼)，而各板22具有小于管10的內徑的外徑。從而包括磁體20 和板22的滑塊在管10內自由移動，而在滑塊移動時不與管10的內表面接觸，各板22的外徑小于管10的內徑。磁體20相對于端磁體14的磁定向的N極朝著左邊面向其N極向內的端磁體14，而磁體20的S極朝著右邊面向其S極向內的端磁體14。通過將端磁體14定向成面向滑塊磁體20的相同極，產生在滑塊磁體20與各端磁體14之間的排斥力以排斥滑塊，以便返回到中心位置。
選擇端磁體14的磁強度彼此基本上相等并且充分強以如圖1中所示在滑塊止動時使滑塊在管10中居中。在端磁體14與滑塊磁體20的強度之間的關系依賴于各種因素 (例如滑塊的總質量、在電磁電機中并入的期望阻尼和滑塊的期望自由運動程度)。在一種過度阻尼情形中，端磁體14的強度應當大于或者等于滑塊磁體20的強度；在臨界阻尼情形中，所有三個磁體應當具有基本上相同強度；而在阻尼不足情形中，滑塊磁體的強度應當大于端磁體的強度。
根據圖1也可見的是，線圈16在未向線圈16施加功率時定位成與滑塊的對應板 22相反；也就是說，在線圈16之間的間距基本上等于滑塊磁體20的寬度。也為了優(yōu)化在各板22與對應線圈16之間的磁耦合，可以形成各板22以具有如圖1中所示“方形C”橫截面形狀(即，成形為具有所選深度和直徑的空心中心區(qū)M的杯形)，因此將滑塊磁體20的磁場集中于管10的內部空間周圍并更接近線圈16。
通過向線圈16施加電信號來使滑塊移動。為了這一討論的目的，假設圖1中所示各種磁體的極定向。為了左移滑塊，向兩個線圈16施加的電信號產生如下電磁場，該電磁場的S極吸引磁體20的左側N極而排斥磁體20的右側S級，其中滑塊的左移距離取決于向線圈16施加的電信號所產生的電磁場的強度以及端磁體14和滑塊磁體20的強度。為了使滑塊右移，向線圈16施加極性與引起左移的信號相反的信號。因此通過變化向線圈16施加的信號的模式和幅度，可以使滑塊以期望模式的速度和距離移動。滑塊從中心位置的任何移動遇到在力圖使滑塊返回到中心位置的移動方向上的來自端磁體14的阻力。
滑塊越接近管10的一端，它面臨來自于在管10的該端的磁體14的阻力就越多。 該阻力與滑塊從中心(止動)位置的行進距離成比例。隨著對線圈16的驅動信號改變方向，滑塊的行進方向也改變。然后與隨著滑塊迫近管10的相對端處的磁體14而在相反方向上的移動類似，在已改變的方向上的移動也受阻。在任一方向上的關系與滑塊的移動完全成比例，因此該移動或者振動是向線圈16施加的信號的鏡像。在振蕩期間，可以設計端磁體14以僅賦予數(shù)量正好的阻力，以便幫助排斥滑塊回到它的原中心位置(該力的部分來自于在信號方向在線圈16中反向時所提供的電磁場反向)。各磁體14賦予定心特征以及在滑塊迫近管10的對應端時的線性力-應變阻力。在移動期間，滑塊連續(xù)受阻于來自兩個端磁體14的排斥力而該力與在滑塊與對應端磁體14之間的距離成反比。也就是說，來自被迫近的端磁體14的排斥力增加而同時來自滑塊從其移開的端磁體14的排斥力減少。由于端磁體14具有基本上相同強度，所以來自各端磁體14的排斥力在兩個方向上線性變化。 隨著向線圈16施加的信號幅度增加，滑塊移向一側或者另一側，從而加載磁彈簧，該磁彈簧由隨著在滑塊磁體20與端磁體14之間的距離變得更短而被迫近的這兩個磁體的類似極產生。
在圖2中示出了本發(fā)明的第二實施例。這一實施例類似于圖1的實施例，并且相同的各項具有相同標號。這里，各端帽12’、端磁體14’、滑塊磁體20’和板22’具有經過縱向中心的孔。非鐵(非磁)桿沈穿過各項中心的孔。此外，在端帽12’和磁體14’的中心孔中有軸承而桿26穿過軸承觀?；瑝K(磁體20’和板22’)附接到桿26。在桿沈居中并且穿過滑塊時，滑塊將總是居中于管10的直徑，因此被防止在運動或者止動時與管10的內表面接觸。
桿沈的總長度依賴于滑塊磁體20’的寬度和端磁體12’的寬度。桿沈的最小長度必須大于在端帽12’之間的距離加上滑塊磁體20’或者端磁體14’中的更寬磁體的寬度的兩倍，從而當桿26的一端從端帽12’之一伸出時，桿沈的第二端尚未脫離如下孔，該孔在桿沈未從其伸出或者距其最短的管10的端部處經過磁體14’，。
因此如果管10保持于固定位置，則桿沈在線圈16被賦能時隨著滑塊移動。取而代之，如果桿沈的一端或者兩端在信號施加到線圈16時附接到固定位置，則滑塊變成定子而定子變成滑塊。換而言之，管10、端帽12’和磁體14’相對于桿沈固定到的一個或多個外部點在物理上移動，而桿沈、磁體20’和板22’相對于桿沈的一個或多個附接點保持固定。
接著參照圖3，示出了本發(fā)明第三實施例的縱向橫截面。這一實施例類似于圖2的實施例，而不同在于磁體20’和板22’未固著到桿26，因此能夠在線圈16被賦能時在桿沈上移動；而同時桿沈的端部有螺紋，用螺母32擰緊以接觸各端帽12’。為了減少對非鐵桿 26的磨損，可以在桿沈周圍添加向磁體20’和板22’的中心孔中延伸的軸承30。在這一配置中無論是管10緊固到管10外部的固定點還是桿沈緊固到管10外部的固定點，結果都相同，因為螺母32防止桿沈相對于管10移動。因此當向線圈16賦能時，僅機械附接到它的滑塊磁體20’和板22’相對于管10移動。
接著參照圖4，示出了具有若干添加的與圖1的實施例類似的本發(fā)明第四實施例的縱向橫截面。這里如先前已經做到的那樣，已經向與圖1中的元件相同的元件給予相同標號以免難以理解。
這一實施例中的添加特征之一是與端帽12’的內部螺紋36配對的、在管10的端部上的外部螺紋34。包括螺紋34和36允許微調端帽12”的并且也微調端磁體14的位置以均衡各端磁體14對滑塊施加的磁強度，以在止動時使滑塊準確地居中。因而如果本發(fā)明的電磁電機豎直或者成角度地裝配于端帽12”之一上，而端帽12”之一低于另一端帽，一個或者兩個端帽12”的位置必須加以調節(jié)以也調節(jié)磁力，以抵消滑塊的重量，而重力試圖將滑塊移向更低端帽12”和對應磁體14?；瑝K的重量在電磁電機裝配于水平位置時不成問題， 因為該重量不試圖將滑塊定位成更接近于管10的端部之一，因為滑塊的重量矢量基本上垂直于在管10的端部之間的縱向軸線。
圖4也包括在端磁體14的內側上的導磁端板38(例如鋼)。端板38包括面向滑塊板22的空心中心M的中心延伸部或者臺階40。臺階40可以形成為端板38的整體一部分，或者它可以是緊固到板38的如圖4中所示基本上在其中心的更大直徑部分或者由該部分磁性保持的導磁材料厚圓形件。臺階40的高度足以使得臺階40可以隨著滑塊迫近端板38并且在滑塊板22與端板38接觸之前向滑塊板22的空心中心M中至少部分地延伸。 在包括臺階40作為端板38的部分時，端磁體14的磁場基本上集中于臺階40中。因此隨著滑塊迫近端磁體組件，集中于臺階40中的磁場與滑塊磁體20的磁場相互作用而形成的排斥力在臺階40與滑塊板22在空心中心M中的中心區(qū)域之間最強。排斥磁力在比滑塊被22的全直徑更小的區(qū)域之上的這一聚集造成比如果端板38無臺階40或者如果端板38 完全不存在時更快生成排斥力。
圖4中所示第三添加是在各滑塊板22的外表面周圍在滑塊板22與管10的內表面之間包括低摩擦套管42。低摩擦套管42減少在賦能或者電流流向改變時線圈16為了從止動處移動滑塊和使滑塊的方向反向而必需的能量。這因此將提高本發(fā)明的電磁電機的性能。如果滑塊磁體20具有與滑塊板22的直徑基本上相同或者更大的直徑，則低摩擦套管 42也將包圍滑塊磁體20。
圖5A-圖5C組成以滑塊(圖5B)為最外部件而定子(圖5A)由滑塊包圍的本發(fā)明第五實施例的水平橫截面分解圖。在桿100的一端有多個裝配足部102。定子示出于中心并且包括在圖5中豎直定向的鋁(或其他非鐵材料)裝配桿100。裝配足部102可以采用各種形狀并且包括一個或者多個元件。例如，足部102可以是從柱100向外延伸的圓形法蘭，或者它可以是從柱100各自向外延伸的多個法蘭。無論裝配足部102采用什么形狀， 它都提供向固定表面的附接手段。在圖5A中，示出了一個或多個裝配足部102被旋擰到表 在裝配柱100周圍水平纏繞兩個線圈104，一個在柱100的頂部，而第二個朝向柱 100的底部隔開所選距離。寬度與在線圈104之間的所選距離基本上相等的鐵磁金屬環(huán) 106居中于線圈104之間。金屬環(huán)106在圖5A中也水平包圍柱100。為了有助于可視化線圈104和環(huán)106相對于彼此和柱100的定向，“X”已經置于各線圈104和環(huán)106的右側上， 而在左邊“ · ”已經置于各線圈104和環(huán)106的左側上。如果考慮一個遵循線圈104和環(huán) 106外表面的矢量，并且“X”表明延伸進入紙面的矢量的起點而“ · ”表明矢量將離開紙面的點，則可以容易看見，線圈104和環(huán)106可視為被水平定向或者堆疊于柱100上。
在圖5A中的定子左邊是這一實施例的滑塊(圖5B)。該滑塊具有中心環(huán)磁體108 以及在環(huán)磁體108上方和以下的鐵磁環(huán)110這三個部件。各環(huán)110和環(huán)磁體108具有比定子線圈104或者環(huán)106的更大外徑略大的中心直徑。這里可見各環(huán)110具有與定子的線圈 104的高度相同的高度而環(huán)磁體108具有與定子金屬環(huán)106相同的高度。這里“X”和“。，， 在滑塊的環(huán)磁體108和環(huán)110上用來將那些部件中的各部件圖示為水平定向的環(huán)。
在圖5A的定子右邊是電介質低摩擦非鐵套管112 (圖5C)，該套管的內徑大到足以允許在定子的線圈104和環(huán)106周圍放置套管112，而外徑小于滑塊的環(huán)110和磁體108的內徑從而允許在就位于定子周圍時在套管112周圍放置滑塊。套管112服務于兩個目的 作為電絕緣體以防止線圈104隨著滑塊移動而掉出；并且提供低摩擦表面以在操作期間最小化在它本身與滑塊之間的摩擦。更低摩擦特征也允許在操作期間以更少能量開始和反向滑塊的運動。為求便利，套管112可以是滑塊的部分，而環(huán)110和磁體108裝配于套管112 的外表面上。
在圖5D中示出了圖5A-圖5C的實施例的水平橫截面組裝視圖。圖5D為避免難以理解以虛線輪廓示出了圍繞定子-滑塊組件就位的灰塵帽114。灰塵蓋114可以由許多不同材料、金屬、塑料等制成。為了最小化在灰塵帽之間的可能磁耦合，用于灰塵帽的材料選擇將最好為非鐵材料。使用也是電介質的材料也將有利于最小化在頂部線圈104與灰塵帽之間的電短路或者火花可能性。圖5A-圖5D的實施例也呈現(xiàn)如果必要則容易修理或者更換組成部件的可能性。
止動位置是圖5A-圖5D中所示位置，并且由在磁體108與鐵磁金屬環(huán)106之間的磁吸引實現(xiàn)。當向線圈104施加電信號時產生如下磁場，該磁場通過與磁體108的磁相互作用，根據電磁場的極性來向上或者向下驅動滑塊。
圖6A-圖6D是第六實施例的分解和組裝視圖的水平橫截面，該實施例是圖5A-圖 5D的實施例的修改版本。盡管在圖6A和圖6D中未示出套管112和灰塵蓋114，但是只是省了略它們以更清楚地示出這一實施例的修改特征的細節(jié)。如圖6A和圖6B中可見，修改的鋁裝配桿100’未包括如圖5A和圖5D中所示裝配足部102。取而代之，螺桿102’從柱 100’的底部伸出，從而允許通過向電磁電機將定位于其中的表面中旋擰柱100’來進行裝配。
第二修改在于，包括從各滑塊鐵磁環(huán)110’的一端的外表面延伸的法蘭116，而法蘭116的內徑略大于環(huán)磁體108的外徑。各滑塊鐵磁環(huán)110’的法蘭116在環(huán)110’與環(huán)磁體108配對時在環(huán)磁體108的頂端和底端的部分之上延伸，并且提供環(huán)110’相對于磁體 108的更主動定位。
接著，在圖7中示出了本發(fā)明第七實施例的縱向橫截面，該實施例是圖4的第四實施例的修改版本，然而這里添加的特征可以與電磁電機的任何管形設計一起使用，并且也可以對外部滑塊設計(例如圖5A至圖6D的實施例)進行這一設計的變化。這一實施例的主要加強在于，包括縱向橫截面為弧形的管10’。對于圖5和圖6的外部滑塊實施例，定子的柱100、環(huán)106和線圈195以及滑塊的磁體108和環(huán)110將必須具有相同弧度。
在管10’具有弧時也需要修改滑塊磁體20’的橫截面形狀，從而使滑塊板20和端板38相互基本上平行，因為滑塊迫近并且基本上到達管10’的任一端。為了提供板在行進端部的該基本上平行界面，滑塊磁體20’的橫截面形狀需要基本上為拱頂石的橫截面形狀、即磁體20’的延伸側的線垂直于管10’的內表面。因此，必須放置線圈16使得各線圈的內邊緣平行于磁體20’的各側。
在管10’具有弧形時，這一實施例的電磁電機能夠產生振動以及管10’的扭轉運動。當向線圈16施加小信號脈沖時，用戶僅體驗由滑塊的短行進距離所產生的振動，因為滑塊的內部旋轉很小并且實際上不可檢測。在向線圈16施加更長信號脈沖時，定子在管 10’內旋轉行進，從而產生管10’的振動以及向管10’傳送旋轉分量。
假如三個磁體的磁極如圖7中所示定向(左邊為N而右邊為S)，則滑塊在相對于管10’的縱向中心左移時形成逆時針運動而在右移時形成順時針運動。在特效應用中，該設計在滑塊的一些旋轉能量傳向管10’時由于滑塊的移動質量體而產生扭轉力。當一端12’ 緊固到固定點而另一端12’緊固到允許至少一些程度的旋轉運動或者受到一些振動的物體 (如座椅)時，該設計將引起對座椅的如下力，該力隨著滑塊在管10’內移動而在順時針和逆時針方向上將座椅振動地旋轉少量角度。如果并入于游戲控制器中，則該設計將通過隨著滑塊在管10’內移動而振動地旋轉用戶的手部以便增強特效。
接著參照圖8，圖8是用于本發(fā)明的電磁電機的第一示例裝配技術的分解透視圖。 這一技術特別適用于希望在兩點之間附接電磁電機(例如圖1-圖4和圖7的電磁電機) 時。為了舉例，圖1的實施例在這里與各如下端帽12 —起使用，該端帽具有固著到它的端托架200，該端托架從端帽12向外延伸，并且托架200具有形成于托架200的端部中的附接孔 202。
為了與端托架200配對，在管10的相對端提供成對裝配托架204，而各裝配托架 204具有形成于托架204的端部中的附接孔208。為了將裝配托架204附接到所選表面，各裝配托架在與附接孔208相對的一端具有裝配法蘭206，而法蘭206具有形成于其中的裝配裝置。在圖8的示例中，在各法蘭206中提供螺桿或者螺釘孔。為了完成安裝，附接孔202 和208相互對準，而附接器件(例如螺釘)在這些孔中的各孔之間通過并且在托架200和 204的相對側上閉合。
圖9A示出了配備用于利用如圖8中所示托架200和托架204來裝配的圖4的電磁電機的縱向橫截面。圖9B示出了利用圖8的裝配托架在表面以下裝配的圖4的電磁電機的縱向橫截面。類似地，電機可以裝配到豎直表面。圖9C示出了利用圖8的裝配托架在兩個平行表面之間裝配的圖4的電磁電機的縱向橫截面。托架200和托架204在電機一端的定向無需與在相對端相同，例如一端可以裝配到豎直表面，而另一端裝配到水平表面，事實上兩個表面可以相對于彼此成任何角度。
盡管已經結合若干不同實施例示出和討論本發(fā)明，但是本領域技術人員可以容易修改這些實施例中的任何實施例并且以各種其它格式并入本發(fā)明的特有特征。此外，可以將各種實施例中所示任何數(shù)目的磁體替換為能夠產生電磁場的線圈。事實上，可以用如下線圈產生本發(fā)明的所有磁場，該線圈包括如圖1-圖4和圖7中那樣在定子內部時的滑塊的線圈，或者如圖5A至圖6D中那樣在定子外部時的滑塊的線圈。本發(fā)明實施例中所示定子線圈16或者104中的任一個或者兩個定子線圈可以替換為磁體。
圖10是部件比先前討論的實施例更少的端式裝配的本發(fā)明第八實施例的縱向橫截面。這里，定子包括管10、在管10的外側上纏繞的隔開電磁線圈16、用于線圈16的蓋 18、頂端帽12a、底端帽12b和在底端帽12b內的端磁體14?；瑝K包括滑塊磁體20、由磁體20的下側所磁性地保持的底部滑塊板2 和由磁體20的上側所磁性地保持的頂部滑塊板 22b。在止動時，滑塊如圖10中所示那樣，各滑塊板2 和22b與如先前實施例中那樣以與滑塊磁體20的厚度基本上相同的距離相互隔開的線圈16中的不同線圈相反。
可見這一實施例僅包括兩個磁體。在這一實施例中，當向線圈16賦能時，它們以與其中滑塊左移或者右移的先前討論的實施例中相同的方式，使滑塊上移或者下移。在這一實施例中，當向上驅動滑塊時無頂部磁體向下排斥滑塊。這里通過重力拉力與滑塊重量的組合來提供向下返回力。當線圈16向下驅動滑塊時，下端磁體14提供排斥力以上推滑塊。在這一實施例中，下端磁體14的強度必須平衡滑塊的重量，否則為了向上驅動滑塊而提供的場的相同強度可能與向下驅動滑塊不相同。為了補償任何失衡，可以按照需要移動更低磁體14更接近或者更遠離滑塊的底板22a。如果調節(jié)不足以將下端磁體14移動充分距離，則將必須總是在無需力上移或者下移滑塊時在基本信號電平激活線圈16以在圖10 中所示止動位置支撐滑塊，而在需要移動時，用于提供移動距離的必需信號將必須與基本信號電平組合，這將增加、減少或者反向向線圈16施加的總信號。取而代之，第三外部線圈可以替換下端磁體14。在這樣做時，可以通過調節(jié)向替換磁體的線圈施加的穩(wěn)態(tài)電流來容易實現(xiàn)針對替換磁體的線圈的強度調節(jié)，而無需處理向線圈16施加的背景信號以便使滑塊居中。
在圖11中示出了本發(fā)明的第九實施例，該圖是該實施例的縱向橫截面，該實施例是圖4的實施例的一個修改實施例。在這一實施例中，滑塊如先前討論的實施例中那樣包括滑塊磁體20和滑塊板22。定子包括管10和線圈16，并且取代如先前討論的實施例中那樣的端磁體14，形式為線圈44和46的磁體替換物纏繞于管10的相對端，以產生恒定電磁場以模仿所替換的磁體的場，在這一視圖中S極場在右邊，而N極場在左邊。為了調節(jié)和平衡在管10的端部的電磁場，可以調節(jié)向線圈44和46中的任一個或者兩個線圈施加的穩(wěn)態(tài)信號。
圖12圖示了本發(fā)明的第十實施例在電磁電機的縱向橫截面視圖中的簡化視圖。 這一實施例類似于各圖1和圖11的實施例，因為它包括在管10的相對端的外部永磁體17a 和17b，這有別于如圖1的實施例中那樣在管10的各端的內部磁體14以及如圖11的實施例中那樣的外部端磁體44和46。這一實施例也如圖7的實施例中那樣并入彎管10’。如上文討論的本發(fā)明的各其它實施例中那樣，這一實施例以類似方式工作。
在圖12中示出了管10的末端開放，然而非鐵帽可以置于各端上以防止異物進入管10，這可能阻礙滑塊的自由移動。
此外，定子包括纏繞于管10的外側上并且相對于管10上(為了便于圖12中的圖示，在管10的縱向中心的任一側上)的所選位置相互隔開第一所選距離的繞線線圈16a和 16b，而繞線線圈16b在與繞線線圈16a相反的方向上纏繞。另外，定子包括朝向管10的相對端的、外部裝配于管10上的成對圓形(圓環(huán)形)磁體17a和17b，各磁體與繞線線圈17a 和17b中的最近繞線線圈的最近側相距第二所選距離(為求便利，在這一視圖中在管10的相對端)而磁體17a和17b的中心直徑與管10的外徑近似相同。
盡管在圖12中已經相對于管10的縱向中心描述繞線線圈16a和16b以及磁體 17a和17b的位置，但是根據本發(fā)明這一實施例的應用，裝配待振動的項目并且與之互連的方法可以要求管10的一個或者多個端部延伸超出磁體17a和17b中的一個或者兩個磁體，因此已經描述磁體17a和17b相對于繞線線圈16a和16b以及繞線線圈16a和16b相對于彼此的位置。因此在一些應用中，繞線線圈16a和16b以及磁體17a和17b可以未如圖12 中所示相對于管的中心隔開。對于本發(fā)明而言的重要間距是繞線線圈16a和16b以及磁體 17a和17b相對于彼此而并非必然是相對于管2的中心和端部的間距。此外，在一些應用中，在線圈16a與磁體17a之間的間距可能必須不同于在線圈16b與磁體17b之間的間距以實現(xiàn)期望振動模式。
此外，用于特定應用的期望振動模式也可以或者取而代之要求永磁體17a和17b 的通量量值互不相同。
在圖12中也示出了裝配法蘭19以作為管10的一部分以作為在管10的外部上恰當放置線圈16b的引導件，而法蘭19的高度也選擇成代表線圈16b的期望高度。一旦線圈 16b就位，線圈16a然后可以在與線圈16b有期望距離W處置于管10上。上文在圖1的上述討論中包括對選擇距離W的討論。
圖13是示出了在線圈16a與16b之間添加非鐵間隔物21的對圖12的第四實施例的擴展。間隔物12與法蘭19結合使用將有助于與線圈17b有期望間距地放置線圈16a 并且在振動器處于操作中時維持該間距。
圖14包括對圖12中所示本發(fā)明實施例的三種變化。一個可選修改在于，定子端磁體17a和17b分別替換為纏繞于相同方向上以與磁體17a和17b相同的極性工作的線圈 17a’和17b’。線圈17a’和17b’的使用賦予在管10的相對端具有極性相同而強度不同的電磁信號的可能性。在非水平裝配管10以補償滑塊的重量時或者在其中希望在滑塊與管 10的一端之間具有更強排斥力的一些應用中，這可能是必需的。
第二可選擇變化可以在于，需要在管10內包括除了空氣之外的流體?？赡艿氖?， 這樣的流體可以是為了冷卻滑塊以防止過熱而需要的。在管10內包括流體的另一可能性在于，提供對滑塊移動的阻尼以有利于更平穩(wěn)操作。為了圍繞管10，在圖14中示出了端帽 12圍繞管10。
第三可選變化是第二選項的擴展(其中在管10中裝入流體或者氣體(例如氮、 水、油、酒精等))，且在管10以內的環(huán)境為空氣時可能甚至是期望的。由于上文已經將板 22描述為緊密配合于管10內以最小化滑塊的搖晃，所以當滑塊在流體環(huán)境中時可能需要流體在通過滑塊時不過于阻礙滑塊的移動。為了圖示這樣的流體通過，這里已經示出了板 22”各自具有經過它們的孔23，而孔23與經過滑塊磁體20”的中心的孔25對齊。這樣的孔未必需要經過板22”和磁體20”的中心，可以有徑向地經過板22”和磁體20”的多個孔。
在前文討論中，已經將管10的形狀間接地標識為具有內徑，從而推斷圓形內部橫截面開口以便于討論，并且這可能是將最可能運用的形狀。然而管10將與應用可能需要的任何多個其它形狀一起基本上以相同方式作用橢圓形、三角形、方形、菱形、五邊形、六邊形、η邊形(其中η為3或者更大)或者甚至具有多個彎曲段和直線段的復雜形狀(例如具有凹端或者凸端的矩形、兩個或者更多相交圓或者其它形狀的輪廓、具有端部的矩形(這些端部為兩個或者更多相交圓或者其它形狀的輪廓)等)。
也有如下設備的其它組合，這些設備能夠產生可以利用的磁場，并且在了解本發(fā)明的特征之后，本領域技術人員可以產生包括本發(fā)明特征的等效配置。因此旨在于讓本發(fā)明僅由權利要求書及其等效含義限定。
權利要求
1.一種電磁電機，包括定子，具有所選軸向長度的非鐵管，具有第一端和第二端；第一和第二定子磁通產生元件，包圍所述管并且相互隔開第一軸向距離，而在所述管上的在所述管的所述第一與第二端之間的所選點的相對側上的所述第一和第二定子元件中的各定子元件與所述管的對應編號端最近并且隔開，而所述第一和第二定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件設置成在所述管內的所述第一和第二端的方向上在所述管內軸向地引導磁通；以及包圍所述管的第三定子磁通產生元件，與所述第一定子磁通產生元件朝所述管的所述第一端的最近側隔開第二軸向距離，其中所述第二軸向距離大于所述第一軸向距離，而所述第三定子磁通產生元件軸向地提供所選極性的沿著所述管的軸線的磁通；包圍所述管的第四定子磁通產生元件，與所述第二定子磁通產生元件朝所述管的所述第二端的最近側隔開第三軸向距離，其中所述第三軸向距離大于所述第一軸向距離，而所述第四定子磁通產生元件軸向地提供所選極性與所述第三定子磁通產生元件相同的沿著所述管的軸線的磁通；以及滑塊，設置成在所述第一與第二端之間在所述管內軸向地移動，所述滑塊包括具有第一和第二側并且相對于所述管的軸線的寬度與所述第一軸向距離基本上相等的滑塊磁通產生元件，而所述滑塊磁通產生元件軸向地提供極性與所述第三和第四定子磁通產生元件的所述所選極性相反的沿著所述管的軸線的磁通；其中所述滑塊磁通產生元件的止動位置相對于在所述第一與第二定子磁通產生元件之間的所述第一軸向距離的中心基本上居中。
2.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第一和第二定子磁通產生元件是纏繞于所述管周圍的成對繞線線圈。
3.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述滑塊磁通產生元件為永磁體。
4.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件為永磁體。
5.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度足以在所述第一和第二定子磁通產生元件被去激活時使所述滑塊返回到所述止動位置并且將所述滑塊維持于所述止動位置。
6.根據權利要求5所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度基本上相等。
7.根據權利要求6所述的電磁電機，其中在過度阻尼情形中，所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度大于所述滑塊磁通產生元件所產生的磁通的強度。
8.根據權利要求6所述的電磁電機，其中在臨界阻尼情形中，所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度與所述滑塊磁通產生元件所產生的磁通的強度基本上相同。
9.根據權利要求6所述的電磁電機，其中在阻尼不足情形中，所述滑塊磁通產生元件所產生的磁通的強度大于所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通。
10.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述滑塊磁通產生元件是具有第一和第二側以及比所述管的與其軸線垂直的內部橫截面形狀更小的邊緣表面的滑塊磁體，其中所述邊緣表面基本上平行于所述管的內部表所述滑塊還包括各自所選厚度和邊緣形狀與所述管的與其軸線垂直的所述內部橫截面形狀基本上相同而尺度比所述管的內部尺度更小的第一和第二導磁板，其中所述第一導磁板的第一側固著到所述滑塊磁體的所述第一側，而所述第一導磁板的第二側面向所述管的所述第一端；并且所述第二導磁板的第一側固著到所述滑塊磁體的所述第二側，而所述第二導磁板的第二側面向所述管的所述第二端。
11.根據權利要求10所述的電磁電機，其中所述第一和第二導磁板中的各導磁板的所述第二側在其中限定所選深度和橫向尺度比所述第一和第二導磁板中的對應導磁板的所述邊緣尺度更小的位置居中的空腔。
12.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述管在其整個長度內具有基本上恒定橫向形狀和尺寸。
13.根據權利要求12所述的電磁電機，其中所述管在其整個長度內基本上為直線。
14.根據權利要求12所述的電磁電機，其中所述管在其整個長度內為弓形。
15.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第三定子磁通產生元件提供第一基本上恒定強度的磁通；所述第四定子磁通產生元件提供第二基本上恒定強度的磁通；所述滑塊磁通產生元件提供第三基本上恒定強度的磁通；并且所述第一和第二定子磁通產生元件各自響應于向它們中的各定子磁通產生元件施加的信號來產生強度可變而極性彼此相反的磁通；來自所述第一和第二定子磁通產生元件的所述強度和極性可變的磁通以及來自所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件的所述第一和第二恒定強度的磁通與來自所述滑塊磁通的所述第三恒定強度的磁通的相互作用，產生所述滑塊在所述管內的移動。
16.根據權利要求15所述的電磁電機，其中所述滑塊的所述運動為向所述第一和第二定子磁通產生元件施加的所述信號的鏡像。
17.根據權利要求15所述的電磁電機，其中當未向所述第一和第二定子磁通產生元件施加信號時，從所述滑塊的相對側來自所述第三和第四定子磁通產生元件的磁通與來自所述滑塊磁通產生元件的磁通的相互作用使所述滑塊定位到所述止動位置，其中在對所述滑塊的所述第一和第二側的磁力之間達到均衡。
18.根據權利要求15所述的電磁電機，其中來自所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件的對所述滑塊的排斥力線性變化，從而隨著所述滑塊移動得更接近所述管的所述第一和第二端而增加，并且隨著所述滑塊移動得更遠離所述管的所述第一和第二端而減少。
19.根據權利要求16所述的電磁電機，其中當所述管裝配于固定位置時，所述滑塊在所述管內的移動引起所述管的振動，其方向和強度與向所述第一和第二定子磁通產生元件施加的所述信號的強度和模式成正比。
20.根據權利要求19所述的電磁電機，其中當已知的預先存在的非期望振動存在于所述固定位置時，可以生成所述信號以使所述滑塊以反向模式移動，以基本上消除所述非期望振動。
21.根據權利要求14所述的電磁電機，其中所述管具有弓形形狀，其中所述滑塊在所述管內的移動在所述滑塊迫近所述管的所述第一和第二端之一時，造成所述管在順時針方向上的旋轉運動，而在所述滑塊迫近所述管的所述第一和第二端中的另一端時，造成所述管在逆時針方向上的旋轉運動。
22.根據權利要求15所述的電磁電機，其中所述第三定子磁通產生元件的磁通的所述第一基本上恒定強度基本上等于所述第四定子磁通產生元件的磁通的所述第二基本上恒定強度。
23.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件是纏繞于所述管周圍的繞線線圈。
24.根據權利要求23所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度基本上相等。
25.根據權利要求23所述的電磁電機，其中所述第三和第四定子磁通產生元件中的各定子磁通產生元件所產生的磁通的強度獨立可選。
26.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述定子還包括閉合所述管的對應編號的端部的第一和第二端帽。
27.根據權利要求沈所述的電磁電機，其中所述管還包括填充所述管的未由所述滑塊占據的內部部分的氣體或者流體之一。
28.根據權利要求27所述的電磁電機，其中所述滑塊具有經過所述滑塊的至少一個限定通路，所述通路用于在所述滑塊在所述管內移動時讓所述氣體或者流體通過。
29.根據權利要求觀所述的電磁電機，其中所述滑塊磁通產生元件為滑塊磁體。
30.根據權利要求10所述的電磁電機，其中所述滑塊磁體以及所述第一和第二導磁板中的各滑塊磁體和導磁板具有經過該滑塊磁體和導磁板的至少一個限定配對通路，所述配對通路用于在所述滑塊在所述管內移動時讓所述氣體或者流體通過。
31.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述第二和第三軸向距離基本上相等。
32.根據權利要求1所述的電磁電機，其中所述管具有與所述管的軸向長度垂直的一致所選內部橫截面形狀。
33.根據權利要求33所述的電磁電機，其中所述內部橫截面形狀為圓形、橢圓形、η邊形和復雜形狀之一，其中η為3或者更大。
全文摘要
一種電磁電機，具有在任一方向上相對于定子線性移動的滑塊。實施例包括在定子內部或者外部的滑塊。在所有實施例中，滑塊包括一個磁通產生元件。在內部滑塊的實施例中，定子包括最少三個磁通產生元件而最多四個這樣的元件。在外部滑塊的實施例中，定子包括兩個磁通產生元件。所有實施例提供主動滑塊返回以居中于止動位置。在內部滑塊的實施例中，滑塊由于以下之一而居中于定子內與由于滑塊的重量而對它的重力拉力相反的、來自單個磁通產生元件的排斥力的組合；或者來自定子的相對側上的磁通產生元件的對定子的相對側的相等和相反排斥力，所有三個元件相互縱向對準。
文檔編號H02K33/16GK102187553SQ200980140909
公開日2011年9月14日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2008年10月15日
發(fā)明者J·Y·薩揚 申請人:地震聲公司