用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备.pdf

本发明涉及在电能和机械能量之间的转换。在优选的形式中，提供了一种螺线管组件，其包括：壳体，其包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；柱塞组件，其被适配来用于所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。

1.  一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及
驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。

2.  根据权利要求1所述的螺线管组件，进一步包括线性轴承组件，所述线性轴承组件可操作地将所述柱塞组件与所述壳体连接，以将所述柱塞组件的所述往复移动与所述壳体的纵轴对齐。

3.  根据权利要求2所述的螺线管组件，其中，所述线性轴承组件包括：
连接到所述柱塞组件的至少一个支架；
至少一个轴承座，所述至少一个轴承座附接到所述至少一个支架以用于容纳至少一个线性轴承；
至少一个杆，用于与所述至少一个线性轴承滑动地接合，其中，所述至少一个杆在其各端连接到所述壳体，并且与所述柱塞组件的往复移动的方向平行地布置。

4.  根据权利要求1至4的任何一项所述的螺线管组件，进一步包括柱塞支撑杆，所述柱塞支撑杆连接到所述柱塞组件的柱塞零件的尖端，并且延伸通过所述铁芯构件到达位于所述壳体中的所述铁芯构件外部的支撑线性轴承。

5.  一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及
驱动器电路，用于激励由控制部件表征的所述线圈组件，以适配所述驱动器电路，用于使用电流的至少一个初始脉冲和电流的预定数量的后续脉冲来激励所述线圈组件，以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。

6.  一种激励适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件的方法，所述螺线管组件包括：壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动，所述方法包括步骤：
a)从所述驱动器电路向所述至少一个线圈供应至少初始电流脉冲，以在所述螺线管组件的所述壳体中产生磁场，所述磁场引起在所述铁芯构件和所述柱塞组件之间的吸引，以使得所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间移动。

7.  根据权利要求6所述的方法，进一步包括步骤：
b)将从所述驱动器电路向所述至少一个线圈供应的电流衰减较短的时间段；
c)使用来自所述驱动器电路的另一个电路脉冲来重新激励所述至少一个线圈。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中，步骤b)进一步包括：在所述衰减的步骤期间保持来自所述初始电流脉冲的在所述至少一个线圈中驻留的电流，使得与从所述初始电流脉冲产生的场相当的磁场保持存在，以使得所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间移动。

9.  根据权利要求8所述的方法，进一步包括步骤：
d)将步骤a)至c)重复第一预定次数，用于所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间的移动的大约50％；并且
e)一旦所述柱塞组件已经移动到所述第二位置，则将步骤a)至c)重复第二预定次数，以将所述柱塞组件在所述第二和第一位置之间移动；
其中，在步骤a)至d)中的电流脉冲的极性与在步骤e)中的电流脉冲的极性相反，以分别引发所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间的往复移动；
其中，在步骤b)中的所述较短时间段在大约2ms和大约5ms之间；
其中，通过将所述至少一个线圈短路来引起在步骤b)中的衰减；并且
当在所述至少一个线圈中驻留的电流已经被衰减了大约5％至大约10％之间时，在步骤b)后应用步骤c)。

10.  一种用于螺线管组件的柱塞组件，所述螺线管组件被适配来用于在电能和机械移动之间转换，并且包括：壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在第一位置和第二位置之间移动，所述柱塞组件包括：
第一材料部分，包括永久磁体材料；以及
第二材料部分，包括高相对磁导率的材料，其中，所述第一材料部分的材料位于所述第二材料部分的材料之间。

11.  根据权利要求10所述的柱塞组件，进一步包括柱塞支撑杆，用于可操作地将所述柱塞组件与所述螺线管组件的所述壳体连接，以将所述柱塞组件的往复移动与所述壳体的纵轴对齐。

12.  根据权利要求10或11所述的柱塞组件，进一步包括在柱塞 部分周围的薄金属电镀的覆层，并且所述第二材料部分包括两个零件，其中每个零件被布置在所述第一材料部分的各个相应端处。

13.  根据权利要求10至12的任何一项所述的柱塞组件，其中：
所述第一部分的所述永久磁体材料包括强磁体；并且
所述第二部分的材料包括在大约4,500和大约20,000之间的磁导率μ。

14.  根据权利要求13所述的柱塞组件，其中：
所述第一部分的所述永久磁体材料包括NdFeB；并且，
所述第二部分的所述材料包括FeCo；并且，
所述覆层包括钢垫片。

15.  一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于在所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动，所述柱塞组件可操作地连接到止转轭，用于将所述柱塞组件的往复线性运动转换为曲轴的旋转运动；以及
驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。

16.  根据权利要求15所述的螺线管组件，其中，所述柱塞组件到止转轭的可操作连接，通过所述往复的柱塞组件使用接合在所述旋转的曲轴上的销子的插槽直接耦合到滑动轭，来提供所述曲轴的旋转运动。

17.  根据权利要求15或16所述的螺线管组件，其中，所述柱塞组件包括在所述止转轭的各端处布置的至少两个柱塞，并且所述驱动器电路被适配来激励所述线圈组件以便将两个柱塞的磁极性对齐。

18.  根据权利要求15至17的任何一项所述的螺线管组件，其中，所述螺线管组件包括两个柱塞组件，所述两个柱塞组件被适配来用于在相应的壳体内的往复移动，所述相应的壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件，所述柱塞组件被彼此垂直地布置，并且每一个柱塞组件包括在相应的止转轭的各端处布置的两个柱塞，并且所述驱动器电路被适配来激励所述相应的线圈组件以将驱动其各自的止转轭的所述柱塞组件的移动同步，以将所述相应的柱塞组件的线性运动组合转换为所述曲轴的旋转运动。

19.  一种适合于在电能和机械移动之间(或反之亦然)转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
壳体，所述壳体包含铁芯构件和包括多个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述壳体内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及，
驱动器电路，所述驱动器电路用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。

20.  根据权利要求19所述的螺线管组件，其中，所述线圈组件包括至少三个线圈，每一个线圈被适配来经由所述驱动器电路被独立或集体地激励。

21.  根据权利要求19或20所述的螺线管组件，其中，所述柱塞组件包括至少三个柱塞零件，并且其中，所述柱塞零件的至少一个包括永久磁体。

22.  根据权利要求21所述的螺线管组件，其中，沿着所述柱塞组件的移动的轴，来定向与所述永久磁体相关联的磁场。

23.  根据权利要求21或22所述的螺线管组件，其中，所述永久 磁体包括稀土磁体，诸如钕(NdFeB)磁体。

24.  根据权利要求20至23的任何一项所述的螺线管组件，其中，每一个线圈包括在多层中的多匝的铜磁导线。

25.  根据权利要求19至24的任何一项所述的螺线管组件，其中，所述驱动器电路被适配来产生多个电流脉冲。

26.  根据权利要求25所述的螺线管组件，其中，所述电流脉冲包括向内冲程和向外冲程电流脉冲。

27.  根据权利要求25所述的螺线管组件，其中，每一个向内冲程电流脉冲在所述柱塞组件在所述第一和所述第二位置之间的移动期间被应用到在所述线圈组件中的各个线圈。

28.  根据权利要求27所述的螺线管组件，其中，每一个向内冲程电流脉冲在其持续时间的大约25％内达到峰值电流，并且在所述柱塞组件达到所述第二位置之前衰减为零电流。

29.  根据权利要求28所述的螺线管组件，其中，每一个向内冲程的电流脉冲在大约4安培处达到峰值。

30.  根据权利要求26至29的任何一项所述的螺线管组件，其中，每一个向外冲程电流脉冲在所述柱塞组件在所述第二和所述第一位置之间的移动期间被应用到在所述线圈组件中的至少一个线圈。

31.  根据权利要求30所述的螺线管组件，其中，每一个向外冲程电流脉冲在其持续时间的大约11％内达到峰值电流，并且在所述柱塞组件达到所述第一位置之前衰减为零电流。

32.  根据权利要求31所述的螺线管组件，其中，每一个向外冲程电流脉冲在大约5安培达到峰值。

33.  根据权利要求19至32的任何一项所述的螺线管组件，其中，经由包括PWM的数字控制来实现所述驱动器电路。

34.  一种电气机器，包含根据权利要求19至33的任何一项所述的至少一对螺线管组件。

35.  根据权利要求34所述的电气机器，包括以四角配置布置的至少一对螺线管组件。

36.  根据权利要求34或35所述的电气机器，其中，所述机器大体是干运行的。

37.  根据权利要求34、35或36所述的电气机器，包括经由所述机器驱动以对所述驱动器电路供电的发电机。

38.  一种操作适合于对电气机器供电的螺线管组件的方法，所述螺线管组件包括定子，所述定子包括多个线圈和适用于往复移动的柱塞组件，所述方法包括：
激励所述线圈以在所述定子中产生磁场，所述磁场在幅度和极性上变化以在所述定子的至少一部分和所述柱塞组件之间引起连续的吸引和排斥，以产生所述往复移动；
所述激励包括在所述柱塞组件的向内冲程期间产生向所述多个线圈的第一子集的向内冲程电流脉冲；并且
所述激励包括在所述柱塞组件的向外冲程期间产生向所述多个线圈的第二子集的向外冲程电流脉冲；
其中，所述线圈的第一子集与所述柱塞组件交互以产生第一磁路，并且所述线圈的第二子集与所述柱塞组件交互以产生与所述第一磁路 不同的第二磁路。

39.  一种在系统中在电能和机械移动之间转换的方法，所述系统包括包含线圈组件和铁芯的壳体，所述系统进一步包括柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于通过所述壳体在第一位置和第二位置之间的移动，所述方法包括步骤：
基于在所述第一和第二位置之间的位置来物理地辅助至少所述柱塞组件的磁化部分的运动。

40.  根据权利要求39所述的方法，其中，所述物理地辅助的步骤包括下述之一或组合：
以预定间隔脉动化向所述线圈组件施加的至少一个电流；
向所述壳体和所述柱塞组件之一或组合的材料提供磁导率的梯度，
从与所述系统可操作地相关联的飞轮提供存储的能量。

41.  根据权利要求40所述的方法，其中，所述预定间隔对应于所述柱塞的所述磁化部分通过所述壳体的移动的向内冲程和向外冲程。

42.  根据权利要求39至41的任何一项所述的方法，其中，所述物理地辅助的步骤包括加速，其中，所述加速包括正加速或负加速之一。

43.  一种用于在电能和机械移动之间转换的设备，所述设备包括：
壳体，包含线圈组件和铁芯；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来通过所述壳体在第一位置和第二位置之间移动，以及
运动辅助部件，用于基于在所述第一和第二位置之间的位置物理地辅助所述柱塞组件的至少磁化部分的运动。

44.  根据权利要求43所述的设备，其中，所述运动辅助部件包括下述之一或组合：
驱动器电路，所述驱动器电路被适配来以预定间隔脉冲化向所述线圈组件施加的至少一个电流；
向所述壳体和所述柱塞组件之一或组合的材料提供的磁导率的梯度；
飞轮，所述飞轮可操作地连接到所述柱塞组件，被适配来存储角动量。

45.  根据权利要求44所述的设备，其中，所述预定间隔对应于所述柱塞的所述磁化部分通过所述壳体的移动的向内冲程和向外冲程。

46.  根据权利要求43至45的任何一项所述的设备，其中，所述运动辅助部件被适配来加速所述柱塞组件的所述磁化部分，其中，所述加速包括正加速或负加速之一。

47.  一种能量存储部件，所述能量存储部件被适配来用于操作性地连接到根据权利要求34到37中的任何一项所述的电气机器，用于存储相关联的曲轴的角动量，其中，所述能量存储部件被适配来向根据权利要求19至33的任何一项所述的螺线管组件应用所存储的能量。

48.  根据权利要求47所述的能量存储部件，其中，所述存储部件包括飞轮。

49.  在此所述的一种在电能和机械移动之间转换的方法。

50.  在此所述的用于在电能和机械移动之间转换的设备。

51.  在此所述的操作螺线管组件的方法。

52.  在此所述的螺线管组件。

53.  在此所述的电机。

54.  在此所述的柱塞组件。

用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备
相关申请
本申请要求对于下述专利申请的优先权，并且它们的说明书通过引用被整体包含在此并且用于所有的目的：以E.M.I.P.Pty有限公司的名义的澳大利亚临时专利申请No.2011905005，在2011年12月1日提交，题目为“用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备”；以及，以E.M.I.P.Pty有限公司的名义的澳大利亚创新专利No.2012101645，在2012年11月8日提交，题目为“用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备”；以及，以E.M.I.P.Pty有限公司的名义的澳大利亚创新专利No.2012101646，在2012年11月8日提交，题目为“用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备”；以及，以E.M.I.P.Pty有限公司的名义的澳大利亚创新专利No.2012101648，在2012年11月8日提交，题目为“用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备”；以及，以E.M.I.P.Pty有限公司的名义的澳大利亚创新专利No.2012101649，在2012年11月8日提交，题目为“用于在电能和机械能量之间转换的方法和设备”。
技术领域
本发明涉及在电能和机械能量之间的转换。在一种形式中，本发明涉及用于将电功率转换为在电机中的机械移动的部件。方便的是，以下与电机相关地描述本发明，该电机例如是往复式电机，其包含或利用根据本发明的优选实施例的一个或多个电动螺线管，然而，应当明白，本发明不仅限于那个用途。
背景技术
遍及本说明书，单数形式的词“发明人”的使用可以被看作对于本发明的一个(单数)发明人或多于一个(多个)发明人的引用。
应当明白，在本说明书中的文件、装置、行为或知识的任何讨论被包括来解释本发明的上下文。而且，遍及本说明书的讨论因为发明人的实现和/或由发明人对于特定现有技术问题的识别而出现。而且，在本说明书中的诸如文件、装置、行为或知识的材料的任何讨论被包括来在发明人的知识和经验上说明本发明的上下文，并且因此，任何这样的讨论不应当被看作承认：所述材料的任何一项形成在在此的公开和权利要求的优先权日期或之前、在澳大利亚或其他地区中的现有技术基础的一部分或在相关技术中的公知常识。
已知用于将电能转换为旋转运动的各种方法和设备。例如，通常经由传统的旋转电机或电气机器来获得旋转运动。传统的旋转电机或电气机器包括定子和转子，其中，定子提供了旋转磁场，并且转子与旋转场交互，以产生扭矩或旋转运动。
作为机械输出功率除以电气输入功率的旋转电机的转换效率根据其设计和容量改变，但是在例如小容量电机中通常不大于大约60％。
在JP 2000-224826(Denso公司)中公开了一种电磁线性致动器。该布置包括3部分柱塞和三个线圈，它们使用向三个线圈的每个逐渐地切换的电流连续地运行，以控制柱塞在其往复运动中的运动。Denso致动器具有，作为其目标，向致动器提供大的推力的手段和当给定电流被切断时返回到指定位置的能力。这暗示偏好充分动量而忽视效率，并且这将跟随在柱塞的动量上的充分改变。而且，Denso的齿布置是复杂配置，用于允许当切换电流时产生期望的推力，并且对于该复杂配置，考虑可能需要在Denso设计的移动零件中处理摩擦。
美国专利No.3,832,608(Mills)公开了围绕电磁上易受影响的可移动活塞的屏蔽的螺线管线圈的径向和纵向的独特系列的阵列和定时器组件，该定时器组件用于响应于活塞相对于其的位置而依序选择性地驱动该线圈的部分，以使得在肯定地保持活塞的磁化方向的同时， 相对于可移动活塞移动磁场的中心。该处理和结构旨在避免产生涡流和与移动元件的移动方向垂直地通过该移动元件的长的磁路，并且将活塞往复而没有可检测的热产生，并且利用晶体管化的触发器电流来用于大安培的螺线管致动电流，这避免了气体形成和电弧。考虑该系统具有低效率，例如，注意移动活塞是类似材料的单一零件，这可能影响在线圈中的不同电流条件下的活塞的运动。
美国专利No.4,510,420(Sasso)公开了一种伺服旋转电机，其在发电电路中利用脉宽调制，来控制到电机中的线圈的电流脉冲的定时。Sasso的电机需要封闭的润滑电路来处理移动零件的摩擦，特别是移动活塞的摩擦。也需要增加冷却部件以处理在Sasso电机中的发热。
美国专利No.3,328,656(Dotson)公开了一种螺线管操作的往复发动机或电机，其被适配来通过对于并联的每一个螺线管柱塞提供多个线圈绕组来实现与往复柱塞相关联的线圈组件的高的Q因子。与在线圈绕组电阻上的增大相比，这以最佳数量提供了在给定的线圈空间中的给定安培匝数上的增大。因此，线圈组件能够提供与诸如蓄电池的低电压的、高电流源匹配的相对低的电阻、低的阻抗和高的电流特性。而且，与在线圈组件的并联绕组上的高容量的存储电容器的连接相结合地，定时向线圈组件供给电流的循环电源，以便延长向线圈柱塞施加的移动力，其中涉及通过线圈组件的激励和去激励产生的磁通的上升和降低两者。
美国专利No.4,017,103(Davis等)公开了一种电磁电机和发电机，其具有在圆柱上缠绕的一对螺线管，所述螺线管的每一个包括三个分离但是连接的绕组。可磁化的活塞被定位以在圆柱中往复，并且连接到可旋转地安装的曲轴。连接到曲轴并且在电路中插入的换向器选择性地激励螺线管，以引起曲轴的旋转运动。也提供了另一个电路部件以用于在通过所述开关对螺线管去激励后重新捕获在螺线管的每一个中产生的电能。在电机的曲轴上的换向器有效地控制线圈的激励。需 要也用于在螺线管的去激励后重新捕获在每一个螺线管中产生的能量的另一个电路。
在上述的现有技术系统的每一个中，至少存在下述缺陷：可能未实现尽可能长地保持工作磁场而不用在螺线管或电机循环的(一个或多个)相期间加入另外的能量。
发明内容
在此所述的实施例的目的是克服或减轻现有技术系统的至少一个缺点或缺陷，或至少提供对于现有技术系统的有益的替代。相反，本发明可以以一种形式提供至少减轻现有技术的缺点的电动螺线管和/或螺线管驱动的电机或电气机器。
以各种形式，本发明提供了一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及
驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。所述螺线管组件可以进一步包括线性轴承组件，所述线性轴承组件可操作地将所述柱塞组件与所述外壳连接以将所述柱塞组件的所述往复移动与所述外壳的纵轴对齐。而且，所述线性轴承组件优选地包括：
连接到所述柱塞组件的至少一个支架；
至少一个轴承座，所述至少一个轴承座附接到所述至少一个支架以用于容纳至少一个线性轴承；
至少一个杆，用于与所述至少一个线性轴承滑动地接合，其中，所述至少一个杆在其每端连接到所述外壳，并且与所述柱塞组件的往复移动的方向平行地被布置。这种形式的所述螺线管组件可以进一步包括柱塞支撑杆，所述柱塞支撑杆连接到所述柱塞组件的柱塞部件的 尖端，并且延伸通过所述铁芯构件到达位于所述外壳中的所述铁芯构件外部的支撑线性轴承。
优选的是，可以使用圆导线来缠绕所述线圈，虽然正方形或矩形导线是优选的，因为考虑到减小欧姆电阻。
在实施例的另一种形式中，本发明提供了一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及
驱动器电路，用于激励由控制部件表征的所述线圈组件，以适配所述驱动器电路，以使用电流的至少一个初始脉冲和电流的预定数量的后续脉冲来激励所述线圈组件，以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。
替代地，实施例可以提供一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及
驱动器电路，用于通过下述方式来激励所述线圈组件以产生所述柱塞组件的所述往复移动：使用电流的至少一个初始脉冲和电流的预定数量的后续脉冲来激励所述至少一个线圈，使得所述至少一个线圈相对于所述柱塞组件在所述螺线管组件的所述铁芯构件中产生吸引磁场，用于将所述柱塞组件从所述第一位置移动到所述第二位置，接着，产生一个排斥或至少净中性磁场，用于将所述柱塞组件从所述第二位置移动到所述第一位置。
在另一种形式中，本发明的实施例提供了一种激励适合于在电能 和机械移动之间转换的螺线管组件的方法，所述螺线管组件包括：外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动，所述方法包括步骤：
a)从所述驱动器电路向所述至少一个线圈供应至少初始电流脉冲，以在所述螺线管组件的所述外壳中产生磁场，所述磁场引起在所述铁芯构件和所述柱塞组件之间的吸引，以使得所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间移动。在优选实施例中，所述方法可以进一步包括下述步骤之一或其组合：
b)将从所述驱动器电路向所述至少一个线圈供应的电流衰减较短的时间段；
c)使用来自所述驱动器电路的另一个电流脉冲来重新激励所述至少一个线圈。所述方法也可以被限定为，其中，步骤b)进一步包括：在所述衰减的步骤期间保持来自所述初始电流脉冲的在所述至少一个线圈中驻留的电流，使得与从所述初始电流名称产生的所述场可比较的磁场保持存在，以使得所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间移动。
所述方法可以进一步包括步骤：
d)将步骤a)至c)重复第一预定次数以获得所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间的所述移动的大约50％；并且
e)一旦所述柱塞组件已经移动到所述第二位置，则将步骤a)至c)重复第二预定次数，以将所述柱塞组件在所述第二和第一位置之间移动；
其中，在步骤a)至d)中的电流脉冲的极性与在步骤e)中的电流脉冲的极性相反，以分别引发所述柱塞组件在所述第一和第二位置之间的往复移动；
其中，在步骤b)中的所述较短时间段在大约2ms和大约5ms之间；
其中，通过将所述至少一个线圈短路来引起在步骤b)中的所述衰减；并且
当在所述至少一个线圈中驻留的电流已经被衰减在大约5％至大约10％之间时在步骤b)后应用步骤c)。
在另外的实施例中，提供了一种用于螺线管组件的柱塞组件，所述螺线管组件被适配来用于在电能和机械移动之间转换，并且包括：外壳，包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在第一位置和第二位置之间移动，所述柱塞组件包括：
第一材料部分，包括永久磁体材料；以及
第二材料部分，包括高相对磁导率的材料，其中，所述第一材料部分的材料位于所述第二材料部分的材料之间。所述柱塞组件可以进一步包括柱塞支撑杆，用于可操作地将所述柱塞组件与所述螺线管组件的所述外壳连接以将所述柱塞组件的往复移动与所述外壳的纵轴对齐。所述柱塞组件可以进一步包括在所述柱塞部分周围的薄金属电镀的覆层，并且所述第二材料部分包括其中每一个被布置在所述第一材料部分的各个相应端处的两个零件。
所述柱塞组件优选地可以被限定为，其中：
所述第一部分的所述永久磁体材料包括强磁体；并且
所述第二部分的所述材料包括在大约4,500和大约20,000之间的磁导率μ。所述第一部分的所述永久磁体材料优选地包括NdFeB；并且，所述第二部分的所述材料包括FeCo；并且，所述覆层包括钢垫片。
在其他实施例中，提供了一种适合于在电能和机械移动之间转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：
外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于在所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动，所述柱塞组件可操作地连接到止转轭， 用于将所述柱塞组件的往复线性运动转换为曲轴的旋转运动；以及
驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少在所述第一和第二位置之间移动。
所述柱塞组件到止转轭的可操作连接通过所述往复柱塞组件使用接合在所述旋转曲轴上的销子的插槽直接耦合到滑动轭来提供所述曲轴的旋转运动。优选的是，所述柱塞组件包括在所述止转轭的各端处布置的至少两个柱塞，并且所述驱动器电路被适配来激励所述线圈组件以便将两个柱塞的磁极性对齐。优选的是，所述螺线管组件包括两个柱塞组件，所述两个柱塞组件被适配来用于在相应的外壳内的往复移动，所述相应的外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件，所述柱塞组件被彼此垂直地布置，并且每一个柱塞组件包括在相应的止转轭的各端处布置的两个柱塞，并且所述驱动器电路被适配来激励所述相应的线圈组件以将驱动其各自的止转轭的所述柱塞组件的移动同步，以在将所述相应的柱塞组件的线性运动组合转换为所述曲轴的旋转运动。
在此所述的实施例的一个方面中，本发明可以提供一种电动螺线管组件和一种螺线管驱动的电机或电气机器，所述螺线管驱动的电机或电气机器被适配来将与螺线管组件相关联的一个或多个零件的线性或往复运动转换为所述机器的旋转运动，或者反之亦然。
所述或每一个螺线管组件可以包括一个或多个线圈和诸如活塞或金属块的柱塞组件，所述柱塞组件被适配器来相对于所述(一个或多个)线圈移动或往复。所述电机或机器可以在其作为电机的操作期间利用所捕获的emf(电动势)，以增强所述机器的转换效率。
在实施例的另一个方面中，在一些配置中，所述旋转机器可以被适配来作为发电机。在该后一种配置中，可以从自感、互感和/或由磁螺线管组件相对于所述(一个或多个)线圈的移动引发的emf，来捕获 emf。在这一点上，应当注意，当本说明书和所附的权利要求提及在电能和机械能量之间的转换时，则对于“在之间的转换”的引用要被看作或者从电能向机械能量(或运动)的转换或者从机械能量/运动向电能的转换。
在此和上面所述的实施例的另一个方面中，多个螺线管组件可以以相对的对操作，而不像以“四角(boxer)”配置布置的内燃(IC)机那样。在这一点上，与所述螺线管组件相关联的柱塞组件可以以也类似于IC机的方式经由连接杆连接到曲轴。优选的是，使用低摩擦轴承或套筒来用于所述连接杆的大和小的端部。
在一个替代和优选实施例中，与所述螺线管组件相关联的柱塞组件可以连接到止转轭，用于通过使用接合在所述旋转曲轴上的销子的狭槽将所述往复的柱塞组件直接地耦合到滑动轭，而将所述柱塞组件的往复线性运动转换为曲轴的旋转运动。而且，在一个优选实施例中，可以使用双止转轭配置来将所述柱塞组件的往复线性运动转换为曲轴的旋转运动。
所述或每一个螺线管组件优选地包括一个线圈，但是可以包括多达至少三个线圈或定子绕组。在实施例的一种形式中，例如如上所述，利用止转轭布置以及仅使用一个线圈的水平相对的成对实施例。所述线圈或定子绕组以串联或并联配置可连接，使得可以根据需要经由驱动器电路单独或集体地激励一个或多个线圈或绕组。可以经由响应于电极的所述曲轴的角位置的曲轴位置检测器来触发所述驱动器电路。在一种形式中，可以经由所述曲轴的每周旋转具有至少64个循环的轴编码器来触发所述驱动器电路。
所述或每一个磁柱塞组件可以包括至少三个零件或部。所述柱塞组件的至少一个零件或部可以包括较为强大的永久磁体。优选的是，所述或每一个永久磁体包括高级(优选的是N43或更高的级别)稀土 磁体，诸如钕(NdFeB)N52级磁体。例如，750瓦电机可能要求高级NdFeB磁体和在强度上大约1.2T(特斯拉)或大约12,000高斯的磁场。
所述驱动器电路可以被适配来在所述磁柱塞组件的向内冲程期间激励一个或多个线圈，以便利或辅助在所述向内冲程期间在所述磁柱塞组件和所述螺线管的铁芯构件之间的天然吸引。在所述磁柱塞组件的向外冲程期间，所述驱动电路可以被适配来激励一个或多个螺线管组件的一个或多个线圈，以至少消除或中和在所述磁柱塞组件和所述或每一个螺线管组件的各自的铁芯构件之间的天然吸引。而且，所述驱动电路可以被适配来激励一个或多个线圈，以排斥所述螺线管组件。这可以辅助所述磁螺线管组件的向外冲程行进。所述磁柱塞组件的向外冲程行进可以被相关联的飞轮的角动量进一步辅助。应当注意，在其他实施例中，没有对于飞轮的需求。例如，在利用止转轭布置的一个优选实施例中，不需要飞轮。
根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种适合于例如在对于电机加电中在电能和机械移动之间(或反之亦然)转换的螺线管组件，所述螺线管组件包括：外壳，所述外壳包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于所述外壳内的第一位置和第二位置之间的往复移动；以及，驱动器电路，所述驱动器电路用于激励所述线圈组件以使得所述螺线管组件至少在所述第一和第二位置之间移动。
在一个优选实施例中，所述线圈组件包括被适配来经由所述驱动器电路激励的至少一个线圈。在其他实施例中，所述线圈组件可以包括多个线圈，例如，至少三个线圈，每一个线圈被适配来经由所述驱动器电路被独立或集体地激励。每一个线圈可以包括在多层中的多匝的铜磁导线。
所述柱塞组件可以包括至少三个柱塞零件，并且所述柱塞零件的 至少一个可以包括永久磁体。可以沿着所述柱塞组件的移动的轴来定向与所述永久磁体相关联的磁场。所述永久磁体可以包括稀土磁体，诸如钕(NdFeB)磁体。
所述驱动器电路可以被适配来产生多个电流脉冲。所述电流脉冲可以包括向内冲程和向外冲程电流脉冲。每一个向内冲程电流脉冲可以在所述柱塞组件在所述第一和所述第二位置之间的移动期间被应用到在所述线圈组件中的各个线圈。每一个向内冲程电流脉冲可以在其持续时间的大约5-50％内达到峰值电流，并且可以在所述柱塞组件达到所述第二位置之前减小为0。否则，如果在所述线圈中仍然驻留了能量，则所述电子驱动器可以捕获进入电容器内的残余能量，并且重新使用所述能量来依序用于下一个脉冲，每一个向内冲程电流脉冲可以在预定电流处达到峰值，这可以取决于诸如电机的、利用所述柱塞组件的设备的物理尺寸。在一些实施例中，每一个向内冲程的电流脉冲已经被观察到在大约3至9安培达到峰值。然而，这可能取决于线圈尺寸、所需的驱动电压和电机输出。
每一个向外冲程电流脉冲可以在所述柱塞组件在所述第二和所述第一位置之间的移动期间被应用到在所述线圈组件中的至少一个线圈。每一个向外冲程电流脉冲可以在其持续时间的大约5至50％内达到峰值电流。可以在电机操作的BDC处在所述(一个或多个)线圈内仍然具有能量的同时，所述电子驱动器可以捕获向电容器内的残余能量，并且重新使用所述能量来依序用于下一个脉冲。所述向外冲程电流脉冲，可以在特定实施例中，在所述柱塞组件达到所述第一或外部位置之前减小为零电流。否则，每一个向外冲程电流脉冲可以在预定电流值达到峰值。在一些实施例中，每一个向外冲程电流脉冲已经被观察到在大约5-9安培之间达到峰值。可以经由包括PWM的数字控制来实现所述驱动器电路。
根据本发明的实施例的另一个方面，提供了一种电机，所述电机 包含至少一个或至少一对螺线管组件，每个螺线管组件如上所述。所述电机可以包括以适当的配置布置的至少一对螺线管组件，诸如四角配置、止转轭配置或双轭配置。所述电机可以大体干运行。所述电机可以包括经由用于对于所述驱动器电路供电的电机驱动的发电机。
根据本发明的实施例的另一个方面，提供了一种操作适合于对于电机供电的螺线管组件的方法，所述螺线管组件包括定子，所述定子包括至少一个或多个线圈和往复柱塞组件，所述方法包括：激励所述(一个或多个)线圈以在所述定子中产生磁场，所述磁场在幅度和极性上变化以在所述定子的至少一部分和所述柱塞组件之间引起连续的吸引和排斥，以产生所述往复移动；所述激励包括在所述柱塞组件的向内冲程期间产生向所述线圈或所述多个线圈的第一子集的向内冲程电流脉冲；并且所述激励包括在所述柱塞组件的向外冲程期间产生向所述线圈或所述多个线圈的第二子集的向外冲程电流脉冲；其中，对于单个线圈，所述线圈在产生向内冲程电流脉冲后与所述柱塞组件交互以产生第一磁路，并且在产生向外冲程电流脉冲后与所述柱塞组件交互以产生与所述第一磁路不同的第二磁路；并且，对于多个线圈，所述线圈的第一子集与所述柱塞组件交互以产生第一磁路，并且所述线圈的第二子集与所述柱塞组件交互以产生与所述第一磁路不同的第二磁路。
根据本发明的实施例的另一个方面，提供了一种在系统中在电能和机械移动之间转换的方法，所述系统包括由线圈组件和铁芯构成的外壳，所述系统进一步包括柱塞组件，所述柱塞组件被适配来用于通过所述外壳在第一位置和第二位置之间的移动，所述方法包括步骤：
基于在所述第一和第二位置之间的位置来物理地辅助至少所述柱塞组件的磁化部分的运动。
所述物理地辅助的步骤可以包括下述部分之一或组合：
以预定间隔脉动地提供向所述线圈组件施加的至少一个电流；
向所述外壳和所述柱塞组件之一或组合提供磁导率的梯度，并且
从与所述系统可操作地相关联地的能量存储部件提供存储的能量。
通过所述外壳的所述柱塞组件移动优选地通过所述(一个或多个)线圈的中心。
所述能量存储部件可以包括用于电机组件的以传统或四角配置的飞轮，或者可以包括以例如止转轭配置的轴配重。
在上面的方法中，所述预定间隔可以对应于所述柱塞的所述磁化部分通过所述外壳的所述移动的向内冲程和向外冲程。
在上面的方法中，所述物理地辅助的步骤可以包括加速，其中，所述加速包括正加速或负加速之一。
本发明的实施例的另一个方面提供了用于在电能和机械移动之间转换的设备，所述设备包括：
外壳，由线圈组件和铁芯构成；
柱塞组件，所述柱塞组件被适配来通过所述外壳在第一位置和第二位置之间移动，以及
运动辅助部件，用于基于在所述第一和第二位置之间的位置物理地辅助所述柱塞组件的至少磁化部分的运动。
所述运动辅助部件可以包括下述之一或组合：
驱动器电路，所述驱动器电路被适配来以预定间隔脉冲化向所述线圈组件施加的至少一个电流；
向所述外壳和所述柱塞组件之一或组合的材料的磁导率的梯度；
能量存储部件，所述能量存储部件可操作地连接到所述柱塞组件，被适配来存储角动量。在一个实施例中，所述能量存储部件包括飞轮。
所述预定间隔可以对应于所述柱塞的所述磁化部分通过所述外壳的所述移动的向内冲程和向外冲程。
所述运动辅助部件优选地被适配来加速所述柱塞组件的所述磁化部分，其中，所述加速包括正加速或负加速之一。
也可以在本发明的实施例中提供能量存储部件，所述能量存储部件被适配来用于操作性地连接到用于存储相关联的曲轴的角动量的此处公开的电机，其中，所述能量存储部件被适配来向在此公开的螺线管组件应用所存储的能量。
本质上，本发明的许多方面源自下述实现：由布置和线圈控制引起和保持的结果磁场使得柱塞在适当的方向上移动，而与是否向柱塞施加电力无关。这是在优选实施例中实现这样的高能效率的主要原因之一。线圈控制方法也优选地应当伴随柱塞，该柱塞能够具有在其中感生的磁场，使得该磁场可以相对于柱塞位置要求改变强度。
在说明书中公开并且/或者在形成本发明的说明的一部分的所附权利要求中限定了其他方面和优选形式。
通过以下给出的详细说明，本发明的实施例的另外的适合范围将变得明显。然而，应当明白，仅通过例示给出指示本发明的优选实施例的详细描述和具体示例，因为在此处公开的精神和范围内的各种改变和修改对于基于该详细说明的本领域内的技术人员将变得明显。
附图说明
通过参考结合附图的实施例的下面的说明，本领域内的技术人员可以更好地明白本发明的优选和其他实施例的另外的公开、目的、优点和方面，附图仅通过例示被给出，并且因此不限制在此的公开，并 且其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的螺线管驱动电机的透视图；
图2示出了图1的螺线管驱动电机的截面图；
图3示出适合于用于图1的螺线管驱动电机的、根据优选实施例的驱动器电路和相关联的电子器件的示例；
图4示出用于图示在与图3的驱动器电路的一个实施例相关联的优选螺线管布置的线圈内的电流的一般行为的时序图；
图5示出与图4类似但是更详细地与图3的驱动器电路的另一个实施例相关联的一系列时序图；
图6是根据本发明的另一个实施例的螺线管驱动电机的透视截面图；
图7是图6的螺线管驱动电机的部分透视截面图；
图8是图6的螺线管驱动电机的部分侧截面图；
图9是图6的螺线管驱动电机的另一个部分侧截面图，用于示出根据本发明的一个实施例的线性轴承布置的细节；
图10是显示了根据本发明的一个优选实施例的在单个线圈内的电流的示波器轨迹；
图11示出根据本发明的一个优选实施例的柱塞组件的侧、前和后端视图；
图12a和12b是根据本发明的优选实施例的被适配来用于止转轭布置的柱塞组件的立视图；
图13是根据本发明的另一个优选实施例的螺线管驱动电机的透视截面图，该螺线管驱动电机包括利用在图12b中所示的止转轭布置的两个止转轭布置。
图14和15示出如图13中所示的螺线管驱动电机的布置的截面平面图，用于指示由部署优选的止转轭布置的柱塞组件产生的运动的循环的渐近阶段。
具体实施方式
以下描述的示例性电机和相关联的旋转机器是本发明的优选实施例。因此，应当注意，在一些替代配置中，电机和旋转机器之一或组合可以被适配作为发电机。在这个方面，可以在作为本发明的示例性形式的750W电机中实施本发明的系统和设备，然而，应当注意，本系统的发明特征可能被缩放到更大的系统或缩小到更低的输出系统。
水平相对的成对(HOT)实施例
参见图1和2，螺线管电机10包括以相对的配置布置的一对螺线管组件20、21，而不像以“四角”配置运行的IC机那样。下面详细描述螺线管组件20。应当明白，可以以与螺线管组件20类似的方式来构造螺线管组件21，虽然它可能相对于轴向范围横向地偏移以便利与普通曲轴的接合。
螺线管组件20包括螺线管壳体，其包括内部和外部螺线管套筒22、23与内部和外部螺线管端板24、25。螺线管套筒22、23每一个包括具有相对很高的磁导率(μ＝大约20,000)的材料，诸如包括大约49％的铁、大约49％的钴和大约2％的钒的合金，其已经被适当地处理以增强其磁属性，诸如被退火。内部和外部端板24、25每一个包括具有相对很高的磁导率(μ＝大约14,000)的材料，诸如包括大约49％的铁、大约49％的钴和大约2％的钒的合金。套筒22、23的很高的磁导率的一个原因是更好地捕获和集中磁场。
而且，可以通过提供磁导率的“梯度”来获得相关联的磁路的改善的效率，其中，在螺线管组件的外部优选高磁导率的材料，并且在螺线管组件的内部优选相对于螺线管壳体的磁导率较低的磁导率的材料。
与套筒22、23的磁导率相比的、相对较低的磁导率(μ＝大约14,000)对于端板24、25是可接受的。这可能部分地因为可以引起磁导率的降低的相关联的制造过程。然而，它可以辅助沿着在铁芯29开 始、然后通过端板24、25并且然后向下通过套筒22、23的磁路的路径的、磁导率的上述“梯度”。
如图2中所示，螺线管组件20包括分别包括内部、中间和外部线圈26、27、28的线圈组件。每个线圈26、27、28优选地包括在22层中的大约638匝的2.1毫米直径的铜磁导线。本领域内的技术人员可以明白，匝的数量和导线的尺寸或规格可能根据电机和其容量而改变。每一个线圈26、27、28可连接到驱动器电路，使得它可以被独立地或与另一个线圈组合地激励。该线圈组件优选地相对于并且基本上相邻于如下所述的往复柱塞组件的冲程区域横向地定位。在图1和2中所示的实施例中，线圈组件以这种方式与冲程区域同轴地定位。
螺线管组件20包括铁芯构件29相邻的端板25。铁芯构件29包括具有较高磁导率(例如，μ＝大约4,500)和饱和度(例如，大约2特斯拉)的材料，诸如包括大约50％的铁和大约50％的钴的合金。铁芯构件29的磁导率与螺线管壳体的零件22-24相比较低。铁芯构件29的内表面30包括在形状上大体圆锥的凹表面。可以以在大约30至60度之间的角度来形成该圆锥表面。
螺线管组件20包括可移动柱塞组件，该可移动柱塞组件分别包括内部、中间和外部零件31、32、33。该柱塞组件的内部和外部零件31和33每一个包括具有较高磁导率(例如，μ＝大约4,500)的材料，诸如包括大约50％的铁和大约50％的钴的合金。柱塞组件的外部零件33包括凸的和大体圆锥形的尖端34，该尖端34被适配来嵌套在铁芯构件29的凹表面30中。可以在柱塞组件的外部零件33和铁芯构件29的表面30之间有间隙。在一种形式中，在零件33和在TDC处的铁芯构件29之间的间隙可以是大约1mm。
柱塞组件的中间零件32包括永久磁体，诸如高级稀土永久磁体。永久磁体的一个示例是具有大约1.2T的磁场强度的钕(NdFeB)N52 级磁体。在该系统的有限元分析模型下，已经指示优选地应当避免内部端板24的过大的磁导率，因为它可能导致在柱塞组件的向外冲程上的磁路中的短路。然而，在实际实施例中，过大的磁导率的问题还没有发生。优选地应当避免柱塞组件的铁芯构件29和零件31和33的过大的磁导率，因为这可能使得柱塞组件当向底部死中心(BDC)开始向外冲程时太难从顶部死中心(TDC)脱离。
柱塞组件被适配来用于在顶部死中心(TDC)和底部死中心(BDC)之间相对于螺线管壳体的往复移动。通过激励一个或多个线圈26、27、28来部分地实现往复移动，使得所述(一个或多个)线圈相对于柱塞组件在螺线管组件的铁芯构件29中产生吸引磁场，接着产生排斥或至少净中性磁场。
与柱塞组件的中间零件32的永久磁体相关联的磁场可以使得它沿着柱塞组件的移动轴定向。柱塞组件的零件31、32、33可以通过诸如环氧树脂的粘结剂结合或联合。
为了减少摩擦，在固定线圈组件和往复的柱塞组件之间插入由诸如特富龙或PTFE的具有低的摩擦系数的材料形成的管状套筒35。套筒35可以包括沿着其内表面的多个(例如，6个)径向突出的纵向齿条，以大体减小在其本身和往复的柱塞组件之间的接触面积。在一种形式中，该突出齿条可以将接触面积减小大约90％。在一些实施例中，管状套筒35可以包括金属或金属合金齿条，诸如青铜。在用于HOT电机的一个特定实施例中，仅利用优选地为青铜的硬非磁材料的平滑薄管来支撑(一个或多个)线圈，使得柱塞不与线圈接触。下面在此考虑用于减小摩擦的其他手段。
螺线管组件20包括在端板24和套筒35之间插入的定位圈36。定位圈36从诸如铝的磁惰性材料形成，使得它可能有效地作为在柱塞组件的端板24和外部零件31之间的气隙。在一些实施例中，定位圈 36可以由与用于端板24的材料类似的导磁材料形成。在一些实施例中，可以省略定位圈36。相反，端板24可以具有大小匹配管状套筒35的外径的进入孔。这可以增大在向内冲程期间产生的力。
螺线管组件20包括外壳37。壳体37大体是杯形的，以提供在螺线管壳体的零件22、23和25上的紧密贴合。外壳37可以包括围绕其圆周的多个径向延伸的散热片，以便利或至少增强来自螺线管组件的热量的散发。从诸如铝的磁惰性材料形成外壳37。
螺线管组件20、21附接到包括端壁40-44的曲轴壳体。曲轴组件45被轴颈化(journalled)以经由环形陶瓷轴承46、47在端壁42、43中旋转。
与螺线管组件20相关联的柱塞组件(31，32，33)经由连接杆(连杆)48和接口连接叉(clevis)49连接到曲轴组件45的曲柄销45a。接口连接叉49经由高张力螺栓附接到内部零件31的表面。连杆48的大端经由环形陶瓷轴承50附接到曲柄销45a。连杆48的小端经由活塞销51连接到接口连接叉49。
曲轴组件45以两个部分形成，以便利连接杆和轴承的一件。从诸如奥氏体不锈钢的磁惰性材料形成曲轴组件45。
飞轮52附接到曲轴组件45的一端，以用于存储与螺线管电机相关联的角动量。飞轮52由诸如铝或其他非磁或轻微磁性材料的磁惰性材料形成。
发电机53可以经由适配器54附接到曲轴组件45的另一端以产生电力的供应。电力可以用于将电池充电并且/或将相关联的驱动器电路和曲轴位置检测器和/或任何其他装置加电，而不论它是否与螺旋管驱动电机相关联。而且，可以以这种方式向任何装置提供电力。在一种 形式中，在这个实施例中提供的电机可以是无刷DC电机和AC感应电机的混和。如果该电机事实上是使用永久磁体的无刷DC电机则如此，但是，如果连同诸如线圈控制的其他电子装置的电源可以被适配来变得AC驱动并且在永久磁体部分的任何一侧的柱塞零件内感应磁场，则这也可以是AC感应电机。
图3示出用于驱动与螺线管组件20相关联的线圈26-28的驱动器电路的框图。类似的驱动电路(未示出)可以被适配来用于驱动与螺旋管组件21相关联的线圈21a-c。该驱动器电路包括电源60、回收能量存储模块61、螺线管驱动器62、装置控制器63和用户界面64。可以经由数字或模拟控制手段来实现驱动器62、控制器63和用户界面64。
优选的是，经由数字控制手段来实现元件62-64，例如，驱动器62和控制器63可以包括数字控制手段，诸如以硬件和/或软件实现的脉宽调制(PWM)。
电源60被适配来用于向螺线管组件和/或电机的一个或多个零件61-64供应电力。电源60可以包括蓄电池。可以经由与螺线管电机相关联的诸如发电机53的发电机和/或经由外部电源来将该蓄电池充电。在一个优选实施例中，将蓄电池替换为专用于运行该电机的电子构件的机载电源。存储模块61可以包括诸如电容器的任何适当的暂时能量存储装置。
螺线管驱动器62和螺线管控制器63被适配来向内部、中间和外部线圈26-28供应电流脉冲，该电流脉冲如在图4中一般地所示。例如，在柱塞组件的向内冲程期间，线圈26-28可以被供应电流的相应的对称或不对称脉冲，诸如锯齿脉冲，如图4中所示和也如图5中更详细所示。电流脉冲可以包括向内冲程和向外冲程电流脉冲。该电流脉冲在螺线管组件的铁芯中产生磁场，该磁场在幅度和极性上改变以引起在 铁芯构件29和柱塞组件之间的连续的吸引和/或排斥。应当注意，与现有技术的电机相比，占空比相对较低，例如，在大约55％，现有技术的电机一般具有可以毗邻100％下的占空比。
图4示出了由图3的驱动器电路的一个实施例产生的电流脉冲。参见图4，向内冲程电流脉冲在BDC开始。假定在持续时间上为大约50ms的向内冲程，每一个向内冲程电流脉冲可以是在持续时间上大约43ms或向内冲程的持续时间的大约86％。向内冲程脉冲的峰值可以是大约4安培，并且可以在大约11ms至大约23ms或向内冲程的持续时间的大约26％至大约50％后被达到。向内冲程脉冲可以然后衰落或减小为大约0安培。向内冲程脉冲的渐弱可以被在线圈中感应的反电动势和磁柱塞组件通过线圈的移动所辅助。驱动器电路可以仅向线圈施加驱动电压，直到已经达到了峰值电流电平。
一旦向内冲程电流减小为大约0安培，则可以捕获由(一个或多个)移动的永久磁体产生的感应电动势。所捕获的能量可以经由驱动器62和控制器63被引导到存储模块61。存储模块61可以包括电容器，该电容器可以被调整大小以保持用于紧随向内冲程的向外冲程的正确的电压电平。该电动势在极性上与向向内冲程施加的驱动电压相反，并且因此可以是用于下一个向外冲程的正确的极性。
如当与螺线管组件20相关联的线圈26-28在向内冲程期间被激励时可以在图4中所示，不激励与螺线管组件21相关联的三个线圈21a-c。在当激励与螺线管组件21相关联的线圈21a-c时的随后的向内冲程中，不激励与螺线管组件20相关联的线圈26-28。这可以允许螺线管组件20、21的线圈在交错的向内冲程循环期间休息以增强螺线管电机的冷却和可靠性。在一些实施例中，可以在向内冲程期间激励两个螺线管。
在柱塞组件的向外冲程期间，与螺线管组件20相关联的中间线圈27和与螺线管组件21相关联的中间线圈21b一起被激励。螺线管组件 20、21的中间线圈被供应如图4B和4E中所示的电流的相应的非对称锯齿脉冲。
向外冲程电流脉冲在TDC处开始。假定在持续时间上为大约50ms的向外冲程，每一个向外冲程电流脉冲可以是大约5ms至大约10ms或向外冲程的持续时间的大约11％至大约22％。向外冲程脉冲的峰值可以是大约7安培，并且可以在大约5ms至大约10ms或向外冲程的持续时间的大约11％至大约22％内被达到。电流可以然后在大约42ms的下一个时间段上减小为大约0安培。在大约最后3ms的感应电动势中，在存储模块61中捕获在线圈26、28、21a、21c中相互感应的反电动势和电动势以用于下一个向内冲程。所捕获的电动势在极性上与用于向外冲程者相反，并且因此是用于下一个向内冲程的正确的极性。向外冲程脉冲可能因为所需的更快的上升时间而需要比向内冲程脉冲更高的驱动电压。然而，在实践中，通常该情况还不是这样。可以从在前的向内冲程捕获另外的驱动电压。
理论上，与向内冲程(4A)相比，可能需要更高的电压来在向外冲程期间达到峰值电流(7A)，因为电流更高。然而，在实践中，几乎相反的情况出现，因为当激励所有线圈时，存在更大的电阻并且要求更高的电压。可以通过在线圈中感应的反电动势和通过线圈的磁柱塞组件的移动来辅助脉冲的渐弱。可以在未被激励的线圈中捕获的剩余电动势，可以经由驱动器62和控制器63被转向存储装置61，诸如电容器，以用于在其他循环期间驱动线圈。所捕获的能量部分因为制动阶段。所捕获的能量可以被存储在该电容器中。在线圈上的极性的反转刚好当在反转方向之前柱塞组件到达在TDC或BDC处的停止点时将能量驱动到该电容器内。
图5比图4更详细地示出了贯穿曲轴的循环由图3的驱动器电路的另一个实施例产生的4个电流脉冲。参见图5，向内冲程电流脉冲在BDC开始。每个向内冲程电流脉冲包括线圈激励阶段、线圈续流阶段 和线圈制动(breaking)阶段。假定在持续时间上为大约50ms的向内冲程，每一个向内冲程电流脉冲可以是在持续时间上大约11ms至大约23ms或向内冲程的持续时间的大约26％至大约50％。向内冲程脉冲的峰值可以是大约4安培，并且可以在大约11ms至大约23ms或向内冲程的持续时间的大约26％至大约50％后被达到。向内冲程可以随后在被线圈制动阶段(逆极性)跟随的线圈续流阶段(短路)期间衰落或减小为大约0安培。
一旦向内冲程电流减小为大约0安培，则可以在未被激励的线圈中捕获由移动的(一个或多个)永久磁体产生的感应电动势，以随后用于在其他循环期间驱动线圈。所捕获的能量可以经由驱动器62和控制器63被引导到存储模块61。存储模块61可以包括电容器，该电容器可以被调整大小以保持用于紧随向内冲程的向外冲程的正确的电压电平。该电动势在极性上与应用于向内冲程的驱动电压相反，并且因此可以是用于下一个向外冲程的正确的极性。
如当与螺线管组件20相关联的线圈26-28在向内冲程期间被激励时可以在图5中所示，不激励与螺线管组件21相关联的三个线圈21A-C。在当激励与螺线管组件21相关联的线圈21A-C时的随后的向内冲程中，不激励与螺线管组件20相关联的线圈26-28。这可以允许螺线管组件20、21的线圈在交错的向内冲程循环期间休息以增强螺线管电机的冷却和可靠性。在一些实施例中，可以在向内冲程期间激励两个螺线管。对于其中电机可以仅在单个线圈上运行的实施例，对于向内冲程和向外冲程两者激励螺线管。
在柱塞组件的向外冲程期间，与螺线管组件20相关联的中间线圈27和与螺线管组件21相关联的中间线圈21B一起被激励。螺线管组件20、21的中间线圈被供应如图5B和5E中所示的电流的相应的非对称锯齿脉冲。
向外冲程电流脉冲在TDC处开始。每一个向外冲程包括线圈激励阶段和线圈续流阶段和线圈制动阶段。假定在持续时间上为大约50ms的向外冲程，每一个向外冲程电流脉冲可以是大约5ms至大约10ms或向外冲程的持续时间的大约11％至大约22％。向外冲程脉冲的峰值可以是大约7安培，并且可以在大约5ms至大约10ms或向外冲程脉冲的持续时间的大约11％至大约22％内被达到。电流可以然后在线圈续流阶段(短路)和线圈制动阶段(逆极性)期间在大约38ms的下一个时间段上减小到大约0安培。在大约最后4ms的感应电动势中，在存储模块61中捕获在线圈26、28、21a、21c中相互感应的反电动势和电动势以用于下一个向内冲程。所捕获的电动势在极性上与用于向外冲程者相反，并且因此是用于下一个向内冲程的正确的极性。向外冲程脉冲可能因为所需的更快的上升时间而需要比向内冲程脉冲更高的驱动电压。可以从在前的向内冲程捕获另外的驱动电压。
在实践中，当激励所有线圈时，存在更大的电阻，并且需要更高的电压。可以通过在线圈中感应的反电动势和磁柱塞组件通过线圈的移动来辅助脉冲的渐弱。在未被激励的线圈中捕获的剩余电动势可以经由驱动器62和控制器63被转向存储装置61以在其他循环期间用于驱动线圈。
在一个实施例中，经由检测附接到飞轮52的定时板(未示出)的存在的、诸如旋转编码器或接近传感器的曲轴位置检测器65，来提供驱动器62和控制器63的定时，以促进向内冲程和向外冲程电流脉冲与柱塞组件的TDC和BDC循环的同步。在一个优选实施例中，曲轴位置检测器65包括具有曲轴的每周旋转至少64个循环的旋转编码器。该旋转编码器可以用于控制相对于曲轴的位置、向各个线圈的脉冲。
用户界面64可以包括数字装置，诸如适当编程的个人计算机。用户界面64可以用于修改向内冲程和向外冲程脉冲的峰值电流水平以及脉冲的持续时间和相对于TDC、BDC的脉冲的开始的定时和/或在前的 一个或多个脉冲的渐弱。用户界面64可以用于优化螺线管电机相对于向曲轴组件45应用的预期和/或实际速度和/或负载的操作条件。
在运行中，在柱塞组件的向内冲程期间，永久磁体(PM)零件32磁饱和(μ＝大约1)，使得当激励线圈26-28时不增加太多的磁场力。然而，向柱塞组件的圆锥尖端34、柱塞组件的底部和铁芯构件的凹表面30增加磁场和结果产生的力。这可以改善磁路完整性和性能。用于柱塞零件31、33的材料具有大约2T的饱和点，并且这可以随着标称的电机输出改变。PM零件32(大约1.2T)和螺线管线圈26-28的磁场组合并有助于相当大量的磁力被施加到柱塞组件(在向内冲程的顶部大约1.6kN，再一次这可以随着标称的电机输出改变)。柱塞零件31、33被稳定地磁化到某个程度，因为它们接近PM零件32。当将磁场经由线圈26-28向磁路内引入时，这些零件在它们的磁场强度的水平和由该磁场施加的力上“被装满”。当去除对线圈的供能时，也去除了磁场的“装满”部分。
增大向柱塞组件施加的力增大了向飞轮52施加的角动量。在飞轮52中存储的动量有助于克服当柱塞组件在TDC处并且在开始其向BDC的行程时在PM零件32和铁芯构件29之间的天然磁吸引。当柱塞组件到达TDC时，从柱塞组件向飞轮52传送动能，并且在柱塞零件31、33中不再存在磁场。
在柱塞组件的向外冲程的开始期间，需要克服在柱塞组件和铁芯构件29之间的天然磁吸引，以当从柱塞组件的向内冲程向向外冲程移动时最小化角动量的损失。
实质上，在飞轮52中存储的角动量可以作为“杠杆”，其中，可以从飞轮52供应向曲轴组件45(并且因此柱塞组件)施加的能量。例如，取代需要大约1.6kN的直接线性施加力来将柱塞组件从铁芯构件29脱离，当考虑飞轮52的“杠杆作用”时，可能仅需要大约400N。 应当相对于该要求和柱塞组件的质量/惯性来将飞轮52调整大小和尺寸。
通过来自PM零件32的力来实质上确定在向外冲程期间要克服的天然磁吸引的程度。如上所述，该力被在飞轮52中存储的角动量大体克服。可以通过如下方式来改变在向内冲程期间产生的力的量：激励线圈26-28，并且然后允许它们“释放(freewheel)”，这可以在PM零件32移动得更接近铁芯构件29的同时延长在线圈中的磁场的持续时间。PM零件32移动得越接近铁芯构件29，则由于气隙的减少导致在柱塞组件上的磁力越显著，且柱塞组件的速度越大。
当将上面的手段用于大约4安培的峰值电流时，接近TDC的柱塞组件的峰值速度在持续时间大约45ms的向内冲程后是大约2.5m/s。而且，在如上所述的优选实施例中，向内冲程电流脉冲仅对于向内冲程的持续时间的大约一半是激活的。理论上，应当避免太高的向内冲程电流，因为这可能在较短的时间段内引起过过量的力。该力的意义是，太高的结果产生的往复频率可能引起在PM上的太多的振动，其可能弱化PM的磁场。然而，在一个优选实施例的实施中，还没有出现下述情况：已经在永久磁体上产生太多的振动，并且因此，PM的磁场还没有被弱化。
除了仅使用单个线圈的实施例之外，因为不同的磁路在柱塞组件远离TDC的向外冲程行进期间激活，所以在柱塞组件的圆锥尖端34中的磁场不像当它向TDC行进时那么强。在柱塞组件已经从铁芯构件29移开小距离后，天然磁吸引较快地减少。这也是部分因为通过铁圆锥尖端34作用的PM零件32的天然磁性所导致的。如果圆锥尖端34的材料具有太高的磁导率，则可能有太多的磁吸引要克服。这是使用具有与端板24、25和壳体零件22、23相比更低的磁导率的材料来用于柱塞零件31、33的一个原因
当与向内冲程循环相比在向外冲程循环期间不同的磁路激活的原因是，仅使用中间线圈27、21b来在向外冲程循环期间排斥柱塞组件，鉴于在PM零件32和中间线圈27之间的磁耦合在该循环的这个阶段比在PM零件32和铁芯构件29之间的磁耦合强。当柱塞组件的圆锥尖端34位于TDC处时，PM零件32被定位，使得PM零件32的不超过大约上面45％在中间线圈27内。因为利用与向内冲程相反的极性激励中间线圈27，所以该定位将中间线圈27的相对极和PM零件32的磁场布置得彼此很接近，导致很强的排斥的磁耦合。该磁路虽然不像在向内冲程磁路期间遍及壳体那么“净”，但是足以使得柱塞向外部移动，并且保持往复行为。该情况适用于多个线圈，但是不适用于单个线圈布置。
在一个实施例中，可能优选的是，使得端板24、25仅在向内冲程循环期间存在，并且在向外冲程循环期间不存在端板，因为这会在向内冲程期间给出通过铁芯构件29的强磁路和在向外冲程期间给出通过铁芯构件29的弱得多的磁路。考虑到每次柱塞组件进入TDC或BDC时从柱塞组件向飞轮52和再一次返回的能量传送，向外冲程仅需要是力中性的，因为飞轮52的惯性足以允许螺线管电机非常有效地运行，而不在向外冲程循环期间施加许多力。
减小端板24、25的磁导率或向磁路内引入气隙，也帮助克服如上所述的天然磁吸引。在一些实施例中，可能增加用于在每一个向外冲程开始时从螺线管组件向外将端板25(或端板24——虽然端板25是优选的)移动几毫米的机构(未示出)，因为这可以通过向磁路内引入额外的气隙来改善向外冲程磁路性能。虽然这可能是有益的，但是本发明的操作不需要它。如果AC H场比来自线圈26-28或PM零件32的板中的任何B场高，则也可以通过在向外冲程的持续时间内引入15MHz或更大的AC磁场，来在向外冲程期间减小端板24、25之一或两者的磁导率。如果通过特殊的线圈来应用适当数量的安匝，则在每一个端板24、25上缠绕特殊的扁平线圈可以实现期望的结果。这可能 不太难实现，因为PM和线圈场在端板24、25内较弱。磁力的大部分在柱塞组件和铁芯构件29之间。在本段落中描述的特征应当被仅看作可能的改善，并且对于基本螺线管和电机的操作并非是不可缺少的。
进一步的改善可以包括以特定顺序来调整各个线圈的激励，以优化用于向外冲程的与PM零件32的磁耦合。这可以通过考虑PM零件32当相对于中间和底部线圈27、26时的位置来进行。再一次，这个方面不应当被看作必要的，而是可以实现对于向外冲程磁路和整体性能的改善。如上所述的用户界面64可以促进该调整。
处理摩擦
图1的实施例包括如上所述具有在从图1和2显然的水平相对成对(HOT)驱动机构的配置的螺旋管驱动电机。在HOT驱动机构的一个优选实施例中，使用摩擦消除手段，并且在这个方面，进一步参考图6至9。
上面的说明已经涉及了通过在固定线圈组件和往复柱塞组件之间插入由诸如特富龙或PTFE的具有低的摩擦系数的材料形成的管状套筒35来降低摩擦，如图2中所示，其中，套筒35可以沿着其内表面具有多个(例如，6个)径向突出的纵向齿条，以大体减小在往复柱塞组件和套筒35之间的接触面积。相反，在图6至9中所示的实施例使用线性轴承提供了摩擦解决方案。优选的是，该线性轴承包括陶瓷材料，但是可以包括本领域内的技术人员可以明白的任何适当的材料。在柱塞组件的基部处有两个轴承66、67，该两个轴承66、67使用支架66a、67a附接到柱塞组件，支架66a、67a本身在连接叉49的基部处被紧固到活塞销子51，连接叉49本身附接到柱塞。该支架具有“回旋镖”形状。该支架附接到两个轴承座68、69，一个在支架的顶部，并且一个在支架的底部。轴承座68、69每一个维持一个线性轴承66、67。每一个线性轴承66、67沿着硬化钢杆70滑动，硬化钢杆70沿着柱塞的轴并且在各个曲柄箱端板71之间延伸。
如在图8中最佳地所示，为了支撑柱塞的尖端，附接硬化钢杆72，其从该尖端起延伸并且一路向上通过螺线管铁芯。在铁芯的外部，通过螺线管壳体来紧固单个线性轴承73。该杆被轴承支撑，并且当该杆延伸通过在外壳中的孔径时不与该组件的任何其他零件摩擦。该柱塞也包在钢垫片(未示出)中，以使得它更硬和更好地支撑钢杆尖端72。
在线圈26、27和28与柱塞组件之间插入了薄的青铜管74。它的目的是支撑线圈方向，并且防止柱塞接触任何线圈。该管74可以是与在描述第一所述摩擦解决方案的段落中所述的相同的管，但是，凿出升起的齿条，以在柱塞的圆周周围给出大约0.5mm的柱塞空隙。
线圈控制替代方案
上面已经参考图3和图4提供了对于与由驱动器电路的一个实施例产生的电流脉冲相关联的“理想波形”的说明。应当注意，图4和5的上面的波形涉及根据本发明的一个实施例的在螺线管内的三个线圈的操作。使用一系列DC脉冲来“操作”线圈。因此，使用初始脉冲来激励(一个或多个)线圈，结果产生的磁场在依赖于线圈场极性的方向上移动(一个或多个)柱塞。本发明人已经识别，看起来工作得最佳者是尽可能快地激励的(一个或多个)线圈，以获得可以获得的最快的电流上升。当前，初始脉冲一般花费大约15ms至大约25ms，但是这依赖于电机所运行的速度和电极所驱动的负载的水平。
用于将(一个或多个)线圈充电的这些初始脉冲的开始在TDC或BDC处。所需的脉冲的极性取决于柱塞是否在TDC或BDC处。虽然有脉冲极性，但是可以将基本线圈控制认为在柱塞行进的任何方向上相同。
在这个替代实施例中，一旦已经传递了初始脉冲，则下一步骤是衰减从驱动器电路向至少一个线圈供应的电流。这可以被实现如下。
一旦已经达到了运行通过(一个或多个)线圈的电流的期望的初始水平，则将线圈短路，这允许现有的电流继续流动。仅将线圈的短路执行较小的时间量，例如，大约2ms至大约5ms。电流因为在铜绕组中的电阻而开始减小，然而，它降低得比仅关断线圈(即，将电路开路)慢，并且这是期望的效果，并且被本发明人表述为“续流”，如上所述。在续流阶段期间，不向线圈馈入电力，然而，线圈磁场仍然可与其在初始激励阶段中的值相当，并且因此仍然使得柱塞移动。
一旦续流阶段已经允许电流减小了小量，例如初始电流幅度的大约5-10％，则将所述(一个或多个)线圈重新激励短时间，例如，大约几毫秒，并且将电流水平增大回达它从其已经减小的水平。这花费很小量的能量来“将电流加满”，因为幅度差很小，并且来自电感的阻抗的水平相对于初始激励脉冲也小。此后，重复续流，并且柱塞组件仍然继续移动。此后，当柱塞继续仍然移动时，再一次重新激励所述(一个或多个)线圈。
一旦已经覆盖了柱塞冲程距离的大约50％，则将线圈电路对于柱塞移动的接下来的25％至30％续流，并且然后将其开路，并且自然出现的电流在当柱塞继续仍然移动时柱塞碰到TDC或BDC的时候衰减接近大约0A。
然后对于柱塞的接下来的移动重复上面的过程，但是使用刚好完成的半个冲程的逆极性。
如果当柱塞碰到TDC或BDC时在(一个或多个)线圈中仍然有电流，则该驱动过程仍然工作良好，因为有可能通过例如在存储模块61的电容器中捕获在线圈中剩余的任何能量并且使用那个能量作为所述(一个或多个)线圈的接下来的初始激励阶段的一部分，来回收再利用该能量。
通过线圈电阻、电感阻抗和线圈尺寸(相对于被施加的电压)来确定峰值电流，其中，通过在线圈中的导线的厚度和匝数来确定线圈尺寸。初始脉冲上升次数也利用这些相同的参数来确定。
简单而言，对于可以为了移动柱塞可以实现的最小量的能量输入，保持磁场。每次系统在续流阶段中，仍然有移动柱塞的相当强的场，但是在那个续流阶段期间没有能量的输入。即使当已经完成脉冲链时，在线圈中的减小的电流仍然提供磁场，虽然在强度上衰减。
用于柱塞的“向内冲程”和柱塞的“向外冲程”的脉冲的数量可以不同。如果在两个冲程之间存在不同的电感特性，情况如此。在向内冲程上，因为在柱塞和螺线管铁芯之间的闭合气隙，导致电感迅速增大。这对于向外冲程未必出现，因为气隙在柱塞和螺线管铁芯之间增大。已经发现，较长的脉冲链对于向外冲程效果最佳(例如，总共5个脉冲)，而较短的脉冲链对于向内冲程效果更好(例如，总共3个脉冲)。而且，当移动通过最后的“衰减”阶段时，电流在向外冲程阶段中比它在向内冲程阶段期间衰减得更慢。
图10显示通过上面的处理的单个线圈的实际范围轨迹，注意该图案在图10的轨迹上重复。
图10的轨迹A是通过在螺线管1中的典型线圈2的电流。垂直虚线限定了单周旋转，如例如在柱塞组件的在一个循环中达到的BDC₁到接着的BDC₂位置之间所示。左面的垂直虚线示出BDC₁位置，柱塞在该位置刚好开始向TDC移动。右面的垂直虚线示出相同的位置，因此，它相对于左手的虚线表示电机的单个完全的一周旋转。在X轴上的0A标记上是根据轨迹A的向内冲程。在那个标记下则用轨迹B来描述向外冲程。
从图10显然，初始“向内冲程”脉冲在大约9A处达到峰值，并且需要大约9ms来达到那个峰值。然后，电流减小到在6.3A上面一点，即，续流。然后，电流在短脉冲激励阶段内跳回到7.8A。然后，另一个续流，跟着是短脉冲，然后，另一个续流，跟着是最后的短脉冲，在略小于7A处结束。随后是线圈电流开路，并且电流降低到0A。电流保持在0A处小的时间，并且它开始在0A向下移动时是“向外冲程”阶段和其系列的脉冲/续流的开始。
整个单个旋转循环需要作为大约15.77Hz的大约63.4ms或946rpm。这些时间根据所施加的电压、负载和速度来改变。
在这个示例中的向外冲程具有与在向内冲程中的4个脉冲相反的7个脉冲。因为它在0A以下(与向内冲程相反的极性)，所以脉冲和续流在Y轴方向上与向内冲程相反。所施加的脉冲的数量是示例性的，并且可以在其他实施例中改变。
涉及交错脉冲和‘续流’的激励的上面的方法适用于任何数量的线圈布置和柱塞组件。
柱塞组件替代方案
图11图示了也被适配来用于插入支撑杆的柱塞组件的优选形式。如在上面的说明中所述，所述或每一个磁柱塞组件可以包括至少三个部分或部。柱塞组件的至少一个部分或部可以包括较为强大的永久磁体。优选的是，所述或每一个永久磁体包括高级(优选的是N42或高级)稀土磁体，诸如钕(NdFeB)N52级磁体。例如，750瓦电机可能要求高级NdFeB磁体和在强度上大约1.2T(特斯拉)或12,000高斯的磁场。更一般地，在这个实施例中，提供了一种用于螺线管组件的柱塞组件，所述螺线管组件被适配来在电能和机械移动之间转换，并且包括：壳体，该壳体包含铁芯构件和包括至少一个线圈的线圈组件；以及，驱动器电路，用于激励所述线圈组件以使得所述柱塞组件至少 在第一位置和第二位置之间移动，所述柱塞组件包括：
第一材料部分，其包括永久磁体材料；以及
第二材料部分，其包括高的相对磁导率的材料，其中，第一部分的材料位于第二部分的材料之间。第二材料部分可以包括两个零件，该两个零件每个位于第一材料部分的各个相应端处。
有效地，柱塞包括至少两种材料，一种是强永久磁体材料，一种示例性材料是NdFeB，另一种是大约至少μ＝4,500至大约μ＝9,000的高相对磁导率的材料，一种示例性材料是FeCo。可以考虑具有适当的高磁导率和饱和品质的其他铁材料。相对磁导率可以根据材料和电机设计在从大约μ＝450至大约μ＝20,000或更大的范围中。关键是它必须具有高磁导率和比螺线管使用的磁场更高的饱和水平。
本实施例的柱塞增强了螺线管的操作，并且在其用于电机中，柱塞包括从柱塞的圆锥尖端向电机的外壳的端部布置的、优选地为硬化钢的硬杆的增加，以稳定柱塞的往复移动。而且，优选地为钢垫板的薄板的包覆以使得柱塞更硬，可以通过它被硬杆支撑来减轻可以被置于柱塞上的所增加的机械力。
止转轭布置
参考图12至15，替代布置包含至少一个止转轭的使用。该适配包括止转轭75，其在轭的各侧或端处具有柱塞，例如如图12a中所示。
如在如上所述的实施例中那样，柱塞组件由大体圆锥或截头圆锥形FeCo材料圆锥体、NdFeB磁体和随后的也由FeCo构成的基座构成。在运行中，在移动的一个阶段期间，在图12左面的柱塞部分或部31、32、33内的磁体具有通过柱塞的尖端的、面向该附图的左手方向的N极。在右手侧上的磁体的场被定向在精确的相同方向上的情况下，则我们以其结束的结果是总轭和柱塞组件，其在一端处具有北极，并且在另一端处具有南极，形成一个长磁体，该长磁体具有集中在相应的 柱塞的各个尖端处的场。
取单个轭75，当在运动中时它将移动离开一个螺线管并且向相对的螺线管移动。该另一个轭进行相同的事情，仅与第一轭异相90度，然而，它们各自的基本行为是相同的。当电机通过其运动循环时，这在图14和15中最佳地被示出。柱塞组件31、32、33向止转轭75的操作连接，通过往复的柱塞组件，其使用接合在旋转的曲轴45上的销子85的狭槽80直接地耦合到滑动轭，来提供曲轴的旋转运动。
当移动离开螺线管端时，该轭被螺线管线圈通过在轭移动离开的端部处的线圈场极性排斥。在精确的同时，向螺线管移动的轭的端部被在那个螺线管中的线圈通过(一个或多个)线圈极性吸引。结果，一侧推动，并且另一侧拉动。一旦轭结束了其行进，则两个螺线管线圈极性反转，并且轭行进回其始于之处。轭在这个重复过程中转动曲轴。
在每一个螺线管中可以有至少一个、两个、三个或更多的线圈。以与如上与优选的线圈控制方法相关地描述基本上相同的方式，来控制线圈。相对于止转轭的使用的唯一差别是，两个螺线管对和它们各自的线圈的定时。存在两个轭的情况产生小的差别，它仅是由电子器件控制并且被轴位置确定的脉冲的定时。利用进一步的解释，在HOT版本中，旋转编码器被附接到轴以确定定时。TDC传感器附接到飞轮。在使用止转轭的本实施例中，使用“绝对位置”传感器，并且因此，不需要TDC指示器。在采用彼此以90°分离和操作的两个止转轭时，在SY1和SY2之间的定时差是将它们彼此异相90°地激励。并且，对于单个止转轭，底部螺线管排斥，并且顶部螺线管吸引，通常它们是不同的电极性。
在如上所述的实施例的止转轭布置和HOT版本之间存在多个对比的差别。例如，对于止转轭布置不需要飞轮。通过轴配重(在动画 中心中的旋转的白色“翼”)并且部分地通过轭的相位差惯性来提供飞轮功能，轭的相位差惯性对应于当一个轭在其冲程的结尾并且另一个轭在其冲程的中间的情况。这使得两个轭的质量惯性得到互补。存在仅在从柱塞延伸的每一个杆的尖端处使用的线性轴承。在止转轭布置中，不再需要在用于HOT版本的如上所述的实施例之一中利用的柱塞的基部处的轴承(以及它们运行所在的轨道)。在一个优选实施例中，存在4个“圆柱”而不是2个。在这个方面，仅使用一个轭，将因为在一个时间在一个方向上行进的轭的整体质量导致不可接受的振动，而对于彼此以90°布置的两个轭，容易平衡相应的柱塞的运动。
在HOT版本中从每一个柱塞的尖端延伸的、在上面的实施例中描述的硬化杆72，现在是轭的一部分，并且延伸通过在每一个柱塞组件的中心中的孔。杆72优选地是轭的一部分，并且与轭和柱塞一起移动。替代地，杆72可以附接或连接到外壳，使得柱塞可以沿着杆72移动。也可以设想，杆72可以连接或附接到柱塞，然而，这可能要求在外壳上的轴承布置，以允许杆72相对于外壳的相对移动。特别是在其中硬化杆72连接到外壳的优选布置中的、硬化杆72的用途，使得组件很结实坚硬，并且消除了包覆柱塞组件的钢垫片的需要。
当与HOT版本相比时，止转轭布置有多个优点。例如，它因为从轭的一端向另一端延伸的更强的磁路而更强大。它比HOT版本更小和更轻。异相90度的两个轭产生几乎完美的平衡。在轭移动的精确方向上施加力，而对于HOT版本，存在以在柱塞和被转动的轴之间的某个角度来插入的连杆，这在横向上引起扭矩，该扭矩产生浪费的振动。在止转轭布置中需要更少的轴承，并且该轴承可充分地缩小和扩大，并且可以被使得模块化，以便可以在一个轴上布置多个单元以将电机输出加倍/三倍化。可以从任何位置启动机器，因为在任何时间，至少一个轭不接触螺线管铁芯。与在图1和2中描述的外壳37相反，对于图12和13的止转轭布置，不必在其周围包括多个径向延伸的散热片，以促进或至少增强热量从螺线管组件的散失，因为存在由线圈产生的 很少的热量。然而，在其他实施例中，可以在止转轭布置中使用如图1和2中所示的沿着线的冷却散热片。
虽然已经结合本发明的特定实施例描述了本发明，但是可以明白，它能够具有另外的修改。本申请意欲覆盖本发明的任何变化、用途或适配，它们通常遵循本发明的原理，并且包括在本发明所属的领域内的已知或常规实践内并且可以被应用到以上描述的必要特征的、相对于本公开的偏离。
因为可以在不偏离本发明的必要特征的精神的情况下以几种形式来表征本发明，但是应当明白，上述实施例不限制本发明，除非另外指定，而是应当在所附的权利要求中限定的本发明的精神和范围内被广义地解释。所述实施例要在各个方面被仅看作说明性的，而不是限定性的。
各个修改和等效布置意欲被包括在本发明和所附的权利要求的精神和范围内。因此，应当明白所述特定实施例说明了可以实施本发明的原理的许多方式。在下面的权利要求中，部件加功能条款意欲覆盖执行所限定的功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等同结构。例如，虽然钉子和螺钉可能在下述方面不是结构等同物：在紧固木头零件的环境中，钉子使用圆柱表面来将木头零件紧固在一起，而螺钉使用螺旋面将木头零件紧固在一起，但是钉子和螺钉是等同结构。
可以以许多不同形式来表征本发明的各个实施例，该不同形式包括用于处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机，并且对于该事项，可以使用任何商用处理器来作为在系统中的单个处理器、串行或并行组处理器实现本发明的实施例，并且如此一来，商用处理器的示例包括但是不限于Merced^TM、Pentium^TM、Pentium II^TM、Xeon^TM、Celeron^TM、Pentium Pro^TM、Efficeon^TM、Athlon^TM和AMD^TM 等)的计算机程序逻辑、用于可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列(FPGA)或其他PLD)的可编程逻辑、分立组件、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC))或包括其任何组合的任何其他部件。在本发明的一个示例性实施例中，主要作为一组计算机程序指令来实现在用户和表征设备之间的所有通信，该一组计算机程序指令被转换为计算机可执行形式，如此被存储在计算机可读介质中，并且被微处理器在操作系统的控制下执行。
可以以包括源代码形式、计算机可执行形式和各种中间形式(例如，由汇编程序、编译器、链接器或者定位器产生的形式)的各种形式，表征实现在此所述的功能的全部或一部分的计算机程序逻辑。源代码可以包括以各种编程语言(例如，目标代码、汇编语言或诸如Fortran、C、C++、Java或HTML的高级语言)的任何一种来实现的一系列计算机程序指令。而且，存在可以用于实现本发明的实施例的成百上千的可用计算机语言，其中更常见的是Ada、Algol、APL、awk、Basic、C、C++、Conol、Delphi、Eiffel、Euphoria、Forth、Fortran、HTML、Icon、Java、Javascript、Lisp、Logo、Mathematica、MatLab、Miranda、Modula-2、Oberon、Pascal、Perl、PL/I、Prolog、Python、Rexx、SAS、Scheme、sed、Simula、Smalltalk、Snobol、SQL、Visual Basic、Visual C++、Linux和XML)，以用于各种操作系统或操作环境。源代码可以定义和使用各种数据结构和通信消息。源代码可以具有计算机可执行的形式(例如，经由解释程序)，或者，源代码可以被转换(例如，经由翻译程序、汇编程序或编译程序)为计算机可执行形式。
计算机程序可以以任何形式(例如，源代码的形式、计算机可执行的形式、或中间形式)或者永久地或者暂时地被固定在有形存储介质中，该有形存储介质例如是半导体存储装置(例如、RAM、ROM、PROM、EEPROM或快闪可编程RAM)、磁存储设备(例如，软盘或硬盘)、光学存储设备(例如，CD-ROM或DVD-ROM)、PC卡(例 如，PCMCIA卡)或其他存储装置。计算机程序可以以任何形式被固定在可使用各种通信技术发送到计算机的信号中，该各种通信技术包括但是绝不限于模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(例如蓝牙)、联网技术和网络互连技术。计算机程序可以作为具有伴随的打印或电子文档(例如，套装软件)的可装卸存储介质以任何形式被分发、预装到计算机系统(例如，在系统ROM或硬盘上)或者通过通信系统(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板被分发。
可以使用传统手动方法来设计或可以使用诸如计算机辅助设计(CAD)、硬件描述语言(例如，VHDL或AHDL)或PLD编程语言(例如，PALASM、ABEL或CUPL)的各种工具来电子地设计、捕获、模拟或归档用于实现在此所述的功能的全部或一部分的硬件逻辑(包括用于可编程逻辑装置的可编程逻辑)。硬件逻辑也可以被包含到在实现本发明实施例中的显示屏幕中，该显示屏幕可以是分割式显示屏、模拟显示屏、数字显示屏幕、CRT、LED屏、等离子屏和液晶屏二极管屏幕等等。
可编程逻辑可以被永久或者暂时地固定在有形存储介质中，该有形存储介质例如是半导体存储装置(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或快闪可编程RAM)、磁存储装置(例如，软盘或硬盘)、光学存储装置(例如，CD-ROM或DVD-ROM)或其他存储装置。可编程逻辑可以被固定在可使用各种通信技术发送到计算机的信号中，该各种通信技术包括但是绝不限于模拟技术、数字技术、光学技术、无线技术(例如蓝牙)、联网技术和网络互连技术。可编程逻辑可以作为具有伴随的打印或电子文档(例如，套装软件)的可装卸存储介质被分发、预装到计算机系统(例如，在系统ROM或硬盘上)或者通过通信系统(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板被分发。
“包括”当在本说明书中使用时被用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、组 件或其分组的存在或增加。因此，除非上下文清楚地另外要求，否则贯穿说明书和权利要求，要在与排他或穷尽意义相反的包含意义上、即在“包括但是不限于”的意义上解释词“包括”。