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永磁体致动机构的制作方法

xiaoxiao2020-08-01  2

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专利名称::永磁体致动机构的制作方法相关申请的交叉引用本申请要求2000年3月16日提交的序列号为60/189,943、题目为“双稳态致动器”(BistableActuator)的美国临时申请和2001年3月9日提交的序列号为09/802,423的美国申请的优先权。永磁体部件以相互排斥的方式使用在此以前是要避免的,因为磁铁存在消磁的问题。然而,随着可以抵抗消磁的新的强磁性材料的发现,现在可以设计出永磁体以相互排斥方式安排的新式致动机构。在许多机械和电子机械系统中,需要通过一个部件的移动来移动另一个部件,而被移动的部件不直接接触移动的部件。例如,在流体管道中,通过一个位于管道外部的致动部件的移动来使滑阀移动,当外部部件与滑阀没有实际连接时,这具有很大的好处。密封件、阀杆以及提升阀组件中通常使用的其它部件的取消,避免了管道中流体的潜在泄露和/或污染。本发明的一个主要目的是利用磁排斥通过一个受控制部件的移动来影响一个部件的移动。本发明的另一个目的是通过驱动受控制的部件完成目标部件的移动,而受控制的部件不直接接触目标部件。本发明进一步的目的是允许目标部件移动,甚至在移动的部件和受控制的部件之间有障碍隔开。本发明的一个重要目的是在许多应用中通过受控制的或主动部件的可逆移动为目标或从动部件提供可逆的移动。作为另一个目的,在主动部件和从动部件的可逆移动中,各个部件采用固定的状态,其中形成一个双稳态致动装置。在主动部件和从动部件可逆的固定状态中,不需要能量来把各个部件维持在它们各自的可切换的固定状态下。本发明的永磁体致动机构包括相互排斥的永磁体部件,当一个部件通过外力开始移动时,会影响各个磁铁部件的相对移动。磁铁部件的移动使得磁铁致动装置具有切换装置特别是双稳态切换装置的功能。在其它的应用中,磁铁致动装置作为一个反向位移装置来运行,其中一个磁铁部件在一个方向的位移影响另一个磁铁部件在相反方向上的位移。磁铁部件的相对位移,使得永磁体致动机构除了应用在所述的阀装置和切换装置以外还可以应用在许多装置中。这些应用包括,但不限于此,活塞装置、震动器、夹紧装置和其它的需要反向位移和可逆移动的系统。由于本发明的目的和机构实现的性质,本领域的技术人员能够修改结构和调整运行的参数来适应上面提出的各种应用类型。其中一个永磁体部件是主动部件,被安装在框架上,它的相对位移大于成为从动部件的另一个部件的位移。主动部件从它的一个极限位置到另一个极限位置的位移,突然使从动部件从它的一个极限位置反向移动到另一个极限位置。主动部件和从动部件然后通过磁铁部件的相互排斥力保持在切换的位置。在所描述的优选实施例中,每个磁铁部件每个都是磁铁部件和磁级部件的组件,安装磁极部件目的是为想要的应用优化一个和多个选定的运行参数。另外,在一个实施例中,永磁体致动机构包括与主永磁体部件相连的弹簧部件,以调整把主动磁铁部件移动到位移距离所需的力。可以理解,在没有弹簧或其它衰减装置的永磁体致动机构中,对称系统典型的力曲线大致是正弦曲线。主动磁铁部件被迫的位移达到峰值阻力,并且在主动磁铁部件的终点位置之间的一个中立位置降低到零,在这点,从动部件自动切换位置,变成负值,被转变的从动部件的排斥力驱动到相反的位置。例如,通过合适的选择和接合压缩弹簧,移动主动磁铁部件其他方面的能量损失可以被捕获作为压缩的弹簧部件的潜在能量,在主动部件的下一次移动中使用。弹簧或其它辅助驱动的装置例如液压的使用,在永磁体致动应用中提供了一个额外的控制参数用于不同的用途。例如,力曲线可以被拉平一些,从而在位移期间作用在主动磁铁部件上的小但均布的力引起从动磁铁部件的转变,从动部件被一个比施加给主动部件的外力大许多的磁排斥力固定在转变的位置。在说明书中揭示的一个有用的实施例是一个双稳态致动装置,在轴向上包含和分布着两个或多个共轴的永磁体,这样它们的磁场是相互反向的。内磁铁,它们可以是圆盘磁铁,可以在一个外壳中在建立的极限位置之间沿轴向自由移动。内磁铁提供了致动装置的输出力,正常情况下,将有一个或多个杆连在位于外壳中的内磁铁上。外磁铁,它优选地是一个圆环磁铁,可以沿轴向在外壳外自由移动。外壳也为外磁铁提供了机械的挡板,然而,允许外磁许比内磁铁多移动一定量,这个量由磁铁的厚度和内磁铁移动的范围构成。因为磁场以典型的排列放置,所以两个磁铁的北极和南极朝向相同的方向,相反的磁场将把内磁铁推动到它行程的一端,而外磁铁将被推动到另一端的机械挡板处。这种相反的磁力是这个致动装置可以得到的力。为了使致动装置转换到另一个双稳态的状态,在被机械挡板阻止移动的外部圆环磁铁上施加一个力,朝向内磁铁轴向地移动这些磁铁。当外磁铁的磁中心线通过内磁铁的磁中心线时,内磁铁经受一个把它们推向相反方向的力。然后,内磁铁移动到行程的另一个极限,外磁铁将继续在相同的方向上移动到远离内磁铁的机械挡板处。现在,在与转变前相反的方向上产生了一个力。用来移动外磁铁(和使致动装置切换状态)的驱动力可以通过多种不同的方法得到,包括手工操作、使用电子线圈或马达、或通过气压或液压。使用电子线圈是特别理想的启动方法,因为简单直接的电子控制允许自动操作。然而,电子线圈不能产生如稀薄的地磁场所产生的力那样大。为了解决这个问题,可以在外磁铁行程的一端或两端加弹簧。当机构被关闭时,这些弹簧可以吸收能量,当机构被切换回初始位置时,这些能量可以被释放。当仍然使用通常不能产生这么大力的小线圈时,弹簧能量直接降低了所需的给予高力致动装置的启动力。弹簧也为外磁铁的切换移动提供了振动吸收功能。这个机构的几个优点应该指出。第一,它是一个自然的双稳态机构,不需要能量来产生致动力。电子线圈的操作特别有益,因为可以脉动线圈来切换双稳态致动机构的状态。仅仅在切换操作中消耗能量。不需要能量来将机构维持在任何一个切换状态。第二,在轴向或对称系统中,内磁铁自然的对准中心,因为它们与外磁铁相反布置。第三,内部的致动装置可以通过壳壁容易地与外部的切换机构隔离。这特别适合于纯粹的致动阀。第四,通过加大磁铁直径或者通过把多个磁铁以北-南/南-北交替地堆积在一起而增加磁铁的长度,或者同时利用这两种手段,可以产生几乎任何想要的力。磁铁的多重堆积可以利用铁或放射状的极化磁铁使用磁聚焦技术来增加内磁铁和外磁铁之间的连接力。用于最大连接力的磁铁尺寸可以用任何想要的机械几何结构和磁性材料计算得到。第五,利用合适的弹簧尺寸,只需要很小的力就能把这个致动装置从一个状态切换到另一个状态。第六,当选择的合适弹簧的能量或启动线圈的力不能把外磁铁固定在一个位置或其他的位置时,致动装置可以正常的开启或正常的关闭。第七,设计紧凑并且容易制造。昂贵的部件仅仅是磁铁。第八,圆环磁铁的可见位置为致动装置的切换状态提供了一个清楚的指示。这个位置可以用一个电路探测和报告给控制结构。第九,切换动作可以快速实施。第十,致动装置行程的长度可以通过选择磁铁的厚度来设置。通过使用这个可以在外壳内产生力的致动装置可以建造一个纯粹的驱动阀,它建立的阀不需要动力杆封口,而在大多数电磁阀设计中需要使用这样的封口。杆体封口的淘汰消除了大多数阀的主要泄露通道。阀是一个常体积阀,因为在切换时没有体积的变化。这意味着大多数阀装置在切换时产生的压力阻止得以消除。因为致动装置仅仅当切换时才需要能量,这也消除了通常由电磁阀产生的热,阀可以制造的具有更高压力或具有更大流动通道。使用这个致动装置的阀可以容易的制造成一个具有合适弹簧的通常的打开或关闭阀。另外,通过在内磁铁致动装置的每端放置一个流动控制部件和流通口,在一个简单的二通切换阀的基础上增加非常小的额外成本来制造一个从开—关到关—开经过开—开状态的三通阀。图2是本发明致动机构的第二个实施例的截面图。图3是图1所示的包括弹簧的致动机构的截面图,表明了致动部件的第一个稳定位置。图4是图3所示的致动机构的截面图,表明了致动部件的第二个稳定位置。图5A-5D描述了致动机构的第三个实施例的分段操作流程。图6是典型致动机构的第一个力——位移曲线图。图7是典型的压缩弹簧的力——位移曲线图。图8是包括弹簧的致动机构合成的力——位移曲线图。图9是致动机构应用于带有阀部件的阀中的截面图,处于关闭位置。图10是图9所示的带有阀部件的致动机构的截面图,处于打开位置。图11是本发明的致动机构应用于一个位移装置的另一个实施例。图12是图11所示的致动机构的侧视图。图13是图11所示的致动机构的顶视图。图14是图11所示的致动机构的一部分沿图11中的线14-14所作的放大的截面图。图15A-15B是根据本发明的一个实施例的致动装置所作的力和潜能与内部件和外部件的相对位移的曲线图。图16描述了一个根据本发明另一个实施例的磁铁致动装置。图17A-17B描述了根据本发明的另一个实施例的致动装置的力和潜能与位移的曲线图。图18A-18B描述了根据本发明的另一个实施例的致动装置的力和潜能与位移的曲线图。优选实施例详述本发明的致动装置总体上以永磁体致动机构,在附图所示的各种实施例中用标号10来指代。在图1-4中,永磁体致动机构10的实施例以它们最简单的形式显示,目的在于图解性的例证操作的基本模式。应该理解,仅仅具有两个磁铁的机构是低效率的,具有以格式化的磁铁装置形式存在的磁铁部件的机构是优选的。参考图1,在第一个实施例中显示了一个简单的双重磁铁致动单元12。双重磁铁致动单元12包括第一磁铁部件14,它以单环永磁体的形式存在,和第二磁铁部件16,它也以单环永磁体的形式安排在所示的公共轴18上。第一和第二磁铁部件具有如图所示的磁极,使磁铁相互排斥。第一磁铁部件14和第二磁铁部件16被一个气隙20隔开,并且被包含在一个壳式的框架22中。框架22具有环形的端盘24和26,用一个圆柱状的套28连接在一起。圆柱状的套28和端盘24和26用一种不能显著影响两个磁铁部件14和16磁性的无磁材料制造。永磁体部件16被固定在一个圆柱销30上,圆柱销可滑动地安装在每个端盘24和26各自的中心孔32中。在图1的实施例中,所示的第二磁铁部件和第一磁铁部件中心对齐,仅仅作为例证。这是一个不稳定状态,因为穿过气隙20的公共极导致了排斥,并且有把第一磁铁部件14和第二磁铁部件16向相反方向驱动的趋势。此外,磁铁部件的位移为了清楚进行了夸大。第一磁铁部件14的位移被相对的挡板34和36限制。挡板34和36在端盘24和26内部做成台阶状的、圆环形的隆起。在图1的双重磁铁致动单元12中,第一磁铁部件14在挡板34和36之间的行程大于第二磁铁部件16在挡板38和40之间的行程。在这个实施例中,第一磁铁部件14是主动部件,第二磁铁部件是从动部件。由于第一主动部件14从一个挡板到另一个挡板的移动,例如,从挡板34到挡板36,第二从动部件16将自动被反向驱动到挡板38。应该理解,通过改变挡板的配置,内部的或第二磁铁部件可以作为主动部件,这样第二磁铁部件16’的行程大于第一磁铁部件14’的行程,如图2所示的双重磁铁致动单元的另一种配置,其细节将在下文描述。为了移动主动磁铁部件来自动影响从动磁铁部件的位移,必须增加一个外部的初始启动器。这可以是如图1所示的电磁的,如图2所示的机械,或一些其他的外部装置。在图1的双重磁铁致动单元12中,用来使第一磁铁部件14相对于第二磁铁部件16移动的外部装置包括一个具有第一和第二电子线圈44和46的电磁驱动器42,它们被配置来产生一个与第一磁铁部件14相反的电磁场。当被选择性地激活时,线圈44和46产生一个穿过缝隙48的形状大致为圆柱状套28的厚度的电磁场。圆柱状套28,至少在图1的实施例中用作一个电磁驱动器,用一种对激活的电子线圈和第一磁铁部件的磁场影响最小的材料制造。每个线圈44或46被设计来产生足够强的电磁场来克服第一磁铁部件14和第二磁铁部件的排斥力,并且驱使第一磁铁部件到对面的挡板。在这一方面,线圈44和46,当被重置到它的挡板34时,被轻轻的偏移到第一磁铁部件的位置。偏移提供了一个平行于磁铁部件14和16的公共轴18的合成力矢量。在最简单的运行中,当第一磁铁部件被置于一个特定的挡板时,最接近第一磁铁部件的线圈被激活。可以发明许多其它简单和复杂的线圈布置。简要的参考图3和4,显示了第一磁铁部件14和第二磁铁部件16相对的稳定位置。参考图2的另一个双重磁铁致动单元12’,外部的初始启动器是一个机械驱动器50。机械驱动器在第一磁铁部件16’的销30’上施加一个力。当销30’和连接的磁铁部件16’从一边被转变到另一边时,排斥的磁场使另一个磁铁部件14’相应地转变到对面的位置。图2的机械单元应用为一个双稳态投掷切换。销30’最好用一种无磁材料制造。在图2的另一个实施例中,销30’的第一端56具有一个电传导接片58,销30’在一个方向的位移,使它移动到与一对分开的终端接片60接触的位置形成一个回路62(部分显示)。在这个简单的机械单元12’应用的例子中,销30’由一个用插销66旋转地连接在销30’上的手工切换杆64和一个安装在端盘24’上的轴心支架68来移动。当销30’被切换杆64向终端接片60移动一小段距离超过图2所示的位置时,第一磁铁部件14’立刻转变到相反的方向驱动第二磁铁部件16’朝向接片60,穿过终端接片60形成回路。应该理解,第一和第二磁铁部件14’和16’对称的和中立的位置仅仅作为例证的目的,因为第一从动部件14’必须从它的两个稳定位置中的一个移动到反向的挡板70或挡板72处。第二主动磁铁部件16’的稳定位置对着两个挡板74和挡板76中的一个,这两个挡板隔开的距离大于挡板70和72之间的距离。现在参考图3和4,以图1的双重磁铁致动单元形式存在的永磁体致动机构10完全根据图1的实施例制造,只是在圆周增加了两个螺旋弹簧78和80。螺旋弹簧78和80各自定位在从端盘24和26上凹陷的线圈座82和84中。在一个优化的设计中,当磁铁部件14和16相反方向地定位在它们各自的挡板时,需要第一磁铁部件14和第二磁铁部件16的磁排斥力最大。因此,没有额外的压缩弹簧,把第一主动磁铁部件从一个位置移动到另一个位置所需的力在移动开始时是最大的,当磁铁对齐它们的不稳定中立位置时减小,其后,变为负的力,直到磁铁又各自定位在它们相对的挡板处。这个力曲线大致是半个正弦曲线。通过选择一个合适的压缩弹簧,在移动过程中,压缩弹簧的力/距离斜率大致与磁铁的力距离斜率相符。其实,当主动磁铁部件在它的磁力行程移动到挡板时,弹簧被压缩,压缩弹簧储存的潜能可以恢复,在主动磁铁部件到达相反挡板的往复位移中辅助它移动。以这种方式,力/位移曲线可以被摊平,这样初始启动器在主动磁铁部件从一个稳定位置移动到另一个位置的过程中,在摊平的曲线中提供了更小的力。应该理解,图1-4中的实施例的目的在于举例并简单的论证所含的原理。正如指出的,使用单个磁铁如第一和第二磁铁部件的装置的效用和效率是有限的。对称的双稳态永磁体致动机构10的流程在图5A-5D中详解。永磁体致动机构10是以标号100指代的典型的多重磁铁致动机构的代表。如图5A所示,多重磁铁致动机构100包括第一磁铁部件102和第二磁铁部件104。第一磁铁部件102由一个多重磁铁组106构成,它具有三个独立的永久圆环磁铁108,由四个包含在外壳112中的四个圆环极片110支撑。第一磁铁部件102是圆环形的,环绕着第二磁铁部件104。第二磁铁部件104由一个多重磁铁组113构成,磁铁组113由三个独立的永久圆盘磁铁114构成,由四个包含在外壳118中的圆盘极片116支撑。在图5的实施例中,第一磁铁部件102包括主动或启动部件,它的位移将导致作为从动或被动的部件的第二磁铁部件104的反向位移。第二磁铁部件104在相对的挡板120之间是可以移动的,其中挡板120位于一个包含结构122中。相似的,第一磁铁部件102在相对的挡板124之间也是可以移动的,其中挡板124位于一个包含结构122中。在轴对称的永磁体致动机构的配置中,从多重圆环磁铁组106和多重圆柱磁铁组113的典型磁铁定位和磁极排列产生的排斥磁场,将使第二磁铁部件104保持在第一磁铁部件102的圆环内的一个同心的浮动位置。在图5A-5D所示的实施例中,永磁体致动机构100包括一对压缩弹簧128,它们位于包含结构的圆环形套130中。正如指出的,当压缩弹簧128移动到它的挡板位置时,它可以吸收施加到第一磁铁部件102上的磁排斥力。第一磁铁部件102和第二磁铁部件104被定位在图5A中的稳定位置,同时第一磁铁部件102被定位在它的右侧挡板124处并压缩所示的右侧弹簧128。第二磁铁部件104被定位在它的左侧挡板120处,同时多重磁铁组113被第一多重磁铁组106的全部磁排斥力推动到挡板处。当施加到第一磁铁部件102的外力把磁铁部件102移向左边时,如图5B所示的箭头方向,第一磁铁部件接触左侧的压缩弹簧128,到达图5B所示的零力或中立位置。一旦通过对齐的中立位置,第二磁铁部件104被突然强制性地移动到它的右侧挡板120处,如图5C所示。由第二多重磁铁组113施加到第一多重磁铁组106上的磁力使第一磁铁部件102被推向它的左侧挡板124,压缩左侧的压缩弹簧128,如图5C所示。第一磁铁部件102和第二磁铁部件104的位置,如图5C所示,是一个稳定的位置,它与图5A所示的位置相反。当施加到第一磁铁部件102上的外力迫使第一磁铁部件102反向移动到右侧的挡板124时,如图5D所示,第二磁铁部件104保持在它的位置,直到第一磁铁部件102通过中立位置,在这一点第二磁铁部件104被突然强制性的推动到左侧的挡板120,如图5A所示,完成循环。当第一磁铁部件被外力移动时,开始时由压缩的弹簧128辅助,弹簧膨胀从先前的压缩中释放它的潜能,借此减少所需的移动第一磁铁部件102的外力的大小。一旦通过中立位置,第二磁铁部件104被移动到它相对的挡板,迫使第一磁铁部件102到它的挡板的磁排斥力被相对的压缩弹簧128的接触和压缩抵抗。使用压缩弹簧或其它能量恢复装置的优点通过图6-8的力——位移曲线来证明。图6显示了典型的施加到没有弹簧的永磁体致动机构的力——位移曲线。图6曲线中的力的数值是否为负或正,依赖于主动部件移动的方向,也就是说,描述的实线向右移,描述的虚线向左移。开始时主动部件102在左侧的挡板124处,如图5C所示,由从动部件104作用在主动部件102上的力最初是大的和正的(也就是说向右的)。当主动部件移向右边时,力变小并且最终达到零。然后从动部件104转变位置,力突然变负,如实心的垂直线所示。当主动部件102继续移向右边时,施加的力进一步变负,如图6实线的末端所示。由于从动部件104位置的转变,力表现出滞后的现象。在右侧的挡板处,当主动部件移向左边时要经受一个大的负力(也就是说,向右)。在到达平衡例如力达到零之前,主动部件继续向左移动。然后力突然变负,如虚的垂直线所示,从动部件再次转变位置。需要指出的是,以上的描述涉及到在图6中描述的标量力但不是实际施加到主动部件上的力,它在位移开始时是正的抵抗移动,在位移末端时是负的辅助移动。由于在转变开始时主动部件和从动部件磁铁的接近,转变力十分大。为了减小转变力,使用了一个压缩弹簧128。图7描述了左侧和右侧的弹簧128的力——位移曲线。作为例子并不丧失一般性,弹簧表现为线性行为。左侧的弹簧施加一个负力(也就是说,向右),当主动部件移向右边时减小,如图7的实线所示。右侧的弹簧施加一个正力(也就是说,向左)抵抗移动,当主动部件移向右边时增加并压缩弹簧。当弹簧128的影响叠加到磁铁的力曲线时,两个力的叠加产生的力曲线如图8所示。主动部件向右(实线)和向左(虚线)移动的力曲线表明,具有弹簧的初始力比没有弹簧的初始力小很多。力逐渐增大到用垂直的实线和虚线指示的转变点。然后,当主动部件被从动部件的转变磁力保留在适当的位置时,不是抵抗位移,而是辅助位移移动到挡板位置。图5所示的多重磁铁致动机构100既是线性对称的又是轴向均匀的。这种基本结构对与主动磁铁部件分开的可移动的从动磁铁部件的位移特别有用。一种理想的应用是隔离的短管阀,如图9和10所示。如图9和10所示,显示了短管阀形式的多重磁铁致动机构130在关闭和打开位置相应的截面图。多重磁铁致动机构130是一个双稳态装置,包括一个初始启动器,形式为一种电磁线圈系统,作为单元的一个整合部件。图9和10所示的多重磁铁致动机构130的结构与图5A-5D所示的多重磁铁致动机构100相似。第一永磁体部件132作为主动部件,第二永磁体部件134作为被致动的从动部件。两个永磁体部件132和134可以在一个包含结构136形式的框架中滑动。包含结构136也包含一个电磁线圈系统138作为第一磁铁部件132位移的初始启动器,它使第二磁铁部件134自动反向位移。包含结构136包括端块140和142,有一个抽头端口144作为典型的高压流体的接头(没有标出)。当一个具有阀座150的内缝148没有被密封球152堵住时,内仓146在液体端口144之间提供了一个通道。可移动的第二永磁体部件134被制造成一个具有密封球152的滑阀,固定在加长的多重永磁体组156末端的一个槽154中。多重磁铁组156包括交替的圆盘磁极部件158和插在壳162中的永久圆盘磁铁部件160。封闭式的磁铁组156可以在阀座150之间移动,其中的球152接触阀座并堵塞流动,止动销164可以防止壳162堵塞球座150对面的仓146一端的内缝166。在一种情况下,液体从缝166绕着多重磁铁绕组156流到缝148。液体可以在相反的方向上流动。在另一种情况下,利用自由浮动滑阀特别适宜于流体测量装置,因为阀仓的有效体积在绕组位移时不变。仓146的壁168制造成一个圆柱形套170,从端块140凸出来。为了允许液体流动,圆柱形套170的内径稍微大于多重磁铁绕组156的外径,它以轴对齐的方式浮在圆柱形套170中。圆柱形套170的外表面172为第一永磁体部件132提供了一个滑动表面。第一永磁体部件132的永磁体组174由一系列永磁体单元176和柱片单元178组成,每个柱片具有圆环形的形状并且与一个外壳180一起形成一个环面。第一磁铁部件130的磁铁单元176和柱片单元178的极性和排列与第二磁铁部件的磁铁单元160和柱片单元158的排列相似,以获得所需的磁排斥。应该理解的是,极性条件和磁铁尺寸和排列可以改变来优化特定应用的操作。所示的排列是无数配置中的一个简单例子。永磁体组174被包含在一个环形仓182中,环形仓由圆柱形套170的外表面172和连接两个端块140和142圆柱形壳单元184的内壁183构成。壳单元184被分隔用来包含三个电磁线圈186,形成电磁线圈系统138,当激活时,促进第一磁铁部件132的位移并使第二磁铁部件134反向位移。如图所示,一个狭窄的气隙188使壳单元184的内壁183与第一永磁体部件132的永磁体组174的壳180隔开。保留在分隔的壳单元184结构中的是压缩弹簧190,当初始启动器运作时,弹簧的运作来减小线圈186所需的荷载,如前面描述的那样。当磁铁组被一个端块142的轴套194上的O型环192密封后,该结构构成了多重磁铁致动机构130。另外,依靠特定应用的操作需求,可以改变弹簧的弹性系数或省略,以改变致动机构的运行性能。当永磁体致动机构需要以最小的成本得到最大的机械位移时,最好采用矩形磁铁配置。优选的矩形结构整合了永磁体组,穿过中心轴平面可能相似,但是不具有图1-4、5A-5D和9-10的同心结构的径向均匀性。现在参考图11-14,显示了多重磁铁致动机构250的另一个实施例,它被设计用于高力系统的应用,要得到典型的机械位移形式的输出。它在闭锁系统、往复式压缩机或引擎和其它想要的力和行程为给定的应用优化的装置中具有特殊的应用。在图11的透视图中,多重磁铁致动机构250具有一个矩形盒状的外形,它的第一磁铁部件252和第二磁铁部件254位于一个框架或包含结构256中。第二磁铁部件254是从动部件,具有一个连接的输出棒258。输出棒258从包含结构256中凸出,可以沿它的纵轴往复移动。输出棒258可以被连接到或构成一个压缩机或引擎的活塞,或者,可以啮合一个冲击板来锁闭或夹紧。包含结构256包括相对的端块260和262,除了穿过端块260的导孔264,它们是一样的。端块260和262被固定在各个端块262和264角上的加长的连接杆266连接。连接杆266可以通过螺纹、锡焊、铜焊或冷成型来固定在孔268中。第一磁铁部件252的永磁体单元,在图12和13的侧视图中也有显示,是一个多重永磁体组270,作为一个单元在四个装配棒272间往复,装配棒272在端块的引导套管274中往复。相似的,第二磁铁部件254的永磁体单元是一个多重永磁体组276,可以在两个装配棒278之间往复,装配棒278被搁置在引导套管280中并且在第一磁铁部件252的位移上反向移动。第一磁铁部件252的多重永磁体组270由两个多重磁铁子单元282和284构成,它们由端框架288连接,这样多重磁铁子单元282和284被安排在第二磁铁部件254的多重永磁体组276的两边,作为串连位移单元共同作用。每个端框架288都具有一个开口(不可见),当第二磁铁部件254的多重磁铁组276被第一磁铁部件252的磁铁组270的两个多重磁铁子单元282和284的反向移动启动时,它可以穿过开口移动。每个多重磁铁子单元282和284由一系列柱片单元290和交替的永磁体单元292构成。在每个子单元中,柱片单元290支撑矩形的磁铁单元292并跨过一个装配棒272。在更长的柱片单元290和端框架288上的孔294允许更短的磁铁单元292通过位于端框架288上装配棒272的穿孔部分298上的螺丝296与柱片单元290夹紧在一起,如图14的部分截面图所示。以相似的方式,第二磁铁部件254的多重永磁体组276由一系列柱片单元300和夹在其间的永磁体单元302构成。外部的柱片单元300a作为磁铁组276隔开的装配棒278的穿孔部分306上的座套螺丝304的末端支撑。两个多重磁铁子单元282和284被调整使第二磁铁部件254的磁铁组276的柱片单元290的机械加工面308的定位接近柱片单元300的相对的机械加工面310,形成一个狭窄的气隙312。以这种方式,通过容易的机械加工和钻孔的通常是钢的柱片单元,容差得以保持,允许使用库存的不需要机械加工或钻孔的矩形永磁体单元。参考图14的部分截面图,端块260有一对壁314作为固定弹簧的止动器316,压缩弹簧318绕着作为串连的位移单元的两个子单元282和284的装配棒272固定在壁中。当第一磁铁部件被移向端块260时,夹紧螺母296也作为接触挡板用来接触和压缩弹簧318。对面的端块262具有相似的构造,它的压缩弹簧318和止动器316提供了同样的捕获能力,在第一永磁体部件往复位移的过程中,把磁性位移力储存在压缩的弹簧中。多重永磁体组276的夹紧螺母304被加长并使尺寸大小合适作为第二永磁体部件254移动时的极限挡板。引导套管274最好是青铜或黄铜,为滑动的装配棒272和278的向下收缩的片断320提供引导。多重磁铁致动机构250的启动通过许多适合该应用的手段中的任何一个来完成。在图12中,接触盘322被固定在第一磁铁部件252的装配棒272的突起端324上,作为主动部件。接触盘322可与常规设计的外部往复系统合用。应该理解,图12-14的具有一个输出棒258的单元可以被修改为包括一个穿过对面端块262的反向输出棒。例如,不同直径的棒在双冲程气体压缩机中可以用作活塞。图12-14的机构当应用为一个压缩机(或扩展器)时具有很大的优势,包括以下1.机械作用可以通过磁连接穿过压缩容器的壁传递,这意味着不需要密封并且不会发生泄露。2.由于磁连接,柱塞是自然顺从的,可以延伸导压缩容器末端的机械硬挡板处,产生极高的压缩率。3.由于新的磁性材料,在紧缩包装中产生极高的力是可能的。4.柱塞的力位移关系非常符合气体压缩的需要。机构可以把一个线性的驱动力转变为非线性的合成力。这个力与距离转变的关系可导致非常高的效率。5.机构是自然双向的,它允许在向前的和反向的冲程中压缩,是传统活塞压缩机的双倍输出。6.调整外部驱动器行程和内部柱塞行程的能力允许驱动器以更小的力获得更长的距离。7.一般,机构是自定中心的,产生离开轴向的小力,它允许简单的低摩擦引导和密封。8.驱动线圈,如果使用的话,是在机构外边的,它们可以被冷却并且尺寸不受限制。这也可以大大的减少传递到工作液体中的驱动器热量。外部的驱动线圈容易冷却,并且外部装置的运动可以驱动空气穿过冷却片。9.与非工作机械的固定力比较,磁剖面图可以用来大大减小所需的驱动力和为其它工作类型的应用改变驱动力为特定的剖面。10.线性运动可以很好的用于低振动压缩机并且可能与一些应用中的共振运作模式结合。11.机构是自然双稳态的,它可以使柱塞总是停止在一端或另一端。不需要担心停止在顶部的死点。12.机构可以做成“按需运行”,当需要额外的压缩时启动后退或前进。本质上,机构在速度的变化上自然是无限的。13.不需要油,所以压缩机可以用于“干净”的应用例如牙医、半导体和其它类型的应用。14.机械可以低振动,这里振动是不想要的。15.机构可以相对安静。16.机构在致动方面可以相对快速。17.没有任何“易弯曲的”部分,像薄膜压缩机一样。18.驱动控制可以非常简单。用一个双向三极管切换的线路激励器,利用正和负的电路来驱动一个方向或另一个方向。如果需要全速,仅需连接到每秒50或60个循环的AC线路。19.行程传感器可以被放置在滑动装置中,这样只要它通过了磁力中心线,驱动的电力就被断开,可以确保行程的完成。这可以节省电力并且大大降低浪费的热量,像螺线管设计中生成的热量一样。20.电子操作没有大的启动电涌。21.设计可以被做成这样,如果内部的柱塞不能移动了,外部的滑块将不能完成它的行程,给出一个主动的指示,内部柱塞被卡住了。22.设计可以里外倒置,柱塞可以被驱动,滑块可以作为移动的装置。当驱动单元需要与一些不利环境例如海水中或爆炸性气体中时隔离时,这种设计很有用。另外,磁铁机构的变化或多重磁铁组的相对定位以及在每一端使用不同的压缩弹簧,如提到的,可以改变位移的性能并允许致动机构适合特定的使用或应用。此外,对称结构,虽然在许多情况下是有好处的,也不是一直需要的。当磁铁的排斥力垂直于第一和第二永磁体部件位移的轴向时,它们可以被包含在包含结构中,放射状或平面对称不是必须的,如图16所示,在下文描述。虽然最初的例证是为了举例说明一个独特的多重磁铁配置来产生拉平的力-位移曲线,图16所示的装置描述了使用面对面的磁铁组作为第一和第二磁铁部件。当为磁铁组准备的空间有限和垂直于行程的排斥力被包含结构控制来维持想要的接近性作为磁铁组之间的优化气隙时,这样的配置可能会很有用。然而,在把注意力转向图16的复杂机构之前,对典型的基本系统作进一步的分析是很有帮助的。上面描述的致动装置的运作参考力和潜能与位移的曲线可以很好的理解。例如,图15A-15B各自描述了上面所述类型装置的主动部件和从动部件的力和潜能与相对位移的标准化图表。由于牛顿第三定律,图15A的力曲线可以被解释为主动部件作用给从动部件的力,反之亦然。位移是主动部件和从动部件相对于互相的相对位移。以相似的方式,图15B的潜能曲线可被认为是描述在主动部件和从动部件中由于磁铁的相对位置而在系统中产生的潜能。例如,在图15A的曲线中,当主动部件从左边移向右边穿过从动部件时,主动部件的磁铁在固定的从动部件上作用一个力。从曲线最左端的垂直线501开始,主动部件被固定在左边的挡板处。一个很大的力作用在从动部件上,朝向右边,依照惯例取作正向。这个力是逆向平衡的,由挡板在从动部件上作用一个相等的或相反的力使它保持在一个固定的位置。当主动部件移向右边时,力按照正弦的形式减小。虽然力减小了,但是潜能增加了,因为磁铁被推的更近了。在一个平衡点503,这是一个主动部件的磁场中心线与从动部件的磁场中心线对齐的地方,力达到零。注意,潜能曲线具有向下的曲率,它表明这个平衡点是不稳定的,也就是说,向左或向右的一个微小推力会驱动主动部件和从动部件相互离开。当主动部件继续移向右边穿过平衡点503时,力的方向从向右改变为向左(负方向),从动部件要移向左边。作用在从动部件上的力大小增加,如果从动部件可以自由移动,它将最终推着从动部件朝向左端的挡板,如垂直线505所示。为了使所需的导致致动的力也就是移动主动部件所需的力平滑,经常想要把力与位移的曲线拉平接近平衡。实现这点的一个方法是利用傅立叶分析原理。实质上,图15A描述的力曲线是一条由内部件和外部件的磁铁厚度决定周期的正弦曲线。正弦的形状可以通过把它与一条具有不同周期的正弦曲线叠加来修改。原则上,在接近平衡处需要提供反力来抵消磁铁的力。这样的反力可以通过,例如,一个与主要磁铁组的隔开距离不同的次要磁铁组来提供。利用傅立叶分析原理,表明如果次级磁铁的尺寸大约为主要磁铁厚度的三分之一,那么力曲线可以在接近平衡的地方被拉平。拉平的量可以通过调整主要磁铁和次要磁铁的相对强度和相位来实现。在图16简化的截面示意图中显示了一个根据本发明另一个实施例的致动装置600。致动装置600通常包含一个主动部件610,一个从动部件620,和一个具有挡板640、642、643、645的框架630。主动部件610和从动部件620包含可以产生相反力的主要和次要磁铁堆。轴618和628各自连接在主动部件610和从动部件620上。轴618和628可以在框架630上的孔632、633、634、635中滑动。轴618、628和框架630可以限制部件610、620沿轴向的运动。挡板640、642、643、645限制部件610、620轴向转变运动的范围。致动装置600可以选择性的在主动部件610的末端和挡板642、645之间包括弹簧650、652来降低上面所述的主动部件的转变力。致动装置600也可以选择性的包括一个或多个电磁线圈(没有显示)在主动部件610上施加一个启动力,如上所述,可以参考图9-10。主动部件610具有永磁体612和616的主要和次要堆611、615。主要堆中的磁铁612的厚度为d,互相用柱片613隔开。次要堆中的磁铁616的厚度大约为d/3,互相用柱片617隔开。从动部件620具有永磁体622、626的主要和次要堆621、625。主要磁铁622的厚度为d,互相用柱片623隔开。次要磁铁626的厚度大约为d/3,互相用柱片625隔开。磁铁612、616、622、626它们的磁极方向如箭头所示。经常想要移动主要和次要堆,这样它们不会互相干涉。在这一点上,主动部件610中的主要堆611可以用一个非磁性的衬片619与次要堆615隔开。相似的,从动部件620中的主要堆可以用一个非磁性的衬片629与次要堆625隔开。作为例子,主要磁铁和次要磁铁的相对强度可以通过改变它们各自的材料组成来调整。例如,钕磁铁在商业上是可行的,它的强度从10兆高斯强度(MGO)到50MGO。另外,主要磁铁和次要磁铁的强度可以通过不同的尺寸来改变。由主要堆和次要堆产生的力的相对强度可以通过改变主要堆和次要堆中磁铁的数量来调整。在图16中描述的在上面所述的致动装置运作过程中次要磁铁的影响可以参考力和潜能与位移的曲线来理解。例如,图17A-17B分别描述了图16所示类型的装置的力和潜能与相对位移理论上的规范化曲线。在图17A中,次级磁铁堆616、626作用的力大约为主要磁铁612、622作用的力大小的三分之一。作为例子,力曲线描述了当主动部件610从左移向右时主动部件610中的磁铁作用在从动部件620上的力。从曲线的最左端的垂直线701开始,主动部件610被固定在左边的挡板642处,从动部件被固定在右边的挡板643处。一个方向指向右边的大力作用在从动部件620上。这个力是逆向平衡的,由右边的挡板643向左施加一个相等的或相反的力。当主动部件610移向右边时,主要磁铁612、622之间的反力减小。潜能增加,因为主要磁铁612、622在互相排斥并被推的更近了。然而,由于次要磁铁616、626之间的不同间隔,次要磁铁中的有些在吸引。合成的吸引力部分的补偿了主要磁铁612、622之间更大的排斥力。结果是,力曲线趋于拉平,如图17A所示。图17B中潜能曲线的峰值也被拉平了。通过增加次要堆相对于主要堆的强度,有可能抵消主要磁铁作用的力到一种使平衡变得稳定的程度。在图18A-18B中描述了理论上的力和潜能曲线的例子。这里,次要堆615、625中的磁铁施加的力大约为主要堆611、621中的磁铁施加的力强度的五分之三。力曲线中一个有趣的特征是,当主动部件移向右边时,力曲线上升到一个有限的正值801处,然后降低到一个平衡值803,也就是零。然后力变负在再次上升之前到达一个有限的负值805处,直到主动部件的运动被右边的挡板645阻止,如垂直线807所示。影响在图8B的潜能曲线中更明显。潜能曲线在接近平衡803的地方有一个轻微的倾斜。这个倾斜表明从平衡点803的小小偏离产生了趋于推动第二个部件620回到平衡点的力。因此,平衡点803是稳定的。应该指出,排斥的磁铁要典型经历一定程度的退磁,有赖于运作条件。不同磁性材料的退磁的程度是不同的。通常,退磁的量依赖反向施加的磁场和温度。当排斥的磁铁用于产生大力时,大的反向磁场作用在磁铁上。永磁体常常具有矫顽性,一种材料属性,可以测量磁铁在反向磁场中抵抗退磁的能力。不同磁性材料的矫顽性变化很大。例如,铝镍钴(ALNiCo)磁铁的矫顽性较低,如果它们互相摆放的足够近,几乎可以完全退磁。相比而言,高矫顽性的稀土磁铁,例如钕磁铁、钐钴磁铁,和那些互相排斥并非常接近却仅仅被少量退磁的磁铁。这个性质使得高矫顽性的稀土磁铁特别适合用于上面所述类型的致动装置。因为这种磁铁通常脆性的,所以它们常常被包在一个材料中间,例如镍、铝或铜,它们可以使磁铁在受冲击时避免破裂。应该理解可以使磁铁和柱片进行其它排列来聚焦或分散磁场力,为特定的应用实现设计所需。另外,正如指出的,永磁体厚度的改变可以改变致动装置的行程。此外,弹簧或其它能量恢复装置的变化允许力/位移曲线为特定的应用被修改和优化。这个说明书目的在于描述运作的原理和几个可以被修改来调整整合在特定应用中的本发明的磁铁致动机构的参数。在上文,详细描述了本发明的几个实施例,目的在于完全揭示本发明,但是对本领域技术人员来说,很明显这些细节可以进行无数的改变但不脱离本发明的实质和原理。权利要求1.一种永磁体致动机构,包含第一磁铁部件,它具有一个永磁体单元,其中第一永磁体部件可以在第一个位置和第二个位置之间移动;第二磁铁部件,它具有一个永磁体单元,其中第二永磁体部件可以在第一个位置和第二个位置之间移动;一个包含结构,其中第一磁铁部件的磁铁单元被定位在与第二磁铁部件的磁铁单元相邻的地方,并且磁铁保持互相排斥;并且,其中所述的第一和第二磁铁部件之一从所述的第一个和第二个位置之一到所述的第一个和第二个位置中的另一个的位移促使所述的第一和第二磁铁部件中的另一个从所述的第一个和第二个位置中对面的一个到所述的第一个和第二个位置其中的另一个反向位移。2.如权利要求1所述的永磁体致动机构,其特征在于,第一磁铁部件的永磁体单元是一个磁铁,第二磁铁部件的永磁体单元是一个磁铁。3.如权利要求1所述的永磁体致动机构,其特征在于,第一磁铁部件的永磁体单元是一个多重磁铁组,第二磁铁部件的永磁体单元是一个多重磁铁组。4.如权利要求1所述的永磁体致动机构,其特征在于,包含结构具有第一个和第二个位移限制,它们限制第一磁铁部件到第一个位置和第二个位置的位移,并且,具有第三个和第四个位移限制,它们限制第二磁铁部件到第一个位置和第二个位置的位移。5.如权利要求4所述的永磁体致动机构,其特征在于,包含结构的位移限制包含挡板。6.如权利要求4所述的永磁体致动机构,其特征在于,包含结构包含一个框架,其中框架具有一个引导第一磁铁部件和第二磁铁部件其中之一位移的装置。7.如权利要求4所述的永磁体致动机构,其特征在于,包含结构包含一个框架,其中框架具有一个引导第一磁铁部件位移的装置和引导第二磁铁部件位移的装置。8.如权利要求1所述的永磁体致动机构,进一步包含,一个弹簧,其中第一磁铁部件和第二磁铁部件其中之一是主动部件,第一磁铁部件和第二磁铁部件其中另一个是从动部件,其中弹簧被包含结构保持在主动部件所述的第一个和第二个位置其中之一,限制主动部件在这点的位移。9.如权利要求1所述的永磁体致动机构,进一步包含,第一个和第二个弹簧,其中所述的第一磁铁部件和第二磁铁部件其中之一是主动部件,第一磁铁部件和第二磁铁部件其中另一个是从动部件,其中第一个弹簧被包含结构保持在主动部件的第一个位置,限制主动部件在这点的位移,第二个弹簧被包含结构保持在主动部件的第二个位置,限制主动部件在这点的位移。10.如权利要求1所述的永磁体致动机构,与一个初始启动器装置接合,其特征在于,所述的第一磁铁部件和所述的第二磁铁部件其中之一是主动部件,所述的第一磁铁部件和所述的第二磁铁部件其中另一个是从动部件,其中初始启动器装置使主动部件在一个方向的移动启动从动部件在相反方向移动。11.如权利要求10所述的永磁体致动机构,其特征在于,初始启动器装置包含一个连接着主动部件的机械致动装置,其中机械致动装置的机械位移使得主动部件位移。12.如权利要求10所述的永磁体致动机构,其特征在于,初始启动器装置包含一个电子线圈,其中线圈的电子启动移动主动部件。13.如权利要求10所述的永磁体致动机构,其特征在于,初始启动器装置包含一个电磁驱动器,它与主动部件的永磁体单元协同作用,其中电磁驱动器的电子启动选择性的使主动部件在第一个方向和与第一个方向相反的第二个方向其中之一移动。14.如权利要求1所述的永磁体致动机构,其特征在于,第一磁铁部件的永磁体单元具有圆环的形状,有一个轴和一个轴向的圆环,第二磁铁部件的永磁体单元具有圆柱的形状,有一个轴,其中第二磁铁部件的永磁体单元被定位在第一磁铁部件的永磁体单元的圆环中间,其中磁铁单元具有公共轴。15.如权利要求14所述的永磁体致动机构,其特征在于,包含结构具有一个壳,使第二磁铁部件的永磁体单元与第一磁铁部件的永磁体单元隔开。16.如权利要求15所述的永磁体致动机构,其特征在于,使第二磁铁部件与第一磁铁部件隔开的壳形成一个仓,第二磁铁部件的永磁体单元可以在仓中往复。17.如权利要求16所述的永磁体致动机构,其特征在于,仓被加长了,它的每一端具有一个缝,其中在缝之间形成了一个通道。18.如权利要求17所述的永磁体致动机构,其特征在于,至少一个缝具有一个阀座,第二磁铁部件的永磁体单元具有密封单元,当第二磁铁部件被移向具有密封单元的缝时,它与阀座啮合。19.如权利要求18所述的永磁体致动机构,其特征在于,第二磁铁部件的具有端部的永磁体单元被加长了,在加长的永磁体单元一端的密封单元是一个密封球。20.如权利要求17所述的永磁体致动机构,其特征在于,第二磁铁部件的具有端部的永磁体单元被加长了,其中永磁体单元在末端的位移选择性的堵塞其中一个缝。21.一种启动永磁体致动装置的方法,该致动装置具有第一个转换器部件,它有一个永磁体单元,磁铁单元具有一个磁极,其中第一个转换器部件在第一个位置和第二个位置之间可以移动,以及第二个转换器部件,它有一个永磁体单元,磁铁单元有一个磁极,其中第二个转换器部件可以在第一个位置和第二个位置之间移动,该方法包括限制所述的第一个和第二个转换器部件的位移,这样第一个和第二个转换器部件被接近地定位,同时当所述的第一个和第二个转换器部件各自位于所述的第一个和第二个位置时,第一个转换器单元的永磁体单元的磁极与第二个转换器部件的磁铁单元的磁极是相反的;从所述的第一个和第二个位置其中之一移动所述的第一个和第二个转换器部件,这样第一个转换器部件的永磁体单元和第二个转换器部件的磁铁单元之间的磁力启动所述的第一个和第二个转换器部件其中另一个从所述的第一个和第二个位置反向移动到所述的第一个和第二个位置其中另一个。22.一种永磁体致动装置,包含第一个转换器部件,它有一个具有磁极的永磁体单元,其中第一个转换器部件可以在第一个位置和第二个位置之间移动;第二个转换器部件,它有一个具有磁极的永磁体单元,其中第二个转换器部件可以在第一个位置和第二个位置之间移动;用来限制所述的第一个和第二个转换器部件位移的装置,从而第一个和第二个转换器部件可以接近地定位,同时当所述的第一个和第二个转换器部件各自位于所述的第一个和第二个位置时,第一个转换器单元的永磁体单元的磁极与第二个转换器部件的磁铁单元的磁极是相反的;用来使所述的第一个和第二个转换器部件从第一个和第二个位置其中之一移动的装置,这样第一个转换器部件的永磁体单元和第二个转换器部件的磁铁单元之间的磁力启动所述的第一个和第二个转换器部件其中另一个从所述的第一个和第二个位置移动到所述的第一个和第二个位置其中另一个。23.如权利要求22所述的永磁体装置,其特征在于,第一个转换器部件的永磁体单元包含一组永磁体,并且第二个转换器部件的永磁体单元包含一组永磁体。24.如权利要求23所述的永磁体装置,其特征在于,第一个转换器部件和第二个转换器部件中的各组永磁体用柱片分隔。25.如权利要求23所述的永磁体装置,其特征在于,第一个转换器部件的永磁体单元包含第一组和第二组永磁体,第二个转换器部件的永磁体单元包含第一组和第二组永磁体,其中第一组永磁体具有一个厚度,第二组永磁体具有的厚度大约为第一组永磁体厚度的三分之一,当所述的第一个和第二个转换器部件其中之一相对于所述的第一个和第二个转换器部件移动时,第二组永磁体的厚度是被选择好的并且被排列来拉平转变力曲线。26.如权利要求25所述的永磁体装置,其特征在于,各组永磁体被柱片分隔并且成堆排列,第一个转换器部件成堆的永磁体被安排在第二个转换器部件的永磁体附近。全文摘要一种永磁体双稳态致动机构(250),它利用磁排斥进行致动,致动机构(250)具有含有永磁体单元(252)的第一个转换器部件(252),可以在第一个位置和第二个位置之间移动,和含有永磁体单元(254)的第二个转换器部件(254),可以在第一个位置和第二个位置之间移动,同时永磁体单元(252、254)互相排斥,转换器单元(272)被按照在框架(260、262、266)或包含结构(256)中,它们可以限制第一个和第二个转换器部件(252、254)的位移,其中一个转换器部件作为主动部件(252),另一个作为从动部件(254),这样主动部件(252)从一个位置到另一个位置的位移使从动部件(254)在相反的方向移动,位移过程可以反向。文档编号H01F7/08GK1418366SQ01806638公开日2003年5月14日申请日期2001年3月15日优先权日2000年3月16日发明者约翰·彼得罗申请人:奎兹克斯公司

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