CN103095000A - 机电有限转动式旋转促动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电有限转动式旋转促动器，包括：定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的弧形端部。转子包括径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述孔中。在所述磁体和所述齿的端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩。电磁线圈围绕着一个齿的至少一部分延伸，并且能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

Description

机电有限转动式旋转促动器

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年9月26日提交的题目为“ElectromechanicalRotary Actuator and Method”的共同所有的申请No.61/539172的优先权，其全部内容在这里被引用作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及机电促动器，尤其涉及其输入为电流并且其输出为在大范围转动角度上提供的转矩的机电有限转动式旋转促动器。

背景技术

机电旋转促动器是公知的并且用于许多工业和生活应用。它们尤其用在光学扫描领域，其中光学元件连接在促动器输出轴上，该促动器输出轴则按照振荡的方式来回转动。

例如，通常将反射镜连接在旋转促动器的输出轴上以便形成光学扫描系统。在该应用中，促动器/反射镜组合可以在大范围角度上改变光束的方向或者改变摄像机的视野，从而它能够观察多个目标。

同样可以将其他光学元件连接在输出轴上。例如，可以将棱镜或滤光器连接在轴上，并且促动器轴的转动能够改变棱镜或滤光器的角度。如果采用介电滤光器，则改变滤光器的入射角度将使得带通波长特征变得更高或更低，因此能够将光学系统调节至特定的波长。替代性地，能够使得棱镜或滤光器转动完全进入和离开光路，因此能够对光束进行选择性过滤。

还有一个应用是将臂连接在促动器输出轴上，该臂由不透明材料例如涂黑金属制成。促动器轴的转动使得臂转动进入和离开光路，因此提供了遮光作用。

许多公知的旋转促动器只提供了两个分离的旋转角度，并且促动器的作用在于按照数字开-关方式在这两个角度之间改变输出轴。这些促动器通常还伴随着机械冲击作用(振动)，其中旋转惯性负载在角位移行程的最后必须突然停止。该机械冲击对于光学应用而言非常不好，因为该冲击会传递给其他光学元件，从而产生干扰以及声学噪声。

除了无冲击促动之外，与光学扫描相关的应用还期望，可用的转动角度范围实际上是无穷的，并且可以按照模拟的方式控制和重复。有时，可能需要5度的转动角度，并且有时可能需要10度的转动角度。还有一些时候，需要一些中间的角度，例如6.54度。

在可用的输出角度范围实际上是无穷的情况下，要求有一些根据外部信号来控制促动器输出角度的方法。为此，存在两种方法，开环控制和闭环控制。

在采用开环控制时，促动器通常必须具有一些类似弹簧的回复机构，从而在没有给促动器施加电流时，类似弹簧的机构将使得轴回到标定角度。然后，在给促动器施加的输入电流量改变时，这将改变由促动器产生出的转矩大小，并且因此改变施加给弹簧的转矩大小，这将控制促动器的输出角度。这样，在由促动器产生出的输出角度和施加在促动器上的输入电流之间存在直接关系。但是，开环控制的线性度在很大程度上取决于促动器的转矩-角度特性以及类似弹簧的回复机构的转矩-角度特性。在这些材料或结构内的迟滞作用也会使得输出角度-输入电流关系变差，因此降低可重复性。最后，开环控制的速度取决于可接受的超调量。如果需要更高的速度，则通常需要更复杂的控制方法来人工地给系统增加阻尼以便控制超调。

在采用闭环控制时，促动器必须装有角位置传感器，这通常连接在外面。然后伺服系统给促动器施加电流以使得轴沿着使得在外部要求的角度和由角位置传感器感测到的促动器输出角度之间的差异最小的方向运动。闭环控制可以提供高的多的速度、线性度和可重复性，但是由于所需的角位置传感器和伺服控制电子器件当然更复杂并且更昂贵。

不论是采用开环控制还是采用闭环控制，在光学扫描领域中都期望促动器的性能在去除外部电流——例如使得输出轴回到标称的中央角位置——时是可预测的。在许多公知的促动器中，该回到中央的动作由金属弹簧提供，其可以是盘簧、片簧或扭杆。在其他已知的促动器中，采用磁性结构或其他磁体来使得促动器回到中央。

关于“回中”机构，虽然金属弹簧能够在大范围角度上提供线性的回复力-角度特性，但是他们能够如期望地那样工作的角度范围有限，该角度范围通常为25度或更小。超过所设计的角度范围将导致使用寿命大大缩短或者甚至弹簧出现瞬时断裂。另外，虽然磁性结构技术或其他磁体能够提供不会疲劳或断裂的回中动作，但是回复力-角度特性通常不是线性的，并且实际上可能会是完全非线性的。

在光学扫描领域以及其他领域中，促动器最好能够提供尽可能宽的角度输出范围。在将反射镜连接在输出轴上时，促动器的角度越宽所提供的扫描角度就越宽。在将不透明元件连接在促动器上时，来自促动器的更宽角度提供更大的遮光角度。但是，没有发现公知市售的促动器在提供模拟控制能力的同时能够提供超过大约+/-25机械角度的角度范围。

因此需要这样的机电旋转促动器，它能够提供宽角度能力，并且能够提供线性电流-角度特性。还有，需要这种促动器还能够提供自阻尼特性以改善在用于开环控制时的速度。

发明内容

根据本发明的教导，一种机电有限转动式旋转促动器可包括：定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部。转子具有至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩。电磁线圈围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

一个实施方式可以包括电磁促动器，其角度运动范围超过+/-80机械度，并且其结构使之很容易组装并且制造很便宜。这些实施方式可以提供线性输出角度-输入电流特性，并且还可以提供自阻尼。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在参照结合附图给出的下面详细说明，这些附图显示出本发明的各个实施方式，其中：

图1显示出本发明的机电促动器；

图2显示出本发明的促动器的分解视图；

图3显示出本发明促动器的另一个分解视图；

图4显示出包括有磁体和轴的本发明的一个转子组件；

图5示意性地显示出根据本发明教导的一个磁路；

图6A和6B显示出单独的定子部分，在该情况中显示出定子组件的左半部和右半部；

图7显示出具有所示特征的单独迭片的顶视图；

图8显示出这些迭片如何分层布置以及它们如何通过尖端和凹槽一层层交替来层叠以形成定子部分；

图8A和8B显示出在这些层内的迭片如何按照尖端和凹槽一层层交替的配合方式层叠在一起以形成定子；

图9和9A分别显示出根据本发明教导的四极和三齿的实施方式；

图9B显示出可以将四极实施方式分割成多个部分的一种可能的方式；

图10显示出包括有两个定子部分的本发明的定子组件；

图10A显示出组装成定子组件的多个迭片的顶视图，并且显示出迭片层的重叠区域；

图11和11A显示出根据本发明的教导可以采用的迭片的替代实施方式；

图12显示出本发明的带槽实施方式。在该实施方式中，线圈没有围绕着径向面向内的齿设置，而是这些线圈设置于在转子磁体外面径向定位的槽中；

图12A显示出其中可以将带槽实施方式分成多个部分的一个可能的方式；

图13显示出其气隙自始自终都相同的磁路；

图14显示出其气隙为椭圆形即在左右两侧上比在顶部和底部上更宽的磁路；

图15显示出本发明促动器的回复转矩-角度曲线(按绝对值计)；

图16显示出具有不对称气隙的磁路，该磁路具有其气隙自始自终都相同的径向相对的部分和其气隙是椭圆的另一个径向相对的部分；

图17显示出本发明促动器的输出转矩-角度曲线；

图18显示出本发明促动器的回复转矩变化率（restoration torquerate）-角度曲线(按绝对值计)；并且

图19以示例的方式显示出根据本发明教导的促动器的输出角度-输入电压曲线。

具体实施方式

下面将参照这些附图对本发明进行更全面的说明，在这些附图中显示出本发明的优选实施方式。但是本发明可以按照许多不同的形式实施，并且不应该被结实为局限于在这里所给出的实施方式。相反，这些实施方式的提供使得该说明书是清楚完整的，并且将本发明的范围全面传递给本领域普通技术人员。相同的附图标记始终表示相同的元件。

首先参照图1、2、3和4，这些附图以示例的方式显示出本发明的一个实施方式，即包括具有轴14的转子组件12和可与轴一起操作的至少一个磁体16的机电旋转促动器10。定子组件18包括至少两个定子部分20、22，其中每个定子部分包括朝着磁体16延伸的齿24、26。来自定子部分20、22中的每一个的第一和第二突出部28、30通过形成定子部分20、22的交替相邻迭片32、34的交替连接（interleavedjoining）而形成为一体。突出部28、30与每个齿24、26间隔开。在每个定子部分20、22内的每个齿24、26包括凹形自由端36、38，这些自由端一起形成用来容纳磁体16的孔40，如参照图5进一步所示的一样。电磁线圈42、44围绕着在每个定子部分20、22中的每个齿24、26延伸。

要指出的是，在本文中，术语左、右、顶部和底部在该说明书中用来在阅读说明书和观看附图时帮助理解本发明的实施方式。这些术语通常是相对于附图而言的，并且不是用来进行限定。

继续参照图1-3，在这里以示例的方式说明的促动器10包括转子组件12和具有转子支撑件46的定子组件18以及具有前表面部分50和后表面部分52的外壳48。前表面部分50和后表面部分52采用在这里表示为54A、54B、54C和54D的外壳螺钉54和在这里表示为56A、56B、56C和56D表示的外壳管状件56相互固定。如继续参照图2和3所述的那样，转子支撑件46包括滚珠轴承。在前表面部分50和后表面部分52中设有在这里表示为58A、58B、58C和58D的孔58，用于容纳管状件56。如后面在这个部分中更详细描述的一样，中央柱60——这里为两个柱60A、60B——连接在这些表面部分50、52之间。四个外壳管状件56被引导穿过在迭片32、34中的孔62。如所示一样，根据需要可以设置四个、六个或其他数量的孔62。外壳管状件56将迭片32、34保持为所期望的排列方式。外壳管状件56还穿过在外壳表面部分50、52中的孔58。外壳螺钉54将结构元件的这种组合保持在一起。

要指出的是，将定子组件18保持成与转子组件12精确对准还可以有其他可能的方法，因此虽然在示例性实施方式中采用了在这里所述的外壳48，但是这不是进行限定。可以采用任意已知的用于将促动器部件保持在一起的手段。

如上所述并且继续参照图2和3，促动器10还包括转子支撑件46。在优选实施方式中，转子支撑件46包括滚珠轴承，这些滚珠轴承安装在输出轴14上以及可选地安装在副轴14A上，并且分别连接至前表面部分50和后表面部分52上，用来将转子组件12悬置到精确的中央径向位置，同时使得转子组件能够自由地转动。但是要指出的是，也可以采用挠曲部（flexure）来作为转子支撑件46。

如上所述，并且如参照图4所示一样，促动器10的转动部分即转子组件12包括输出轴14和转子磁体16。替代的实施方式还可以包括副轴14A，例如可以根据需要将角位置传感器或其他外部部件连接到副轴上。

继续参照图4，在一个优选实施方式中，如参考图5所示，转子磁体16可以为单个实心圆柱形磁体，其具有单个北极64和单个南极66。该磁体16可以按照提供径向磁通的方式磁化，并且因此该磁体是“径向”磁化的，从而提供在径向上与南极66相对的北极64。如在这里所述的一样，径向磁化的磁体16因此提供大体沿着单一方向延伸穿过磁体的磁力线66，如参照图5所示一样。虽然优选采用圆柱形转子磁体16，但是也可以采用其他形状，例如其侧面削平为具有平坦表面的形状。如将在下面更详细描述的一样，还可以采用多个磁体，只要它们都磁化并且排列为提供沿着所期望取向的磁力线66。而且，虽然优选的示例性实施方式采用了双极磁体16，但是也可以采用具有更多磁极的转子磁体，只要定子齿24、26的数量进行相应调整就可以。

在一个优选实施方式中，磁体16由烧结钕铁硼材料制成。这提供了很高的磁通输出并且根据磁体材料的等级使得促动器10能够在大约-55摄氏度到超过+100摄氏度的温度下工作。但是，对于磁体16可以采用其他材料，例如AlNiCo、钐-钴、陶瓷材料等。用于磁体16的材料也可以是粘结的，例如粘结的钕铁硼或粘结的钐-钴，这将提供更低的转子惯性，但是提供的磁通输出也更低，因此提供更低的转矩输出。

在优选的实施方式中，输出轴14和可选的副轴14A由不锈钢制成，但是实际上可以采用任意材料，只要该材料能够承受由促动器10产生出的转矩和在操作环境内连接到促动器上的任意外部负载即可。

另外，输出轴14和可选的副轴14A可以与磁体16形成为一体，或者可以采用粘接剂例如环氧树脂连接在磁体上。但是，可以采用任意已知的粘接剂，只要它能够承受施加在转子组件12上的转矩和任意侧面负载。还可以形成具有延伸穿过在磁体16中的孔的单轴、或者具有其上连接多个磁体的单轴的转子组件12。

再参照图4，在示例性实施方式中，转子磁体16其直径70为0.25英寸，并且其轴向长度72为1英寸，而且输出轴14和副轴14A具有0.187英寸的直径74以及沿着每个轴向方向延伸0.75英寸的轴向长度76。所得到的转子惯量为0.55克平方厘米。虽然这些参数是用于示例性的制造的实施方式，但是它们不打算用来进行限定。

再次参照图1-3，并且参照图6A和6B，定子组件18即促动器10相对于转子组件12保持固定的部分包括多个薄金属片，这些金属片如上所述在本文中被称为迭片32、34。组装成定子部分20、22的这些迭片32、34形成为所期望的形状以增强参照图5所示的磁路78。每个迭片32、34的形状可以通过金属冲压、激光切割、光蚀刻、水喷射切割或者其他已知的金属板成型方法来形成。在优选的实施方式中，迭片32、34由公知为M-19的硅钢材料即专门针对电机和变压器制造的材料制成。但是，也可以采用许多不同的材料，只要该材料是导磁的即可。几种可能的替代材料包括冷轧钢(例如Q-195)和磁性不锈钢(例如不锈钢416)。

如将在这里所述的一样，例如，通过将上面参照图2和3所述的、并且现在继续参照图6A和6B进一步详细说明的、而且现在将参照图7和8说明的第一和第二突出部28、38选择性地配置、使定子部分20、22的层叠结构80A、80B结合，从而形成参照图1所示的形成定子组件18的一部分的层叠结构80。

如参照图7和8所示一样，每个迭片32、34具有尖端状突出部（point-shaped protrusion）28和凹槽状突出部（socket-shapedprotrusion）30。对于在这里所述的实施方式而言，例如每个迭片具有前面参照图2和3所述的径向面向内的齿24、26。如上所述，通过如图8所示一样一层层将迭片32、34层叠、从而使得尖端状突出部28和凹槽状突出部30隔层交替（如参照图6A和6B的针对层叠迭片80A、80B所示出的那样），形成定子部分20、22。应该指出的是，这是优选的构造方法，也可以采用其他层叠方法，例如这样的方法：其中，具有朝右的尖端状突出部28的两个迭片34之后是具有朝左的尖端状突出部28的两个迭片32。然后使得具有迭片80A、80B的定子部分20、22滑插到一起以形成具有参照图1所示的迭片80的最终定子组件18。

例如，图8A和8B显示出在这些层内的迭片如何按照尖端和凹槽一层层交替的配合方式层叠在一起以形成定子。

在如在这里以示例的方式所述的一个优选实施方式中，只有两个定子部分20、22，分别为右定子部分和左定子部分。这是用于转子组件12的优选结构，其磁体16如上所述具有两个磁极64、66。但是，还可以形成具有三个或更多个定子部分的促动器10A，例如参照图9所示的四极实施方式或者参照图9A所示的三极实施方式，只要在定子部分的迭片80内存在重叠区域82即可——如参照图1、6A和6B所示的那样。如图9A所示，三极实施方式例如包括多个齿24、26、26A。另外，虽然每个定子部分20、22如上面以示例的方式所述一样包括单个齿24、26，但是单定子部分84可以包括多个齿或单个齿86，如图9B所示，其中定子部分84A包括齿86A，定子部分84B包括齿86B，定子部分84C包括齿86C，并且定子部分84D包括齿86D。

在采用了尖端和凹槽方案的典型定子组件中，迭片的取向在所有层中都相同。因此，在尖端和凹槽之间总是存在小气隙，因为这些表面不可能完全配合。由于这个小气隙，与没有断开的单个迭片相比，导磁率更低，并且磁阻更高。这降低了促动器的性能。然而，在本发明的实施方式中，尖端88和凹槽80的布置方式是在每个迭片层32、34上交替，从而如参照图1、6A和6B所示一样，在这些迭片32、34之间形成重叠区域82。即使在各个迭片层例如相邻层上在尖端41和凹槽42之间存在小气隙，但是如参照图10和10A进一步所示的一样，由于该重叠区域82，该气隙由相邻层上的导磁迭片材料有效填充。最终的结果是导致导磁率和磁阻与在迭片没有分成多个定子部分的情况下基本上相同。重叠区域82可以为任意长度，但是通常重叠量越大则提供的性能越高。

参照图5，磁路78由转子磁体16和定子组件18形成。磁通92离开磁体16的北极64，越过磁性气隙94，并且到达左齿26的顶部和右齿24的顶部。磁通92沿向着左齿26的底部96和右齿24的底部98的方向延伸穿过定子组件18，从而最终磁通部分100越过磁性气隙94并且回到磁体16的南极66。

继续参照图5并且参照图2和3，为了从促动器10中产生转矩输出，将导电材料线圈42、44围绕着定子部分20、22的左齿26和/或右齿24设置，并且电流流过左线圈和/或右线圈，从而使得相应的齿有效地转变为电磁铁。虽然围绕着一个定子部分20或22的单个齿24或26设置的单个线圈(左线圈44或右线圈42)将会产生出转矩输出，但是围绕着每个齿24、26设置线圈能够提供更高的转矩输出能力，并且还能够为驱动电子器件提供更大的灵活性，只要每个线圈导线可以由驱动电子器件接通即可。

对于具有两个定子部分20、22即左边部分22和右边部分20的促动器10而言，参照图5，在电流以左顶齿部102和左底齿部104变得更加北极化的这种极性流经左线圈44时，这产生顺时针转矩，因为磁体16的北极64将受到左齿26的顶部102推斥，并且磁体16的南极66将受到左齿26的底部104吸引。在电流反向时，转矩的方向也反向。转矩与施加在线圈44上的电流大小成正比地产生。理想的特征包括，线圈42、44可以被双向激励以便使得齿24、26磁化，从而给转子组件12提供双向转矩。

在具有齿的典型促动器上，通常每个迭片层是实心的(即没有分成多个部分)，并且每个线圈必须缠绕在完全组装好的定子上。在这种定子上缠绕线圈困难并且成本高，因为导线首先必须位于外面并且必须一匝匝地缠绕在每个齿上。由于各个促动器齿紧密相邻，所以这是相当困难的。另外，采用这种方法还难以实现最佳的铜垫（copperpacking）。因此这是成本更高的方案，并且导致不是最佳的性能。

相反，由于对于本发明实施方式而言迭片结构80包括采用了尖端和凹槽方案的分离式迭片32、34，所以这使得定子组件18能够作为定子部分20、22进行组装。因此，可以很容易将线圈42、44设置在每个定子部分20、22上，因为没有任何其他齿阻挡。可以通过机器将线圈42、44直接缠绕到定子部分20、22上，或者替代性地可以将线圈单独缠绕到卷筒上、或者采用可粘结磁导线形成，然后简单地滑套到每个定子部分20、22的齿24、26上。一旦线圈42、44设置到位，则可以使得定子部分20、22滑插到一起。该结构提供了非常廉价并且方便的组装定子组件18的方式，并且还能够实现最大的导体垫，因此实现了最大的促动器性能。

虽然已经将这些迭片32、34描述为具有尖端和凹槽结构88、90，但是这些迭片也可以具有简单的钝边、圆化边缘或其他突出结构，只要在这些迭片层之间设有重叠区域82即可。当然，尖端和凹槽结构88、90组装容易并且因此是优选的。

另外，虽然上述的迭片显示出单个迭片类型——其具有交替的、用在所有定子部分上的尖端和凹槽，但是也可以采用两种或更多种的单独迭片类型，并且这仍然落入在本发明的范围内。作为非限定实施例，图11显示出一个迭片其大体上形成没有如上所述的第一和第二突出部的字母“T”形，而另一个迭片大体上形成字母“W”形以便按照径向方式与“T”配合并且具有大致相等的第一和第二突出部。如参照图11A所示，使得这些T和W形迭片交替可以形成前面参照图6A、6B和10所述的叠层结构80。

例如，如图12所示，根据本发明教导的一个磁路包括单个线圈42，其安放在从转子磁体16径向向外设置的区域处，从而两个齿24、26由单个线圈激励。这种磁路也可以形成为分成如图12A所示的定子部分20、22的定子。与上述其他定子实施方式一样，将定子组件18分成多个部分20、22能够方便在组装期间将线圈42插入。在整个说明书中所述的所有操作原理都适用，并且为了方便理解，图12和12A的左边部分按照与上述针对图5的左齿26所述一样的方式工作，并且图12和12A的右边部分按照与图5的右齿24相同的方式工作。

参照图10，在示例性实施方式中，定子组件18的迭片80其宽度80W为1英寸，其长度80L为1.5英寸，并且其轴向深度80D为0.9英寸，而且每个迭片32、34厚度为0.025英寸。参照图2和3，独立的线圈42、44每个为0.3英寸宽，并且每个缠绕有500匝AWG#33可粘结铜磁导线，并且缠绕在每个齿24、26上。在两个线圈42、44串联时，所得到的串联电阻大约为50欧姆，并且电感大约为190毫亨。促动器10的峰值转矩输出为1,600,000达因-厘米/安培(22.06盎司-英寸/安培)。虽然这些数值只是用于示例性的实施方式，但是它们不是用来进行限定。

参照图7，为了降低角位置迟滞作用并且因此改善角位置可重复性，每个迭片齿24、26可以结合有深沟槽或槽106。深沟槽106迫使来自磁体16的磁通完全循环通过齿26的整个长度。这也有助于使得在齿24、26内的磁通密度在磁体16的转动角度改变时保持相对恒定。由于在迭片齿24、26内的磁通密度在整个转动角度范围上相对保持相同，所以迭片材料的导磁率也相对保持相同，因此线圈电感在整个转动角度范围上也相对保持相同。

在促动器的线圈电感根据转动角度改变时，这被称为电感调制。实际上，在典型促动器中，电感确实随着角度改变。其电感不会随着角度改变很多的机电促动器是非常期望的，因此这是本发明所要满足的一个要求。

继续参照图7，深沟槽106优选具有深入到齿24、26的深度108，该深度通常与线圈42、44的宽度110一样深，如参照图5所述一样，但是也可以采用其他深度。沟槽或凹槽106的宽度112并不重要。但是制造技术将通常要求宽度112至少与迭片32、34的厚度一样宽。宽度112通常应该做得不会比在齿24、26的自由端之间的分隔部114更宽。在示例性实施方式中，深沟槽106为0.030英寸宽，并且在齿24、26之间的分隔部114为0.040英寸宽。随着这些尺寸用于示例性实施方式，但是它们不是进行限定。

现在参照图13，前面参照图5所述的磁性气隙94如图13所示一样可以在磁体16周围自始自终相同，或者磁性气隙94可以在左边部分94L和右边部分94R上比在顶部94T和底部94B处的气隙更宽，如图14所示以及如前面参照图5所示一样。在磁性气隙94在磁体16周围自始自终相同并且没有给线圈42、44施加任何电流时，在磁体上将会施加轻微的回复转矩，从而趋向于使得北极64朝着+45度、-45度、+135度和-135度的角位置取向。因此，在该结构中，在没有给线圈42、44施加任何电流时存在四个“稍微优选的”角位置。例如，磁体16自身将取向为“优先选择”四个单独位置。因此，存在磁体16的“偏好”。但是，在使得磁性气隙94在磁体16的左边气隙94L和右边气隙94R上更宽并且没有给线圈42、44施加任何电流时，在磁体16上将施加强的回复转矩，从而趋向于使得北极64朝着+90度(在附图中竖直向上取向)或者-90度(在图中竖直向下取向)取向。因此，在该结构中，在没有给线圈42、44施加任何电流时存在两个“非常优选的”角位置。根据上述的术语，磁体16对于两个分离的角位置将会有非常强烈的“优选”意愿。该回复转矩的强度取决于气隙在左边和右边上与顶侧和底侧相比宽多少。这个非常优选的角位置为促动器提供了类似弹簧的回中（return to center）作用(回复转矩)，这是非常理想的。

而且，磁性气隙94的形状(如这里以示例的方式所示的圆形或椭圆形)控制着回复转矩的转矩-角度曲线的线性度。在磁性气隙94如图14所示一样从顶部-底部朝着左右持续增大时，回复转矩-角度曲线116将是平滑的，并且如参照图15的曲线图所示一样大致为正弦曲线。但是，如果磁性气隙94突然改变(即，如果形状具有不连续性)，则回复转矩-角度取向也将具有不连续性。

如图16所示，本发明的一个实施方式可以包括其气隙118为不对称的磁路，即具有其气隙118A在预定区域周围自始自终相同的径向相对的区域和其气隙118B在整个预定区域上变化的另一个径向相对的区域。在这种情况下，与逆时针运动相比，顺时针运动时的转矩-角度曲线是不同的。这对于“反射镜快速翻转装置（mirror flipper）”应用而言是理想的。

在一个示例性实施方式中，磁性气隙94的形状制作成椭圆形，其顶部和底部半径为0.145英寸，并且左边和右边半径为0.185英寸。假设示例性圆柱形转子磁体16其直径70为0.25英寸并且其轴向长度72为1英寸而且定子组件深度80D为0.9英寸，则得到大约318,150达因-厘米的峰值回复转矩或在中央角度范围上为大约10000达因-厘米/角度的峰值回复转矩。但是，虽然这些尺寸和数值用于示例性实施方式，但是这些不是用来进行限定。

另外根据本发明的教导，定子组件18可以包括其气隙在磁体16周围自始自终相同的一些迭片，例如参照图13所述的，并且其他迭片可以具有不同的气隙，例如参照图5所述的。还有，一个迭片或预定数量的相邻迭片可以形成一个气隙(图13)，并且其他预定数量的迭片可以形成不同的气隙(图14)。

通过采用径向磁化的圆柱形磁体16，得到正弦的磁通-角度曲线。这对于促动器而言又产生出大致为正弦的输出转矩-角度曲线120(在向线圈42、44施加电流时)，如图17所示。而且，如上所述，采用其宽度从顶部-底部朝着左右持续增大的磁性气隙94，得到大致正弦的类似弹簧的回中转矩曲线122、116，如参考图18以及图15所示一样。在这种结构中，由于输出转矩-角度曲线120的形状(在向线圈施加电流时)与类似弹簧的回复转矩-角度(回中)曲线相同，所以最终结果是输出角度-输入电流曲线在大约+/-60的机械角度上几乎是线性的。例如，图19显示出所得到的输出角度-输入电压曲线。输入电流由用来驱动两个线圈(在这里这些线圈串联连接)的输入电压得到。本发明的促动器10具有超过+/-80机械度的有效范围，其中输出角度-输入电流的线性度有些下降。非常宽的角度性能以及非常线性的输出角度-输入电流曲线都是不寻常的，并且都是本发明的非常期望的方面。

如再次参照图17所示一样，通过使得磁性气隙94增大而得到的回中回复转矩120实际上确实提供了“类似弹簧的”作用。这与外部负载的惯性一起产生了弹簧-质点系统，这具有相应的谐振频率。在给促动器10施加脉冲型电流时，该弹簧-质点体系将会超调并且以谐振频率振荡。通常，该振荡会持续10个或更多个周期，这是具有弹簧回复和惯性负载的促动器的典型特征。为了降低超调和振荡，需要加入阻尼。

在典型促动器中，通常采用机械阻尼材料或采用电学技术例如受控驱动阻抗或反电动势回馈来从外部加入阻尼。在本发明中，可以采用一个或多个“短路线匝（shorted turns）”来给促动器加入阻尼。

在本发明的一个实施方式中，例如参照图2所示一样，在一个或两个线圈42、44上设置薄铜套筒124，其中这些套筒124围绕着线圈的外周延伸。在示例性实施方式中，每个套筒124为0.290英寸宽并且用0.020英寸厚的铜制成。这在通常的惯性负载情况下为促动器粗略地提供重要的阻尼。

再次参照图2和3，一个实施方式包括中央柱60A、60B，它们从外壳前表面部分50朝着外壳后表面部分52延伸。这些导电柱60A、60B的一个端部与外壳表面部分间隔开，其中设置于外壳后表面部分52中并且连接到柱60A、60B上的导电螺钉126的连接将有效地产生出短路的线匝（shorted turn），该短路的线匝从外壳前表面部分50经由柱60A、60B延伸至外壳后表面部分52。这种结构的理想特征在于，在从外部提供阻尼的情况下，在这里描述为126A、126B、126C和126D的螺钉126可以完全去除，并且也可以根据所用的螺钉126的数量和螺钉126的拧紧度来控制阻尼的程度，每个螺钉都控制着短路线匝的导电性。

在上述两个实施方式中，在采用短路线匝的方法时，促动器电感尤其在高频下也大大降低。例如，在示例性实施方式中，在1kHz下的电感从在没有短路线匝的情况下的大约190毫亨降低至采用短路线匝技术的大约18毫亨。

虽然在促动器上使用了短路线匝技术，但是其是大体用于动圈式促动器，而不是动磁体式促动器。而且，可从外部调整的自阻尼效应是本发明的另一个高度期望的不寻常的方面。

虽然上面已经提供了本发明的详细说明和附图，但是要理解的是，本发明的范围不限于此，而是由下面的权利要求确定。

另外，本领域普通技术人员在前面说明书和相关附图中给出的技术启示下可以想到许多本发明的变型和其他实施方式。因此，要理解的是，本发明不限于所披露的具体实施方式，并且在所附权利要求的范围内打算包括这些变型和实施方式。

Claims (35)

1.一种机电有限转动式旋转促动器，包括：

定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部；

转子，其具有轴和至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩；以及

电磁线圈，其围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

2.如权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿的端部一起形成椭圆形孔。

3.如权利要求2所述的促动器，其中所述磁体包括具有大体上圆形横截面的圆柱形形状，以便获得所述间隙，所述间隙在所述孔的相对的第一侧面上具有较宽间隙部分，该较宽间隙部分比在所述孔的相对的第二侧面上的较窄间隙部分宽。

4.如权利要求3所述的促动器，其中所述较宽间隙部分与径向相对对准的齿径向对准。

5.如权利要求3所述的促动器，其中在所述孔的相对的第二侧面上的所述较窄间隙部分为所述至少两个齿彼此最靠近的相邻部分，从而在所述齿的自由端之间存在分隔部。

6.如权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿径向对准。

7.如权利要求1所述的促动器，其中每个齿包括位于其内的朝着所述孔纵向延伸的槽。

8.如权利要求7所述的促动器，其中所述槽的宽度尺寸与所述相对齿的自由端之间的分隔部的长度尺寸接近。

9.如权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿包括形成所述孔的四个齿。

10.如权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每一个齿具有相对于第二圆形自由端部偏移的第一圆形自由端部，并且其中所述至少两个齿对准以形成具有偏移的半圆柱形部分的孔，所述间隙因此具有不对称的横截面。

11.如权利要求10所述的促动器，其中所述至少两个齿和所述自由端部的偏移部径向对准。

12.如权利要求1所述的促动器，其中所述定子包括多个迭片。

13.如权利要求12所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每个齿包括在其中径向延伸的槽，并且其中所述槽的宽度尺寸至少接近每个迭片的厚度尺寸。

14.如权利要求1所述的促动器，还包括覆盖着所述电磁线圈的导电套筒，所述套筒的尺寸设定为在所述促动器的操作期间给所述转子提供预定的阻尼作用。

15.如权利要求1所述的促动器，还包括：

外壳，其具有相对的第一和第二导电表面部分，其中所述定子承载在所述第一和第二导电表面部分之间；

在所述第一和第二导电表面部分之间延伸的导电柱；以及

细长元件，其将所述相对的第一和第二导电表面部分中的至少一个可调节地固定在所述柱上，以足以提供短路线匝。

16.如权利要求1所述的促动器，其中所述至少一个磁体包括钕铁硼材料和钐-钴材料中的至少一种。

17.如权利要求1所述的促动器，其中所述轴包括第一和第二轴部和轴向承载在第一和第二轴部之间的磁性部分。

18.如权利要求1所述的促动器，其中所述间隙包括基本没有材料的气隙。

19.如权利要求1所述的促动器，其中所述转子对准成在所述电磁线圈不被激励以磁化齿时具有最大转矩。

20.一种机电有限转动式旋转促动器，包括：

定子，其具有在其中轴向延伸的孔和具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部的至少两个齿；

转子，其具有轴和至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可由所述定子双向操作并且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成大致椭圆形的间隙，并且其中所述椭圆形间隙提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩；以及

电磁线圈，其围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

21.如权利要求20所述的促动器，其中所述磁体包括具有大体上圆形横截面的圆柱形形状，以便获得所述间隙，所述间隙在所述孔的相对的第一侧面上具有较宽间隙部分，该较宽间隙部分比在所述孔的相对的第二侧面上的较窄间隙部分宽。

22.如权利要求21所述的促动器，其中所述较宽间隙部分与径向相对对准的齿径向对准。

23.如权利要求21所述的促动器，其中在所述孔的相对的第二侧面上的所述较窄间隙部分为所述至少两个齿彼此最靠近的相邻部分，从而在所述齿的自由端之间存在分隔部。

24.如权利要求20所述的促动器，其中所述至少两个齿径向对准。

25.如权利要求20所述的促动器，其中每个齿包括位于其内的朝着所述孔纵向延伸的槽。

26.如权利要求25所述的促动器，其中所述槽的宽度尺寸与所述相对齿的自由端之间的分隔部的长度尺寸接近。

27.如权利要求20所述的促动器，其中所述至少两个齿包括形成所述孔的四个齿。

28.如权利要求20所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每一个齿具有相对于第二圆形自由端部偏移的第一圆形自由端部，并且其中所述至少两个齿对准以形成具有偏移的半圆柱形部分的孔，所述大致椭圆形的间隙因此具有不对称的横截面。

29.如权利要求28所述的促动器，其中所述至少两个齿和所述自由端部的偏移部径向对准。

30.一种机电有限转动式旋转促动器，包括：

定子，其具有在其中轴向延伸的孔和具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部的至少两个齿；

转子，其具有轴和至少一个径向磁化的具有大体上圆形横截面的磁体，所述磁体能借助所述定子双向操作并且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀的间隙，从而使得所述间隙在所述孔的相对第一侧面上具有较宽间隙部分，该较宽间隙部分比在所述孔的相对第二侧面上的较窄间隙部分要宽，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩；以及

电磁线圈，其围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

31.如权利要求30所述的促动器，其中所述较宽间隙部分与径向相对对准的齿径向对准。

32.如权利要求30所述的促动器，其中在所述孔的相对的第二侧面上的所述较窄间隙部分为所述至少两个齿彼此最靠近的相邻部分，从而在所述齿的自由端之间存在分隔部。

33.如权利要求30所述的促动器，其中每个齿包括位于其内的朝着所述孔纵向延伸的槽。

34.如权利要求33所述的促动器，其中所述槽的宽度尺寸与所述相对齿的自由端之间的分隔部的长度尺寸接近。

35.如权利要求30所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每一个齿具有相对于第二圆形自由端部偏移的第一圆形自由端部，并且其中所述至少两个齿对准以形成具有偏移的半圆柱形部分的孔，所述间隙因此具有不对称的横截面。

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