CN105284039B - 用于旋转驱动器的致动器配置 - Google Patents

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Abstract

一种旋转驱动器包括：支撑结构；以及由所述支撑结构支撑的线性致动器。所述线性致动器包括：第一构件；第二构件，所述第二构件当驱动信号被施加于所述线性致动器时在相对于所述第一构件的线性方向上运动；以及轴承布置，所述轴承布置将所述第一构件和所述第二构件支撑在所述支撑结构内并且使得所述第一构件和所述第二构件能够相对于所述支撑结构独立运动。所述旋转驱动器还包括线性到旋转转换器，所述线性致动器的所述第二构件耦合至所述线性到旋转转换器。所述线性到旋转转换器包括具有旋转轴线的输出构件。在操作期间，所述线性到旋转转换器将所述线性致动器的所述第二构件的线性往复运动转换为所述输出构件围绕所述旋转轴线的旋转运动。

Description

用于旋转驱动器的致动器配置
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月14日提交的美国申请第13/827,212号的优先权，其内容以引用的方式全部并入本文。
关于联邦资助研究的声明
本发明根据由美国空军(USAF)颁发的合同第FA8650-11-M-3146号在政府的支持下做出。政府对本发明具有一定权利。
背景
具有通过线性运动产生旋转运动的一类电动机。它们通过使用线性到旋转转换器来实现这一点，这种线性到旋转转换器的一个示例是凸轮。在美国专利公布第2011/0108339号中描述了一个这种类型的电动机。本文描述的实施方案是这种电动机的其他示例。
发明内容
在一个方面中，一般而言，旋转驱动器包括：支撑结构；以及由所述支撑结构支撑的线性致动器。所述线性致动器包括：第一构件；第二构件，所述第二构件当驱动信号被施加于所述线性致动器时在相对于所述第一构件的线性方向上运动；以及轴承布置，所述轴承布置将所述第一构件和所述第二构件支撑在所述支撑结构内并且使得所述第一构件和所述第二构件能够相对于所述支撑结构独立运动。所述旋转驱动器还包括线性到旋转转换器，所述线性致动器的所述第二构件耦合至所述线性到旋转转换器。所述线性到旋转转换器包括具有旋转轴线的输出构件。在操作期间，所述线性到旋转转换器将所述线性致动器的所述第二构件的线性往复运动转换为所述输出构件围绕所述旋转轴线的旋转运动。
各个方面可以包括以下特征中的一个或者多个。
所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且其中，所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
所述旋转驱动器还包括：刚性地连接至所述提及的第一支撑结构的第二支撑结构；以及由所述第二支撑结构支撑的第二线性致动器。所述第二线性致动器包括：第一构件；第二构件，所述第二构件当驱动信号被施加于所述第二线性致动器时在相对于所述第二线性致动器的所述第一构件的线性方向上运动；以及第二轴承布置，所述第二轴承布置将所述第二线性致动器的所述第一构件和所述第二构件支撑在所述第二支撑结构内，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件和所述第二构件能够相对于所述第二支撑结构独立运动。所述第二线性致动器的所述第二构件耦合至所述线性到旋转转换器，并且其中，在操作期间，所述线性到旋转转换器将所述第二线性致动器的所述第二构件的线性往复运动转换为所述输出构件围绕所述旋转轴线的旋转运动。所述提及的第一线性致动器的所述第一构件刚性地连接至所述第二线性致动器的所述第一构件，从而使得所述提及的第一线性致动器的所述第一构件和所述第二线性致动器的所述第一构件一起运动。
所述提及的第一轴承布置包括：第一轴承组件，所述第一轴承组件提供在所述提及的第一线性致动器的所述第一构件与所述提及的第一线性致动器的所述第二构件之间的轴承表面，并且使得所述提及的第一线性致动器的所述第一构件能够相对于所述提及的第一线性致动器的所述第二构件运动；以及第二轴承组件，所述第二轴承组件提供在所述提及的第一线性致动器的所述第一构件与所述提及的第一支撑结构之间的轴承表面，并且使得所述提及的第一线性致动器的所述第一构件能够相对于所述提及的第一支撑结构运动。
所述第二所轴承布置包括：第一轴承组件，所述第一轴承组件提供在所述第二线性致动器的所述第一构件与所述第二线性致动器的所述第二构件之间的轴承表面，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第二线性致动器的所述第二构件运动；以及第二轴承组件，所述第二轴承组件提供在所述第二线性致动器的所述第一构件与所述第二支撑结构之间的轴承表面，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第二支撑结构运动。
所述提及的第一线性致动器的所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且其中，所述提及的第一线性致动器的所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述提及的第一线性致动器的所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
所述第二线性致动器的所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且所述第二线性致动器的所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述第二线性致动器的所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
所述线性到旋转转换器配置为把所述提及的第一线性致动器的所述第二构件相对于所述第二线性致动器的所述第二构件的运动束缚为是关于相对于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构固定的平面相对于彼此对称的。
所述平面与所述提及的第一线性致动器的所述第二构件运动的所述线性方向垂直，并且与所述第二线性致动器的所述第二构件运动的所述线性方向垂直。
所述平面容纳所述旋转轴线。
所述旋转驱动器还包括：控制接口，所述控制接口配置为接收用于所述提及的第一线性致动器的驱动信号和用于所述第二线性致动器的驱动信号，其中，施加于所述线性致动器的差模驱动信号相应于所述提及的第一线性致动器的所述第二构件和所述第二线性致动器的所述第二构件的往复运动，并且施加于所述线性致动器的共模驱动信号相应于所述提及的第一线性致动器的所述第一构件和所述第二线性致动器的所述第一构件相对于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构的运动。
所述输出构件包括转子驱动轴。
所述旋转驱动器还包括围绕所述旋转驱动轴的旋转斜盘。
所述旋转驱动器还包括通过所述线性致动器的所述第一构件相对于所述支撑结构的运动操作的控制臂。
所述控制臂机械地耦合至所述支撑结构，并且配置为将所述第一构件相对于所述支撑结构的线性运动转换为所述旋转斜盘的倾斜。
所述旋转驱动器还包括耦合至所述转子驱动轴的转子叶片，所述控制臂配置为控制所述转子叶片的周期桨距。
各个方面可具有以下优点中的一种或者多种。
一些电动机包括响应于在一个或者多个线圈上的电磁力而旋转的旋转部(称为“转子”)，该线圈相对于产生磁场的静止部(称为“定子”)运动。当位于所产生的磁场的一部分内的线圈运载施加的电流时，在该线圈上存在一个力(即，在磁场中运动的电荷上的洛仑兹力)。在本文描述的旋转驱动器子组件的实施方式中，代替静态的磁性定子，具有磁性定子组件，该磁性定子组件自身配置为由于其的运动部分地受限制的两个线圈上的洛仑兹力而运动，如下面更加详细描述的。对线圈进行限制，从而，与在线圈上的对称力相对应的施加电流使转子旋转，并且与在线圈上的非对称力相对应的施加电流使组件平移。这两种独立的自由度使得控制器能够通过向线圈施加电流来高效率地控制旋转驱动器，如下面更加详细描述的。例如，旋转驱动器可以用于使向直升飞机提供推力的叶片旋转。另外，在旋转驱动器中的多个旋转驱动器子组件的组合，以及多个旋转驱动器(例如，具有围绕共用的轴线但是在相反方向上旋转的相对叶片组的两个旋转驱动器)的组合，使得能够构建模块化推力器，例如，用于飞行器的模块化推力器。具体而言，该组合使得能够将推力器产生的力细分为的相同的可管理的致动器组，这些致动器组可以迅速并且独立地控制。
本发明的其他的特征和优点是从以下的描述以及从权利要求明显的。
附图说明
图1A是具有两个线性致动器的耦合至转子驱动轴的旋转驱动器子组件的示意图。
图1B是具有转子叶片控制的耦合至转子驱动轴的旋转驱动器子组件的示意图。
图1C是在磁性定子组件中的磁体的布置的示意图。
图2是旋转驱动器的视图。
图3和图4是旋转驱动器子组件的视图(出于清晰起见，移除了一些元件)。
图5A至图5C是旋转驱动器子组件的部分的视图，图示了线圈组件的线性运动如何产生转子轴的旋转运动。
图6A至图6C是旋转驱动器子组件的部分的视图，图示了磁性定子组件的线性运动如何产生用于旋转斜盘的控制臂的运动。
具体实施方式
本文描述的实施方案是用于如图2所示的直升飞机的旋转驱动器。然而，在详细说明该驱动之前，将首先借助于在图1A和图1B中示出的示意图表示提出基本特征的概述。
在其最一般的形式中，旋转驱动器包括至少一个子组件，该子组件包括两个线性致动器和将该线性致动器产生的线性运动转换为围绕旋转轴线的旋转运动的线性到旋转转换器。这两个线性致动器相对于旋转轴线彼此物理上相对。在所描述的实施方案中，每个线性致动器是具有两个基本部件的电磁线性致动器，即：包括永磁体的磁性定子组件，该永磁体产生与致动器的轴大致垂直的磁场；以及线圈组件，该线圈组件包括围绕磁性定子组件的线圈和永磁体，线圈组件的绕组与磁体产生的磁场交叉。旋转驱动器子组件还包括轴承组件，该轴承组件限制线圈相对于它们各自的磁性定子组件的线性运动，并且限制磁性定子组件相对于旋转驱动器的支撑结构的运动，如下面更加详细描述的。
图1A和图1B分别示出了旋转驱动器子组件1的俯视图和侧视图，该旋转驱动器子组件1具有两个自由度，其中一个自由度与旋转驱动器10的转子叶片14的旋转相对应(图2)，并且另一个自由度与用于控制转子叶片14的周期桨距的控制臂7的运动相对应。参照图1A，旋转驱动器子组件1包括：两个线性致动器2L和2R，其中一个在左边(2L)并且另一个在右边(2R)；左端磁性定子组件3L和右端磁性定子组件3R，其在旋转驱动器子组件内刚性地耦合在一起从而使得它们被限制为一起运动。每个磁性定子组件3L和3R包括一组永磁体8(图1C)，该组永磁体8布置为提供为其各自的线圈4L和4R的运动供能的磁场，如下面更加详细描述的。左端线圈4L相对于由左端磁性定子组件3L产生的磁场运动，并且右端线圈4R相对于由右端磁性定子组件3R产生的磁场运动。
由向在磁场中的线圈施加电流所引起的洛仑兹力为每个线圈的运动供能。表达洛仑兹力的一种方式是作为响应于供应至线圈4L的第一电流i1的在线圈4L上的向右的力F1以及在磁性定子组件3L上的向左的相等的并且相反的力。同样，具有响应于供应至线圈4R的第二电流i2的在线圈4R上的向左的力F2以及在磁性定子组件3R上的向右的相等的并且相反的力。来自每个磁性定子组件上的力的在耦合的磁性定子组件上的净力为F1–F2，得到对于耦合的磁性定子组件的“共模”位移XCM。机械地耦合至线圈4L和在曲柄上的附接点6L的臂5L，以及机械地耦合至线圈4R和在曲柄上的附接点6R的臂5R，当由它们各自的线圈向内推动时，向曲柄(或者其他线性到旋转转换器)施加转矩τR，该转矩τR使转子驱动轴9旋转。曲柄和臂还将线圈4L和4R的运动限制为相对于穿过转子驱动轴9的中心的平面彼此对称，从而使得线圈4L的向右的XDM的“差模”位移相应于线圈4R的向左的相同的位移XDM。
参照图1B，在侧视图中，磁性定子组件3L的运动使控制臂7运动，控制臂7使旋转斜盘19倾斜，以控制转子叶片14的桨距。旋转斜盘19包括在底部上的非旋转圆盘21和在顶部上的旋转圆盘23，二者均与旋转驱动轴9同轴。在两个圆盘之间的一组轴承使旋转圆盘23能够旋转，而静态圆盘21能够倾斜但却不旋转。圆盘21和23也均能够响应于多个控制臂的运动而使转子驱动轴9上下滑动。控制臂7还响应于控制输入(例如，基于飞行员的控制)使旋转斜盘19倾斜为期望的取向。最少三个控制臂用于把旋转斜盘19相对于转子驱动轴9定位。
附接至磁性定子组件的杆11与磁性定子组件3L一起运动以平移控制臂7的下部分，这使角形支架13围绕附接至支撑结构20的枢转点15旋转(见图3)。支撑结构20还包括旋转轴承17，转子驱动轴9在该旋转轴承17内旋转。当角形支架13由于磁性定子组件的向左(右)的运动向下(向上)枢转时，其使旋转斜盘的非旋转圆盘19向下(向上)倾斜。突耳(每个转子叶片有一个突耳)将旋转斜盘的旋转圆盘21机械地耦合至转子叶片23以施加转矩τP，该转矩τP改变转子叶片23的桨距。整个旋转斜盘的竖直运动导致叶片发生总桨距变化，其将增加或者降低旋转驱动器的推力。旋转斜盘的倾斜导致转子叶片在旋转期间翻动，这使推力矢量倾斜。
将图1A和图1B的元件图案化以指示不同元件如何在操作期间相对于彼此运动。空白的元件与转子叶片一起旋转。被以45度的对角线填充的元件作为磁性定子组件的一部分一起运动。被以-45度的对角线填充的元件(线圈4L和4R)相对于彼此对称地运动，并且与转子驱动轴9的旋转同步。
控制器25配置为控制由电流源27向左致动器2L的线圈4L供应的电流i1、和由电流源27向右致动器2R的线圈4R供应的电流i2，以便选择共模位移XCM和差模位移XDM的期望的值，其分别被所得到的共模力FCM＝F1–F2和差模力FDM＝F1+F2决定。洛仑兹力与电流成比例，如下：
F1＝κi1
F2＝κi2
其中，κ是线圈位置的函数(例如，在中心位置处更大，并且远离中心更小)。因此，在期望的共模力和差模力的方面表达的电流如下。
i1＝(FDM+FCM)/(2κ)
i2＝(FDM-FCM)/(2κ)
参照图2，旋转驱动器10的一个实施例包括配置为驱动具有五个转子叶片14的转子叶片组件的三个旋转驱动器子组件12A、12B和12C的布置。旋转驱动器子组件共同提供使转子叶片14围绕中心轴线旋转的转矩。旋转驱动器10包括旋转斜盘16，该旋转斜盘16通过将每个转子叶片14连接至在旋转斜盘16上的不同位置的分别的棒18的运动来设置转子叶片14的周期桨距和总桨距。每个旋转驱动器子组件包括将由控制器25提供的电磁能转换为线圈组件的线性运动的两个线圈组件。曲柄(在该图中不可见)然后将线圈组件的线性运动转换为转子叶片的旋转运动，如下面更加详细描述的。每个旋转驱动器子组件还具有通过控制臂组件(图3的元件30、32、34、36)起作用以控制旋转斜盘16上的相应的连接点的竖直位置的另外的机械自由度，在下文更详细地描述。线圈组件的线性运动被由控制器25提供至控制接口(例如从线圈组件中的每个的线)的第一信号控制。控制臂的竖直运动被由控制器25提供至控制接口的第二信号控制。图3、图4、图5A至图5C、和图6A至图6C更加详细地示出了旋转驱动器子组件12A的功能性的不同方面。
参照图3，包括被组装为力学上刚性的框架的多重的节段的支撑结构20支撑两个轴承组件，两个轴承组件中的每一个支撑在支撑结构内的对应线性致动器的磁性定子组件和线圈组件。每个轴承组件使得磁性定子组件和线圈组件均能够在支撑结构内独立于彼此地运动。另外，两个磁性定子组件刚性地连接至彼此，从而使得它们作为磁性定子单元22的一部分一起运动。这两个轴承组件包括轴承表面，该轴承表面共同形成使得磁性定子单元22能够相对于支撑结构运动的另一轴承组件。
虽然图3示出了支撑结构20，该支撑结构20包括与旋转驱动器子组件12A相关联的框架的节段，但是整个支撑结构还包括与其他两个旋转驱动器子组件12B和12C相关联的另外的部分。如将在下文更详细地描述的，这三个节段及其线性致动器操作以使用具有两个曲拐51A和51B的曲柄50使转子驱动轴48旋转(图4)。换言之，在本实施方案中，曲柄50作为把被线性致动器产生的线性运动转换为转子驱动轴48的旋转运动的线性到旋转转换器起作用。
每个轴承组件包括四个圆柱滑动轴承，对于每个轴承组件，仅仅其中两个在图3中可见(轴承24A和24B用于左轴承组件，并且轴承24C和24D用于右轴承组件)，其他的两个则被该结构遮蔽。这些滑动轴承提供在支撑结构20的不同节段与相应线性致动器的磁性定子组件之间的轴承表面(第一支撑结构节段用于一个线性致动器，并且刚性地连接至第一支撑结构节段的第二支撑结构节段用于另一个线性致动器)。每个轴承组件还包括两个滑动杆，对于每个轴承组件，仅仅其中一个滑动杆在图3中可见(滑动杆26A用于左轴承组件，并且滑动杆26B用于右轴承组件)，这两个滑动杆连接至对应的磁性定子组件并且沿着对应的一对圆柱滑动轴承滑动。在图3中示出的左轴承组件中，这包括滑动杆26A，该滑动杆26A沿着滑动轴承24A和24B滑动，并且在图3中示出的右轴承组件中，这包括滑动杆26B，该滑动杆26B沿着滑动轴承24C和24D滑动。相同的滑动杆被包括在背侧上，并且由此在图3中不可见。
磁性定子单元22还包括突出穿过在支撑结构20的顶部中的矩形的开口的杆28。杆28附接至这两个线性致动器中的一个的磁性定子组件。附接至杆28的是控制臂组件，该控制臂组件包括一起耦合在相应的接头处的三个运动零件：连接至杆28的平移杆30、通过支柱36连接至支撑结构20的角形支架32、和用于将角形支架32中的一端耦合至在旋转斜盘16上的对应突耳的回转连接器34(在图3中未示出)。随着磁性定子单元22沿着这两个轴承组件的轴承在支撑结构20内运动，其把平移杆30水平地运动。平移杆30所连接的角形支架32将平移杆30的水平运动转换为角形支架32的另一端的竖直运动。这进而控制了旋转斜盘16的高度和/或取向。下面更加详细地图示并且描述了磁性定子单元22的运动(参照图6A至图6C)，并且描述了通过控制器25的运动的供能。
参照图4，示出了旋转驱动器子组件12A，去除了支撑结构20的元件，以更加清楚地暴露出在该支撑结构20内的某些部件。这两个线性致动器的磁性定子组件被臂42A和42B刚性地彼此连接以形成磁性定子单元22。因此，将两个磁性定子组件限制为沿着它们各自的支撑轴承一起运动。每个线圈组件44A和44B包括在支撑在外支架46A内的线圈外壳56内的线圈。支架46A进而具有两个线性运动轴承，这两个线性运动轴承布置为沿着滑动杆滑动(沿着滑动杆26A滑动的线性运动轴承47、和沿着在图4中不可见的背侧上的滑动杆滑动的另一线性运动轴承)。这些线性运动轴承提供在线圈组件与磁性定子组件之间的轴承表面。因此，凭借这些轴承的该布置，线圈组件44A能够在支撑元件20内并且独立于其磁性定子组件往复运动。每个线圈组件通过对应的耦合臂66A和66B连接至曲柄50的对应曲拐(图5A)。每个耦合臂的一端经由旋转轴承67A和67B(图5A)在其的相应的线圈组件44A的相反的侧部的两个点处耦合至线圈组件44A。每个耦合臂的另一端通过另一旋转轴承69连接至曲柄50的两个曲拐中的一个对应曲拐(图5A)。由于曲柄轴的两个曲拐彼此180°异相，所以两个线圈组件被束缚以当曲柄50转动时在与彼此相反的方向(即对称地)运动，如将在下文更详细地描述的(参照图5A至图5C)。
每个线性致动器的运动由来源于把电流施加于在磁场中的线圈的洛仑兹力供能。每个线性致动器包括磁性定子组件，该磁性定子组件包括：磁体外壳52，其容纳一个或者多个永磁体(在图中不可见)，以及在磁体外壳52上方和下方的金属板54A和54B，其提供用于被在磁体外壳52中的磁体产生的磁通量的返回路径(例如，基本由具有相对地高导磁率的金属构成的板)。再次参照图1C，在磁体外壳52内的永磁体8的布置的一个示例使用了两个相反的行(31A和31B)的磁体8，其中每个行内的磁体的磁矩在横切于磁体外壳52的轴线33(线圈沿着其运动)的相同的方向导向，并且其中在行31A中的磁体8的磁矩与在行31B中的磁体8的磁矩在相反的方向上。在名称为Electric Motor的美国专利公布第2011/0108339号中更加详细地描述了这样的布置的详细示例，其通过引用的方式并入本文。永磁体的布置的另一示例使用了单行的磁体，其中磁矩在相邻的磁体之间在相反的方向交替，并且与磁体外壳52的轴平行。在名称为Magnetic Stator Assembly的美国专利公布第2013/0002052号中更加详细地描述这样的布置的详细示例，其通过引用的方式并入本文。
每个线性致动器还包括线圈组件44A，该线圈组件44A包括连接至圆形支架46A的线圈外壳56。线圈外壳56容纳绕组，绕组由围绕磁体外壳52的导电材料(例如，铜)和容纳在磁体外壳52中的永磁体组成。由此，线圈绕组继续经受由永磁体产生的磁场。在磁体外壳52内的永磁体布置(在上面描述的两种布置二者中)为产生与磁体外壳52的轴横切并且与线圈的绕组基本垂直的磁场。当将电流施加至线圈时，洛仑兹力被产生，其使用取决于施加电流的正负和量级的方向和力推动线圈以沿着磁体外壳运动。
旋转驱动器子组件12A还包括位置传感器，该位置传感器用于通过控制器25进行被动监视以及/或者主动反馈控制。定子位置传感器60，其连接在磁性定子组件与支撑元件20之间，传感磁性定子单元22相对于支撑元件20的位置，并且，线圈位置传感器62，其连接在线圈子组件44A与支撑结构20之间，传感线圈组件44A相对于支撑元件20的位置。控制器25监视来自这些传感器的信号以便确定磁性定子单元22的位置(并且由此确定两个磁性定子组件的位置)、和线圈组件44A和44B的位置。
控制器25包括向两个线圈组件44A和44B的线圈供应电流的电流源27。来自控制器25的控制信号确定供应至线圈组件44A的线圈的电流iA的特定的值(即，幅值和方向)、和供应至线圈组件44B的线圈的电流iB的特定的值。例如，可以通过在控制器25中的一个或者多个处理器上执行的控制程序、或者通过编程到控制器25的印刷电路板中的控制逻辑，来确定控制信号。通过包括以下的参数来确定线圈组件44A响应于所供应的电流iA而运动的方向：在磁体外壳52中的磁体的极性、在线圈外壳56中的线圈的绕组的方向、以及所供应的电流(用iA符号指示)的方向。在本示例中，选择用于线圈组件44A和44B的参数，从而使得电流iA和iB的基本相等的值(即，近乎相等的幅值和相同的正负)与线圈组件44A和44B的对称运动相对应。
图5A至图5C图示了线圈的对称运动如何导致曲柄50和转子驱动轴48的旋转。这些图示出了在旋转驱动器子组件12A的操作期间发生的线圈组件44A和44B的三个不同的对称位置。图5A示出了在其中线圈组件44A和44B每个在在它们的在操作期间的运动的跨度中的中点处的位置，其中曲柄50以被把组件44A和44B连接至曲柄50的对应的臂66A和66B的相应的位置确定的第一角度(0°)。图5B示出了在其中线圈组件44A和44B在在它们的运动的跨度中的最大分离的端点处的位置，其中，其中曲柄50以被臂66A和66B的相应的位置确定的第二角度(90°)。图5C示出了在其中线圈组件44A和44B在在它们的运动的跨度中的最小分离的端点处的位置，其中曲柄50以被臂66A和66B的相应的位置确定的第三角度(270°)。随着提供适当的电流iA和iB以使线圈往复运动并且使曲柄50和转子驱动轴48转动360°，在其他情况下会发生线圈组件的其他对称位置和曲柄50的其他对应角度。
图6A至图6C图示了磁性定子单元22(其是耦合的磁性定子组件)的运动如何控制控制臂组件(平移杆30、角形支架32、和回转连接器34)的位置。这些图示出了在旋转驱动器子组件12A的操作期间发生的磁性定子单元22的三个不同位置。图6A示出了在其中磁性定子单元22在在其的在操作期间的运动的跨度中的中点处的位置，其中平移杆30在使得角形支架32是水平的的地点处。在该位置中，磁性定子单元22相对于支撑结构20居中心，这通过驱动器位置传感器60来传感。图6B示出了在其中磁性定子单元22在在其的在操作期间的运动的跨度中的极端的位置处的位置，其中平移杆30在使得角形支架32被升高的地点处。在该位置中，磁性定子单元22被朝着支撑结构20的左侧74平移，这通过驱动器位置传感器60来传感。图6C示出了在其中磁性定子单元22在在其的在操作期间的运动的跨度中的另一个极端的位置处的位置，其中平移杆30在使得角形支架32被下降的地点处。在该位置中，磁性定子单元22被朝着支撑结构20的右侧76平移，这通过驱动器位置传感器60来传感。
磁性定子单元22的这种为了升高或下降角形支架32(并且由此倾斜旋转斜盘16)的向左或右位置的线性运动被来自控制器25的控制信号控制，该控制信号确定供应至线圈组件44A和44B的电流iA和iB。因为线圈组件44A和44B的运动被曲柄50束缚为是关于经过转子驱动轴48的平面相对于彼此对称的，至电流iA和iB不具有实质上相反的值的程度，所以，所得到的在线圈组件和磁性定子单元22之间的洛仑兹力产生净力，该净力把磁性定子单元22相对于支撑结构20平移。例如，电流iA和iB的实质上相反的值(即，具有相反的正负和近乎相等的幅值的电流信号)会产生磁性定子单元22的“共模”运动，而没有线圈组件44A和44B的运动。此外，电流iA和iB的实质上相同的值(即，具有相同的正负和近乎相等幅值的电流信号)会产生线圈组件44A和44B的对称“差模”运动，而没有磁性定子单元22的运动。
在实践中，共模电流信号和差模电流信号的叠加产生加和的共模和差模电流分量，该加和的共模和差模电流分量是使以下的独立的控制成为可能的电流iA和iB的分别的值的总和：(1)转子驱动轴48被曲柄50的旋转旋转，以及(2)旋转斜盘16被控制臂的运动倾斜。旋转斜盘16通过三个不同旋转驱动器子组件12A、12B、和12C在三个不同连接点处的倾斜共同实现了对旋转斜盘16的取向的完全控制。控制器25可以配置为：针对每个旋转驱动器子组件，使用两个有源控制回路，包括：利用来自线圈位置传感器62的反馈输出差模电流分量以控制转子叶片组件旋转的一个控制回路、和利用来自驱动器位置传感器60的反馈输出共模电流分量以控制旋转斜盘倾斜和转子叶片的由此产生的周期桨距的另一控制回路。基于所供应的电流对转子叶片的旋转和转子叶片的周期桨距的该单独控制实现了紧凑并且高效率的旋转驱动器10。
旋转驱动器10可以用在除了直升飞机之外的各种其他交通工具中，并且可以用于其他飞行器的部件中，包括，例如，在推力器中。使用由本文描述的旋转驱动器子组件供能的一个或者多个旋转驱动器的推力器能够为飞行器提供必需量的推力和控制以利用可接受的系统质量和体积来实现竖直起飞和着陆程序。例如，飞机可以在机身中心处包含进单个推力器。因为在非常低速的情况下，常规的机身控制表面影响很小，所以推力器可以配置为在起飞和着陆时提供稳定性。具体而言，除了提供竖直推力之外，推力器能够平衡飞机的转矩(偏航角)并且能够通过使用转子叶片角度控制机构在俯仰和滚转中产生明显的力矩。转子叶片角度控制机构可以被配置作为周期桨距受控的转子，如在现代直升飞机中所使用的，其中，力矩当转子叶片围绕中心轴线运动时通过转子叶片的被周期性地控制的桨距角被施加在飞行器上。推力器可以包括两个旋转驱动器，这两个旋转驱动器具有在相反方向上围绕共用的轴线旋转的相对的转子叶片组。这提供了紧凑的、分布式的并且对称的推力器，具有经过推力器的流动的最小的阻塞。
虽然结合本文提出的实施方案描述了一种类型线性致动器，即，电磁线性致动器，但是本发明的意图在于将“线性致动器”的设计理解为包括所有其他类型的线性致动器，包括但不限于机械线性致动器(机械、轮和轴、凸轮等)、液压线性致动器、气动线性致动器、压电线性致动器、和其他机电线性致动器。另外，线圈和磁性定子的功能可以被逆转，从而使得磁性定子的运动控制旋转并且线圈的运动控制控制臂。
要理解，前述说明旨在对本发明进行例证而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。其他实施方案都在以下权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种旋转驱动器，所述旋转驱动器包括：
第一支撑结构；以及
由所述第一支撑结构支撑的第一线性致动器，所述第一线性致动器包括：
第一构件；
第二构件，当驱动信号施加到所述第一线性致动器时，所述第二构件与所述第一构件之间产生电磁交互，第一和第二构件之间的电磁交互使得所述第二构件在相对于所述第一构件的线性方向上运动；以及
第一轴承布置，所述第一轴承布置将所述第一构件和所述第二构件支撑在所述第一支撑结构内，并且使得所述第一构件和所述第二构件能够相对于所述第一支撑结构独立运动；
所述旋转驱动器还包括：
线性到旋转转换器，所述第一线性致动器的所述第二构件耦合至所述线性到旋转转换器，所述线性到旋转转换器包括具有旋转轴线的输出构件，其中，在操作期间，所述线性到旋转转换器将所述第一线性致动器的所述第二构件的线性往复运动转换为所述输出构件围绕所述旋转轴线的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其中，所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且其中，所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
3.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其还包括通过所述第一线性致动器的所述第一构件相对于所述第一支撑结构的运动操作的控制臂。
4.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其还包括：
刚性连接至所述第一支撑结构的第二支撑结构；以及
由所述第二支撑结构支撑的第二线性致动器，所述第二线性致动器包括：
第一构件；
第二构件，所述第二构件当驱动信号被施加于所述第二线性致动器时在相对于所述第二线性致动器的所述第一构件的线性方向上运动；以及
第二轴承布置，所述第二轴承布置将所述第二线性致动器的所述第一构件和所述第二构件支撑在所述第二支撑结构内，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件和所述第二构件能够相对于所述第二支撑结构独立运动；
其中，所述第二线性致动器的所述第二构件耦合至所述线性到旋转转换器，并且其中，在操作期间，所述线性到旋转转换器将所述第二线性致动器的所述第二构件的线性往复运动转换为所述输出构件围绕所述旋转轴线的旋转运动；并且
其中，所述第一线性致动器的所述第一构件刚性地连接至所述第二线性致动器的所述第一构件，从而使得所述第一线性致动器的所述第一构件和所述第二线性致动器的所述第一构件一起运动。
5.根据权利要求4所述的旋转驱动器，其中，所述第一轴承布置包括：
第一轴承组件，所述第一轴承组件提供在所述第一线性致动器的所述第一构件与所述第一线性致动器的所述第二构件之间的轴承表面，并且使得所述第一线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第一线性致动器的所述第二构件运动；以及
第二轴承组件，所述第二轴承组件提供在所述第一线性致动器的所述第一构件与所述第一支撑结构之间的轴承表面，并且使得所述第一线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第一支撑结构运动。
6.根据权利要求5所述的旋转驱动器，其中，所述第二轴承布置包括：
第一轴承组件，所述第一轴承组件提供在所述第二线性致动器的所述第一构件与所述第二线性致动器的所述第二构件之间的轴承表面，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第二线性致动器的所述第二构件运动；以及
第二轴承组件，所述第二轴承组件提供在所述第二线性致动器的所述第一构件与所述第二支撑结构之间的轴承表面，并且使得所述第二线性致动器的所述第一构件能够相对于所述第二支撑结构运动。
7.根据权利要求4所述的旋转驱动器，其中，所述第一线性致动器的所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且其中，所述第一线性致动器的所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述第一线性致动器的所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
8.根据权利要求7所述的旋转驱动器，其中，所述第二线性致动器的所述第一构件是包括一个或者多个产生磁场的磁体的磁性定子组件，并且其中，所述第二线性致动器的所述第二构件是包括线圈的线圈组件，所述线圈布置为在由所述第二线性致动器的所述磁性定子组件产生的所述磁场内往复运动。
9.根据权利要求4所述的旋转驱动器，其中，所述线性到旋转转换器配置为把所述第一线性致动器的所述第二构件相对于所述第二线性致动器的所述第二构件的运动束缚为是关于相对于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构固定的平面相对于彼此对称的。
10.根据权利要求9所述的旋转驱动器，其中，所述平面与所述第一线性致动器的所述第二构件运动的所述线性方向垂直，并且与所述第二线性致动器的所述第二构件运动的所述线性方向垂直。
11.根据权利要求9所述的旋转驱动器，其中，所述平面容纳所述旋转轴线。
12.根据权利要求4所述的旋转驱动器，其还包括控制接口，所述控制接口配置为接收用于所述第一线性致动器的驱动信号和用于所述第二线性致动器的驱动信号，其中，施加于所述第一线性致动器和所述第二线性致动器的差模驱动信号相应于所述第一线性致动器的所述第二构件和所述第二线性致动器的所述第二构件的往复运动，并且施加于所述第一线性致动器和所述第二线性致动器的共模驱动信号相应于所述第一线性致动器的所述第一构件和所述第二线性致动器的所述第一构件相对于所述第一支撑结构和所述第二支撑结构的运动。
13.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其中，所述输出构件包括转子驱动轴。
14.根据权利要求13所述的旋转驱动器，其还包括围绕所述旋转驱动轴的旋转斜盘。
15.根据权利要求14所述的旋转驱动器，其还包括通过所述第一线性致动器的所述第一构件相对于所述第一支撑结构的运动操作的控制臂。
16.根据权利要求15所述的旋转驱动器，其中，所述控制臂机械地耦合至所述第一支撑结构，并且配置为将所述第一构件相对于所述第一支撑结构的线性运动转换为所述旋转斜盘的倾斜。
17.根据权利要求15所述的旋转驱动器，其还包括耦合至所述转子驱动轴的转子叶片，所述控制臂配置为控制所述转子叶片的周期桨距。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9853529B2 (en) * 2014-04-29 2017-12-26 Ishwar Ram Singh Linear induction generator using magnetic repulsion
EP3278433B1 (en) * 2015-04-02 2020-02-12 Monza, Thomas Magnetic motor
CN109716630B (zh) 2016-09-13 2021-01-22 核科学股份有限公司 多连杆电传动系统
EP3807977A4 (en) 2018-06-15 2022-06-29 Indigo Technologies, Inc. A sealed axial flux motor with integrated cooling
IL278056B (en) * 2020-10-14 2022-01-01 Ree Automotive Ltd Car suspension system
CN112455650A (zh) * 2020-11-26 2021-03-09 广东国士健科技发展有限公司 一种双翼飞行装置
IT202100012986A1 (it) * 2021-05-19 2022-11-19 Andrea Ferrerio Dispositivo motore/alternatore polifase con una diminuzione o cancellazione di forze controelettromotrici

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4300067A (en) * 1980-03-17 1981-11-10 Schumann Albert A Permanent magnet motion conversion device
CN1461195A (zh) * 2000-09-21 2003-12-10 奇莫塞斯有限公司 由双传动机构构成的家具传动机构
US7902703B2 (en) * 2004-07-21 2011-03-08 Ucer Mustafa O Apparatus and method for producing mechanical work

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4554989A (en) * 1983-01-20 1985-11-26 Peter Gruich Multimotor modular electric drive powertrain system for turbine powered vehicles
KR100425344B1 (ko) * 2001-07-06 2004-03-30 삼성전자주식회사 두개의 회전체를 이용한 직선 운동 장치
US7476991B2 (en) * 2007-04-27 2009-01-13 Elek Engine Corporation Linear electromagnetic driving module and linear electromagnetic driving device
FR2917709B1 (fr) * 2007-06-19 2009-10-30 Univ Compiegne Tech Dispositif de commande de pales d'helicoptere ou similaire
US8931732B2 (en) * 2007-11-30 2015-01-13 Sikorsky Aircraft Corporation Electric powered rotary-wing aircraft
US8519575B2 (en) 2009-11-09 2013-08-27 Nucleus Scientific, Inc. Linear electric machine with linear-to-rotary converter
US8766493B2 (en) 2011-07-01 2014-07-01 Nucleus Scientific, Inc. Magnetic stator assembly

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4300067A (en) * 1980-03-17 1981-11-10 Schumann Albert A Permanent magnet motion conversion device
CN1461195A (zh) * 2000-09-21 2003-12-10 奇莫塞斯有限公司 由双传动机构构成的家具传动机构
US7902703B2 (en) * 2004-07-21 2011-03-08 Ucer Mustafa O Apparatus and method for producing mechanical work

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CN105284039A (zh) 2016-01-27
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