CN111786530B - 一种高效率音圈驱动器及变形镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率音圈驱动器及变形镜，属于自适应光学领域。本发明通过推导音圈驱动器电机常数的解析公式，掌握了影响音圈驱动器效率的因素，设计了一种新的结构的音圈驱动器；在此基础上，利用有限元的方法进行仿真，对永磁体、线圈的几何参数、物理参数进行了优化，并用电机常数进行评价，得出最佳的参数数据：包括永磁体内径、外径和厚度，线圈的内径、外径和厚度，以及永磁体和线圈之间的气隙大小。在不改变音圈的匝数条件下，就达到了提高音圈驱动器效率150％的优异效果，更适用于制作大驱动单元数、低损耗和高调制精度的音圈变形镜。

Description

一种高效率音圈驱动器及变形镜

技术领域

本发明涉及一种高效率音圈驱动器及变形镜，属于自适应光学领域。

背景技术

1953年Babcock首次提出自适应光学的概念，即通过实时探测和校正大气湍流引起的光学畸变，提高目标图像的分辨率。变形镜是自适应光学系统的核心器件之一。经过多年的研究开发，人们研制出了不同类型的变形镜：PZT变形镜、电致伸缩变形镜、薄膜变形镜、MEMS、音圈变形镜等，并广泛应用天文观测、显微成像、大功率激光、眼底成像等领域。其中，PZT变形镜是目前最广泛使用的变形镜，但它有磁滞，且调制量低，限制了其在大口径望远镜次镜方面的应用。相较于PZT变形镜，音圈变形镜的调制量大、无磁滞，同时还具有结构简单、体积小、噪声低、比推力高、响应速度快、精度高、维护方便、可靠性高等优点。

1993年，意大利阿切特里天文台的P.Salinari提出了基于音圈驱动器的非接触变形镜，并于1999年研制了30单元和36单元音圈变形镜，误差衰减可达100赫兹(0分贝衰减水平)，该变形镜的音圈驱动器基本结构是薄镜面下粘接圆柱状的永磁体，永磁体下面间隔约100微米空间是线圈，这样的结构也称为非接触式音圈变形镜，如图1所示。2002年，MMT的336单元音圈变形镜研制成功，用作MMT望远镜的次镜，极大简化了自适应光学系统，提高了入射光的利用效率。其在H波段的斯特列尔比达到了0.2，在M波段的斯特列尔比达到了0.98【Wildi F P,Brusa G,Lloyd-Hart M,et al.First light of the 6.5-m MMT adaptiveoptics system[C],Astronomical Adaptive Optics Systems and Applications.Editedby Tyson,Robert K.；Lloyd-Hart,Michael.International Society for Optics andPhotonics,2003.】。2010年，有672个驱动器的音圈变形镜安装在LBT望远镜上，在H波段的斯特列尔比达到了0.8【Xompero Marcoa,Armando Riccardia,DanielaZanottia.Adaptive secondary mirror for LBT and its capacitive sensors:how canwe calibrate them？[C].SPIE Proc,2008.7015(3Q):1-9.】。2012年正式运行的VLT巡天望远镜的变形次镜有1170个音圈驱动器，所有模式的拟合误差rms为62.5nm【Arsenault R,Biasi R,Gallieni D,et al.A deformable secondary mirror for the VLT[C]Advancesin Adaptive Optics II.2006.】，该变形镜与前面的不同，它的永磁体不与镜面直接粘接，而是设置在两线中间，通过杆与镜面连接，如图2所示。国内多个研究组也开展了关于音圈变形镜的研究。中科院光电技术研究所设计了动磁式音圈电机，输出力可达±0.5N，阶跃响应时间为50ms，对离焦像差拟合PV值可达50um【张玉方,李国平.用于薄镜面主动光学的音圈力促动器设计[J].光学精密工程,2013,21(11):2836-2844.】。长春光机所通过音圈驱动器校正400mm反射镜面形，经过校正后的RMS可达λ/40【王昕彤.基于音圈促动器的镜面面形校正技术研究[D].2019.】。

音圈变形镜的基本原理是音圈驱动器通过产生电磁力来驱动薄镜面变形，因此，在音圈变形镜的设计中，电机常数K是一个关键的参数，是衡量音圈驱动器效率的关键参数，它表示单位功率损耗产生有效推力的大小，K的值越大则驱动器的效率越高，其公式为：

其中，F是指音圈驱动器的输出力，P是音圈驱动器的消耗功率。在同样的形变量下，效率低的音圈驱动器会产生过多的热，热的积累导致温度升高，严重时导致薄镜面局部变形，最终会使变形镜的补偿精度和工作稳定性下降。对于图1和图2所示的两种结构类型的驱动器，图1所示的非接触式音圈驱动器的效率相对较低，国内外报道的电机常数K一般不超过0.7，驱动器结构简单，产生的力相对较小；而图2所示的接触式音圈驱动器的效率相对较高，线圈内部通常需要加入软铁部件，电机常数K能达到5左右，但总体结构复杂，体积比较大。为满足应用需要，人们急迫要求研制出结构简单且效率高的音圈驱动器。

发明内容

为了提高变形镜音圈驱动器的效率，同时又避免结构复杂、体积大的问题，本发明提供了一种新的结构的用于变形镜的高效率音圈驱动器。该音圈驱动器的机构不同于现有的音圈驱动器，本申请通过优化其结构参数和材料，为新型变形镜设计出高效率的音圈驱动器。

一种音圈驱动器，所述音圈驱动器包括薄镜面、环形永磁体、与永磁体同轴的线圈，所述音圈驱动器设置有两个线圈，且两个线圈内未设置软磁材料；所述环形永磁体设置在两个线圈的中间，并通过一个杆与薄镜面相连；

为描述方便，两个线圈分别称为线圈一和线圈二；所述薄镜面、线圈一、环形永磁体、线圈二依次放置，相邻二者之间存在气隙。

可选的，所述环形永磁体采用钕铁硼材料制备，所述杆采用不导磁也不导热的材料制备。

可选的，所述不导磁也不导热的材料包括环氧树脂。

可选的，所述环形永磁体的充磁方向为径向充磁。

可选的，所述环形永磁体与线圈之间的气隙厚度为0.01～0.5mm。

可选的，所述环形永磁体的厚度为1～5mm。

可选的，所述环形永磁体的外径为3～7mm，内径为0.3～0.7mm。

可选的，所述线圈高度为4～8mm。

可选的，所述线圈外半径为3～7mm，线圈内半径为0.3～0.7mm。

可选的，所述环形永磁体与线圈之间的气隙厚度为0.1mm，所述环形永磁体的厚度为3mm，所述环形永磁体的外径为5mm、内径为0.5mm，所述线圈高度为6mm，所述线圈外半径为5mm、线圈内半径为0.5mm。

本申请还提供一种变形镜，其特征在于，所述变形镜采用上述音圈驱动器驱动薄镜面变形。

本申请还提供一种变形镜在自适应光学领域内的应用方法，所述变形镜采用上述音圈驱动器驱动薄镜面变形。

本发明有益效果是：

本申请提供的音圈驱动器没有在线圈中引入软磁部件，因此减少了系统的复杂性和体积，同时相对于非接触式音圈驱动器，本申请提供的音圈驱动器增加了一个线圈，增加了力并提供了力的方向，提高了音圈驱动器的效率，电机常数比传统音圈驱动器提高了至少150％。因此本申请所提出的新的结构的音圈驱动器具有更高的效率，结构更紧凑，更符合实际应用的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为非接触式音圈变形镜单个驱动器示意图；其中1为薄镜面，2为环形永磁体，3为与永磁体2同轴的线圈。

图2为接触式音圈变形镜单个驱动器示意图；其中1为薄镜面，2为环形永磁体，3为与永磁体同轴的线圈，4软铁材料部件；环形永磁体2在两个线圈3中间，并通过一个杆与薄镜面相连。

图3为本发明提出的音圈变形镜单个驱动器示意图；其中1为薄镜面，2为环形永磁体，3为与永磁体同轴的线圈，5为环氧树脂材料的圆柱形杆，它将永磁体2和薄镜面1连接起来；环形永磁体2在两个线圈3中间，并通过一个杆5与薄镜面相连。

图4为本发明提出的音圈变形镜单个驱动器中下半部分的示意图；2为环形永磁体，环形永磁体材料为钕铁硼；3为与永磁体同轴的线圈，线圈材料为铜。主要参数如下：永磁体内外半径分别为rm和Rm，厚度为hm；线圈的内外半径分别为rc和Rc，厚度为hc；永磁体和线圈之间的气隙厚度为dg；

图5为电磁力与磁体不同充磁方向的关系仿真图；圆形对应径向充磁，三角对应轴向充磁，纵轴为电磁力；

图6为不同气隙大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图7为不同磁体厚度大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图8为不同磁体外径大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图9为不同磁体内径大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图10为不同线圈高度大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图11为不同线圈外径大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图12为不同线圈内径大小下，电磁力和电机常数K的变化情况仿真图；实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

图13为本发明提出的音圈驱动器(五角星表示)和传统无接触式音圈驱动器(星号表示)，在不同输入电流下的驱动力和效率对比仿真图；电磁力和电机常数K随输入电流的变化情况，实线对应左边纵轴的电磁力，虚线对应右边纵轴的电机常数K。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种用于变形镜的高效率音圈驱动器，参见图3，图3中1为薄镜面，2为环形永磁体；3为与永磁体同轴的线圈，5为环氧树脂材料的圆柱形杆，它将永磁体2和薄镜面1连接起来；环形永磁体2设置在两个线圈3中间，并通过一个杆5与薄镜面1相连。

与图2所示的音圈驱动器相比，本实施例提供的音圈驱动器没有在线圈3中引入软磁部件，因此减少了系统的复杂性和体积，同时相对于图1所示的音圈驱动器，本实施例提供的音圈驱动器增加了一个线圈，增加了力并提供了力的方向，提高了音圈驱动器的效率。

由于音圈驱动器的效率可以用电机常数K来评价，因此对本申请所提供的新的结构的音圈驱动器的电机常数进行推导如下：

对于图1所示的基本结构的音圈驱动器，环形永磁体2所产生的磁场是静磁场，其磁场分布可以按如下方法进行计算。首先，根据等效电流模型，环形永磁体2内部存在的圆电流密度J_m为：

其中，M为磁化强度，

为梯度算子。在均匀磁化磁体内部圆电流抵消，而面电流密度J_ms为：

J_ms＝-e_n×M (3)

其中，e_n为面的法线方向的单位矢量。

根据安培定律公式：

可求得磁体周围的磁感应强度B_m：

其中，R是磁体源点到场点的矢径，即磁体源点到场点的距离，V是永磁体体积，S是永磁体表面积，H表示磁场强度。通过虚位移法可以得到单匝载流线圈在非均匀磁场中受到的合力为：

其中Φ_m为线圈磁通量，I为电流。设第i匝线圈半径为r_i，距多层线圈上表面距离为d_i，其上任一点到磁体源点的距离R_i为：

其中，dg为气隙厚度，hm为磁体厚度。

该点处的磁感应强度Bi为：

根据公式(6)可知，第i匝圆线圈受到的安培力为：

多层线圈受到的合力为：

音圈驱动器的效率由公式(1)定义，音圈驱动器的功耗为：

P＝I²R_c (11)

其中，I为电流，R_c为线圈电阻。将(10)和(11)代入(1)，可以得到评价驱动器效率的电机常数K公式如下：

由公式(12)可见，影响音圈驱动器的效率的主要因素包括磁感应强度、线圈尺寸和线圈电阻，可以通过两种方式增大K来提高效率：一方面，通过增加线圈面积和永磁体可以增大磁感应强度，但这受到驱动器密度的限制；另一方面，通过减小线圈的电阻率，提高填充因子。

上述公式在近似条件下，计算中心轴线等特殊位置处的磁场时可以得到近似准确的解，实际情况下，磁体和线圈边缘的磁场分布复杂，具体参数的优化需要借助有限元的方法进行精确的求解，关于有限元的仿真方法可参考文献【Riccardi A,Brusa G,Vecchio CD,et al.The adaptive secondary mirror for the 6.5conversion of the MultipleMirror Telescope[C]//Beyond Conventional Adaptive Optics.2001】。

基于上述推导内容，本申请对所设计的图3所示的音圈驱动器的相关参数进行优化，包括对永磁体和线圈的几何和物理参数以提高音圈驱动器效率为评价依据进行优化。

一、磁体和线圈的基本模型及参数

考虑到图3音圈驱动器的磁体和线圈的对称性，对其中一半的线圈3的几何参数和永磁体2的物理参数进行优化即可。

各参数所表示的意义如图4所示，图4为本发明提出的音圈变形镜单个驱动器中下半部分的示意图，2为环形永磁体，环形永磁体2的材料为钕铁硼；3为与永磁体同轴的线圈，线圈材料为铜。主要参数如下：环形永磁体2的内外半径分别为rm和Rm，厚度为hm；线圈3的内外半径分别为rc和Rc，厚度为hc；永磁体和线圈之间的气隙厚度为dg。

二、磁体和线圈的参数优化

2.1永磁体极化方向的优化

设置线圈3的外径为10mm，内径1mm，高度6mm，导线直径为0.33mm；环形永磁体2外径为10mm，内径1mm，高度3mm，分别设置环形永磁体2的充磁方向为径向充磁和轴向充磁，环形永磁体2轴向受力和电流关系如图5所示。图5中横轴为输入电流i，纵轴为永磁体在轴向所受的电磁力，对于径向充磁和轴向充磁K分别是0.45和0.34。可见，径向充磁的永磁体更优。因此，接下来的实验中都选用径向充磁的永磁体。

2.2永磁体2与线圈3之间的气隙的优化

线圈3尺寸为：外径10mm，内径1mm，高度6mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；环形永磁体2外径10mm，内径1mm，高度3mm，设置磁体与铜线圈之间的气隙厚度dg为0.1mm至1mm，步长0.1mm。仿真结果如图6所示。图6中横轴为永磁体2与铜线圈3之间的气隙厚度dg，左纵轴为永磁体的轴向受力，右侧的纵轴为电机常数K，图6中实线对应左边的纵轴，虚线对应右边的纵轴。仿真结果表明气隙的增大会导致电磁力和电机常数的减小，另一方面，气隙的大小保证了变形镜的调制量，因此，选择气隙厚度设置在0.01～0.5mm范围内，进一步优选设置为0.1mm。

2.3磁体厚度的优化

固定线圈3的外径10mm，内径1mm，高度6mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；环形永磁体2外径10mm，内径1mm，设置高度hm取值1mm至10mm，步长1mm，仿真得到环形永磁体高度hm与电磁力的关系如图7所示。随着磁体厚度的增加电磁力也变大，但是电磁力与电机常数的增长幅度变小。考虑到磁体厚度增加会导致镜面变重响应频率降低，同时其成本增加，因此选择磁体厚度设置在1～5mm范围内，进一步优先设置为3mm。

2.4磁体外半径优化

固定线圈3的外径10mm，内径1mm，高度6mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；磁体内径1mm，高度3mm，设置环形永磁体2外半径Rm取值3mm至7mm，步长0.5mm，仿真结果如图8所示。图8中横轴为环形永磁体2外半径Rm，左纵轴为永磁体轴向受力，右纵轴为电机常数，仿真结果显示随着环形永磁体2外半径变大电磁力和电机常数也变大，但外径大于5mm时电磁力和电机常数的增长幅度开始减小，因此选择永磁体外径设置在3～7mm范围内，进一步优先设置为5mm。

2.5磁体内半径优化

固定线圈3的外径10mm，内径1mm，高度6mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；磁体外径10mm，高度3mm，设置环形永磁体2内半径rm取值0.3mm至0.7mm，步长0.1mm，仿真结果如图9所示。图9中横轴为永磁体内半径rm，左纵轴为永磁体轴向受力，右纵轴为电机常数，仿真结果显示磁体内径变化时电磁力没有明显变化，但当磁体内半径从0.1mm增至0.5mm时，电机常数变大并达到极值，然后随着磁体内径的增大而减小，因此选择磁体内半径设置在0.3～0.7mm范围内，进一步优先设置为0.5mm。

2.6线圈高度的优化

固定环形永磁体2的外径10mm，内径1mm，高度3mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；线圈3外径10mm，内径1mm，高度hc为4mm至8mm，步长1mm，仿真结果如图10所示。图10中横轴为线圈高度h，左侧纵轴为永磁体轴向受力，右侧纵轴为电机常数。随着线圈高度的增长磁体受力增长而电机常数减小，综合考虑电磁力和电机常数，选择线圈高度设置在4～8mm范围内，进一步优选设置为6mm。

2.7线圈外径的优化

固定环形永磁体2的外径10mm，内径1mm，高度3mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；线圈内径1mm，高度6mm，外半径为4mm至6mm，步长0.5mm，仿真结果如图11所示。图11中横轴为铜线圈外半径Rc，左纵轴为永磁体轴向受力，右纵轴为电机常数，仿真结果显示随着线圈外径的增大，电磁力逐渐增大，而电机常数在Rc＝5mm处达到极大值，因此选择线圈外半径设置为3～7mm范围内，进一步优选设置为5mm。

2.8线圈内径的优化

固定环形永磁体2的外径10mm，内径1mm，高度3mm；线圈3所采用的导线直径0.33mm，通入电流0.2A至0.5A，步长0.1A；线圈外半径5mm，高度6mm，内半径为0.25mm，0.5mm，0.75mm，仿真结果如图12所示。图12中横轴为线圈内半径rc，左侧纵轴为永磁体轴向受力，右侧纵轴为电机常数，仿真结果显示随着线圈内径的变大，电磁力没有明显变化，而电机常数虽然减小但数值变化不大，考虑到电机的结构，因此选择线圈内半径设置为0.3～0.7mm范围内，进一步优选设置为0.5mm。

三、对比验证

对于如图1所示的无接触的音圈驱动器，固定钕铁硼磁体外径10mm，内径1mm，高度3mm；铜线圈高度6mm，线圈外半径5mm，内半径为0.5mm；气隙厚度0.1mm。

对于如图3所示的无接触的音圈驱动器，将6mm厚度的铜线圈分为两个厚度为3mm的铜线圈，分布于磁体两侧，线圈外半径5mm，内半径为0.5mm；气隙厚度0.1mm；固定钕铁硼磁体外径10mm，内径1mm，高度3mm。

图13给出了本发明提出的音圈驱动器和图1所示的常规无接触音圈驱动器通入不同电流时，得到的电磁力和电机常数，图中横坐标为通入的电流i，左纵轴为永磁体轴向受力，右纵轴为电机常数，仿真结果显示本发明所提出的结构的音圈驱动器可以产生更大的推力和电机常数，电机常数提高至0.9，输出力达到0.43N。电机常数比传统音圈驱动器提高了至少150％。表明本发明所提出结构的音圈驱动器具有更高的效率，结构更紧凑，更符合实际应用的需要。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种音圈驱动器，所述音圈驱动器包括薄镜面、环形永磁体、与永磁体同轴的线圈，其特征在于，所述与永磁体同轴的线圈设置有两个，且两个线圈内未设置软磁材料；所述环形永磁体设置在两个线圈的中间，并通过一个杆与薄镜面相连；

两个线圈分别称为线圈一和线圈二；所述薄镜面、线圈一、环形永磁体、线圈二依次放置，相邻二者之间存在气隙。

2.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体采用钕铁硼材料制备，所述杆采用不导磁也不导热的材料制备。

3.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体的充磁方向为径向充磁。

4.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体与两个线圈之间各自的气隙厚度均为0.01～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体的厚度为1～5mm。

6.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体的外径为3～7mm，内径为0.3～0.7mm。

7.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述两个线圈高度均为4～8mm。

8.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述两个线圈外半径均为3～7mm，线圈内半径均为0.3～0.7mm。

9.根据权利要求1所述的音圈驱动器，其特征在于，所述环形永磁体与两个线圈之间的气隙厚度均为0.1mm，所述环形永磁体的厚度为3mm，所述环形永磁体的外径为5mm、内径为0.5mm，所述两个线圈高度均为6mm，所述两个线圈外半径均为5mm、两个线圈内半径均为0.5mm。

10.一种变形镜，其特征在于，所述变形镜采用权利要求1-9任一项所述的音圈驱动器驱动薄镜面变形。

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