CN112701810A - 一种用悬浮转子的光学转镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用悬浮转子的光学转镜，包括：驱动件、转镜及壳体；转镜于真空的壳体内旋转；驱动件包括定子及磁力悬浮的转子；定子包括电机定子与悬浮轴承；转子整体或部分地布置于真空的壳体内；嵌绕有绕组的电机定子布置于壳体外；转子通过悬浮轴承装配于壳体内且与壳体的内壁面无接触；转子在悬浮高度上与壳体无接触运行；转子通过悬浮轴承实现径向悬浮及轴向悬浮；转子上安装有转镜。使用磁悬浮式电机带动转镜旋转，且将电机定子放置在真空壳体外侧，避免真空壳体内电机工作发热导致的损坏。由于磁悬浮式电机的转子与轴承没有机械摩擦，因此转速可以达到传统电机的数倍。也因为没有机械摩擦，磁悬浮式电机的电机效率高，更加节能环保。

Description

一种用悬浮转子的光学转镜

技术领域

本发明涉及激光高速转镜领域，尤其涉及一种用悬浮转子的光学转镜。

背景技术

激光转镜在激光雷达、激光三位测绘、激光打印机、激光照排印刷、激光存储、激光打标、激光显示，激光投影等需要激光工作的装置上应用，但在需要进一步提升上述产品的性能的时候，激光转镜的转速需要极大地提高。然而激光转镜的旋转速度由轴承决定，传统机械轴承的电机的轴承由于存在机械接触，在高速旋转下轴承会被烧毁，因此转速难以得到提升。如专利《超高速铝转镜系统》，公告号CN02151938，该专利记载的现有设计是通过将转镜放置到密闭的真空壳体中，并在真空壳体外部设置传统机械轴承的电机。通过电机带动高速轴承和齿轮等传动件进而控制转镜旋转。传统机械轴承的电机实现转速提升的方式往往是采用类似的齿轮增速结构，能效比很低，且转速提升依旧取决于轴承，转速增高可能导致轴承被烧毁。

发明内容

本发明的技术方案是：提供一种用悬浮转子的光学转镜，解决了：

1、传统机械轴承的电机由于存在机械摩擦，其能效比低，能源浪费严重。同时，传统机械轴承的噪声大，振动大，不适合需要高精度或者低噪的工作条件。

2、真空空间没有可用于散热的介质，散热方式通常只能采用辐射的方式进行散热，这会使得磁悬浮电机散热困难，造成电机过热损坏的情况发生。

为了解决上述问题，本发明使用磁悬浮电机带动转镜旋转，结构包括：驱动件、转镜及壳体。转镜处于壳体环境内，驱动件能够使得转镜产生高速转动。

具体的，壳体内为一个密闭的真空环境，转镜处于壳体内。转镜同时装配在驱动件上，驱动件包括定子及磁力悬浮的转子，定子包括电机定子及悬浮轴承。在电机定子上嵌绕绕组，在转子上布置磁钢。电机定子及悬浮轴承作为一个模块，其中悬浮轴承对转子进行悬浮支撑，同时定子与转子进行无接触运行。转子则整体或部分地布置于壳体中，转子驱动转镜在真空的壳体内转动。转子包含转子轴，且转子轴与转子的其他部件可以是一体化加工出来的，也可以是后期通过焊接等方式连接成为一体的。

本发明的一种方案是：将转子和定子均布置在壳体外，电机定子通过支架固定，转子则通过悬浮轴承进行支撑，转子与定子匹配运行。转子在悬浮状态下将其一端伸入壳体内，且转镜安装于该端上。转子在伸入壳体中时，需要确保装配要求的同时不能破坏壳体的真空状态。

本发明的另一种方案是：将转子布置于真空的壳体内，将电机定子布置于壳体外。此布置方式能在保证传动无额外损耗的情况下，避免散热问题。众所周知，传统方案采用传统电机进行驱动，通过传动件伸入密封壳体内，通过传动件对转镜进行驱动。传统方式显然存在诸多弊端，例如，传动效果差、转速低、振动大、噪音大等等。而将驱动件也集成到真空壳体中，这显然是一个不切实际的做法，因为在真空环境中不存在导热介质，电机产生的热量就无从消散，只能积蓄在电机内，电机极容易烧毁。介于上述两种情况，将驱动件中的发热部分设置在真空的壳体外，转动部分置于真空的壳体内，上述问题将会得到全面的解决。

电机的定、转子之间本来就设置了气隙，若壳体的壁面刚好处于气隙中，同时壳体选用不导磁的材质，可以是非金属材质也可以是不导磁的金属材质，例如铝、铜等等。那么，电机的定子与电机的转子之间仍然能够保持相互的磁场作用。

基于上述的设计，转子为了能够高速转动，需要避免其轴端侧的摩擦。因此，转子通过悬浮轴承悬浮于壳体内，磁悬浮轴承对转子提供悬浮力，确保转子处于悬浮状态。使得转子与壳体的内壁面无接触，转子在悬浮高度上与定子产生无接触运行。故，转子与轴承没有机械接触，转子的理论最大转速取决于材料本身的强度，此时转子的转速远超传统转子的速度。

具体的，转子通过悬浮轴承进行悬浮支撑，悬浮轴承可以是径向轴向一体化磁悬浮轴承，也可以是单独的径向悬浮轴承及单独的轴向悬浮轴承。

优选的是，转子通过径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承分别进行轴向悬浮及径向悬浮。

优选的是，转子上安装有转镜，转镜包括镜壳和镜片，镜片固定安装于镜壳内，镜壳安装于转子上。

优选的是，转子包括转子轴和永磁体；永磁体通过磁钢支架装配于转子轴上。

优选的是，转镜通过其镜壳套装于转子轴上来实现装配。

优选的是，转子轴为中空轴体，转镜通过其镜壳与转子轴过盈配合来实现装配。

优选的是，径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承布置于壳体内，径向悬浮轴承对转子进行径向方向的悬浮支撑；轴向悬浮轴承对转子进行轴向方向的悬浮支撑。

优选的是，径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承布置于壳体外，径向悬浮轴承对转子进行径向方向的悬浮支撑；轴向悬浮轴承对转子进行轴向方向的悬浮支撑。

优选的是，定子通过支架固定于壳体外。

优选的是，驱动件包括球形转子，转镜布置于球形转子的转子轴内。

本发明的优点是：使用磁悬浮式电机带动转镜旋转，且将磁悬浮式电机的电机定子放置在真空空间外侧，避免真空空间内电机工作发热导致的损坏。由于磁悬浮式电机的转子与轴承没有机械摩擦，因此转速可以达到传统电机的数倍。也因为没有机械摩擦，磁悬浮式电机的电机效率高，更加节能环保。磁悬浮式电机不需要齿轮增速的机构，因而其体积远小于传统电机，有利于减小转镜系统整机设备的空间。磁悬浮式电机的噪声和振动小，甚至可以做到没有噪声和振动。因此适合在需要高精度或者低噪的工作场合。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为用悬浮转子的光学转镜原理图；

图2为转镜安装在中空的磁悬浮式转子内部的原理图；

图3为中空的球体式转子及转镜配合的原理图；

图4为转子部分设置在真空壳体外部的采用磁悬浮电机的转镜原理图；

图5为现有技术中采用传统电机的转镜原理图；

其中，1、壳体；2、转镜；3、定子；4、转子；41、转子轴；5、磁悬浮电机；6、传动件；7、传统电机。

具体实施方式

实施例1，如图1所示：

一种用悬浮转子的光学转镜，结构包括：驱动件、转镜2及壳体1。转镜2处于壳体1环境内，驱动件能够使得转镜产生高速转动。

壳体1内为一个密闭的真空环境，转镜2处于壳体1内。转镜2同时装配在驱动件上，驱动件包括定子3及磁力悬浮的转子4。定子包括电机定子及悬浮轴承，在电机定子上嵌绕绕组，在转子4上布置磁钢。转子包含转子轴，且转子轴与转子的其他部件可以是一体化加工出来的，也可以是后期通过焊接等方式连接成为一体的。

将转子4布置于真空的壳体1内，将电机定子布置于壳体1外。电机定子通过支架固定于壳体1外，转子4通过径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承分别进行轴向悬浮及径向悬浮。

本方案与传统方案相比，传统方案通常是将转镜2放置到密闭的真空壳体中，并在真空壳体外部设置传统电机7。通过传统电机7带动转子4和传动件6（如齿轮等），通过齿轮增速来控制转镜旋转。但是，转镜速度越高，产品性能才会越好，所以通常要求达到很高的转速要求。然而，传统电机7存在机械摩擦，转速过大会导致轴承被烧毁，因此其转速不能很高；其次，由于传统电机7的转子振动较大，一定程度上影响了转镜2系统的工作精度；再者，传统电机7为了实现高转速，往往采用齿轮增速的方式，由于齿轮间的阻力很大，因此需要一个大功率的电机带动转镜2，能效比低，造成能源浪费。且由于多级齿轮增速结构的设计，转镜系统的体积不能进一步地减小。诸多问题都影响转镜的工作状态，但本方案中将转镜2直接布置在转子4上，将转子4置于壳体1内，驱动件的传动将会无损耗的到达转镜2上，以上所有问题将不会存在。

实施例2，如图4所示：

还存在一种改进，在传统方案的基础上，将传统电机换成磁悬浮电机，磁悬浮电机再通过传动件将动力传递至壳体1内的转镜。磁悬浮电机的传动件就是转子，传统电机由于要齿轮增速，所以传动结构复杂损耗大。

该方式可以有效提高电机的输出，也不需要复杂的齿轮增速传动机构，节省空间的同时，能效比高可节约能源。该方式中直接将转子伸入密闭空间内作为传动件，需要注意的是，转子在伸入壳体中时，需要确保装配要求的同时不能破坏壳体的真空状态，例如，但不限于在壳体上开一个孔，通过孔连接外侧的抽真空的装置，该抽真空的装置可始终保证壳体内部的真空环境。

具体的，如图4所示，本方案的一种用悬浮转子的光学转镜，将转子4及电机定子均布置于真空的壳体1外，转子4同时作为传动件伸入壳体1内，转镜2直接安装在壳体1内的转子4上，无额外的传动件就不会产生额外损耗。

实施例3，如图1和2所示：

本方案的一种用悬浮转子的光学转镜，转子4与定子3没有机械接触。因此可以将磁悬浮式的转子4与转镜2均设计在密闭真空的壳体1内部，电机的定子3安装在密闭真空的壳体1外侧。位于密闭的壳体1外侧的电机定子驱动壳体1内侧的转子4进行高速旋转。这种设计的优点在于将磁悬浮电机定子安装到真空壳体的外侧，电机产生的热量会在外部自然散热。

转子4与转镜2的连接方式并不唯一，转镜2可以套装在转子轴41上，也可以设计内部中空的转子轴41，转镜2安装在中空的转子轴41内部。

具体的，转镜2包括镜壳与镜片，镜片固定安装在镜壳中，镜壳与磁悬浮式的转子过盈配合安装。

壳体1的材料可选用非金属材质材料，考虑到非工作状态下转子落在密闭真空的壳体1中，因此壳体1的材料需要硬度较高且耐磨。因此壳体1的材料可选氧化铝陶瓷等高硬度、耐磨的非金属材料。

电机定子设置在密闭真空的壳体1外部，可通过支架固定，使电机定子与真空的壳体1之间的间隙保持固定。

转子4通过悬浮轴承进行悬浮支撑，悬浮轴承可以是径向轴向一体化磁悬浮轴承。当然，悬浮轴承也可以是独立的径向悬浮轴承及独立的轴向悬浮轴承，径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承分别进行轴向悬浮及径向悬浮，径向悬浮轴承产生的磁力吸引转子悬浮，轴向悬浮轴承产生的磁力控制转子轴向上的位移。转子4不工作时在重力作用下落在密闭真空的壳体1中。转子4工作时在磁力作用下悬浮，与壳体1没有接触。径向悬浮轴承和轴向悬浮轴承可以安装在真空的壳体1内，也可以将径向悬浮轴承、轴向悬浮轴承模块安装到电机定子附近，用支架固定径向悬浮轴承与轴向悬浮轴承。

实施例4，如图3所示：

本方案的一种用悬浮转子的光学转镜，转子4与转镜2的连接方式并不唯一，可以设计内部中空的转子4，转镜2安装在中空的磁悬浮式的转子4内部，即转子4的转子轴41可以是中空的圆柱。

另外，转子4也可以是中空的球体。相比中空的圆柱而言，中空的球体能够通过球体的旋转改变转镜的角度。具体的，可以选用磁悬浮球形电动机，即无轴承球形电动机，属于一种现有技术。无轴承球形电动机不需要设计专门的机械轴承，而用磁悬浮技术实现电动机转子在旋转时的自悬浮控制。

无轴承球形电动机的转子4为球形转子，铁心的表面开有经、纬度槽。在经度槽内嵌有两套正弦分布的绕组，在纬度槽内也嵌有一套正弦分布的绕组。这三套绕组的轴线相互正交，可以产生空间任意轴线的旋转磁场。定子铁心内表面也是一个球面，以便与球形转子配合形成均匀的定、转子气隙。定子铁心也开有经、 纬度槽，其中经度槽内嵌有两套正弦分布的绕组，纬度槽内也嵌有一套正弦分布的绕组。定子的三套绕组的轴线相互正交，以便产生与转子类似的旋转磁场。定子上除了放置三套两两正交的转矩绕组以外，另外还放置三套两两正交的悬浮力绕组。三套转矩绕组分别通以适当的电流，则三套绕组就可以在空间上形成三个互相正交的磁势向量，三个向量在空间上合成便可形成一个空间磁势向量。控制三套绕组的电流就可以控制电机定子磁场的磁场方向和幅值。转子在此旋转磁场的控制下，可以作空间定点运动。三套悬浮力绕组分别通以与转矩绕组中相同频率的电流，且满足其生成的磁场与转矩绕组生成的磁场旋转方向一致，则可以保证转子在定点旋转的过程中始终保持稳定的悬浮状态悬浮。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种用悬浮转子的光学转镜，包括：驱动件、转镜及壳体；转镜于真空的壳体内旋转；驱动件包括定子及磁力悬浮的转子；定子包括电机定子与悬浮轴承；其特征在于：

安装有永磁体的所述转子布置于真空的所述壳体内；嵌绕有绕组的所述电机定子布置于所述壳体外；所述转子通过悬浮轴承悬浮于所述壳体内且与所述壳体的内壁面无接触；

所述转子通过所述悬浮轴承实现径向悬浮及轴向悬浮；

所述转子上安装有所述转镜。

2.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述转镜包括镜壳和镜片，镜片固定安装于所述镜壳内，所述镜壳安装于所述转子上。

3.根据权利要求2所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述转子包括转子轴和永磁体；所述永磁体通过磁钢支架装配于转子轴上。

4.根据权利要求3所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述转镜通过其镜壳套装于所述转子轴上来实现装配。

5.根据权利要求3所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述转子轴为中空轴体，所述转镜通过其镜壳与所述转子轴过盈配合来实现装配。

6.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述悬浮轴承是径向轴向一体化磁悬浮轴承。

7.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述悬浮轴承包括独立的径向悬浮轴承及独立的轴向悬浮轴承。

8.根据权利要求7所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承布置于所述壳体内，所述径向悬浮轴承对所述转子进行径向方向的悬浮支撑；所述轴向悬浮轴承对所述转子进行轴向方向的悬浮支撑。

9.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述径向悬浮轴承及轴向悬浮轴承布置于所述壳体外，所述径向悬浮轴承对所述转子进行径向的悬浮支撑；所述轴向悬浮轴承对所述转子进行轴向方向的悬浮支撑。

10.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述定子通过支架固定于所述壳体外。

11.根据权利要求1所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述驱动件包括球形转子。

12.根据权利要求11所述的一种用悬浮转子的光学转镜，其特征在于：所述转镜布置于所述球形转子的转子轴内。

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