CN113422492B - 一维大负载动圈式有限转动致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一维高速大负载动圈式有限转动致动器，回转轴支撑组件包括能够绕其轴线转动的回转轴；线圈组件固定至回转轴；每组线圈组件包括n个沿回转轴周向分布的线圈；永磁体组件固定至壳体，每组永磁体组件包括n+1层沿回转轴轴向分布的永磁体；每组永磁体组件对应插入一组线圈组件，使得每个线圈的上部和下部均设置一层永磁体；线圈内流过电流，所述永磁体组件产生偏置磁场，驱动线圈组件带动所述回转轴支撑组件绕回转轴轴线转动。本发明的致动器在减轻电机转子重量的同时提高电机的扭矩输出，从而能够承接更大的负载，电机工作效率大大提高，使得快反镜系统能够实现更高的转动加速度和工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，尤其涉及一维大负载动圈式有限转动致动器。
背景技术
快速反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的部件，通过采用音圈电机精确控制反射镜偏转方向从而精确控制光束偏转角度，用于实现反射镜的“偏转-倾斜”方位角度的快速调整，可用于光电领域的视轴稳定或扫描补偿等应用。由于其具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点，被广泛应用在天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域，成为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件。
传统的快速反射镜，一般包括四个音圈电机。在每个旋转轴方向上采用两个音圈电机组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。对于大口径的快反镜来说，其镜面尺寸的大小导致转动惯量很大，传动的制动机构无法满足要求。一些大口径的反射镜，还要求较高的转动加速度；同时还对体积和重量提出了较高约束。因此需要设计更高性能的致动器。
快速反射镜的一个重要指标就是工作带宽，而影响该指标的器件是其中的音圈电机，必须具有较高的出力和较短的阶跃响应时间。一维快速反射镜是快速反射镜只具有单一方向的偏转运动，一般包括2个音圈电机，在回转轴组件方向上采用组成推拉式对，为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。
反射镜口径越大，重量越大，因此线圈需要更高的加速度才能保持甚至超过现有的偏转速率。一些大口径的反射镜，需要较高的转动加速度；同时还对体积和重量提出了较高约束。现有技术方案中通常采用对传统的矩形电机简单堆叠的方式，因此加速度较低，重量也比较重。这样就造成了加速度和尺寸等不能满足性能需要。同时当前制动器设计效率都比较低。总之，现有大口径的反射镜的致动器效率低，重量大，无法带动快反镜进行更高加速度的运动。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一维大负载动圈式有限转动致动器，采用了多层结构，有效地利用磁铁，减轻致动器的整体重量的同时提高致动器的扭矩输出，从而能够承接更大的负载，电机工作效率大大提高。
为达到上述目的，本发明提供了一种一维高速大负载动圈式有限转动致动器，包括回转轴支撑组件、k组线圈组件、k组永磁体组件以及壳体；
所述回转轴支撑组件，包括能够绕其轴线转动的回转轴；
k组所述线圈组件固定至所述回转轴，沿周向均匀分布；每组所述线圈组件包括n个沿所述回转轴轴向分布的线圈；其中k为3、4、6或8；n大于3；
永磁体组件固定至所述壳体，每组永磁体组件包括n+1层沿所述回转轴轴向分布的永磁体；
每组永磁体组件对应插入一组所述线圈组件，使得每个线圈的上部和下部均设置一层永磁体；
线圈内流过电流，所述永磁体组件产生偏置磁场，驱动所述线圈组件带动所述回转轴支撑组件绕回转轴轴线转动。
进一步地，每层永磁体包括两个水平相对且磁极方向相反的永磁体，每组永磁体组件形成两排并列设置的永磁体，磁极排列方式相反，每排永磁体磁极排列方式相同。
进一步地，各个线圈电流方向相同，通过改变电流方向改变转动方向，通过改变线圈内的电流大小，改变回转轴的转动角度。进一步地，线圈选择FPC或多层PCB电路板方式加工。
进一步地，n+1层永磁体的第一层上端和底层下端的导磁体，使得每组永磁体组件形成闭合磁通回路。进一步地，导磁体采用金属材料，优选软磁材料的金属合金、磁导不锈钢材料、电工钢以及铁氧体。
进一步地，所述永磁体组件包括n+1层磁体支架，磁体支架每层放置一层永磁体，磁体支架的顶端和底端固定所述导磁体，磁体支架每层之间的间距满足线圈插入。
进一步地，k为4，n取5。
进一步地，所述回转轴支撑组件包括固定件，所述固定件内部为通孔，沿周向均匀设置k组插槽，每组插槽包括n个插入线圈的插槽；回转轴插入所述通孔内，固定至所述固定件。
进一步地，所述壳体内部设置通孔，穿过所述回转轴，所述回转轴通过轴承固定至所述壳体；所述壳体设置k个槽，用于固定k组永磁体组件。
进一步地，所述回转轴支撑组件固定至反射镜支架，带动反射镜绕回转轴轴线转动在±15°转角范围内转动。
进一步地，还包括位移测量传感器，检测回转轴转动位移，计算转动角度。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明所提出的一种一维大负载动圈式有限转动致动器，采用了多层结构，相比传统的矩形电机简单堆叠的方式，采用了创新的磁路设计，中间部分的线圈两端的磁铁能够实现共用，因此可以节省磁铁和导磁体的数量和体积，从而有效地利用磁铁，进一步减轻电机转子的重量以及电机整体的重量。
(2)本发明的致动器提高电机的扭矩输出，从而能够承接更大的负载，电机工作效率大大提高，使得快反镜系统能够实现更高的转动加速度和工作带宽。
(3)本发明转角范围大，最大可达±15°。
(4)本发明根据所需的扭矩选择线圈的层数，优化了结构设计，进一步在满足扭矩输出的同时降低了转子重量，大大提高了带动负载的能力，适用于大负载、大口径的反射镜的转动控制，提供更高的加速度。
附图说明
图1为本发明公开的一种一维大负载动圈式有限转动致动器的爆炸结构示意图；
图2为本发明公开的一维大负载动圈式有限转动致动器电机部分的正视剖面结构示意图；
图3为本发明公开的一维大负载动圈式有限转动致动器电机部分的左视剖面结构示意图；
图4为本发明公开的一维大负载动圈式有限转动致动器电机部分的俯视剖面结构示意图；
图中：1-反射镜、2-反射镜支架、3-回转轴支撑组件、4-线圈、5-永磁体、6-导磁体、7-壳体、8-位移测量传感器、9-底座。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1为本发明公开的一种一维大负载动圈式有限转动致动器的爆炸结构示意图，图2、图3和图4分别为本发明公开的一种一维高速大负载动圈式有限转动致动器电机部分的正视、左视和俯视剖面结构示意图。限转动致动器包括回转轴支撑组件3、k组线圈组件4、k组永磁体组件5以及壳体7。
所述回转轴支撑组件3固定于壳体7上，包括回转轴11，回转轴11能够绕其轴线转动，作为音圈电机转子部件。
进一步地，k组所述线圈组件4固定至所述回转轴，沿周向均匀分布；每组所述线圈组件4包括n个沿所述回转轴轴向分布的线圈；其中k为3、4、6或8；n大于3。在图3的实施例中，n为6，在图4的实施例中，k为4。
壳体7包括底座9，壳体固定在底座9上。壳体7用于固定k组永磁体组件5，作为音圈电机定子固定部件。每组永磁体组件5包括n+1层沿所述回转轴轴向分布的永磁体。
每组永磁体组件5对应插入一组所述线圈组件4，使得每个线圈的上部和下部均设置一层永磁体。线圈内流过电流，所述永磁体组件5产生偏置磁场，驱动所述线圈组件4带动所述回转轴支撑组件3绕回转轴轴线转动。永磁体组件5作为音圈电机的转子。
每层永磁体包括两个水平相对且磁极方向相反的永磁体，每组永磁体组件5形成两排并列设置的永磁体，磁极排列方式相反，每排永磁体磁极排列方式相同。n+1层永磁体的第一层上端和底层下端的导磁体6，使得每组永磁体组件5形成闭合磁通回路。
在一个实施例中，如图2所示，所述永磁体组件5包括n+1层磁体支架13，磁体支架13每层放置一层永磁体，磁体支架13的顶端和底端固定所述导磁体6，磁体支架每层之间的间距略大于线圈高度，保证线圈高度顺利插入。磁体支架13固定至壳体7。
所述回转轴支撑组件3包括固定件12，所述固定件12内部为通孔，沿周向均匀设置k组插槽，每组插槽包括n个插入线圈的插槽；回转轴11插入所述通孔内，固定至所述固定件12。
结合图1，所述壳体7内部设置通孔，穿过所述回转轴，所述回转轴通过轴承固定至所述壳体；所述壳体7设置k个槽，用于固定k个磁体支架13。
进一步地，有限转动致动器用于驱动反射镜，结合图1，所述反射镜1固定于反射镜支架2上；所述反射镜支架固定于所述回转轴支撑组件3回转轴11上。
通电线圈会受到的安培力的作用而发生位移，公式可表示为：
F＝NBIL
式中：F为单个线圈单边两侧永磁体对线圈所产生的电磁力；B为一对永磁体所在空间的磁感应强度；L为一匝线圈中在永磁体有效作用范围内的长度；N为单个线圈的匝数；I为单个线圈通过的电流。
电流越大I，磁铁对线圈施加的电磁力越大，线圈偏转的角度越大。需要线圈偏转时，通过电流控制偏转角度。
多层结构中的永磁体组件的排列方式和结构是对传统堆叠结构进行仿真优化得到的结果，可以增加永磁体在整个电机中形成的磁路的磁通密度B，由F＝NBIL可知，B增加，F也会增加。由于应用的特殊性，还对电机整体的体积和重量提出了较高约束，采用多层结构可以有效减轻电机整体体积和质量。
F＝ma
其中a为线圈的加速度，m为单个线圈的质量。在质量不变的情况下，力越大，加速度越大。线圈的个数越多，产生的电磁力越大。线圈质量越大，在力F不变的情况下，加速度越小。多层结构中的线圈增加了电磁力，加速度基本不变的情况下，实现了带动更大负载。
在回转轴偏转过程中，要经过加速和减速的过程，在回转轴开始转动时，线圈中施加一定方向的电流，使线圈和回转轴加速运动，在达到指定角度之前，电流会反向，由于线圈与回转轴相连，线圈受到一个相反方向的力，会使回转轴停止转动。
按如图3所示的方式来排列第2组电机的所有永磁体5的磁极方向，则左侧永磁体5的磁极方向为上N下S,右侧永磁体5的磁极方向则为上S下N，其它三组的磁极排列方向与这一组相同。并且按照图3所示的方式，对一组电机的所有5个线圈加入一个从线圈右侧流入，从左侧流出的电流时，单个线圈左右两边在安培力的作用下，根据左手定则，会分别会受到一个大小为F的向左的安培力作用，放到图4所示的俯视剖面图当中，第2组电机的永磁体则会对左侧线圈4产生一个大小为8F的向下的安培力，从而驱动左侧线圈4向下运动，而第4组电机的永磁体则会对右侧线圈4产生一个大小为8F的向上的安培力，从而驱动右侧线圈4向上运动，并且同理，第1组和第3组电机的线圈会在其永磁体的作用下，分别受到一个向左和向右的大小为8F的安培力，从而带动反射镜1沿着逆时针方向偏转。分别改变线圈4通入电流的方向和大小，会分别改变线圈4自身受到力的方向和大小，从而分别改变反射镜1的偏转方向和角度。
在一个实施例中，如图2所示，所述回转轴支撑组件3包括回转轴和滑动轴承10，所述滑动轴承10有两个，分别固定于回转轴11的两端，并且支撑于壳体底座9上。所述滑动轴承为反射镜1和线圈4提供支撑；并且能够将线圈组件的扭力传递给反射镜支架2，从而带动反射镜1围绕回转轴3水平转动，实现快反镜1的一维摆动。
进一步的，按如图4所示的电机俯视图，所述音圈电机分为绕中心轴两两相对布置的四组电机，每组电机分别包括线圈4和磁体组件，所述磁体组件包括永磁体5和导磁体6。
如图3所示，每组电机的线圈分为五层，所述线圈4通过回转轴支撑组件支撑于壳体底座9上，并与反射镜支架2固定，使得线圈4在电磁力的作用下带动反射镜1绕中心轴水平偏转。所述线圈4的导体可以由铜制成，线圈厚度范围一般在10μm至200μm，并且通常选择20μm至60μm厚度范围内的线圈4。特别地，线圈4可采用印刷电路板的方式进行承载和加工，并且可以选择FPC和多层PCB等形式，例如采用HDI Anylayer(任意层互联)形式的电路板，但不限于此。
如图3所示，所述永磁体5用于产生一个偏置磁场，从而驱动线圈4发生移动，从而带动快反镜的偏转，每组电机的磁铁分为六层，每层由两个水平相对并且磁极相反的永磁体5组成，每层永磁体5和线圈4相间排列，并固定于每层的导磁体6上，将线圈4的活动空间限制于永磁体5的范围内。特别地，永磁体5采用钐钴SmCo33EN 5300和钕铁硼(NdFeB)等剩余磁通密度较大的永磁体材料。但是同样可以使用其它材料的永磁体5。
如图3所示，所述导磁体6用于引导磁通形成一个闭合的回路，并且能够控制磁通的方向和气隙磁密的大小，提高永磁体5的工作效率。特别地，在各种实施例中，导磁体可以采用金属材料，特别是软磁材料的金属合金、磁导不锈钢材料、电工钢以及铁氧体等材料。
进一步的，还设置位移测量传感器8，采用电涡流传感器。所述电涡流传感器8布置于位于中心轴的底座9上。位移测量传感器8检测回转轴转动位移，进而计算转动角度。
进一步的，线圈4的电流流向以及永磁体5的磁极分布如图3所示；线圈4通过与回转轴支撑组件固定，使得音圈电机可以围绕中心轴进行旋转，并且为音圈电机提供支撑；每个音圈电机包括线圈4、永磁体5以及导磁体6。每一组电机左右两排永磁体5的磁极排列方式相反，每排永磁体5磁极排列方式相同，每一组电机的永磁体5排列方式一致；并且每一组电机的每个线圈4具有相同的电流方向相同。
按如图3所示的方式来排列其中一组电机的所有永磁体5的磁极方向，对于一个线圈来说，左侧永磁体5的磁极方向为上N下S,右侧永磁体5的磁极方向则为上S下N，其它三组的磁极排列方向与这一组相同。按照图3所示的方式，加入一个从线圈右侧流入，从左侧流出的电流时，单个线圈左右两边在安培力的作用下，根据左手定则，会受到一个大小为F的向左的安培力作用，5个线圈受到5F的安培力。放到图4所示的俯视剖面图当中，第2组电机的永磁体则会对左侧线圈4产生一个大小为5F的沿x反方向的安培力，从而驱动左侧线圈4沿x反方向运动，而第4组电机的永磁体则会对右侧线圈4产生一个大小为5F的沿x方向的安培力，从而驱动右侧线圈4沿x方向运动，并且同理，第1组和第3组电机的线圈会在其永磁体的作用下，分别受到一个向y轴方向和向y轴反方向的大小为8F的安培力，从而带动反射镜1沿着顺时针方向偏转。分别改变线圈4通入电流的方向和大小，会分别改变线圈4自身受到力的方向和大小，从而分别改变反射镜1的偏转方向和角度。
综上所述，本发明涉及一维高速大负载动圈式有限转动致动器，回转轴支撑组件包括能够绕其轴线转动的回转轴；线圈组件固定至回转轴；每组线圈组件包括n个沿回转轴周向分布的线圈；永磁体组件固定至壳体，每组永磁体组件包括n+1层沿回转轴轴向分布的永磁体；每组永磁体组件对应插入一组线圈组件，使得每个线圈的上部和下部均设置一层永磁体；线圈内流过电流，所述永磁体组件产生偏置磁场，驱动线圈组件带动所述回转轴支撑组件绕回转轴轴线转动。本发明的致动器在减轻电机转子重量的同时提高电机的扭矩输出，从而能够承接更大的负载，电机工作效率大大提高，使得快反镜系统能够实现更高的转动加速度和工作带宽。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (11)
1.一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，包括回转轴支撑组件(3)、k组线圈组件(4)、k组永磁体组件(5)以及壳体(7)；
所述回转轴支撑组件(3)，包括能够绕其轴线转动的回转轴(11)；
k组所述线圈组件(4)固定至所述回转轴(11)，沿周向均匀分布；每组所述线圈组件(4)包括n个沿所述回转轴(11)轴向分布的线圈；其中k为3、4、6或8；n大于3；
永磁体组件(5)固定至所述壳体(7)，每组永磁体组件(5)包括n+1层沿所述回转轴(11)轴向分布的永磁体；
每组永磁体组件(5)对应插入一组所述线圈组件(4)，使得每个线圈的上部和下部均设置一层永磁体；
线圈内流过电流，所述永磁体组件(5)产生偏置磁场，驱动所述线圈组件(4)带动所述回转轴支撑组件(3)绕所述回转轴(11)轴线转动。
2.根据权利要求1所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，每层永磁体包括两个水平相对且磁极方向相反的永磁体，每组永磁体组件(5)形成两排并列设置的永磁体，磁极排列方式相反，每排永磁体磁极排列方式相同。
3.根据权利要求2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，各个线圈电流方向相同，通过改变电流方向改变转动方向，通过改变线圈内的电流大小，改变回转轴的转动角度。
4.根据权利要求3所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，线圈选择FPC或多层PCB电路板方式加工。
5.根据权利要求2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，n+1层永磁体的第一层上端和底层下端的导磁体(6)，使得每组永磁体组件(5)形成闭合磁通回路。
6.根据权利要求5所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，所述永磁体组件(5)包括n+1层磁体支架(13)，磁体支架(13)每层放置一层永磁体，磁体支架的顶端和底端固定所述导磁体(6)，磁体支架每层之间的间距满足线圈插入。
7.根据权利要求2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，k为4，n取5。
8.根据权利要求2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，所述回转轴支撑组件(3)包括固定件，所述固定件内部为通孔，沿周向均匀设置k组插槽，每组插槽包括n个插入线圈的插槽；回转轴插入所述通孔内，固定至所述固定件。
9.根据权利要求2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，所述壳体(7)内部设置通孔，穿过所述回转轴，所述回转轴通过轴承固定至所述壳体；所述壳体(7)设置k个槽，用于固定k组永磁体组件(5)。
10.根据权利要求1或2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，所述回转轴支撑组件(3)固定至反射镜支架(2)，带动反射镜绕回转轴轴线转动在±15°转角范围内转动。
11.根据权利要求1或2所述的一维高速大负载动圈式有限转动致动器，其特征在于，还包括位移测量传感器(8)，检测回转轴转动位移，计算转动角度。
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