CN113422494B - 一种一维高速大负载有限转动致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种一维高速大负载有限转动致动器，包括回转轴、两组线圈、两组磁体组件以及壳体；两组线圈对称固定至回转轴的两侧，每组线圈包括n个线圈，沿回转轴轴向分布；每组磁体组件包括纵向交错设置的n+2层导磁体和n+1层永磁体；每组线圈对应一组磁体组件，n个线圈分别对应套设于第2至第n+1层导磁体，使得每个线圈上部和下部均有一层永磁体；两组线圈内流过电流，磁体组件产生偏置磁场，驱动两组所述线圈组件带动回转轴绕回转轴轴线转动。通过采用多层结构，有效利用磁铁，实现体积重量小，扭矩大，从而满足承接较大负载的要求。
Description
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一维高速大负载有限转动致动器。
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，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。
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。
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。这样，现有方案效率低，重量大，还要带动快反镜进行更高加速度的运动是不太可能的。
因此需要对现有音圈电机的结构进行进一步优化，设计一款质量更轻，出力更大的音圈电机来提高快反镜的工作效率，为快反镜提供更加平滑且更大的扭矩，从而提高快反镜的工作带宽等重要指标。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高性能有限转动制动器，通过采用多层结构，有效利用磁铁，实现体积重量小，扭矩大，从而满足承接较大负载的要求。
为达到上述目的，本发明提供了一种一维高速大负载有限转动致动器，包括回转轴、两组线圈、两组磁体组件以及壳体；
两组线圈对称固定至所述回转轴的两侧，每组线圈包括n个线圈，沿所述回转轴轴向分布；
每组磁体组件包括纵向交错设置的n+2层导磁体和n+1层永磁体；
两组磁体组件对称设置，固定至所述壳体；每组线圈对应一组磁体组件，n个线圈分别对应套设于第2至第n+1层导磁体，使得每个线圈上部和下部均有一层永磁体；所述线圈不接触永磁体及导磁体；
两组所述线圈内流过电流，所述磁体组件产生偏置磁场，驱动两组所述线圈组件带动所述回转轴绕回转轴轴线转动。
进一步地，每组磁体组件的相邻层永磁体的磁极方向相反，两组磁体组件对应层的永磁体磁极方向相同；
每组线圈内，相邻层线圈的电流方向相反；两组线圈，对应层的线圈的电流方向相反。
进一步地，通过改变电流方向改变所述回转轴转动方向，通过改变线圈内的电流大小，改变所述回转轴的转动角度。
进一步地，所述导磁体和永磁体为半圆环形，所述线圈套设在导磁体的半圆缺口，且在半圆缺口范围内转动，圆环形的两侧加工固定平面，每组磁体组件的导磁体和永磁体纵向对齐，通过固定平面固定至第一、第二端板，第一、第二端板为导磁体。
进一步地，所述线圈内的电流方向与绕制方向相同；两组线圈的绕线方向相反，一组线圈为绕垂直于回转轴的方向逆时针绕线，另一组线圈为垂直于回转轴的方向顺时针绕线；
每组线圈内部，奇数层由内向外绕制，偶数层有外向内绕制。
进一步地，第一层导磁体与第一层永磁体之间无空隙，第n+2层导磁体与n+1层永磁体之间无空隙；第2至第n+1层导磁体与永磁体之间留有空隙，大于线圈的厚度。
进一步地，导磁体采用电工软铁。
进一步地，所述回转轴套设n个轴套，每个轴套包括两个对称的固定端；两组线圈分别固定在轴套上。
进一步地，回转轴、两组线圈、两组磁体组件均设置在所述壳体内，所述回转轴的上下端通过轴承固定至所述壳体，能够相对于所述壳体转动；所述回转轴固定至反射镜支架，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固定至所述壳体的基座上，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)本发明采用多层的动圈式结构，有效利用磁铁，实现体积重量小，扭矩大，从而满足承接较大负载的要求；能够有效减小快反镜整体的体积和重量，实现较高的转动加速度。
(2)本发明的线圈套设在导磁体上，线圈侧向放置，增大了磁场的作用长度，进而提高了扭矩；通过导磁体增加了磁通密度，减小磁场衰减。
(3)本发明转角范围较大，在±15°范围内；本发明采用正弦交流信号供电，可以起到使输出扭矩更加平滑的作用。正弦信号的波形相对三角波更加平滑，因此在电流增大和减小的变化过程更加顺滑。
附图说明
图1是一个实施例中一维高速大负载有限转动致动器的爆炸结构示意图；
图2为一个实施例中一维高速大负载有限转动致动器磁极分布和电流流向示意图；
图3为一个实施例中致动器剖面结构示意图；
图4为回转轴、线圈、磁体组件位置关系示意图；
图5为线圈、磁体组件位置关系示意图。
图中：1-反射镜、2-回转轴、3-导磁体、4-磁铁、5-线圈、6-位移测量传感器、7-壳体、8-滑动轴承、9-反射镜支架、3-1-第一端板、3-2-第二端板、3-3-导磁体半圆缺口。
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。
提供一维高速大负载有限转动致动器，包括回转轴2、两组线圈5、两组磁体组件以及壳体7。
两组线圈5对称固定至所述回转轴2的两侧，每组线圈5包括n个线圈，沿所述回转轴3轴向均匀分布。
每组磁体组件包括纵向交错设置的n+2层导磁体3和n+1层永磁体4。
两组磁体组件对称设置，固定至所述壳体7；每组线圈对应一组磁体组件，n个线圈分别对应套设于第2至第n+1层导磁体3，使得每个线圈上部和下部均有一层永磁体4；所述线圈不接触永磁体4及导磁体3。
每组磁体组件的相邻层永磁体4的磁极方向相反，两组磁体组件对应层的永磁体磁极方向相同；每组线圈内，相邻层线圈5的电流方向相反；两组线圈，对应层的线圈5的电流方向相反。两组所述线圈内流过电流，所述磁体组件产生偏置磁场，驱动两组所述线圈组件4带动所述回转轴2绕回转轴轴线转动。
进一步地，通过改变电流方向改变所述回转轴2转动方向，通过改变线圈内的电流大小，改变所述回转轴2的转动角度。
进一步地，结合图1，所述回转轴2套设n个轴套，每个轴套包括两个对称的固定端；两组线圈5分别固定在轴套上。
进一步地，回转轴2、两组线圈5、两组磁体组件均设置在所述壳体7内，所述回转轴2的上下端通过轴承8固定至所述壳体7，能够相对于所述壳体7转动结合3，轴承8的外环固定至壳体7，内环固定至回转轴2。所述回转轴2上端由壳体7上盖的通孔伸出，回转轴2上端固定至反射镜支架9，带动反射镜绕回转轴轴线转动在±15°转角范围内转动。
还包括位移测量传感器6固定至所述壳体7的基座8上，检测回转轴转动位移，计算转动角度。
在一个实施例中，n的数量为4，设置4层线圈，6层导磁体3和5永磁体4。图1是该实施例的爆炸结构示意图；图2是该实施例磁极分布及受力示意图和致动器电流流向示意图。所述反射镜1固定于反射镜支架9上；所述反射镜支架9固定于回转轴2上；回转轴2固定于壳体7上；位移测量传感器6固定在壳体7基座上。
进一步地，如图4-5所示，所述导磁体3和永磁体4为半个圆环形，所述线圈套设在导磁体3的半圆缺口3-3，且在半圆缺口范围内转动，圆环形的两侧加工固定平面，每组磁体组件的导磁体3和永磁体4纵向对齐，通过固定平面固定至左侧的第一端板3-1、第二端板3-2，第一、第二端板为导磁体。
进一步地，第一层导磁体3与第一层永磁体4之间无空隙，第6层导磁体3与5层永磁体4之间无空隙；第2至第5层导磁体3与永磁体4之间留有空隙，大于线圈的厚度，使得线圈能够套设在导磁体3，且不接触导磁体3与永磁体4。
进一步的，如图2所示，所述音圈电机分为左右两组电机，左侧为第一组，右侧为第二组，每组电机分别包括线圈5和磁体组件，每组电机的线圈有四个，所述线圈5通过回转轴组件支撑于壳体7上，并固定于反射镜支架9上。所述磁体组件包括永磁体4和导磁体3；所述永磁体4用于控制和改变磁通密度的大小及方向；所述永磁体4和线圈5相间排列，并且所述永磁体4固定于线圈5上下两个表面上，所述导磁体3由置于线圈5范围内的，以及固定于两组电机上下表面上的两部分组成；所述导磁体3采用电工软铁但不限于电工软铁材料。
进一步的，所述回转轴组件包括滑动轴承8和回转轴2，所述滑动轴承8有两个，分别固定于回转轴2的两端，并且支撑于壳体7基座上。所述滑动轴承为反射镜1和音圈电机的线圈5提供支撑；并且能够将线圈组件的扭力传递给反射镜支架9，从而带动反射镜1围绕回转轴2水平转动，实现快反镜1的一维摆动。
进一步地，线圈的绕制方式可参考图3，其中左侧为第一组线圈，右侧为第二组线圈。图3中，Y轴的方向为垂直于XZ轴，向外。每组线圈都默认最里面(最靠近线圈空心部分)的一层为第一层，并且对于第一组线圈，第一层线圈采用由内到外的顺序(围绕Y方向，逆时针)绕制，在第一层绕满之后，再由外到内(围绕Y方向，逆时针)绕制第二层。之后几层的线圈绕制以此类推。方法同前两层，每一层绕制的方向依次相反；而对于第二组线圈，其绕线方向与第一组相反，其中第一层线圈采用由内到外的顺序(围绕Y方向，顺时针)绕制，在第一层绕满之后，再由外到内(围绕Y方向，顺时针)绕制第二层，之后几层的线圈绕制以此类推。方法同第一组。
进一步的，所述的位移测量传感器6采用电涡流传感器。所述电涡流传感器6有1个，并且布置于位于中心轴的壳体7基座上。
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。
由于空气和磁铁的磁导率较低(一般为1)，导磁能力很弱，并且由于线圈放置的方式导致单个线圈单边两侧永磁体的空隙较大(略大于线圈在Z方向上的空心高度)，磁铁产生的磁场在空气中的损失较大。而导磁体具有远大于空气的磁导率(一般几千左右)，因此将导磁体置于线圈范围内，可以在不影响线圈运动的同时，有效减少磁回路中的损失，提高磁回路中的磁通密度B，有效提高线圈出力F。
多层结构中的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。
进一步的，如图2所示，回转轴2使得音圈电机可以围绕此轴进行旋转，壳体为音圈电机提供支撑；每个音圈电机包括线圈5、永磁体4以及导磁体3。图3中分为左右两组电机，左右两组分别为第一组和第二组电机。传统的设计为磁铁，线圈，导磁体堆叠在一起，本发明中每组相邻的线圈组件公用同一个磁铁和导磁体，在体积上大大减小，效率也得到提高。
图2以第一组电机为例，可以看到第一组电机最上面一层永磁体4的磁极方向则为上N下S，第二层则为上S下N，下面几层以此类推，由上到下沿着Z轴反方向交替排列；对于每组电机，线圈5的电流方向如图2所示，第一层线圈电流从线圈上边流入，从线圈下边流出，第二层线圈电流与第一层相反，下面几层以此类推，从上到下沿着Z轴反方向分布的线圈电流方向依次相反，因此根据左手定则，第一组线圈永磁体4会对线圈5上下两边产生一个沿y轴方向的电磁力；而由于图3中左右两组电机的永磁体4磁极排列方式相同，而左右两组电机的线圈5施加相反方向的电流，因此第二组线圈永磁体4会对线圈5上下两边产生一个沿y轴反方向方向的电磁力，左右两个电机产生的相反方向的力施加到回转轴2上，从而带动反射镜1围绕回转轴2水平偏转。改变线圈5通入电流的大小和方向，线圈5自身受到的力也会改变，反射镜1的转动方向和偏转角度也会改变。
综上所述，本发明一种一维高速大负载有限转动致动器，包括回转轴、两组线圈、两组磁体组件以及壳体；两组线圈对称固定至回转轴的两侧，每组线圈包括n个线圈，沿回转轴轴向分布；每组磁体组件包括纵向交错设置的n+2层导磁体和n+1层永磁体；每组线圈对应一组磁体组件，n个线圈分别对应套设于第2至第n+1层导磁体，使得每个线圈上部和下部均有一层永磁体；两组线圈内流过电流，磁体组件产生偏置磁场，驱动两组所述线圈组件带动回转轴绕回转轴轴线转动。通过采用多层结构，有效利用磁铁，实现体积重量小，扭矩大，从而满足承接较大负载的要求。
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 (10)
1.一种一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，包括回转轴(2)、两组线圈(5)、两组磁体组件以及壳体(7)；
两组线圈(5)对称固定至所述回转轴(2)的两侧，每组线圈(5)包括n个线圈，沿所述回转轴轴向分布；
每组磁体组件包括纵向交错设置的n+2层导磁体(3)和n+1层永磁体(4)；
两组磁体组件对称设置，固定至所述壳体(7)；每组线圈对应一组磁体组件，n个线圈分别对应套设于第2至第n+1层导磁体(3)，使得每个线圈上部和下部均有一层永磁体(4)；所述线圈不接触永磁体(4)及导磁体(3)；
两组所述线圈内流过电流，所述磁体组件产生偏置磁场，驱动两组所述线圈组件(4)带动所述回转轴(2)绕回转轴轴线转动。
2.根据权利要求1所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，每组磁体组件的相邻层永磁体(4)的磁极方向相反，两组磁体组件对应层的永磁体磁极方向相同；
每组线圈内，相邻层线圈(5)的电流方向相反；两组线圈，对应层的线圈(5)的电流方向相反。
3.根据权利要求2所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，通过改变电流方向改变所述回转轴(2)转动方向，通过改变线圈内的电流大小，改变所述回转轴(2)的转动角度。
4.根据权利要求3所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，所述导磁体(3)和永磁体(4)为半圆环形，所述线圈套设在导磁体(3)的半圆缺口，且在半圆缺口范围内转动，圆环形的两侧加工固定平面，每组磁体组件的导磁体(3)和永磁体(4)纵向对齐，通过固定平面固定至第一、第二端板，第一、第二端板为导磁体。
5.根据权利要求4所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，所述线圈(5)内的电流方向与绕制方向相同；两组线圈的绕线方向相反，一组线圈为绕垂直于回转轴的方向逆时针绕线，另一组线圈为垂直于回转轴的方向顺时针绕线；
每组线圈内部，奇数层由内向外绕制，偶数层有外向内绕制。
6.根据权利要求4所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，第一层导磁体(3)与第一层永磁体(4)之间无空隙，第n+2层导磁体(3)与n+1层永磁体(4)之间无空隙；第2至第n+1层导磁体(3)与永磁体(4)之间留有空隙，大于线圈的厚度。
7.根据权利要求4所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，导磁体采用电工软铁。
8.根据权利要求1或2所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，所述回转轴(2)套设n个轴套，每个轴套包括两个对称的固定端；两组线圈(5)分别固定在轴套上。
9.根据权利要求1或2所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，回转轴(2)、两组线圈(5)、两组磁体组件均设置在所述壳体(7)内，所述回转轴(2)的上下端通过轴承固定至所述壳体(7)，能够相对于所述壳体(7)转动；所述回转轴(2)固定至反射镜支架(9)，带动反射镜绕回转轴轴线转动在±15°转角范围内转动。
10.根据权利要求1或2所述的一维高速大负载有限转动致动器，其特征在于，还包括位移测量传感器(6)固定至所述壳体(7)的基座上，检测回转轴转动位移，计算转动角度。
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