CN115343825A - 一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电扫描跟踪技术领域,具体公开了一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,包括:反射镜组件、音圈电机组件、反射镜基座和传感器组件;反射镜组件设置于反射镜基座顶部的中间位置,其水平方向的两端分别位于音圈电机组件环形电枢的气隙内;音圈电机组件分别设置于反射镜组件的两侧,且与反射镜基座固定连接;传感器组件设置于反射镜组件上,检测反射镜组件中的反射镜水平转动角度;反射镜在音圈电机组件中电流变化时沿旋转轴在水平方向往复转动。通过采用基于磁阻原理的动铁式音圈电机结构,提高了线圈散热效率,增加线圈的最大电流密度;此外,省去了电机内部气隙所占据的空间,从而提高了快反镜的空间利用率。

Description

一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域,具体涉及一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置。
背景技术
快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM),简称快反镜,是通过位移致动器件来驱动反射镜以极高角度分辨率精确控制光束方向的装置。快反镜与传统的二维万向架以及双一维振镜组合的光束扫描装置相比,具有结构紧凑、响应速度快、工作带宽高、指向精度高等优点,更易于紧凑系统的集成应用,因此目前广泛应用于天文望远镜、自适应光学、像移补偿、自由空间光通信、精密跟踪等领域,上述领域均对快反镜系统的定位精度、工作带宽、行程以及环境适应性都提出了较高的需求。
快反镜的驱动方式主要分为压电陶瓷(PZT)驱动和音圈电机(VCM)驱动两大类。其中,PZT驱动器具有结构简单、体积小、分辨率高、响应快、出力大等优点,但是其行程相对较小,通常仅为几个毫弧度,并且抗冲击振动能力差。而音圈电机转角范围一般为±1.5°,最大可达±10°,并且抗冲击振动能力强,因此广泛应用于国防军工等领域中。
传统的一维音圈电机快反镜,通常采用动圈式的圆柱形音圈电机,即磁缸固定在反射镜基座上,线圈连接在反射镜支架上的电机结构。该结构一般采用两个相同的音圈电机,在旋转轴方向上形成一对力偶,为反射镜提供平滑、均匀的扭矩。由于线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量,有利于减小快反镜动子的转动惯量,提高系统工作带宽。
但是,为了满足快反镜一定角度的偏转,在线圈与磁缸之间需要留有较大的气隙,因此线圈产生的大部分热量只能通过空气的形式传导出去,散热效率低,为了防止线圈过热,最大电流密度会因此较低,导致出力效率下降,影响快反镜的带宽性能;并且,由于传统音圈电机内部气隙的存在,影响快反镜的空间利用率,导致整体结构的空间较大。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,通过采用基于磁阻原理的动铁式音圈电机结构,能够有效提高线圈的散热效率,增加线圈的最大电流密度,具有更高的出力效率,从而提高快反镜的工作带宽;此外,省去了电机内部气隙所占据的空间,从而提高了快反镜的空间利用率,增大了电机部分的设计空间,在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,包括:反射镜组件、音圈电机组件、反射镜基座和传感器组件;
所述反射镜组件设置于所述反射镜基座顶部的中间位置,其水平方向的两端分别位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内;
所述音圈电机组件分别设置于所述反射镜组件的两侧,且与所述反射镜基座固定连接;
所述传感器组件设置于所述反射镜组件上,检测所述反射镜组件中的反射镜水平转动角度;
所述反射镜在所述音圈电机组件中电流变化时在水平方向往复转动。
进一步地,所述音圈电机组件包括:第一音圈电机基座、第二音圈电机基座、第一音圈电机和第二音圈电机;
所述第一音圈电机基座和所述第二音圈电机基座分别位于所述反射镜基座顶部相对的两侧;
所述第一音圈电机和所述第二音圈电机分别设置于所述第一音圈电机基座和所述第二音圈电机基座的顶部。
进一步地,所述第一音圈电机和所述第二音圈电机均包括:环形磁芯、永磁体及第一线圈和第二线圈;
所述永磁体设置于所述环形磁芯的中心处;
所述第一线圈和所述第二线圈旋向相同,分别位于所述环形磁芯和所述永磁体的空隙处。
进一步地,所述反射镜基座顶部两侧分别设有第一凹槽;
所述第一音圈电机基座和所述第二音圈电机基座分别固设于所述第一凹槽内。
进一步地,所述传感器组件包括:第一电涡流传感器和第二电涡流传感器;
所述第一电涡流传感器和所述第二电涡流传感器水平设置于所述反射镜组件上。
进一步地,所述反射镜组件还包括:镜托、柔性支撑单元、反射镜支架;
所述反射镜设置于所述镜托的一侧侧壁;
所述镜托的顶部和底部分别通过所述柔性支撑单元与所述反射镜支架柔性连接,其水平方向的两端分别位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内;
所述反射镜支架底部与所述反射镜基座顶部中间位置固定连接;
所述反射镜以其与所述柔性支撑单元在竖直方向的交线为旋转轴,在水平方向往复转动。
进一步地,所述镜托水平方向的两端均为竖直方向设置的片状结构,所述片状结构位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内。
进一步地,所述柔性支撑单元包括:第一柔性铰链和第二柔性铰链;
所述镜托的顶部通过所述第一柔性铰链与所述反射镜支架顶部柔性连接;
所述镜托的底部通过所述第二柔性铰链与所述反射镜支架底部柔性连接。
进一步地,所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链为十字交叉型柔性铰链。
进一步地,所述镜托朝向所述反射镜的一侧设有与所述反射镜形状匹配的第二凹槽;
所述反射镜设置于所述第二凹槽内。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
通过采用基于磁阻原理的动铁式音圈电机结构,能够有效提高线圈的散热效率,增加线圈的最大电流密度,具有更高的出力效率,从而提高快反镜的工作带宽;此外,省去了电机内部气隙所占据的空间,从而提高了快反镜的空间利用率,增大了电机部分的设计空间,在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置的爆炸结构示意图;
图2是本发明实施例提供的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置的三维示意图;
图3是本发明实施例提供的本发明公开的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置的俯视剖面结构示意图;
图4是本发明实施例提供的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置的磁极分布、受力示意图。
附图标记:
1、反射镜,2、镜托,3、音圈电机组件,4、反射镜支架,5、柔性支撑单元,61、第一电涡流传感器,62、第二电涡流传感器,71、第一音圈电机基座,72、第二音圈电机基座,8、反射镜基座,9、旋转轴,10、环形磁芯,11、永磁体,121、第一线圈,122、第二线圈,13、永磁体磁路,14、第一磁路,15、第二磁路。
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。
请参照图1、图2和图3,本发明实施例提供了一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,包括:反射镜组件、音圈电机组件、反射镜基座8和传感器组件;反射镜组件设置于反射镜基座8顶部的中间位置,其水平方向的两端分别位于音圈电机组件环形电枢的气隙内;音圈电机组件分别设置于反射镜组件的两侧,且与反射镜基座8固定连接;传感器组件设置于反射镜组件上,检测反射镜组件中的反射镜1水平转动角度;反射镜1在音圈电机组件中电流变化时在水平方向往复转动。
进一步地,音圈电机组件包括:第一音圈电机基座、第二音圈电机基座、第一音圈电机和第二音圈电机;第一音圈电机基座和第二音圈电机基座分别位于反射镜1基座顶部相对的两侧;第一音圈电机和第二音圈电机分别设置于第一音圈电机基座和第二音圈电机基座的顶部。
进一步地,第一音圈电机和第二音圈电机均包括:环形磁芯10、永磁体11及第一线圈121和第二线圈122;永磁体11设置于环形磁芯10的中心处;第一线圈121和第二线圈122旋向相同,分别位于环形磁芯10和永磁体11的空隙处。
进一步地,反射镜基座8顶部两侧分别设有第一凹槽;第一音圈电机基座和第二音圈电机基座分别固设于第一凹槽内。
进一步地,传感器组件包括:第一电涡流传感器61和第二电涡流传感器62;第一电涡流传感器61和第二电涡流传感器62水平设置于反射镜1组件上。
电涡流传感器能够在较宽的温度范围内工作,承受较强的冲击振动,并且具有测量精度高、响应快、结构简单的优势。采用将两个相对布置的电涡流传感器置于反射镜1的中心轴附近,能够在旋转轴的方向上形成一组差分信号,从而提高电涡流传感器的测量精度,有效克服干扰带来的影响。
进一步地,反射镜组件还包括:镜托2、柔性支撑单元5、反射镜支架4;反射镜1设置于镜托2的一侧侧壁;镜托2的顶部和底部分别通过柔性支撑单元5与反射镜1支架柔性连接,其水平方向的两端分别位于音圈电机组件环形电枢的气隙内;反射镜支架4底部与反射镜基座8顶部中间位置固定连接。反射镜1以其与柔性支撑单元5在竖直方向的交线为旋转轴9,在水平方向往复转动。
进一步地,镜托2水平方向的两端均为竖直方向设置的片状结构,片状结构位于音圈电机组件环形电枢的气隙内。
进一步地,柔性支撑单元5包括:第一柔性铰链和第二柔性铰链;镜托2的顶部通过第一柔性铰链与反射镜支架4顶部柔性连接;镜托2的底部通过第二柔性铰链与反射镜支架4底部柔性连接。
进一步地,第一柔性铰链和第二柔性铰链为十字交叉型柔性铰链。
进一步地,镜托2朝向反射镜1的一侧设有与反射镜1形状匹配的第二凹槽;反射镜1设置于第二凹槽内。
如图4所示的音圈电机磁场分布及出力示意图,左右两个音圈电机分别包括一个环形磁芯10、一个永磁体11以及两个旋向相同的第一线圈121和第二线圈122。音圈电机的环形磁芯10的中心是一个永磁体11,它能够产生一个直流偏置磁通,图4中左右两块永磁体11的左侧均为N极,右侧均为S极,磁场从永磁体11左侧输出,通过环形磁芯10形成磁回路,并从右侧返回。
在线圈无输入电流时,由于磁通量在镜托2的上下两个表面均匀分配,此时镜托2不受力,能够使反射镜1处于中心位置。在线圈有输入电流时,分别对左右两个音圈电机的线圈施加一个从磁芯右侧流入,如带有“X”的圆圈所示,并从磁芯左侧流出的电流时,由于永磁体11对外部磁场的磁阻很高,线圈产生的交变磁场会通过环形磁芯10,在左侧第二音圈电机上分别形成一个顺时针方向的第一磁路14,而在右侧第一音圈电机上分别形成一个逆时针方向的第二磁路15。在线圈和永磁体磁路13的相互作用下,对于左侧第二音圈电机,在镜托2左端的上表面,线圈和永磁体磁路13方向相同,磁场会因此相互叠加而增强。而在下表面,线圈和永磁体磁路13方向相反,磁场会因此相互抵消而减弱;而对于右侧第一音圈电机,在镜托2右端的下表面,线圈和永磁体磁路13方向相同,磁场会因此相互叠加而增强。而在上表面,线圈和永磁体磁路13方向相反,磁场会因此相互抵消而减弱,因此根据“磁阻最小原理”,此时镜托2会受到一个逆时针方向的扭矩,驱动反射镜1绕旋转轴逆时针方向偏转,改变电流的方向,则反射镜1的偏置方向也随之改变。
本发明实施例旨在保护一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,包括:反射镜组件、音圈电机组件、反射镜基座和传感器组件;反射镜组件设置于反射镜基座顶部的中间位置,其水平方向的两端分别位于音圈电机组件环形电枢的气隙内;音圈电机组件分别设置于反射镜组件的两侧,且与反射镜基座固定连接;传感器组件设置于反射镜组件上,检测反射镜组件中的反射镜水平转动角度;反射镜在音圈电机组件中电流变化时在水平方向往复转动。上述技术方案具备如下效果:
通过采用基于磁阻原理的动铁式音圈电机结构,能够有效提高线圈的散热效率,增加线圈的最大电流密度,具有更高的出力效率,从而提高快反镜的工作带宽;此外,省去了电机内部气隙所占据的空间,从而提高了快反镜的空间利用率,增大了电机部分的设计空间,在保证工作带宽的同时使得快反镜结构更加紧凑。
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)

1.一种高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,包括:反射镜组件、音圈电机组件、反射镜基座(8)和传感器组件;
所述反射镜组件设置于所述反射镜基座(8)顶部的中间位置,其水平方向的两端分别位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内;
所述音圈电机组件分别设置于所述反射镜组件的两侧,且与所述反射镜基座(8)固定连接;
所述传感器组件设置于所述反射镜组件上,检测所述反射镜组件中的反射镜(1)水平转动角度;
所述反射镜(1)在所述音圈电机组件中电流变化时在水平方向往复转动。
2.根据权利要求1所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述音圈电机组件包括:第一音圈电机基座(71)、第二音圈电机基座(72)、第一音圈电机和第二音圈电机;
所述第一音圈电机基座(71)和所述第二音圈电机基座(72)分别位于所述反射镜基座(8)顶部相对的两侧;
所述第一音圈电机和所述第二音圈电机分别设置于所述第一音圈电机基座(71)和所述第二音圈电机基座(72)的顶部。
3.根据权利要求2所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述第一音圈电机和所述第二音圈电机均包括:环形磁芯(10)、永磁体(11)及第一线圈(121)和第二线圈(122);
所述永磁体(11)设置于所述环形磁芯(10)的中心处;
所述第一线圈(121)和所述第二线圈(122)旋向相同,分别位于所述环形磁芯(10)和所述永磁体(11)的空隙处。
4.根据权利要求2所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述反射镜基座(8)顶部两侧分别设有第一凹槽;
所述第一音圈电机基座(71)和所述第二音圈电机基座(72)分别固设于所述第一凹槽内。
5.根据权利要求1所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述传感器组件包括:第一电涡流传感器(61)和第二电涡流传感器(62);
所述第一电涡流传感器(61)和所述第二电涡流传感器(62)水平设置于所述反射镜组件上。
6.根据权利要求1-5任一所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述反射镜组件还包括:镜托(2)、柔性支撑单元(5)、反射镜支架(4);
所述反射镜(1)设置于所述镜托(2)的一侧侧壁;
所述镜托(2)的顶部和底部分别通过所述柔性支撑单元(5)与所述反射镜支架(4)柔性连接,其水平方向的两端分别位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内;
所述反射镜支架(4)底部与所述反射镜基座(8)顶部中间位置固定连接;
所述反射镜(1)以其与所述柔性支撑单元(5)在竖直方向的交线为旋转轴(9),在水平方向往复转动。
7.根据权利要求6所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述镜托(2)水平方向的两端均为竖直方向设置的片状结构,所述片状结构位于所述音圈电机组件环形电枢的气隙内。
8.根据权利要求6所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述柔性支撑单元(5)包括:第一柔性铰链和第二柔性铰链;
所述镜托(2)的顶部通过所述第一柔性铰链与所述反射镜支架(4)顶部柔性连接;
所述镜托(2)的底部通过所述第二柔性铰链与所述反射镜支架(4)底部柔性连接。
9.根据权利要求8所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链为十字交叉型柔性铰链。
10.根据权利要求6所述的高带宽动铁式音圈电机快反镜装置,其特征在于,
所述镜托(2)朝向所述反射镜(1)的一侧设有与所述反射镜(1)形状匹配的第二凹槽;
所述反射镜(1)设置于所述第二凹槽内。
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