CN116507959A

CN116507959A - 电磁致动器

Info

Publication number: CN116507959A
Application number: CN202180073698.8A
Authority: CN
Inventors: 托比亚斯·斯科普夫
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-07-28
Also published as: EP4115434A1; DE102021212346A1; US20230377788A1; WO2022089698A1

Abstract

本发明涉及一种电磁致动器，具有包括至少两个、优选三个磁路元件的磁路，其中所述磁路元件彼此施加吸引力或排斥力，使得所述致动器施加运动，其中至少一个所述磁路元件在其相对于另一个磁路元件的位置方面是可调整的，以影响致动器刚度。

Description

电磁致动器

技术领域

本发明涉及一种具有包括磁路元件的磁路的电磁致动器。

背景技术

在现有技术中存在以下致动器，其中固体接头(挠曲件)的机械刚度部分或完全地通过致动器的负刚度补偿。所述负刚度是通过永磁区域的吸引力引起的。

在此，挠曲件和致动器公差累加并且在制造过程的范围中必须保持在一定极限内。

制造具有在批次变化上恒定的刚度的挠曲件对机械公差提出了很高的要求，因为刚度部分地甚至会随着挠曲件的各个尺寸而呈立方变化。因此，通常需要容忍微米范围内的机械尺度，以保持在所需要的刚度极限内。

一旦在电磁致动器的设计中使用永磁体，在断电状态下就会在定子和转子之间存在力。这些力在定子和转子之间的运动过程中表现为“刚度”。这种所谓的无源致动器刚度的大小强烈取决于致动器的几何形状、气隙公差、磁体公差和磁通量导体的具体磁阻。由于磁场的强非线性，在无源致动器刚度的情况下与在挠曲件的情况下一样产生对机械公差的极大依赖性。

在理想的系统设计中，希望通过调整有针对性的系统行为来控制致动器和挠曲件的刚度。在系统刚度非常低的情况下，例如可以实现低功耗的静态运行。例如对于动态运行有利的是，将系统共振频率有针对性地调整为用于应用中最佳调节运行的特定频率。

通常对于弹簧质量系统的共振频率而言：

质量“m”大多是给定的、恒定的，并且根据应用不能低于特定的最低大小。因此，为了调整系统共振还仅保留按照以下方式由挠曲件和致动器刚度组成的系统刚度：

c_sys＝c_flexure+c_actuator

现有技术包括以纯机械方式影响系统刚度的要素(例如杠杆臂变化、可在长度上锁定的弹簧、个性化的机械后处理等)。然而，所有这些解决方案都对空间需求、复杂性提出了很高的要求并且尤其是意味着在生产中需要付出很多努力。

具有期望运动自由度的相对较软的挠曲件设计带来了寄生刚度相应偏软的缺点。这里展示出通过致动器刚度有针对性地部分补偿挠曲件刚度的优点。接头总体上可以设计得相对刚性，并且通过永磁区域的反作用力仅降低刚度方面的期望自由度。

发明内容

本发明的任务是以结构简单且制造成本有利的方式设计和扩展开头提到的电磁致动器。此外，该电磁致动器应当不同于现有技术并且因此不同于竞争产品。避免在致动器的制造和运行中公差非常严格的缺点，并使致动器易于制造、成本有利且刚度可调。

该任务通过根据权利要求1的电磁致动器解决。据此，磁路元件彼此施加吸引力或排斥力，使得致动器施加运动，其中至少一个所述磁路元件在其相对于另一个磁路元件的位置方面是可调整的，以影响致动器刚度。

原则上，电磁致动器可以由两个磁路元件组成。第一磁路元件可以实施为线圈的形式，一旦电流流过该线圈就产生磁场。

第二磁路元件可以实施为永磁区域的形式，该永磁区域由所述致动器的永磁体或永久磁化区域组成。

即使以这种最小配置，也可以在线圈通电时在以此方式产生的线圈磁场和永磁区域的磁场之间施加力。力可以通过流过线圈的电流来控制。以此方式产生的力可以称为“可控力”，该可控力是致动器的本质，即通过控制所述力来产生运动。

“静态力”代表整个系统的刚度。该静态力一方面由致动器的机械结构确定，另一方面由静态磁力(由永磁体产生)确定。如果致动器不包含第三磁路元件，则静磁力为零，因为在没有电流流动时不产生磁力。

因此根据本发明，第三磁路元件(永磁区域或导磁材料)是必不可少的。通过第二和第三磁路元件的相互作用，由作用在磁路元件之间的静磁场产生“静态”力，因此产生(由于磁场的非线性变化过程)取决于第二磁路元件与第三磁路元件之间距离的刚度。因此可以通过调整第二磁路元件与第三磁路元件之间的距离来调整致动器刚度以及因此还调整系统的整体刚度。

电磁致动器原则上由带有磁路元件的磁路组成，所述磁路元件用于产生、传导或放大磁通量。通过适当布置的磁路元件的相互作用，施加最终导致运动的力。作为磁路元件可以使用线圈、永磁区域或导磁元件，它们可以根据致动器类型和使用目标以各种方式布置。对于对应的应用，在功率需求、空间需求、期望运动范围和其他规格方面总是应当找到正确的配置。所有这些配置的一个共性是线圈、永磁体和导磁材料的组合。本发明的核心要素是有针对性地影响致动器刚度的可能性。

本发明涉及具有线圈形式的第一磁路元件的致动器，一旦电流流过所述线圈，所述线圈就会产生磁场。

此外，所述致动器包含永磁区域形式的第二磁路元件。所述永磁区域可以由致动器的永磁体或永久磁化区域组成。所述永磁区域可以位于致动器的定子(“混合磁阻致动器”)或致动器的转子(“洛伦兹致动器”)中。

所述第一磁路元件(线圈)的磁场在其强度和方向方面可以通过电流强度和电流方向来控制。一旦电流流过第一磁路元件，第一磁路元件就会在第二磁路元件上施加可以由电流控制的力，该力可以是吸引力(在适当极性或顺磁性的情况下)或排斥力(在对应极性或抗磁性的情况下)。

此外，所述致动器包含另一永磁区域或导磁材料形式的第三磁路元件。所述第三磁路元件用于成形、引导或放大第一或第二磁路元件的磁场。通过第二和第三磁路元件的相互作用，由它们之间的静磁场产生静态力，该静态力(由于磁场的非线性变化过程)取决于第二磁路元件与第三磁路元件之间的距离。

整个系统的刚度由致动器刚度(基本上对应于磁场的刚度)和机械刚度(基本上对应于挠曲件的刚度)组成：

c_sys＝c_flexure+c_actuator

由于致动器的设计，机械刚度是预给定的和恒定的。

致动器刚度从第二磁路元件与第三磁路元件之间形成的静磁场得出。如果第三磁路元件也是永磁区域，则根据极性得出吸引力或排斥力并因此得出负刚度或正刚度。如果第三磁路元件是导磁的永磁材料，则所产生的力是吸引力。

根据本发明，通过提供可调磁路元件，可以调整致动器的刚度，所述可调磁路元件的位置可相对于另一磁路元件的位置进行调整。

通过有针对性地调整可调磁路元件，改变了磁路中的气隙，并且由于力对气隙大小的依赖性将所述气隙调整为期望的刚度。力F与可调磁路元件(或气隙)的位置z之间的关系不是线性的。

力对位置的一阶导数对应于取决于位置z的致动器刚度c_actuator.

这也类似地适用于取决于旋转角度的扭矩M：

由于磁场的非线性，刚度在可调磁路元件的位置上也是可变的。

根据致动器中的布置或致动器的设计，所述可调磁路元件可以是所述第二磁路元件(永磁区域)或所述第三磁路元件(永磁区域或导磁材料)。所述可调节磁路元件被设计为使得其位置可以借助于合适的调整装置相对于另一磁路元件调整。

作为调整装置可以使用电动装置、气动装置、热装置或机械装置，利用它们可以永久地或动态地调整位置。机械调整装置在结构上特别简单，因此成本有利且节能。

最简单的机械调整装置是例如具有合适厚度的垫圈。

更优雅的是借助于引导件进行调整，在该引导件中引导磁路元件并用夹紧设备例如通过侧面的夹紧螺钉来固定所述磁路元件。

作为调整元件也可以使用调整磁路元件位置的螺钉。

如果磁路元件本身形成可调元件，则可以特别简单地调整位置。例如，磁路元件具有螺纹，例如细螺纹。然后可以调整可调磁路元件的位置，例如用螺母、螺钉或类似的螺纹接合装置。特别有利的是，所述可调磁路元件在其保持器(例如线圈架)中可旋转地引导并且因此是可调的，所述保持器具有对应的配合螺纹。

致动器刚度可以在制造致动器时被调整为预定值。此外可以想到，在致动器安装在相应应用中时才调整致动器刚度。这在以下情况下是必要的，即在所述应用中由于附加质量(例如安装在单轴或双轴致动器上的反射镜)整个系统的共振频率改变并且由此必须重新调整刚度。

所述可调磁路元件也可以通过机电调整来调整其位置。因此也可以使调整自动化，例如通过在制造过程中或在应用本身中的自动补偿。然后调整也可以在运行过程中可变地执行。于是可以动态地适配系统的致动器刚度以及因此动态地适配系统的共振频率，以例如优化功耗或运行共振扫描。在此，共振扫描意味着致动器刚度被控制为，使得致动器的共振频率对应于期望运动的基频。

这种可调性对于在两个或更多个轴上运动的致动器特别有利。这种致动器例如可以围绕一个轴线或者围绕两个彼此错开90°的轴线进行倾斜运动。对于这种致动器，通常必须调整出零位。如果没有可调性，所有机械元件并且特别是磁性磁路元件都必须以最小公差制造和布置。明显更简单并且更成本有利的是，在所述致动器的制造期间或之后通过简单地调整至少一个磁路元件的位置来执行所述调整。因此，机械结构(特别是挠曲件)和致动器(磁刚度)的制造公差通过补偿过程得到补偿。由此整个系统的自然共振也可以通过制造公差有针对性地调整并且因此是可再现的。因此导致致动器的可再现功耗，从而导致恒定可用的调节器设计。

例如，这种致动器用于在特定空间方向上偏转光(“Fast Steering Mirror”，快速控制反射镜)。为此，在致动器的可运动元件上安装反射镜。特别有利的是，所述可运动元件本身通过合适的镀反射层而用作反射镜，因为由此减小了运动质量并且实现了高动态性。

根据本发明的致动器的优点是：

-有针对性地调整相应应用的系统刚度。

-系统的自然共振可以跨生产批次地以可重复的方式调整。

-可通过制造公差可再现地调整的自然共振得到可再现的功耗和可恒定使用的调节器设计。

-挠曲件和致动器中的制造公差大部分通过补偿过程被去掉了。

附图说明

现在有以有利方式设计和扩展本发明教导的各种可能性。为此一方面参考从属于权利要求1的权利要求，另一方面参考基于附图对本发明的优选实施例的以下解释。结合基于附图对本发明的优选实施例的解释，还解释了这些教导的一般而言优选的设计和扩展。在附图中

图1以示意图示出了根据本发明的致动器的实施例，

图2以示意图示出了根据本发明的致动器的另一实施例，

图3类似于图1地以示意图示出了根据本发明的致动器的另一实施例，

图4以示意图示出了根据本发明的致动器的另一实施例，具有类似于图1中的功能，

图5类似于图4地以示意图示出了根据本发明的致动器的另一实施例，

图6以示意图示出了根据本发明的致动器的另一实施例，作为图5的扩展，

图7示出了具有永磁体和致动器芯之间的力依赖于永磁体和致动器芯之间距离的示例性变化过程的图表，

图8以图表示出了无源致动器刚度作为芯体和磁体之间距离的一阶导数，

图9以示意图示出了具有根据本发明的致动器的机电系统，

图10以示意图示出了在倾斜状态下图9的系统，

图11以示意图示出了具有永磁区域的图9的系统，所述永磁区域位于定子中挠曲件的底部区域中，

图12以图表示出了致动器和挠曲件依赖于图9和图10系统的倾斜的典型扭矩变化曲线，

图13以图表示出了致动器和挠曲件刚度对整体系统刚度的补偿，

图14以示意图示出了添加了另一致动器对的系统，以及

图15以剖面示意图示出了图14的系统。

具体实施方式

图1示出了电磁致动器1，其由线圈2、芯3和作为运动部分的永磁区域4组成，所述永磁区域在本示例中为永磁体。在永磁体4与致动器芯3之间存在吸引力。通过给线圈2通电，该吸引力根据通电方向而放大或减弱。取决于永磁体4的机械悬架，由此导致运动变化5。致动器芯相对于永磁体的位置是可调的。该位置设置在轴方向6上。通过磁体之间的可变间隙7得出致动器的对应可变刚度。

图2示出了类似于图1中的致动器1，区别在于芯3现在表示致动器的运动部分并且磁体4的位置是可变的并且用于调整刚度。

图3示出了如图1中的致动器，其中添加了机械悬架，该机械悬架用作固体接头并表示为弹簧8。固体接头的机械刚度有针对性地部分或完全(取决于应用和期望的共振频率)由致动器刚度补偿。

图4示出了原理上与图1中的致动器类似地起作用的致动器。致动器芯3在此具体实现为具有外螺纹9的柱体，其位于具有对应内螺纹的线圈架10中。芯3到永磁体4的距离7可以通过螺纹9非常精细地调整。

图5示出了如图4中的致动器，不同之处在于其中调整致动器芯3的线圈架10与芯3一样由导磁材料11构成。由导磁材料制成的线圈架10用于减小磁路中的磁阻并相应地增加磁通量。因此在致动器功率相同的情况下得出更大的致动器力。

与图5相比，图6示出了通过借助于导磁材料11引导磁通量从线圈旁经过地返回致动器的运动部分的方向来减小致动器1中的磁阻的另一种可能性。

原则上，存在超出所示示例的各种致动器配置。对于对应的应用，在功率需求、空间需求、期望运动范围和其他规格方面总是应当找到正确的配置。所有这些配置的一个共性是线圈、永磁体和导磁材料的组合。本发明的核心要素是致动器中的可调元件以有针对性地影响致动器刚度。

图7中的图表示出了永磁体4和致动器芯3之间的力12依赖于永磁体和致动器芯之间的距离7的示例性变化过程。

如果关于芯与磁体之间的距离形成一阶导数，则获得在图8中示出的无源(线圈未通电)致动器刚度13。

c：致动器刚度

x：芯到磁体的位置

F：致动器力

负号在此表明，当接近时力会增大。在该曲线变化过程中清楚地识别出刚度依赖于芯位置的可能变化。

图9示出了引起可运动元件16的倾斜15的具体机电系统14。机械悬架例如被实现为简单的杆固体接头17。致动器原理取自图4并且对称地应用于两侧。为了获得倾斜运动，两个线圈2、2'分别以不同的算数符号通电。线圈2、2'沿相同方向缠绕，这由十字18和点19表示。磁路元件3、3'与4、4'之间的相应距离7、7'借助于细螺纹9、9'调整，使得该系统的整体刚度针对相应应用进行了优化。

图10示出了处于倾斜状态的图9的机电系统。

图11示出了图9的机电系统14，其具有位于定子中的挠曲件17的底部区域中的永磁区域4。磁路在此从永磁区域(在示例中为永磁体4)开始、经由挠曲件17和可运动元件16到可调致动器芯3。

图12示出了致动器(“M_actuator_0A”)18和挠曲件(“M_flexure”)19依赖于图9和图10系统的倾斜度15的典型扭矩变化过程。在此值得注意的是致动器与挠曲件之间的不同算术符号以及因此对应的刚度方面的算术符号差异。曲线“M_actuator_1A”18'显示了当致动器线圈以1安培的电流强度通电时的扭矩。

在图13的图表中，致动器和挠曲件刚度根据以下公式相互补偿为整体系统刚度(“M_system_0A”)20：

M_{system_0A}--M_{actuator_0A}+M_flcxurc

此外，在该图表中还识别出大约3°的偏转需要大约1A的线圈电流，这由虚线“M_system_1A”20'的3°处的过零点21表明。

图14示出了增加了旋转90°的另一致动器对的系统22，该系统能够围绕两个空间轴线倾斜。该系统在上侧具有反射区域23。反射区域23可以是安装在可运动元件上的反射镜或者可以由可运动元件本身的对应镀反射层来制造。

图15中的剖视图再次清楚地表明了具有永磁体4、4'、4"(磁体4'"未示出)的运动部分17、固体接头17形式的机械悬架和线圈芯3、3'、3"(芯3"'未示出)，它们的位置可以改变以调整刚度。

关于根据本发明的教导的进一步有利设计，为了避免重复，参考说明书的发明内容部分和所附权利要求。

最后应当明确指出，根据本发明的教导的上述实施例仅用于解释要求保护的教导，而不是将其限制于实施例。

附图标记列表

1 致动器

2、2' 线圈

3、3'、3" 致动器芯

4、4'、4" 永磁体

5 运动变化

6 轴方向

7、7' 可变间隙

8 弹簧

9、9' 外螺纹，细螺纹

10 线圈架

11 导磁材料

12 力的变化过程

13 致动器刚度

14 机电系统

15 倾斜

16 可运动元件

17 杆固体接头，挠曲件

18、18' 致动器的扭矩变化过程("M_actuator_0A")

19 挠曲件(“M_flexure”)

20、20' 整体系统刚度(“M_system_0A”)

21 过零点

22 经过扩展的系统

23 反射区域

Claims

1.一种电磁致动器，具有包括三个磁路元件的磁路，其中所述磁路元件彼此施加吸引力或排斥力，使得所述致动器产生运动，其中至少一个所述磁路元件在其相对于另一个磁路元件的位置方面是能够被调整的，以影响致动器刚度。

2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述磁路元件是线圈、永磁区域和/或导磁材料的组合。

3.根据权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，所述第一磁路元件设计为线圈并且能够通过电流强度和电流方向来控制，使得一旦电流流过所述第一磁路元件，所述第一磁路元件就将能够通过电流控制的吸引力或排斥力施加到设计为永磁区域的第二磁路元件上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的致动器，其特征在于，所述第三磁路元件设计为永磁区域或导磁材料，其中所述第三磁路元件用于成形、引导和/或放大所述第一磁路元件和/或第二磁路元件的磁场。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的致动器，其特征在于，通过第二和第三磁路元件的相互作用，由于作用在第二和第三磁路元件之间的静磁场产生静态力，所述静态力取决于两个磁路元件之间的距离。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，在所述致动器的运动部分中存在永磁区域，并且致动器芯与所述永磁区域的距离是变化的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述致动器的运动部分中存在导磁材料，并且与所述运动部分隔有距离地布置有永磁区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述永磁区域是永磁体或永久磁化区域。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁路元件之一的位置的调整通过机械装置、优选地通过螺纹，和/或通过机电装置进行。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁路元件的布置是镜像对称复制的，以执行倾斜运动。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述磁路元件的布置是旋转90°复制的，由此能够启动二维倾斜运动。