CN209233696U - 一种音圈电机及快速反射镜 - Google Patents
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Abstract
一种音圈电机及快速反射镜，该音圈电机包括左定子、右定子、转子组件和线圈；所述左定子和右定子位于所述转子组件的两侧，线圈分别绕于左定子和右定子上；所述转子组件包括转子铁芯和多个永磁体，所述多个永磁体成对设置在所述转子铁芯的两侧；位于转子铁芯同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯两侧且相对的两个永磁体的磁极方向相反。该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；将该音圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电扫描跟踪技术领域，具体涉及一种音圈电机及快速反射镜。
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。
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。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。
现有的音圈电机作为驱动器的快速反射镜大都采用动圈式设计，即磁缸部分连接在快速反射镜基座上，线圈连接在反射镜镜托上。因一般线圈部分的重量远小于磁缸部分的重量，因此这样设计能够减小反射镜转动部分的转动惯量，从而获得相对较高的工作带宽。但带来个两个问题，一是电缆的拖拽问题，长时间的运动容易造成电缆的断裂；二是线圈工作时会产生较多的热量，热量会传导到反射镜上，引起反射镜的热变形，从而降低反射镜的平面度等指标，从而降低快反镜的整体性能。现有的采用音圈电机作为驱动器的快反镜大部分采用圆柱形音圈电机，这种类型的音圈电机具有相对较高的出力效率，但是缺点是线圈与磁缸之间的间隙较小，从而使快反镜的转动范围较小。而且现有的动磁式音圈电机，出力大小和出力效率不能够满足越来越高的快反镜工作带宽的需求。
发明内容
(一)实用新型目的
为解决上述问题，本实用新型提供了一种音圈电机及快速反射镜，该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应。将该音圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
(二)技术方案
为解决上述问题，本实用新型的第一方面提供了一种音圈电机，所述音圈电机包括左定子、右定子、转子组件和线圈；
所述左定子和右定子位于所述转子组件的两侧，线圈分别绕于左定子和右定子上；
所述转子组件包括转子铁芯和多个永磁体，所述多个永磁体成对设置在所述转子铁芯的两侧；位于转子铁芯同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯两侧且相对的两个永磁体的磁极方向相反。
进一步的，所述永磁体为8个，成4组分别对称设置于所述转子铁芯的两侧。
进一步的，每个定子包括定子芯组件，左定子芯组件包括第一外芯，第二芯和第三芯，右定子芯组件包括第一外芯，第二芯和第三芯；
每个芯是U形的，第二芯和第三芯嵌套在第一外芯内。
进一步的，每个定子芯组件包括三个支腿和每个支腿末端的一个面；左定子芯组件的上腿缠绕有一个线圈、左定子芯组件的下腿缠绕有一个线圈；右定子芯组件的上腿缠绕有一个线圈、右定子芯组件的下腿缠绕有一个线圈。
进一步的，每个定子芯组件包括预定数量的定子芯、与所述预定数量相等的数量的支腿和每个支腿朝向转子铁芯的端面，所述端面的数量与所述转子铁芯一侧的永磁体朝向定子芯的端面的数量不相等。
进一步的，所述第一外芯、第二芯和第三芯由多层材料形成，每个材料层呈弯曲的U型。
本实用新型的第二方面提供了一种快速反射镜，包括反射镜、多个音圈电机、多个音圈电机基座和组件基座；所述音圈电机为前述技术方案中任一项所述的音圈电机；
所述反射镜通过支撑结构支撑并连接于音圈电机上，支撑结构的数量与音圈电机的数量一致；
每个音圈电机设置于对应的音圈电机基座内周并固定连接至音圈电机基座；
所述多个音圈电机基座等间隔固定连接于组件基座上。
进一步的，所述支撑结构包括对应于每个音圈电机的反射镜支撑架和安装凸耳；所述安装凸耳设置于反射镜的四周，其与反射镜贴合的面为弧面；反射镜支撑架位于转子与安装凸耳之间，用于承载反射镜，并将转子的运动传递给安装凸耳和反射镜，以此来推动或拉动反射镜位移。
进一步的，所述反射镜支撑架和所述安装凸耳一体形成；或者所述反射镜支撑架和所述安装凸耳分开形成后固定连接在一起。
进一步的，还包括传感器和控制器，所述传感器采集反射镜的位移或角度发送给控制器，控制器根据反馈信号调节反射镜的位置。
综上所述，本实用新型提供了一种音圈电机及包括该音圈电机的快速反射镜，该音圈电机包括左定子、右定子、转子组件和线圈；所述左定子和右定子位于所述转子组件的两侧，线圈分别绕于左定子和右定子上；所述转子组件包括转子铁芯和多个永磁体，所述多个永磁体成对设置在所述转子铁芯的两侧；位于转子铁芯同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯两侧且相对的两个永磁体的磁极方向相反。
(三)有益效果
本实用新型的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；
2、将该音圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
附图说明
图1是是本实用新型的快速反射镜100的立体图；
图2是本实用新型去除反射镜的快速反射镜100的立体图；
图3是本实用新型的音圈电机的具体实施例的结构示意图；
图4是图3的音圈电机的转动一个角度的结构示意图；
图5是图4的音圈电机104在剖面线VII-VII处的剖视图；
图6是图4的左定子穿过定子中心的剖视图；
图7是本实用新型的快速反射镜的工作流程示意图。
附图标记：
100：快速反射镜组件；101：反射镜支撑架；102：反射镜；103：安装凸耳；104：音圈电机；105：音圈电机基座；106：组件基座；107A、107B：定子芯组件；108A：内定子；108B：外定子；109：阻隔件；110：转子；300：音圈电机；301A：左定子；301B：右定子；302：转子组件；303、303A、303B、 303C、303D：线圈；304A：左定子芯组件；304B：右定子芯组件；305A、305B：第一外芯；306A、306B：第二芯；307A、307B：第三芯；308A：左上永磁体； 308B：右上永磁体；309A、310A：左中永磁体；309B、310B：右中永磁体； 311A：左下永磁体；311B：右下永磁体；312：转子铁芯。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。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实用新型的概念。
图1是本实用新型的快速反射镜100的一个具体实施例的立体图，图2 是去除反射镜的快速反射镜100的立体图。如图1所示，该快速反射镜100 包括反射镜102、音圈电机104、音圈电机基座105和组件基座106。图中示意性的示出音圈电机104及相应的音圈电机基座105都为4个，但具体应用中不限于此，可以设置任意个音圈电机及其基座。音圈电机104设置于对应的音圈电机基座105的内周，并固定连接至音圈电机基座105，音圈电机基座105固定连接于组件基座106上。反射镜102由支撑结构支撑，支撑结构与音圈电机104对应并连接，使得每个音圈电机104可以推动或拉动相应的支撑结构，由此控制反射镜102的移动角度。四个音圈电机104等角度、间距设置在组件基座106上，之间可由阻隔件109阻隔开。
如图1和2所示，每个音圈电机104包括两个定子108A、108B(内定子 108A和外定子108B)和转子110，并且每个定子108A、108B包括定子芯组件107A、107B，每个定子具有两个线圈。可以限定一个音圈电机平面，使得该平面为两个定子的对称轴平面，将音圈电机分成两半，其中一半包括内定子108A，一半包括外定子108B。在图1和2所示的示例性实施例中，转子 110是竖直的，在另外的实施例中，转子是可以弯曲的或成角度的，使得转子的曲线或角度通常遵循反射镜运动的半径。组装基座106可以是金属、塑料、陶瓷或本领域中使用的任何其他材料。音圈电机基座105可以是与组装基座106相同的材料，或者可以是不同的材料，并且可以是金属、塑料、陶瓷或本领域中使用的任何其他材料。组装基座106可以包括倾斜部分，使得音圈电机基座105和音圈电机104远离反射镜102倾斜，即，外定子108B 的上表面比内定子108A的上表面更远离反射镜102的底表面。音圈电机104 的这种定位可以促进反射镜102围绕反射镜中心点的移动。每个音圈电机基座105可包括用于一个或多个端子的一个或多个孔(图中未示)，这些孔通常是绝缘的。在一个实施例中，每个音圈电机基座105包括四个绝缘端子，以将线圈连接到电源。快速反射镜100可以进一步包括传感器(图中未示)，以确定反射镜102的位移或角度，并且控制回路可以由控制器或处理器实现，以响应于来自传感器的信号校正和调节反射镜102的位置。在各种实施例中可以使用各种类型的固定装置，例如螺栓，螺钉，销，粘合剂等，以互连快速反射镜100的各种部件。
图2是图1的快速反射镜去除反射镜后的示意图。为清楚起见，图1中的反射镜被移除，从而可以看到阻隔件109。音圈电机104围绕阻隔件109 以大约90°的间隔定位。每个音圈电机基座105定位在其相应的音圈电机104 外周并且基本上与其音圈电机104对齐。
此外，音圈电机104上设置有反射镜的支撑结构，该支撑结构包括对应于每个音圈电机104的反射镜支撑架101和安装凸耳103。安装凸耳103位于反射镜102的四周，其与反射镜102贴合的面为弧面；反射镜支撑架101 位于转子110与安装凸耳103之间，用于承载反射镜102，并将转子110的运动传递给安装凸耳103和反射镜102，以此来推动或拉动反射镜102位移。反射镜支撑架101和所述安装凸耳103可以一体形成或分开形成后固定连接在一起。反射镜支撑架通常由铝或纤维增强聚合物(即轻质非磁性材料)组成。
图3是音圈电机的一个实施例的结构示意图。图4是图3的音圈电机的转动一个角度的结构示意图。音圈电机300包括左定子301A、右定子301B (以图4中的方向定义左右方向)、转子组件302和线圈303。转子组件302 包括互连到转子铁芯312的8个永磁体308A，308B，309A， 309B,310A,310B,311A,311B。在该示例性实施例中，永磁体位于转子铁芯312的每一侧(即，左侧和右侧)：左上永磁体308A，左中永磁体309A和310A，左下永磁体311A，右上永磁体308B，右中永磁体309B和310B，右下永磁体 311B。永磁体也彼此相对地定位，使得右上永磁体308B与左上永磁体308A 相对，对于其他永磁体也是如此。此外，永磁体308A，308B，309A， 309B,310A,310B,311A,311B具有一致的几何形状并且围绕转子铁芯312对称，以平衡或抵消转子组件302上的水平力。
在图4所示的实施例中，左下永磁体311A的南极靠近左定子301A并且其北极靠近转子铁芯312，使得其磁矩方向朝向转子铁芯312定向；左中永磁体310A的南极靠近转子铁芯312并且其北极靠近左定子301A，使得其磁矩方向朝向左定子301A定向；左中永磁体309A的南极靠近左定子301A并且其北极靠近转子铁芯312，使得其磁矩方向朝向转子铁芯312定向；左上永磁体309A的南极靠近转子铁芯312并且其北极靠近左定子301A，使得其磁矩方向朝向左定子301A定向；右上永磁体308B的北极靠近右定子301B，其南极靠近转子铁芯312，使得其磁矩方向远离转子铁芯312并进入右定子 301B；右中永磁体309B的北极靠近转子铁芯312，其南极靠近右定子301B，使得其磁矩方向远离右定子301B并进入转子铁芯312；右中永磁体310B的北极靠近右定子301B，其南极靠近转子铁芯312，使得其磁矩方向远离转子铁芯312并进入右定子301B；右下永磁体311B的北极靠近转子铁芯312，其南极靠近右定子301B，使得其磁矩方向远离右定子301B并进入转子铁芯312。即位于转子铁芯312同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯312两侧且相对的两个永磁体的磁极方向也相反。转子铁芯312上的永磁体308A，308B，309A，309B,310A,310B,311A,311B的这种配置产生了向上的转子铁芯磁矩。
转子铁芯312可由具有高饱和磁通密度的材料构成，例如钴，钒或铁的合金。选择转子铁芯312的横截面积使得永磁体308A，308B，309A， 309B,310A,310B,311A,311B在整个线圈电流范围内保持转子铁芯312中的饱和磁通密度。
在图3和图4的实施例中每个定子301A，301B具有两个线圈303A，303B， 303C，303D和定子芯组件304A，304B。每个定子芯组件304A，304B具有三个芯，即，左定子芯组件304A包括第一外芯305A，第二芯306A和第三芯307A，并且右定子芯组件304B包括第一外芯305B，第二芯306B和第三芯307B。在所示实施例中，每个芯是U形的，定子芯组件304A，304B的第二芯306A， 306B和第三芯307A，307B嵌套在第一外芯305A，305B内。
每个定子芯组件304A、304B包括三个支腿和每个支腿末端的一个面。定子芯组件可具有多于或少于三个面，条件是定子芯组件的面的数量不等于转子铁芯上的配合永磁体面的数量，使得音圈电机104的力在转子的运动范围内是单调的。线圈303A，303B，303C，303D可缠绕在至少一个腿上。如图4 所示，左定子301A具有围绕定子芯组件304A的上腿定位的一个线圈303A 和围绕定子芯组件304A的下腿定位的一个线圈303B。右定子具有围绕定子芯组件304B的上腿定位的一个线圈303C和围绕定子芯组件304B的下腿定位的一个线圈303D。本公开的实施例的音圈电机300，特别是转子组件302必须被限制在Z方向(从左到右)，因为永磁体308A，308B，309A， 309B,310A,310B,311A,311B被吸引到芯组件312。因此，在一些实施例中必须使用U形接头或其他约束机构。
图5是图4的音圈电机104在剖面线VII-VII处的剖视图，并且具体示出了左定子的侧视图。本公开的实施例包括多个由纳米晶磁性材料层组成的叠片芯305A、306A、307A，以增加音圈电机可在没有大的能量损失的情况下操作的频率。与音圈中使用的传统材料相比，晶体材料在较高频率下具有较低的磁滞损耗，不会经历太多的能量损失，直到频率超过100kHz。本公开的实施例使用纳米晶磁带而不是软磁材料，因为纳米晶磁带比软磁材料产生更快的响应时间。使用纳米晶磁带代替典型的硅钢或钴铁合金作为软磁材料以引导磁通量通过线圈，因为纳米晶磁带在高频下具有低相位和功率损耗。另外，与典型的软磁材料相比，使用纳米晶磁性材料的定子芯的实施例适应了场密度饱和度的轻微降低。
图6是图4的左定子穿过定子中心的剖视图，定子芯305A、306A、307A 为层叠芯，每个定子芯305A、306A、307A由多层材料形成(图中未示)，每个定子芯的每个材料层呈弯曲的U型。根据一些实施例，通过将一个带层粘合到另一个带层并在烘箱中加热这些层以形成纳米晶体磁带芯。
图7是操作快速反射镜的方法流程图。系统核心控制板根据上位机传递的目标值，通过控制算法计算出反射镜需要偏转的角度，并将计算后的结果输入到驱动电路，进而控制反射镜偏转到一定的位置，在反射镜偏转的同时，位置检测传感器实时检测反射镜的位置，并将该位置反馈到核心控制板中，核心控制板根据反馈的结果进一步调整控制输出，直到反射镜达到所需要的目标位置。当给某个音圈电机的线圈通入正向电流时，在定子芯组件之间会产生由外向内的磁场，并对磁体组件产生向上(Z方向)的推力，改变输入电流的大小可改变力的大小。当给线圈输入反向电流时，产生的磁感线方向相反，此时对磁体组件产生向下的推力。同理，四个音圈电机通入电流时，改变电流方向的不同组合会使反射镜朝着不同的方位偏转，改变电流的大小或PWM波的占空比控制反射镜偏转不同的角度。
综上所述，本实用新型提供了一种音圈电机及包括该音圈电机的快速反射镜，该音圈电机包括左定子、右定子、转子组件和线圈；所述左定子和右定子位于所述转子组件的两侧，线圈分别绕于左定子和右定子上；所述转子组件包括转子铁芯和多个永磁体，所述多个永磁体成对设置在所述转子铁芯的两侧；位于转子铁芯同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯两侧且相对的两个永磁体的磁极方向相反。该音圈电机具有较大的出力和较高的出力效率，同时在高频下具有较低的磁滞损耗，较快的阶跃响应；将该音圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转角范围、较高的工作带宽，同时不会对反射镜加热。
应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型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)
1.一种音圈电机，其特征在于，所述音圈电机包括左定子、右定子、转子组件和线圈；
所述左定子和右定子位于所述转子组件的两侧，线圈分别绕于左定子和右定子上；
所述转子组件包括转子铁芯和多个永磁体，所述多个永磁体成对设置在所述转子铁芯的两侧；位于转子铁芯同一侧上下相邻的永磁体的磁极方向相反，位于转子铁芯两侧且相对的两个永磁体的磁极方向相反。
2.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，所述永磁体为8个，成4组分别对称设置于所述转子铁芯的两侧。
3.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，每个定子包括定子芯组件，左定子芯组件包括第一外芯，第二芯和第三芯，右定子芯组件包括第一外芯，第二芯和第三芯；
每个芯是U形的，第二芯和第三芯嵌套在第一外芯内。
4.根据权利要求3所述的音圈电机，其特征在于，每个定子芯组件包括三个支腿和每个支腿末端的一个面；左定子芯组件的上腿缠绕有一个线圈、左定子芯组件的下腿缠绕有一个线圈；右定子芯组件的上腿缠绕有一个线圈、右定子芯组件的下腿缠绕有一个线圈。
5.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，每个定子芯组件包括预定数量的定子芯、与所述预定数量相等的数量的支腿和每个支腿朝向转子铁芯的端面，所述端面的数量与所述转子铁芯一侧的永磁体朝向定子芯的端面的数量不相等。
6.根据权利要求4所述的音圈电机，其特征在于，所述第一外芯、第二芯和第三芯由多层材料形成，每个材料层呈弯曲的U型。
7.一种快速反射镜，其特征在于，包括反射镜、多个音圈电机、多个音圈电机基座和组件基座；所述音圈电机为权利要求1-6任一项所述的音圈电机；
所述反射镜通过支撑结构支撑并连接于音圈电机上，支撑结构的数量与音圈电机的数量一致；
每个音圈电机设置于对应的音圈电机基座内周并固定连接至音圈电机基座；
所述多个音圈电机基座等间隔固定连接于组件基座上。
8.根据权利要求7所述的快速反射镜，其特征在于，所述支撑结构包括对应于每个音圈电机的反射镜支撑架和安装凸耳；所述安装凸耳设置于反射镜的四周，其与反射镜贴合的面为弧面；反射镜支撑架位于转子与安装凸耳之间，用于承载反射镜，并将转子的运动传递给安装凸耳和反射镜，以此来推动或拉动反射镜位移。
9.根据权利要求8所述的快速反射镜，其特征在于，所述反射镜支撑架和所述安装凸耳一体形成；或者所述反射镜支撑架和所述安装凸耳分开形成后固定连接在一起。
10.根据权利要求7-9任一项所述的快速反射镜，其特征在于，还包括传感器和控制器，所述传感器采集反射镜的位移或角度发送给控制器，控制器根据反馈信号调节反射镜的位置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN112558290A (zh) * | 2019-09-25 | 2021-03-26 | 日本电产株式会社 | 驱动器以及光扫描装置 |
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-
2018
- 2018-11-19 CN CN201821904070.XU patent/CN209233696U/zh active Active
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