机电有限转动式旋转促动器制造技术

本发明专利技术公开了一种机电有限转动式旋转促动器，包括：定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的弧形端部。转子包括径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述孔中。在所述磁体和所述齿的端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩。电磁线圈围绕着一个齿的至少一部分延伸，并且能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及机电促动器，尤其涉及其输入为电流并且其输出为在大范围转动角度上提供的转矩的机电有限转动式旋转促动器。
技术介绍
机电旋转促动器是公知的并且用于许多工业和生活应用。它们尤其用在光学扫描领域，其中光学元件连接在促动器输出轴上，该促动器输出轴则按照振荡的方式来回转动。例如，通常将反射镜连接在旋转促动器的输出轴上以便形成光学扫描系统。在该应用中，促动器/反射镜组合可以在大范围角度上改变光束的方向或者改变摄像机的视野，从而它能够观察多个目标。同样可以将其他光学兀件连接在输出轴上。例如，可以将棱镜或滤光器连接在轴上，并且促动器轴的转动能够改变棱镜或滤光器的角度。如果采用介电滤光器，则改变滤光器的入射角度将使得带通波长特征变得更高或更低，因此能够将光学系统调节至特定的波长。替代性地，能够使得棱镜或滤光器转动完全进入和离开光路，因此能够对光束进行选择性过滤。还有一个应用是将臂连接在促动器输出轴上，该臂由不透明材料例如涂黑金属制成。促动器轴的转动使得臂转动进入和离开光路，因此提供了遮光作用。许多公知的旋转促动器只提供了两个分离的旋转角度，并且促动器的作用在于按照数字开-关方式在这两个角度之间改变输出轴。这些促动器通常还伴随着机械冲击作用(振动)，其中旋转惯性负载在角位移行程的最后必须突然停止。该机械冲击对于光学应用而言非常不好，因为该冲击会传递给其他光学元件，从而产生干扰以及声学噪声。除了无冲击促动之外，与光学扫描相关的应用还期望，可用的转动角度范围实际上是无穷的，并且可以按照模拟的方式控制和重复。有时，可能需要5度的转动角度，并且有时可能需要10度的转动角度。还有一些时候，需要一些中间的角度，例如6.54度。在可用的输出角度范围实际上是无穷的情况下，要求有一些根据外部信号来控制促动器输出角度的方法。为此，存在两种方法，开环控制和闭环控制。在采用开环控制时，促动器通常必须具有一些类似弹簧的回复机构，从而在没有给促动器施加电流时，类似弹簧的机构将使得轴回到标定角度。然后，在给促动器施加的输入电流量改变时，这将改变由促动器产生出的转矩大小，并且因此改变施加给弹簧的转矩大小，这将控制促动器的输出角度。这样，在由促动器产生出的输出角度和施加在促动器上的输入电流之间存在直接关系。但是，开环控制的线性度在很大程度上取决于促动器的转矩-角度特性以及类似弹簧的回复机构的转矩-角度特性。在这些材料或结构内的迟滞作用也会使得输出角度-输入电流关系变差，因此降低可重复性。最后，开环控制的速度取决于可接受的超调量。如果需要更高的速度，则通常需要更复杂的控制方法来人工地给系统增加阻尼以便控制超调。在采用闭环控制时，促动器必须装有角位置传感器，这通常连接在外面。然后伺服系统给促动器施加电流以使得轴沿着使得在外部要求的角度和由角位置传感器感测到的促动器输出角度之间的差异最小的方向运动。闭环控制可以提供高的多的速度、线性度和可重复性，但是由于所需的角位置传感器和伺服控制电子器件当然更复杂并且更昂贵。不论是采用开环控制还是采用闭环控制，在光学扫描领域中都期望促动器的性能在去除外部电流——例如使得输出轴回到标称的中央角位置——时是可预测的。在许多公知的促动器中，该回到中央的动作由金属弹簧提供，其可以是盘簧、片簧或扭杆。在其他已知的促动器中，采用磁性结构或其他磁体来使得促动器回到中央。关于“回中”机构，虽然金属弹簧能够在大范围角度上提供线性的回复力-角度特性，但是他们能够如期望地那样工作的角度范围有限，该角度范围通常为25度或更小。超过所设计的角度范围将导致使用寿命大大缩短或者甚至弹簧出现瞬时断裂。另外，虽然磁性结构技术或其他磁体能够提供不会疲劳或断裂的回中动作，但是回复力-角度特性通常不是线性的，并且实际上可能会是完全非线性的。在光学扫描领域以及其他领域中，促动器最好能够提供尽可能宽的角度输出范围。在将反射镜连接在输出轴上时，促动器的角度越宽所提供的扫描角度就越宽。在将不透明元件连接在促动器上时，来自促动器的更宽角度提供更大的遮光角度。但是，没有发现公知市售的促动器在提供模拟控制能力的同时能够提供超过大约+/-25机械角度的角度范围。因此需要这样的机电旋转促动器，它能够提供宽角度能力，并且能够提供线性电流-角度特性。还有，需要这种促动器还能够提供自阻尼特性以改善在用于开环控制时的速度。
技术实现思路
根据本专利技术的教导，一种机电有限转动式旋转促动器可包括:定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部。转子具有至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩。电磁线圈围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。一个实施方式可以包括电磁促动器，其角度运动范围超过+/-80机械度，并且其结构使之很容易组装并且制造很便宜。这些实施方式可以提供线性输出角度-输入电流特性，并且还可以提供自阻尼。附图说明为了更全面地理解本专利技术，现在参照结合附图给出的下面详细说明，这些附图显示出本专利技术的各个实施方式，其中:图1显示出本专利技术的机电促动器；图2显示出本专利技术的促动器的分解视图；图3显示出本专利技术促动器的另一个分解视图；图4显示出包括有磁体和轴的本专利技术的一个转子组件；图5示意性地显示出根据本专利技术教导的一个磁路；图6A和6B显示出单独的定子部分，在该情况中显示出定子组件的左半部和右半部;图7显示出具有所示特征的单独迭片的顶视图；图8显示出这些迭片如何分层布置以及它们如何通过尖端和凹槽一层层交替来层叠以形成定子部分；图8A和SB显示出在这些层内的迭片如何按照尖端和凹槽一层层交替的配合方式层叠在一起以形成定子；图9和9A分别显示出根据本专利技术教导的四极和三齿的实施方式；图9B显示出可以将四极实施方式分割成多个部分的一种可能的方式；图10显示出包括有两个定子部分的本专利技术的定子组件；图1OA显示出组装成定子组件的多个迭片的顶视图，并且显示出迭片层的重叠区域；图11和IlA显示出根据本专利技术的教导可以采用的迭片的替代实施方式；图12显示出本专利技术的带槽实施方式。在该实施方式中，线圈没有围绕着径向面向内的齿设置，而是这些线圈设置于在转子磁体外面径向定位的槽中；图12A显示出其中可以将带槽实施方式分成多个部分的一个可能的方式；图13显示出其气隙自始自终都相同的磁路；图14显示出其气隙为椭圆形即在左右两侧上比在顶部和底部上更宽的磁路；图15显示出本专利技术促动器的回复转矩-角度曲线(按绝对值计)；图16显示出具有不对称气隙的磁路，该磁路具有其气隙自始自终都相同的径向相对的部分和其气隙是椭圆的另一个径向相对的部分；图17显示出本专利技术促动器的输出转矩-角度曲线；图18显示出本专利技术促动器的回复转矩变化率(restoration torque rate)-角度曲线(按绝对值计)；并且图19以示例的方式显示出根据本专利技术教导的促动器的输出角度-输入电压曲线。具体实施例方式下面将参照这些附图对本专利技术进行更全面的说明，在这些附图中显示出本专利技术的优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机电有限转动式旋转促动器，包括：定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部；转子，其具有轴和至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩；以及电磁线圈，其围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。

【技术特征摘要】
2011.09.26 US 61/539,172;2012.04.13 US 13/446,5001.一种机电有限转动式旋转促动器,包括: 定子，其具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部； 转子，其具有轴和至少一个径向磁化的磁体，所述磁体可借助所述定子双向操作并且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁体和所述齿的弧形端部之间形成非均匀间隙，并且其中所述间隙的形状提供导致所述转子的类似弹簧的回中作用的回复转矩；以及电磁线圈，其围绕着所述至少两个齿中的一个齿的至少一部分延伸，其中所述电磁线圈能被激励以磁化所述齿并且给所述转子提供双向转矩。2.按权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿的端部一起形成椭圆形孔。3.按权利要求2所述的促动器，其中所述磁体包括具有大体上圆形横截面的圆柱形形状，以便获得所述间隙，所述间隙在所述孔的相对的第一侧面上具有较宽间隙部分，该较宽间隙部分比在所述孔的相对的第二侧面上的较窄间隙部分宽。4.按权利要求3所述的促动器，其中所述较宽间隙部分与径向相对对准的齿径向对准。5.按权利要求3所述的促动器，其中在所述孔的相对的第二侧面上的所述较窄间隙部分为所述至少两个齿彼此最靠近的相邻部分，从而在所述齿的自由端之间存在分隔部。6.按权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿径向对准。7.按权利要求1所述的促动器，其中每个齿包括位于其内的朝着所述孔纵向延伸的槽。8.按权利要求7所述的促动器，其中所述槽的宽度尺寸与所述相对齿的自由端之间的分隔部的长度尺寸接近。9.按权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿包括形成所述孔的四个齿。10.按权利要求1所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每一个齿具有相对于第二圆形自由端部偏移的第一圆形自由端部，并且其中所述至少两个齿对准以形成具有偏移的半圆柱形部分的孔，所述间隙因此具有不对称的横截面。11.按权利要求10所述的促动器，其中所述至少两个齿和所述自由端部的偏移部径向对准。12.按权利要求1所述的促动器，其中所述定子包括多个迭片。13.按权利要求12所述的促动器，其中所述至少两个齿中的每个齿包括在其中径向延伸的槽，并且其中所述槽的宽度尺寸至少接近每个迭片的厚度尺寸。14.按权利要求1所述的促动器，还包括覆盖着所述电磁线圈的导电套筒，所述套筒的尺寸设定为在所述促动器的操作期间给所述转子提供预定的阻尼作用。15.按权利要求1所述的促动器，还包括: 外壳，其具有相对的第一和第二导电表面部分，其中所述定子承载在所述第一和第二导电表面部分之间； 在所述第一和第二导电表面部分之间延伸的导电柱；以及 细长元件，其将所述相对的第一和第二导电表面部分中的至少一个可调节地固定在所述柱上，以足以提供短路线匝。16.按权利要求1所述的促动器，其中所述至少一个磁体包括钕铁硼材料和钐-钴材料中的至少一种。17.按权利要求1所述的促动器，其中所述轴包括第一和第二轴部和轴向承载在第一和第二轴部之间的磁性部分。18.按权利要求1所述的促动器，其中所述间隙包括基本没有材料的气隙。19.按权利要求1所述的促动器，其中所述转子对准成在所述电磁线圈不被激励以磁化齿时具有最大转矩。20.一种机电有限...

【专利技术属性】
技术研发人员：小威廉·R·本纳，
申请(专利权)人：小威廉·R·本纳，
类型：发明
国别省市：