機電有限轉動式旋轉促動器的製作方法

2023-04-23 08:15:11 2

專利名稱：機電有限轉動式旋轉促動器的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及機電促動器，尤其涉及其輸入為電流並且其輸出為在大範圍轉動角度上提供的轉矩的機電有限轉動式旋轉促動器。
背景技術：
機電旋轉促動器是公知的並且用於許多工業和生活應用。它們尤其用在光學掃描領域，其中光學元件連接在促動器輸出軸上，該促動器輸出軸則按照振蕩的方式來迴轉動。例如，通常將反射鏡連接在旋轉促動器的輸出軸上以便形成光學掃描系統。在該應用中，促動器/反射鏡組合可以在大範圍角度上改變光束的方向或者改變攝像機的視野，從而它能夠觀察多個目標。同樣可以將其他光學兀件連接在輸出軸上。例如，可以將稜鏡或濾光器連接在軸上，並且促動器軸的轉動能夠改變稜鏡或濾光器的角度。如果採用介電濾光器，則改變濾光器的入射角度將使得帶通波長特徵變得更高或更低，因此能夠將光學系統調節至特定的波長。替代性地，能夠使得稜鏡或濾光器轉動完全進入和離開光路，因此能夠對光束進行選擇性過濾。還有一個應用是將臂連接在促動器輸出軸上，該臂由不透明材料例如塗黑金屬製成。促動器軸的轉動使得臂轉動進入和離開光路，因此提供了遮光作用。許多公知的旋轉促動器只提供了兩個分離的旋轉角度，並且促動器的作用在於按照數字開-關方式在這兩個角度之間改變輸出軸。這些促動器通常還伴隨著機械衝擊作用(振動)，其中旋轉慣性負載在角位移行程的最後必須突然停止。該機械衝擊對於光學應用而言非常不好，因為該衝擊會傳遞給其他光學元件，從而產生幹擾以及聲學噪聲。除了無衝擊促動之外，與光學掃描相關的應用還期望，可用的轉動角度範圍實際上是無窮的，並且可以按照模擬的方式控制和重複。有時，可能需要5度的轉動角度，並且有時可能需要10度的轉動角度。還有一些時候，需要一些中間的角度，例如6.54度。在可用的輸出角度範圍實際上是無窮的情況下，要求有一些根據外部信號來控制促動器輸出角度的方法。為此，存在兩種方法，開環控制和閉環控制。在採用開環控制時，促動器通常必須具有一些類似彈簧的回覆機構，從而在沒有給促動器施加電流時，類似彈簧的機構將使得軸回到標定角度。然後，在給促動器施加的輸入電流量改變時，這將改變由促動器產生出的轉矩大小，並且因此改變施加給彈簧的轉矩大小，這將控制促動器的輸出角度。這樣，在由促動器產生出的輸出角度和施加在促動器上的輸入電流之間存在直接關係。但是，開環控制的線性度在很大程度上取決於促動器的轉矩-角度特性以及類似彈簧的回覆機構的轉矩-角度特性。在這些材料或結構內的遲滯作用也會使得輸出角度-輸入電流關係變差，因此降低可重複性。最後，開環控制的速度取決於可接受的超調量。如果需要更高的速度，則通常需要更複雜的控制方法來人工地給系統增加阻尼以便控制超調。在採用閉環控制時，促動器必須裝有角位置傳感器，這通常連接在外面。然後伺服系統給促動器施加電流以使得軸沿著使得在外部要求的角度和由角位置傳感器感測到的促動器輸出角度之間的差異最小的方向運動。閉環控制可以提供高的多的速度、線性度和可重複性，但是由於所需的角位置傳感器和伺服控制電子器件當然更複雜並且更昂貴。不論是採用開環控制還是採用閉環控制，在光學掃描領域中都期望促動器的性能在去除外部電流——例如使得輸出軸回到標稱的中央角位置——時是可預測的。在許多公知的促動器中，該回到中央的動作由金屬彈簧提供，其可以是盤簧、片簧或扭杆。在其他已知的促動器中，採用磁性結構或其他磁體來使得促動器回到中央。關於「回中」機構，雖然金屬彈簧能夠在大範圍角度上提供線性的回覆力-角度特性，但是他們能夠如期望地那樣工作的角度範圍有限，該角度範圍通常為25度或更小。超過所設計的角度範圍將導致使用壽命大大縮短或者甚至彈簧出現瞬時斷裂。另外，雖然磁性結構技術或其他磁體能夠提供不會疲勞或斷裂的回中動作，但是回復力-角度特性通常不是線性的，並且實際上可能會是完全非線性的。在光學掃描領域以及其他領域中，促動器最好能夠提供儘可能寬的角度輸出範圍。在將反射鏡連接在輸出軸上時，促動器的角度越寬所提供的掃描角度就越寬。在將不透明元件連接在促動器上時，來自促動器的更寬角度提供更大的遮光角度。但是，沒有發現公知市售的促動器在提供模擬控制能力的同時能夠提供超過大約+/-25機械角度的角度範圍。因此需要這樣的機電旋轉促動器，它能夠提供寬角度能力，並且能夠提供線性電流-角度特性。還有，需要這種促動器還能夠提供自阻尼特性以改善在用於開環控制時的速度。

發明內容
根據本發明的教導，一種機電有限轉動式旋轉促動器可包括:定子，其具有在其中軸向延伸的孔和至少兩個齒，所述齒具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部。轉子具有至少一個徑向磁化的磁體，所述磁體可藉助所述定子雙向操作並且延伸到所述孔中，其中在所述磁體和所述齒的弧形端部之間形成非均勻間隙，並且其中所述間隙的形狀提供導致所述轉子的類似彈簧的回中作用的回覆轉矩。電磁線圈圍繞著所述至少兩個齒中的一個齒的至少一部分延伸，其中所述電磁線圈能被激勵以磁化所述齒並且給所述轉子提供雙向轉矩。一個實施方式可以包括電磁促動器，其角度運動範圍超過+/-80機械度，並且其結構使之很容易組裝並且製造很便宜。這些實施方式可以提供線性輸出角度-輸入電流特性，並且還可以提供自阻尼。


為了更全面地理解本發明，現在參照結合附圖給出的下面詳細說明，這些附圖顯示出本發明的各個實施方式，其中:圖1顯示出本發明的機電促動器；圖2顯示出本發明的促動器的分解視圖；圖3顯示出本發明促動器的另一個分解視圖；圖4顯示出包括有磁體和軸的本發明的一個轉子組件；圖5示意性地顯示出根據本發明教導的一個磁路；圖6A和6B顯示出單獨的定子部分，在該情況中顯示出定子組件的左半部和右半部;圖7顯示出具有所示特徵的單獨迭片的頂視圖；圖8顯示出這些迭片如何分層布置以及它們如何通過尖端和凹槽一層層交替來層疊以形成定子部分；圖8A和SB顯示出在這些層內的迭片如何按照尖端和凹槽一層層交替的配合方式層疊在一起以形成定子；圖9和9A分別顯示出根據本發明教導的四極和三齒的實施方式；圖9B顯示出可以將四極實施方式分割成多個部分的一種可能的方式；圖10顯示出包括有兩個定子部分的本發明的定子組件；圖1OA顯示出組裝成定子組件的多個迭片的頂視圖，並且顯示出迭片層的重疊區域；圖11和IlA顯示出根據本發明的教導可以採用的迭片的替代實施方式；圖12顯示出本發明的帶槽實施方式。在該實施方式中，線圈沒有圍繞著徑向面向內的齒設置，而是這些線圈設置於在轉子磁體外面徑向定位的槽中；圖12A顯示出其中可以將帶槽實施方式分成多個部分的一個可能的方式；圖13顯示出其氣隙自始自終都相同的磁路；圖14顯示出其氣隙為橢圓形即在左右兩側上比在頂部和底部上更寬的磁路；圖15顯示出本發明促動器的回覆轉矩-角度曲線(按絕對值計)；圖16顯示出具有不對稱氣隙的磁路，該磁路具有其氣隙自始自終都相同的徑向相對的部分和其氣隙是橢圓的另一個徑向相對的部分；圖17顯示出本發明促動器的輸出轉矩-角度曲線；圖18顯示出本發明促動器的回覆轉矩變化率(restoration torque rate)-角度曲線(按絕對值計)；並且圖19以示例的方式顯示出根據本發明教導的促動器的輸出角度-輸入電壓曲線。
具體實施例方式下面將參照這些附圖對本發明進行更全面的說明，在這些附圖中顯示出本發明的優選實施方式。但是本發明可以按照許多不同的形式實施，並且不應該被結實為局限於在這裡所給出的實施方式。相反，這些實施方式的提供使得該說明書是清楚完整的，並且將本發明的範圍全面傳遞給本領域普通技術人員。相同的附圖標記始終表示相同的元件。首先參照圖1、2、3和4，這些附圖以示例的方式顯示出本發明的一個實施方式，SP包括具有軸14的轉子組件12和可與軸一起操作的至少一個磁體16的機電旋轉促動器10。定子組件18包括至少兩個定子部分20、22，其中每個定子部分包括朝著磁體16延伸的齒24、26。來自定子部分20、22中的每一個的第一和第二突出部28、30通過形成定子部分20、22的交替相鄰迭片32、34的交替連接(interleaved joining)而形成為一體。突出部28、30與每個齒24、26間隔開。在每個定子部分20、22內的每個齒24、26包括凹形自由端36、38，這些自由端一起形成用來容納磁體16的孔40，如參照圖5進一步所示的一樣。電磁線圈42、44圍繞著在每個定子部分20、22中的每個齒24、26延伸。要指出的是，在本文中，術語左、右、頂部和底部在該說明書中用來在閱讀說明書和觀看附圖時幫助理解本發明的實施方式。這些術語通常是相對於附圖而言的，並且不是用來進行限定。繼續參照圖1-3，在這裡以示例的方式說明的促動器10包括轉子組件12和具有轉子支撐件46的定子組件18以及具有前表面部分50和後表面部分52的外殼48。前表面部分50和後表面部分52採用在這裡表示為54A、54B、54C和54D的外殼螺釘54和在這裡表示為56A、56B、56C和56D表示的外殼管狀件56相互固定。如繼續參照圖2和3所述的那樣，轉子支撐件46包括滾珠軸承。在前表面部分50和後表面部分52中設有在這裡表示為58A、58B、58C和58D的孔58，用於容納管狀件56。如後面在這個部分中更詳細描述的一樣，中央柱60——這裡為兩個柱60A、60B——連接在這些表面部分50、52之間。四個外殼管狀件56被引導穿過在迭片32、34中的孔62。如所示一樣，根據需要可以設置四個、六個或其他數量的孔62。外殼管狀件56將迭片32、34保持為所期望的排列方式。外殼管狀件56還穿過在外殼表面部分50、52中的孔58。外殼螺釘54將結構元件的這種組合保持在一起。要指出的是，將定子組件18保持成與轉子組件12精確對準還可以有其他可能的方法，因此雖然在示例性實施方式中採用了在這裡所述的外殼48，但是這不是進行限定。可以採用任意已知的用於將促動器部件保持在一起的手段。如上所述並且繼續參照圖2和3，促動器10還包括轉子支撐件46。在優選實施方式中，轉子支撐件46包括滾珠軸承，這些滾珠軸承安裝在輸出軸14上以及可選地安裝在副軸14A上，並且分別連接至前表面部分50和後表面部分52上，用來將轉子組件12懸置到精確的中央徑向位置，同時使得轉子組件能夠自由地轉動。但是要指出的是，也可以採用撓曲部(flexure)來作為轉子支撐件46。如上所述，並且如參照圖4所示一樣，促動器10的轉動部分即轉子組件12包括輸出軸14和轉子磁體16。替代的實施方式還可以包括副軸14A，例如可以根據需要將角位置傳感器或其他外部部件連接到副軸上。繼續參照圖4，在一個優選實施方式中，如參考圖5所示，轉子磁體16可以為單個實心圓柱形磁體，其具有單個北極64和單個南極66。該磁體16可以按照提供徑向磁通的方式磁化，並且因此該磁體是「徑向」磁化的，從而提供在徑向上與南極66相對的北極64。如在這裡所述的一樣,徑向磁化的磁體16因此提供大體沿著單一方向延伸穿過磁體的磁力線66，如參照圖5所示一樣。雖然優選採用圓柱形轉子磁體16，但是也可以採用其他形狀，例如其側面削平為具有平坦表面的形狀。如將在下面更詳細描述的一樣，還可以採用多個磁體，只要它們都磁化並且排列為提供沿著所期望取向的磁力線66。而且，雖然優選的示例性實施方式採用了雙極磁體16，但是也可以採用具有更多磁極的轉子磁體，只要定子齒24,26的數量進行相應調整就可以。在一個優選實施方式中，磁體16由燒結釹鐵硼材料製成。這提供了很高的磁通輸出並且根據磁體材料的等級使得促動器10能夠在大約-55攝氏度到超過+100攝氏度的溫度下工作。但是，對於磁體16可以採用其他材料，例如AlNiCo、釤-鈷、陶瓷材料等。用於磁體16的材料也可以是粘結的，例如粘結的釹鐵硼或粘結的釤-鈷，這將提供更低的轉子慣性，但是提供的磁通輸出也更低，因此提供更低的轉矩輸出。在優選的實施方式中，輸出軸14和可選的副軸14A由不鏽鋼製成，但是實際上可以採用任意材料，只要該材料能夠承受由促動器10產生出的轉矩和在操作環境內連接到促動器上的任意外部負載即可。另外，輸出軸14和可選的副軸14A可以與磁體16形成為一體，或者可以採用粘接劑例如環氧樹脂連接在磁體上。但是，可以採用任意已知的粘接劑，只要它能夠承受施加在轉子組件12上的轉矩和任意側面負載。還可以形成具有延伸穿過在磁體16中的孔的單軸、或者具有其上連接多個磁體的單軸的轉子組件12。再參照圖4，在示例性實施方式中，轉子磁體16其直徑70為0.25英寸，並且其軸向長度72為I英寸，而且輸出軸14和副軸14A具有0.187英寸的直徑74以及沿著每個軸向方向延伸0.75英寸的軸向長度76。所得到的轉子慣量為0.55克平方釐米。雖然這些參數是用於示例性的製造的實施方式，但是它們不打算用來進行限定。再次參照圖1-3，並且參照圖6A和6B，定子組件18即促動器10相對於轉子組件12保持固定的部分包括多個薄金屬片，這些金屬片如上所述在本文中被稱為迭片32、34。組裝成定子部分20、22的這些迭片32、34形成為所期望的形狀以增強參照圖5所示的磁路78。每個迭片32、34的形狀可以通過金屬衝壓、雷射切割、光蝕刻、水噴射切割或者其他已知的金屬板成型方法來形成。在優選的實施方式中，迭片32、34由公知為M-19的矽鋼材料即專門針對電機和變壓器製造的材料製成。但是，也可以採用許多不同的材料，只要該材料是導磁的即可。幾種可能的替代材料包括冷軋鋼(例如Q-195)和磁性不鏽鋼(例如不鏽鋼 416)。如將在這裡所述的一樣，例如，通過將上面參照圖2和3所述的、並且現在繼續參照圖6A和6B進一步詳細說明的、而且現在將參照圖7和8說明的第一和第二突出部28、38選擇性地配置、使定子部分20、22的層疊結構80A、80B結合，從而形成參照圖1所示的形成定子組件18的一部分的層疊結構80。如參照圖7和8所示一樣，每個迭片32、34具有尖端狀突出部(point-shapedprotrusion)28和凹槽狀突出部(socket-shaped protrusion)30。對於在這裡所述的實施方式而言，例如每個迭片具有前面參照圖2和3所述的徑向面向內的齒24、26。如上所述，通過如圖8所示一樣一層層將迭片32、34層疊、從而使得尖端狀突出部28和凹槽狀突出部30隔層交替(如參照圖6A和6B的針對層疊迭片80A、80B所示出的那樣)，形成定子部分20,22o應該指出的是，這是優選的構造方法，也可以採用其他層疊方法，例如這樣的方法:其中，具有朝右的尖端狀突出部28的兩個迭片34之後是具有朝左的尖端狀突出部28的兩個迭片32。然後使得具有迭片80Α、80Β的定子部分20、22滑插到一起以形成具有參照圖1所示的迭片80的最終定子組件18。
例如，圖8A和SB顯示出在這些層內的迭片如何按照尖端和凹槽一層層交替的配合方式層疊在一起以形成定子。在如在這裡以示例的方式所述的一個優選實施方式中，只有兩個定子部分20、22，分別為右定子部分和左定子部分。這是用於轉子組件12的優選結構，其磁體16如上所述具有兩個磁極64、66。但是，還可以形成具有三個或更多個定子部分的促動器10A，例如參照圖9所示的四極實施方式或者參照圖9A所示的三極實施方式，只要在定子部分的迭片80內存在重疊區域82即可一如參照圖1、6A和6B所示的那樣。如圖9A所示，三極實施方式例如包括多個齒24、26、26A。另外,雖然每個定子部分20、22如上面以不例的方式所述一樣包括單個齒24、26，但是單定子部分84可以包括多個齒或單個齒86，如圖9B所示，其中定子部分84A包括齒86A，定子部分84B包括齒86B，定子部分84C包括齒86C，並且定子部分84D包括齒86D。在採用了尖端和凹槽方案的典型定子組件中，迭片的取向在所有層中都相同。因此，在尖端和凹槽之間總是存在小氣隙，因為這些表面不可能完全配合。由於這個小氣隙，與沒有斷開的單個迭片相比，導磁率更低，並且磁阻更高。這降低了促動器的性能。然而，在本發明的實施方式中，尖端88和凹槽80的布置方式是在每個迭片層32、34上交替，從而如參照圖1、6A和6B所示一樣，在這些迭片32、34之間形成重疊區域82。即使在各個迭片層例如相鄰層上在尖端41和凹槽42之間存在小氣隙，但是如參照圖10和IOA進一步所示的一樣，由於該重疊區域82，該氣隙由相鄰層上的導磁迭片材料有效填充。最終的結果是導致導磁率和磁阻與在迭片沒有分成多個定子部分的情況下基本上相同。重疊區域82可以為任意長度，但是通常重疊量越大則提供的性能越高。參照圖5，磁路78由轉子磁體16和定子組件18形成。磁通92離開磁體16的北極64，越過磁性氣隙94，並且到達左齒26的頂部和右齒24的頂部。磁通92沿向著左齒26的底部96和右齒24的底部98的方向延伸穿過定子組件18，從而最終磁通部分100越過磁性氣隙94並且回到磁體16的南極66。繼續參照圖5並且參照圖2和3，為了從促動器10中產生轉矩輸出，將導電材料線圈42、44圍繞著定子部分20、22的左齒26和/或右齒24設置，並且電流流過左線圈和/或右線圈，從而使得相應的齒有效地轉變為電磁鐵。雖然圍繞著一個定子部分20或22的單個齒24或26設置的單個線圈(左線圈44或右線圈42)將會產生出轉矩輸出，但是圍繞著每個齒24、26設置線圈能夠提供更高的轉矩輸出能力，並且還能夠為驅動電子器件提供更大的靈活性，只要每個線圈導線可以由驅動電子器件接通即可。對於具有兩個定子部分20、22即左邊部分22和右邊部分20的促動器10而言，參照圖5，在電流以左頂齒部102和左底齒部104變得更加北極化的這種極性流經左線圈44時，這產生順時針轉矩，因為磁體16的北極64將受到左齒26的頂部102推斥，並且磁體16的南極66將受到左齒26的底部104吸引。在電流反向時，轉矩的方向也反向。轉矩與施加在線圈44上的電流大小成正比地產生。理想的特徵包括，線圈42、44可以被雙向激勵以便使得齒24、26磁化，從而給轉子組件12提供雙向轉矩。在具有齒的典型促動器上，通常每個迭片層是實心的(即沒有分成多個部分)，並且每個線圈必須纏繞在完全組裝好的定子上。在這種定子上纏繞線圈困難並且成本高，因為導線首先必須位於外面並且必須一匝匝地纏繞在每個齒上。由於各個促動器齒緊密相鄰，所以這是相當困難的。另外，採用這種方法還難以實現最佳的銅墊(copper packing)。因此這是成本更高的方案，並且導致不是最佳的性能。相反，由於對於本發明實施方式而言迭片結構80包括採用了尖端和凹槽方案的分離式迭片32、34，所以這使得定子組件18能夠作為定子部分20、22進行組裝。因此，可以很容易將線圈42、44設置在每個定子部分20、22上，因為沒有任何其他齒阻擋。可以通過機器將線圈42、44直接纏繞到定子部分20、22上，或者替代性地可以將線圈單獨纏繞到捲筒上、或者採用可粘結磁導線形成，然後簡單地滑套到每個定子部分20、22的齒24、26上。一旦線圈42、44設置到位，則可以使得定子部分20、22滑插到一起。該結構提供了非常廉價並且方便的組裝定子組件18的方式，並且還能夠實現最大的導體墊，因此實現了最大的促動器性能。雖然已經將這些迭片32、34描述為具有尖端和凹槽結構88、90，但是這些迭片也可以具有簡單的鈍邊、圓化邊緣或其他突出結構，只要在這些迭片層之間設有重疊區域82即可。當然，尖端和凹槽結構88、90組裝容易並且因此是優選的。另外，雖然上述的迭片顯示出單個迭片類型——其具有交替的、用在所有定子部分上的尖端和凹槽，但是也可以採用兩種或更多種的單獨迭片類型，並且這仍然落入在本發明的範圍內。作為非限定實施例，圖11顯示出一個迭片其大體上形成沒有如上所述的第一和第二突出部的字母「T」形，而另一個迭片大體上形成字母「W」形以便按照徑向方式與「T」配合併且具有大致相等的第一和第二突出部。如參照圖1lA所示，使得這些T和W形迭片交替可以形成前面參照圖6A、6B和10所述的疊層結構80。例如，如圖12所示，根據本發明教導的一個磁路包括單個線圈42，其安放在從轉子磁體16徑向向外設置的區域處，從而兩個齒24、26由單個線圈激勵。這種磁路也可以形成為分成如圖12A所示的定子部分20、22的定子。與上述其他定子實施方式一樣，將定子組件18分成多個部分20、22能夠方便在組裝期間將線圈42插入。在整個說明書中所述的所有操作原理都適用，並且為了方便理解，圖12和12A的左邊部分按照與上述針對圖5的左齒26所述一樣的方式工作，並且圖12和12A的右邊部分按照與圖5的右齒24相同的方式工作。參照圖10，在示例性實施方式中，定子組件18的迭片80其寬度80W為I英寸，其長度80L為1.5英寸，並且其軸向深度80D為0.9英寸，而且每個迭片32、34厚度為0.025英寸。參照圖2和3，獨立的線圈42、44每個為0.3英寸寬，並且每個纏繞有500匝AWG#33可粘結銅磁導線，並且纏繞在每個齒24、26上。在兩個線圈42、44串聯時，所得到的串聯電阻大約為50歐姆，並且電感大約為190毫亨。促動器10的峰值轉矩輸出為1，600, 000達因-釐米/安培(22.06盎司-英寸/安培)。雖然這些數值只是用於示例性的實施方式，但是它們不是用來進行限定。參照圖7，為了降低角位置遲滯作用並且因此改善角位置可重複性，每個迭片齒
24、26可以結合有深溝槽或槽106。深溝槽106迫使來自磁體16的磁通完全循環通過齒26的整個長度。這也有助於使得在齒24、26內的磁通密度在磁體16的轉動角度改變時保持相對恆定。由於在迭片齒24、26內的磁通密度在整個轉動角度範圍上相對保持相同，所以迭片材料的導磁率也相對保持相同，因此線圈電感在整個轉動角度範圍上也相對保持相同。在促動器的線圈電感根據轉動角度改變時，這被稱為電感調製。實際上，在典型促動器中，電感確實隨著角度改變。其電感不會隨著角度改變很多的機電促動器是非常期望的，因此這是本發明所要滿足的一個要求。繼續參照圖7，深溝槽106優選具有深入到齒24、26的深度108，該深度通常與線圈42、44的寬度110—樣深，如參照圖5所述一樣，但是也可以採用其他深度。溝槽或凹槽106的寬度112並不重要。但是製造技術將通常要求寬度112至少與迭片32、34的厚度一樣寬。寬度112通常應該做得不會比在齒24、26的自由端之間的分隔部114更寬。在示例性實施方式中，深溝槽106為0.030英寸寬，並且在齒24、26之間的分隔部114為0.040英寸寬。隨著這些尺寸用於示例性實施方式，但是它們不是進行限定。現在參照圖13，前面參照圖5所述的磁性氣隙94如圖13所示一樣可以在磁體16周圍自始自終相同，或者磁性氣隙94可以在左邊部分94L和右邊部分94R上比在頂部94T和底部94B處的氣隙更寬，如圖14所示以及如前面參照圖5所示一樣。在磁性氣隙94在磁體16周圍自始自終相同並且沒有給線圈42、44施加任何電流時，在磁體上將會施加輕微的回覆轉矩，從而趨向於使得北極64朝著+45度、-45度、+135度和-135度的角位置取向。因此，在該結構中，在沒有給線圈42、44施加任何電流時存在四個「稍微優選的」角位置。例如，磁體16自身將取向為「優先選擇」四個單獨位置。因此，存在磁體16的「偏好」。但是，在使得磁性氣隙94在磁體16的左邊氣隙94L和右邊氣隙94R上更寬並且沒有給線圈42、44施加任何電流時，在磁體16上將施加強的回覆轉矩，從而趨向於使得北極64朝著+90度(在附圖中豎直向上取向)或者-90度(在圖中豎直向下取向)取向。因此，在該結構中，在沒有給線圈42、44施加任何電流時存在兩個「非常優選的」角位置。根據上述的術語，磁體16對於兩個分離的角位置將會有非常強烈的「優選」意願。該回復轉矩的強度取決於氣隙在左邊和右邊上與頂側和底側相比寬多少。這個非常優選的角位置為促動器提供了類似彈簧的回中(return to center)作用(回復轉矩)，這是非常理想的。而且，磁性氣隙94的形狀(如這裡以示例的方式所示的圓形或橢圓形)控制著回復轉矩的轉矩-角度曲線的線性度。在磁性氣隙94如圖14所示一樣從頂部-底部朝著左右持續增大時，回復轉矩-角度曲線116將是平滑的，並且如參照圖15的曲線圖所示一樣大致為正弦曲線。但是，如果磁性氣隙94突然改變(即，如果形狀具有不連續性)，則回復轉矩-角度取向也將具有不連續性。如圖16所示，本發明的一個實施方式可以包括其氣隙118為不對稱的磁路，即具有其氣隙118A在預定區域周圍自始自終相同的徑向相對的區域和其氣隙118B在整個預定區域上變化的另一個徑向相對的區域。在這種情況下，與逆時針運動相比，順時針運動時的轉矩-角度曲線是不同的。這對於「反射鏡快速翻轉裝置(miiTor flipper)」應用而言是理想的。在一個示例性實施方式中，磁性氣隙94的形狀製作成橢圓形，其頂部和底部半徑為0.145英寸，並且左邊和右邊半徑為0.185英寸。假設示例性圓柱形轉子磁體16其直徑70為0.25英寸並且其軸向長度72為I英寸而且定子組件深度80D為0.9英寸，則得到大約318，150達因-釐米的峰值回復轉矩或在中央角度範圍上為大約10000達因-釐米/角度的峰值回復轉矩。但是，雖然這些尺寸和數值用於示例性實施方式，但是這些不是用來進行限定。另外根據本發明的教導，定子組件18可以包括其氣隙在磁體16周圍自始自終相同的一些迭片，例如參照圖13所述的，並且其他迭片可以具有不同的氣隙，例如參照圖5所述的。還有，一個迭片或預定數量的相鄰迭片可以形成一個氣隙(圖13)，並且其他預定數量的迭片可以形成不同的氣隙(圖14)。通過採用徑向磁化的圓柱形磁體16，得到正弦的磁通-角度曲線。這對於促動器而言又產生出大致為正弦的輸出轉矩-角度曲線120 (在向線圈42、44施加電流時)，如圖17所示。而且，如上所述，採用其寬度從頂部-底部朝著左右持續增大的磁性氣隙94，得到大致正弦的類似彈簧的回中轉矩曲線122、116，如參考圖18以及圖15所示一樣。在這種結構中，由於輸出轉矩-角度曲線120的形狀(在向線圈施加電流時)與類似彈簧的回覆轉矩-角度(回中)曲線相同，所以最終結果是輸出角度-輸入電流曲線在大約+/-60的機械角度上幾乎是線性的。例如，圖19顯示出所得到的輸出角度-輸入電壓曲線。輸入電流由用來驅動兩個線圈(在這裡這些線圈串聯連接)的輸入電壓得到。本發明的促動器10具有超過+/-80機械度的有效範圍，其中輸出角度-輸入電流的線性度有些下降。非常寬的角度性能以及非常線性的輸出角度-輸入電流曲線都是不尋常的，並且都是本發明的非常期望的方面。如再次參照圖17所示一樣，通過使得磁性氣隙94增大而得到的回中回復轉矩120實際上確實提供了「類似彈簧的」作用。這與外部負載的慣性一起產生了彈簧-質點系統，這具有相應的諧振頻率。在給促動器10施加脈衝型電流時，該彈簧-質點體系將會超調並且以諧振頻率振蕩。通常，該振蕩會持續10個或更多個周期，這是具有彈簧回復和慣性負載的促動器的典型特徵。為了降低超調和振蕩，需要加入阻尼。在典型促動器中，通常採用機械阻尼材料或採用電學技術例如受控驅動阻抗或反電動勢回饋來從外部加入阻尼。在本發明中，可以採用一個或多個「短路線匝(shortedturns ) 」來給促動器加入阻尼。在本發明的一個實施方式中，例如參照圖2所示一樣，在一個或兩個線圈42、44上設置薄銅套筒124，其中這些套筒124圍繞著線圈的外周延伸。在示例性實施方式中，每個套筒124為0.290英寸寬並且用0.020英寸厚的銅製成。這在通常的慣性負載情況下為促動器粗略地提供重要的阻尼。再次參照圖2和3, —個實施方式包括中央柱60A、60B,它們從外殼前表面部分50朝著外殼後表面部分52延伸。這些導電柱60A、60B的一個端部與外殼表面部分間隔開,其中設置於外殼後表面部分52中並且連接到柱60A、60B上的導電螺釘126的連接將有效地產生出短路的線匝(shorted turn )，該短路的線匝從外殼前表面部分50經由柱60A、60B延伸至外殼後表面部分52。這種結構的理想特徵在於，在從外部提供阻尼的情況下，在這裡描述為126A、126B、126C和126D的螺釘126可以完全去除，並且也可以根據所用的螺釘126的數量和螺釘126的擰緊度來控制阻尼的程度，每個螺釘都控制著短路線匝的導電性。在上述兩個實施方式中，在採用短路線匝的方法時，促動器電感尤其在高頻下也大大降低。例如，在示例性實施方式中，在IkHz下的電感從在沒有短路線匝的情況下的大約190毫亨降低至採用短路線匝技術的大約18毫亨。雖然在促動器上使用了短路線匝技術，但是其是大體用於動圈式促動器，而不是動磁體式促動器。而且，可從外部調整的自阻尼效應是本發明的另一個高度期望的不尋常的方面。
雖然上面已經提供了本發明的詳細說明和附圖，但是要理解的是，本發明的範圍不限於此，而是由下面的權利要求確定。另外，本領域普通技術人員在前面說明書和相關附圖中給出的技術啟示下可以想到許多本發明的變型和其他實施方式。因此，要理解的是，本發明不限於所披露的具體實施方式
，並且在所附權利要求的範圍內打算包括這些變型和實施方式。
權利要求
1.一種機電有限轉動式旋轉促動器,包括: 定子，其具有在其中軸向延伸的孔和至少兩個齒，所述齒具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部； 轉子，其具有軸和至少一個徑向磁化的磁體，所述磁體可藉助所述定子雙向操作並且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁體和所述齒的弧形端部之間形成非均勻間隙，並且其中所述間隙的形狀提供導致所述轉子的類似彈簧的回中作用的回覆轉矩；以及電磁線圈，其圍繞著所述至少兩個齒中的一個齒的至少一部分延伸，其中所述電磁線圈能被激勵以磁化所述齒並且給所述轉子提供雙向轉矩。
2.按權利要求1所述的促動器，其中所述至少兩個齒的端部一起形成橢圓形孔。
3.按權利要求2所述的促動器，其中所述磁體包括具有大體上圓形橫截面的圓柱形形狀，以便獲得所述間隙，所述間隙在所述孔的相對的第一側面上具有較寬間隙部分，該較寬間隙部分比在所述孔的相對的第二側面上的較窄間隙部分寬。
4.按權利要求3所述的促動器，其中所述較寬間隙部分與徑向相對對準的齒徑向對準。
5.按權利要求3所述的促動器，其中在所述孔的相對的第二側面上的所述較窄間隙部分為所述至少兩個齒彼此最靠近的相鄰部分，從而在所述齒的自由端之間存在分隔部。
6.按權利要求1所述的促動器，其中所述至少兩個齒徑向對準。
7.按權利要求1所述的促動器，其中每個齒包括位於其內的朝著所述孔縱向延伸的槽。
8.按權利要求7所述的促動器，其中所述槽的寬度尺寸與所述相對齒的自由端之間的分隔部的長度尺寸接近。
9.按權利要求1所述的促動器，其中所述至少兩個齒包括形成所述孔的四個齒。
10.按權利要求1所述的促動器，其中所述至少兩個齒中的每一個齒具有相對於第二圓形自由端部偏移的第一圓形自由端部，並且其中所述至少兩個齒對準以形成具有偏移的半圓柱形部分的孔，所述間隙因此具有不對稱的橫截面。
11.按權利要求10所述的促動器，其中所述至少兩個齒和所述自由端部的偏移部徑向對準。
12.按權利要求1所述的促動器，其中所述定子包括多個迭片。
13.按權利要求12所述的促動器，其中所述至少兩個齒中的每個齒包括在其中徑向延伸的槽，並且其中所述槽的寬度尺寸至少接近每個迭片的厚度尺寸。
14.按權利要求1所述的促動器，還包括覆蓋著所述電磁線圈的導電套筒，所述套筒的尺寸設定為在所述促動器的操作期間給所述轉子提供預定的阻尼作用。
15.按權利要求1所述的促動器，還包括: 外殼，其具有相對的第一和第二導電錶面部分，其中所述定子承載在所述第一和第二導電錶面部分之間； 在所述第一和第二導電錶面部分之間延伸的導電柱；以及 細長元件，其將所述相對的第一和第二導電錶面部分中的至少一個可調節地固定在所述柱上，以足以提供短路線匝。
16.按權利要求1所述的促動器，其中所述至少一個磁體包括釹鐵硼材料和釤-鈷材料中的至少一種。
17.按權利要求1所述的促動器，其中所述軸包括第一和第二軸部和軸向承載在第一和第二軸部之間的磁性部分。
18.按權利要求1所述的促動器，其中所述間隙包括基本沒有材料的氣隙。
19.按權利要求1所述的促動器，其中所述轉子對準成在所述電磁線圈不被激勵以磁化齒時具有最大轉矩。
20.一種機電有限轉動式旋轉促動器,包括: 定子，其具有在其中軸向延伸的孔和具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部的至少兩個齒；轉子，其具有軸和至少一個徑向磁化的磁體，所述磁體可由所述定子雙向操作並且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁體和所述齒的弧形端部之間形成大致橢圓形的間隙，並且其中所述橢圓形間隙提供導致所述轉子的類似彈簧的回中作用的回覆轉矩；以及電磁線圈，其圍繞著所述至少兩個齒中的一個齒的至少一部分延伸，其中所述電磁線圈能被激勵以磁化所述齒並且給所述轉子提供雙向轉矩。
21.按權利要求20所述的促動器，其中所述磁體包括具有大體上圓形橫截面的圓柱形形狀，以便獲得所述間隙，所述間隙在所述孔的相對的第一側面上具有較寬間隙部分，該較寬間隙部分比在所述孔的相對的第二側面上的較窄間隙部分寬。
22.按權利要求21所述的促動器，其中所述較寬間隙部分與徑向相對對準的齒徑向對準。
23.按權利要求21所述的促動器，其中在所述孔的相對的第二側面上的所述較窄間隙部分為所述至少兩個齒彼此最靠近的相鄰部分，從而在所述齒的自由端之間存在分隔部。
24.按權利要求20所述的促動器，其中所述至少兩個齒徑向對準。
25.按權利要求20所述的促動器，其中每個齒包括位於其內的朝著所述孔縱向延伸的槽。
26.按權利要求25所述的促動器，其中所述槽的寬度尺寸與所述相對齒的自由端之間的分隔部的長度尺寸接近。
27.按權利要求20所述的促動器，其中所述至少兩個齒包括形成所述孔的四個齒。
28.按權利要求20所述的促動器，其中所述至少兩個齒中的每一個齒具有相對於第二圓形自由端部偏移的第一圓形自由端部，並且其中所述至少兩個齒對準以形成具有偏移的半圓柱形部分的孔，所述大致橢圓形的間隙因此具有不對稱的橫截面。
29.按權利要求28所述的促動器，其中所述至少兩個齒和所述自由端部的偏移部徑向對準。
30.一種機電有限轉動式旋轉促動器,包括: 定子，其具有在其中軸向延伸的孔和具有形成所述孔的至少一部分的弧形端部的至少兩個齒； 轉子，其具有軸和至少一個徑向磁化的具有大體上圓形橫截面的磁體，所述磁體能藉助所述定子雙向操作並且延伸到所述定子的所述孔中，其中在所述磁體和所述齒的弧形端部之間形成非均勻的間 隙，從而使得所述間隙在所述孔的相對第一側面上具有較寬間隙部分，該較寬間隙部分比在所述孔的相對第二側面上的較窄間隙部分要寬，並且其中所述間隙的形狀提供導致所述轉子的類似彈簧的回中作用的回覆轉矩；以及 電磁線圈，其圍繞著所述至少兩個齒中的一個齒的至少一部分延伸，其中所述電磁線圈能被激勵以磁化所述齒並且給所述轉子提供雙向轉矩。
31.按權利要求30所述的促動器，其中所述較寬間隙部分與徑向相對對準的齒徑向對準。
32.按權利要求30所述的促動器，其中在所述孔的相對的第二側面上的所述較窄間隙部分為所述至少兩個齒彼此最靠近的相鄰部分，從而在所述齒的自由端之間存在分隔部。
33.按權利要求30所述的促動器，其中每個齒包括位於其內的朝著所述孔縱向延伸的槽。
34.按權利要求33所述的促動器，其中所述槽的寬度尺寸與所述相對齒的自由端之間的分隔部的長度尺寸接近。
35.按權利要求30所述的促動器，其中所述至少兩個齒中的每一個齒具有相對於第二圓形自由端部偏移的第一圓形自由端部，並且其中所述至少兩個齒對準以形成具有偏移的半圓柱形部分的孔，所述間隙因 此具有不對稱的橫截面。
全文摘要
本發明公開了一種機電有限轉動式旋轉促動器，包括定子，其具有在其中軸向延伸的孔和至少兩個齒，所述齒具有形成所述孔的弧形端部。轉子包括徑向磁化的磁體，所述磁體可藉助所述定子雙向操作並且延伸到所述孔中。在所述磁體和所述齒的端部之間形成非均勻間隙，並且其中所述間隙的形狀提供導致所述轉子的類似彈簧的回中作用的回覆轉矩。電磁線圈圍繞著一個齒的至少一部分延伸，並且能被激勵以磁化所述齒並且給所述轉子提供雙向轉矩。
文檔編號H02K1/14GK103095000SQ20121036395
公開日2013年5月8日 申請日期2012年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者小威廉·R·本納 申請人:小威廉·R·本納