CN110545024B - 一种音圈电机和快速反射镜 - Google Patents
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Abstract
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110包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体104和E形软磁材料105，可动部分包括线圈102；磁体104分别固定在所述E形软磁材料105两端的内侧，线圈绕于软磁材料上并穿过E形软磁材料105的中间腿，中间相隔一定的气隙；所述固定部分的两个相对的磁体104磁极相反。该音圈电机的线圈、磁铁和软磁材料都采用球面设计，球面中心与快反镜的回转中心一致，可获得更大的转动范围，可以实现15°及以上的两方向转角范围。并且磁场气隙小，保证了音圈电机的出力效率，可实现较高的工作带宽。
Description
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***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***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FSM已达到快速阶跃响应的上限，而不会由于快速变化的磁通密度而产生大量过热。多余的热量需要额外的质量和体积来进行热管理，并且会使部件变形，从而降低快速反射镜的精度。另外，诸如步进或无刷伺服电动机等替代电机对于FSM的应用来说太大并且遭受上述相同的限制。
另外，大口径快速反射镜具有较大的转动惯量，且磁场间的气隙过大，要实现较高的工作带宽，要求驱动器具有较大的出力和出力效率。
此外，诸如：中国专利申请号：CN2013105438658、CN2014100277404、CN2014100713846、CN201610844344X、CN2018113780531、CN2018206526118以及日本专利公开号：JPH09201030、美国专利公开号：US9746665B1，上述现有技术都涉及到音圈电机和/或反射镜领域，但是上述现有技术都没有完全解决上述现有技术中存在的技术问题。
发明内容
(一)发明目的
为解决上述问题，本发明提供了一种音圈电机及快反镜驱动结构，线圈、磁铁和软磁材料都采用球面设计，球面中心与快反镜的回转中心一致，可以实现15°及以上的两方向转角范围，且磁场气隙小，保证了音圈电机的出力效率。将该音圈电机用于快速反射镜中，能够获得较大的转动范围、较高的工作带宽。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种音圈电机，所述音圈电机110包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体104和E形软磁材料105，可动部分包括线圈102；
所述磁体104分别固定在所述E形软磁材料105两端的内侧，线圈绕于软磁材料的中间，中间相隔一定的气隙；所述固定部分的两个相对的磁体104磁极相反。
进一步的，所述磁体104包括第一磁体15和第二磁体16；E形软磁材料105包括第一腿11、第二腿12以及第三腿13；第一磁体15、第二磁体16、第一腿11、第二腿12以及第三腿13的两个面均为球面，且所有的球面共球心。
进一步的，第一磁体15的靠外侧面与E形软磁材料105的第一腿11的一侧重合；第二磁体16的靠外侧面与E形软磁材料105的第二腿12的一侧重合。
进一步的，所述线圈102包裹于E形软磁材料105的第三腿13，且线圈102的一侧内面与第三腿13的一侧相对，线圈102的另一侧内面与第三腿13的另一侧相对，且中间具有一定的气隙。
进一步的，所述E形软磁材料105的第一腿11、第二腿12以及第三腿13属于一个整体，且第三腿13位于第一腿11和第二腿12的正中间，其材料为纳米晶。
本发明的第二方面提供了一种快速反射镜，包括如前所述的音圈电机，还包括底座、支撑结构和反射镜；所述音圈电机均匀地分布在底座四周；所述反射镜通过支撑结构支撑并连接于音圈电机110上，支撑结构的数量与音圈电机110的数量一致。
进一步的，所述音圈电机为4个，每相邻的两个音圈电机位置相差90°。
进一步的，每个音圈电机110通过音圈电机固定架14固定连接至组件底座101上，并且音圈电机110两两相对。
进一步的，所述支撑结构包括对应于每个音圈电机110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；所述反射镜支撑架位于线圈102与安装凸耳之间，用于承载反射镜，并将线圈102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，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，本发明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110包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体104和E形软磁材料105，可动部分包括线圈102；磁体104分别固定在所述E形软磁材料105两端的内侧，线圈绕于软磁材料的中间，中间相隔一定的气隙；所述固定部分的两个相对的磁体104磁极相反。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1、该音圈电机的线圈、磁铁和软磁材料都采用球面设计，球面中心与快反镜的回转中心一致，可获得更大的转动范围，可以实现15°及以上的两方向转角范围
2、磁场气隙小，保证了音圈电机的出力效率，可实现较高的工作带宽。
附图说明
图1是是本发明的快速反射镜100的立体图；
图2是图1的快速反射镜100的俯视图；
图3是本发明的音圈电机去除线圈组件及磁体组件后的示意图；
图4是图1所示的快速反射镜100沿着中心旋转轴切割后的示意图；
图5是音圈电机100的磁极分布及受力示意图；
图6是操作快速反射镜的方法流程图。
附图标记：
100：快速反射镜组件；101：底座；102：线圈；103：E形软磁材料第三脚；104：磁体；105：E形软磁材料；106：组件基座；102a、102b、102c、102d：线圈；103a、103b、103c、103d：E形软磁材料第三脚；104a、104b、104c、104d：磁体；105a、105b、105c、105d：E形软磁材料第一、第二脚；11：E形软磁材料第一脚；12：E形软磁材料第二脚；13：E形软磁材料第三脚；14：音圈电机固定架；15：第一磁体；16：第二磁体。
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。
图1是本发明的快速反射镜100的一个具体实施例的立体图，图2是图1的快速反射镜100的俯视图。如图1所示，该快速反射镜100包括反射镜(未示出)、音圈电机110、音圈电机固定架和组件底座101。图中示意性的示出音圈电机110及相应的音圈电机固定架都为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110设置于对应的音圈电机固定架的上方，并固定连接至音圈电机固定架，音圈电机固定架固定连接于底座101上。反射镜由支撑结构支撑，支撑结构与音圈电机110对应并连接，使得每个音圈电机110可以推动或拉动相应的支撑结构，由此控制反射镜的移动角度。四个音圈电机110等角度、间距设置在底座101的内圆周上，两两相对。
如图1和2所示，每个音圈电机110包括两个磁体104、一个E形软磁材料105和一个线圈102，并且每个E形软磁材料105包括第一脚11、第二脚12、第三脚13。在图1和2所示的示例性实施例中，音圈电机的组成结构均为球面结构，磁体、软磁材料及线圈的所有球面共球心。四个E形软磁材料相对应的腿位于同一球面上，4个磁体的两面位于同一球面上，四个线圈的面也位于同一球面上。组件底座101可以是金属、塑料、陶瓷或本领域中使用的任何其他材料。音圈电机固定架可以是与组件底座101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。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，以互连快速反射镜的各种部件。
图2是图1的快速反射镜100的俯视图。每个音圈电机110通过音圈电机固定架14对称地固定连接至组件底座101上，并且四个音圈电机110两两相对，相邻两个音圈电机角度相隔90°。
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的反射镜支撑架和安装凸耳。安装凸耳位于反射镜的四周，其与反射镜贴合的面为弧面；反射镜支撑架位于线圈组件与安装凸耳之间，用于承载反射镜，并将线圈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。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是本发明的音圈电机去除线圈组件及磁体组件后的示意图，图4是图1所示的快速反射镜100沿着中心旋转轴切割后的示意图。从图4可以清楚地看出音圈电机与音圈电机之间、音圈电机内部各结构之间的位置关系。音圈电机110包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体104和E形软磁材料105，可动部分包括线圈102。第一磁体15的左侧面与E形软磁材料105的第一腿11的右侧重合；第二磁体16的右侧面与E形软磁材料105的第二腿12的左侧重合，位于同一球面上，以保证线圈在运动过程中与两侧保持一定的间隙，不至于在旋转过程中与磁体内壁产生摩擦。线圈102包裹于E形软磁材料105的第三腿13，且线圈102的左侧内面与第三腿13的左侧相对，线圈102的右侧内面与第三腿13的右侧相对，且中间具有一定的气隙。所述E形软磁材料105的第一腿11、第二腿12以及第三腿13大小以及形状相同，属于一个整体，且第三腿13位于第一腿11和第二腿12的正中间，材料可以是纳米晶，也可以是本领域所使用的任何软磁材料。
图5是音圈电机100的磁极分布及受力示意图。在图5所示的实施例中，磁体104a的第一磁体的左侧为S极，右侧为N极，磁体104a的第二磁体的左侧为N极，右侧为S极；磁体104b的第一磁体的左侧为S极，右侧为N极，磁体104b的第二磁体的左侧为N极，右侧为S极；磁体104c的第一磁体的左侧为S极，右侧为N极，磁体104c的第二磁体的左侧为N极，右侧为S极；磁体104d的第一磁体的左侧为S极，右侧为N极，磁体104d的第二磁体的左侧为N极，右侧为S极。当给线圈的左侧通入向内的电流时，右侧电流向外，根据左手定则，线圈受到的洛伦兹力向上，驱动线圈向上运动，带动反射镜发生移动。改变线圈通入电流的方向，受到的力也会改变。
图6是操作快速反射镜的方法流程图。***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，在磁体组件之间会产生由外向内的磁场，并对线圈组件产生向上的推力，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，此时对线圈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，本发明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110包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体104和E形软磁材料105，可动部分包括线圈102；磁体104分别固定在所述E形软磁材料105两端的内侧，线圈绕于软磁材料上并穿过E形软磁材料105的中间腿，中间相隔一定的气隙；所述固定部分的两个相对的磁体104磁极相反。该音圈电机的线圈、磁铁和软磁材料都采用球面设计，球面中心与快反镜的回转中心一致，可获得更大的转动范围，可以实现15°及以上的两方向转角范围。并且磁场气隙小，保证了音圈电机的出力效率，可实现较高的工作带宽。
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 (9)
1.一种音圈电机，其特征在于，音圈电机(110)包括固定部分和可动部分，固定部分包括磁体(104)和E形软磁材料(105)，可动部分包括线圈(102)；
所述磁体(104)分别固定在所述E形软磁材料(105)两端的内侧，线圈绕于软磁材料的中间，中间相隔一定的气隙；所述固定部分的两个相对的磁体(104)磁极相反；
所述磁体(104)包括第一磁体(15)和第二磁体(16)；E形软磁材料(105)包括第一腿(11)、第二腿(12)以及第三腿(13)；第一磁体(15)、第二磁体(16)、第一腿(11)、第二腿(12)以及第三腿(13)的两个面均为球面，且所有的球面共球心。
2.根据权利要求1所述的音圈电机，其特征在于，第一磁体(15)的靠外侧面与E形软磁材料(105)的第一腿(11)的一侧重合；第二磁体(16)的靠外侧面与E形软磁材料(105)的第二腿(12)的一侧重合。
3.根据权利要求1或2所述的音圈电机，其特征在于，所述线圈(102)包裹于E形软磁材料(105)的第三腿(13)，且线圈(102)的一侧内面与第三腿(13)的一侧相对，线圈(102)的另一侧内面与第三腿(13)的另一侧相对，且中间具有一定的气隙。
4.根据权利要求1或2所述的音圈电机，其特征在于，所述E形软磁材料(105)的第一腿(11)、第二腿(12)以及第三腿(13)属于一个整体，且第三腿(13)位于第一腿(11)和第二腿(12)的正中间，其材料为纳米晶。
5.一种快速反射镜，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的音圈电机，还包括底座、支撑结构和反射镜；所述音圈电机均匀地分布在底座四周；所述反射镜通过支撑结构支撑并连接于音圈电机(110)上，支撑结构的数量与音圈电机(110)的数量一致。
6.根据权利要求5所述的快速反射镜，其特征为：所述音圈电机为4个，每相邻的两个音圈电机位置相差90°。
7.根据权利要求5所述的快速反射镜，其特征在于，每个音圈电机(110)通过音圈电机固定架(14)固定连接至组件底座(101)上，并且音圈电机(110)两两相对。
8.根据权利要求6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(110)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；所述反射镜支撑架位于线圈(102)与安装凸耳之间，用于承载反射镜，并将线圈(102)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，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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