[发明专利]机电有限转动式旋转促动器

说明书

本发明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。

相关申请的交叉参考

本申请要求2011年9月26日提交的题目为“Electromechanical Rotary Actuatorand Method”的共同所有的申请No.61/539172的优先权，其全部内容在这里被引用作为参考。

技术领域

本发明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。

背景技术

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元件连接在输出轴上。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。