专利名称：高转矩低感应的旋转致动器的制作方法
技术领域：
本申请主要涉及有限角度的机电式旋转致动器，并尤其涉及用于光学扫描领域的致动器。
背景技术：
机电式旋转致动器已经存在了数十年。其被用在各种工业和消费品应用中，但是其在光学扫描领域尤其有用，在该应用中光学元件被连接到致动器输出轴，输出轴会以振荡的方式被回来转动。例如，为了制成光学扫描系统，将反射镜连接到旋转致动器的输出轴上是常见的。在该应用中，致动器/反射镜的组合能够在一定角度范围内对光束重新定向，或者将照相机的视场重新定向使得可以观察到各种各样的目标。其它光学元件也能被连接到输出轴上。例如，棱镜或者滤光器能被连接到轴上，并且致动器的轴的转动能改变棱镜或滤波器的角度。如果采用电介质滤波器，改变滤波器的入射角能够将带通波长特性变得较高或较低，从而允许光学系统被调谐到特定的波长。可替换地，棱镜或滤波器能被完全旋转进或者出光路，从而允许光束的选择性滤波。用在光学扫描领域的典型的机电式旋转致动器通常是由磁铁、钢和绝缘的漆包线的线圈的一些组合制成的。这些部件被采用各种各样的方式布置，但是在过去的二十年中，最常见的布置是采用简单的两极转子磁铁，和“无齿”定子的设计。在这些致动器中的转子通常是实心的、圆柱形的、由高等级钕铁硼制成的磁铁，其沿直径方向被磁化，并且两个轴被连接到磁铁上。一个轴部件可以与反射镜连接，而另一个轴部件可以由定位传感器进行操作。该轴通常由滚珠轴承支撑。例如，该公开的尺寸可以包括直径为0.12英寸(大约3毫米)、长度为L 3英寸(大约33毫米)的转子磁铁。回顾已知的致动器技术以及参考已知的致动器将会有助于使读者更好地理解本发明的实施例所要满足的需求。在致力于解决在本文的背景技术部分提出的所属领域的技术问题时，这对主要通过广泛的分析和实验来实现的逐步改进的实施例的描述也将会有帮助。因此，包括在背景技术部分中的所有公开的内容都不应被解释为是已知的在先技术教导。图1示出了在现有技术中一典型的“无齿”光学扫描仪中的转子和定子的装置的截面图。定子本质上是管状的。对于上述的转子磁铁的直径，典型的定子管可以具有0.5英寸的外径(大约12.7毫米)，内径为0.196英寸(大约5毫米)，并且典型地由冷轧制钢制成。漆包线的线圈形成并粘接到定子钢管的内壁上，占据大约90度弧的区域。在转子磁铁的外壁和线圈的内壁之间具有典型地大约0.007英寸的间隙，因此允许磁铁自由地转动。在图1中，线圈区域被指定为“线圈+”或者“线圈-，，以分别表示进入纸面的线匝和从纸面出来的线匝。图2示出了如图1所示的现有技术的一种典型的“无齿”光学扫描仪中的磁通线。可以看出磁通线必定延伸通过(“跳过”)相对大的间隙以到达定子钢。线圈位于磁铁和定子钢之间。当线圈被激励时，洛伦兹力被施加在线圈和磁铁上。由于线圈典型地是被粘接在定子上并且因此被保持固定，因而所有的力被传递到转子磁铁。由于该力是在磁铁的相对的侧面生成的，因此该力是转矩的形式，因此致动器产生转矩并因而产生运动。在致动器的这个示例中，采用了 50匝的AWG#33漆包线，具有大约2.5欧姆的线圈电阻(R)，线圈感应系数(L)为大约100微亨，并且对于通过线圈的每安培的电流产生转矩常数(KT)为大约38，000达因*厘米的转矩。无齿的装置具有好处。一个好处就是相对低的线圈感应系数，其是由于线圈不完全地围绕一个闭合的钢芯。而恰恰相反地，致动器的整个内部是开放的，仅包括磁导率几乎和空气相同的转子磁铁。但是，无齿的结构不是没有缺点。一个主要的缺点是在快速/宽角度转子运动中产生的热量的量。此外，产生的热量不能被有效地消除。这些缺点是源于以下事实，线圈占据相对较小的空间(截面区域)，并且其被粘接到定子管的内部，使得其仅在一侧(线圈的外侧)有直接连接。再次参考图1，可以看出线圈的左边、右边、内侧实质上是没有连接到任何面上。正是这个原因，线圈产生的热量仅能被从一个面(外侧)消除。事实上，线圈的内侧表面产生的热量会加热转子磁铁，这会使得性能下降并且会有使得转子磁铁去磁化的风险——如果热量超过大约100摄氏度。为了产生较少的热量，需要有较低的线圈电阻，并且为了降低线圈电阻，必须采用较粗的线。如果例如采用AWG#29漆包线替代AWG#33漆包线，并且将其放置在相同的线圈区域，则仅可使用大约22匝，从而提供0.48欧姆的线圈电阻(R)和16，720达因*厘米每安培的转矩常数(KT)。线圈电阻当然是较低的(因为是较粗的线)，但是转矩常数也是较低的(由于线匝较少)。当与电机设计比较，采用品质因数是有用的。一个重要的品质因数被称为电机常数(KM)，其表示在致动器产生给定数量的转矩时产生的热量。KM可以采用若干方式计算，但是最简单的方式是:KM = KT/ V R0具有50匝线圈的原始致动器(其KT = 38，000, R = 2.5欧姆)的KM是24，033达因*厘米每瓦的平方根。因此，要产生24，033达因*厘米的转矩，电机将需要耗散I瓦的热量。为了产生两倍于这个量的转矩，或者说48，066达因*厘米的转矩，电机将需要耗散4瓦的热量。两倍的转矩输出要求两倍的电流输入。由于热量与电流的平方成比例，这表示两倍电流产生四倍的热量。将这些值与具有22匝的AWG#29的相同的致动器(其KT = 16，720, R = 0.48)相比较表明KM现在为24，133或大约与原来的数值相同。这表明了移动磁铁致动器的一个重要的定律。KM是由线圈占据的区域所决定的。而与占据该线圈区域的线有多少匝数无关。如果该线圈区域保持不变并且被线圈匝全部占满，则KM将会保持与原来相同。由于这个原因，人们正在试图例如通过增加线圈的外径(和定子管的内径)来简单地增大线圈区域。然而，增加定子管的直径将增加磁通量必须跃过的磁路气隙。另一个用于磁性设计中的品质因数被称为磁导系数(PC)，磁导系数表示转子磁铁的“工作点”。对于一个由磁铁、空气和高磁导率钢构成的简单磁路，磁导系数能通过磁化长度除以总的磁路气隙而得到。对于上述的机电式的致动器一转子直径(磁化长度)为0.120英寸且定子内径为0.196英寸，磁路气隙为0.196-0.120 = 0.076英寸。因此，磁导系数大概为 0.120/0.076 = 1.6。图3提供了典型的高性能的钕铁硼磁铁的B/H曲线。X轴表示磁铁的矫顽磁性(H)，Y轴表示通量密度(B)。外侧附近的数字(在图上从0.1开始到5.0结束)是磁导系数，其表示磁铁的“工作点”。此图表示:在磁导系数为1.6(这是一种用在现有技术中的典型的致动器的情况)时，当温度为20摄氏度时，磁铁以8.7千高斯的通量密度工作。举例来说如果定子管的内径增加到0.24英寸，这将会提供大于两倍的线圈线区域，容易地允许大于22匝的AWG#29漆包线被采用。但是增加定子管的内径也会增大磁通量必须跃过的磁路气隙。因此，磁场会变得较弱。这在图4的图示中由磁化系数为1.0表示。这一较弱的磁场要求更多的线圈匝数以产生相同的转矩常数。较低的磁导系数也产生在温度升高时去磁的风险。分析和测试已经证明无齿致动器的KM在磁化系数在1.0和2.0之间时大致保持不变，并且因此，基本上没有公知的方式去克服在无齿的致动器中发热的问题。因此如果热量产生是一个性能限制因素，则必须寻求另一种致动器。在过去，一些公司致力于通过采用“有齿”(也被称为开槽(slotted))致动器来克服发热的问题。例如，图5表不一个用在已知的光学扫描器中的这样的一个致动器的截面图。在有齿致动器中，线圈不是位于磁铁和定子钢之间，而是缠绕在形成围绕磁铁的“齿”的钢芯周围。由于线圈不再是位于磁铁和定子钢之间，定子齿能更加接近磁铁。因此，有齿致动器的磁化系数是远高于无齿致动器的。图6示出了与如图3和4中所示的相同的磁B/H曲线，但是也突出了当磁导系数为6时的最终的通量密度。由于磁铁是工作在较高的磁通量密度，在给定上述的相同的转子磁铁的情况下，现在产生38，000达因*厘米每安培只需要38匝的电线。并且因为线圈区域是显著较大的，可以采用较粗的线。明显地，“有齿的”定子装置能够解决发热的问题。但是，新的问题出现了，其中的一个即为显著地增大的电感应系数(L)。对于如图5所示的致动器，例如，感应系数大于300微亨，其大约三倍于具有相同的转矩常数的“无齿”致动器的感应系数。再次参考图6的图示，感应系数的增大是因为两个因素。第一个因素是“外部的边缘线(fringe line) ”，其使线圈周围的磁通量流通，但是不与转子磁铁相互作用以产生转矩。第二个因素是“齿对齿”边缘线，其使齿之间的间隙的周围的磁通量流通但是不产生转矩，如参考图7所示。为了消除外部边缘线，有齿的定子可重新布置，如图8所示。在这种布置中，线圈缠绕在齿的周围——所述齿定位成完全地被包含在定子内侧，基本上在两个线圈之间形成了一系列的磁路。实质上，这有助于将感应系数减小到大约212微亨，但是这仍比产生相同转矩的无齿致动器的两倍还要大。为了进一步地减小感应系数，齿对齿的边缘部必须被减少，并且因此定子齿之间的间隙必须张得更开。例如，如果定子齿之间的间隙增大到0.050，感应系数变成180微亨。如果定子齿之间的间隙进一步增大，甚至增大到0.070，则感应系数变成157微亨。这仍比无缝致动器高出超过50%，但是这可能对于某些应用是能够容忍的。但是，增大定子齿之间的间隙具有负面的结果。最大的是致动器将有朝着偏离中心的角度的“齿槽顿转(cog) ”的倾向，因为转子磁铁的南极和北极将会强力地将自身定向在定子齿本身的方向中。少量的齿槽顿转能被位于光学扫描仪外部的伺服系统容忍，但是大量的齿槽顿转对性能是有害的，并且因而是非常不合要求的。例如，对于上述的参考图8所述的有齿的或者有槽的致动器，其齿之间的间隙是0.030英寸，在20度时齿槽转矩是14，000达因*厘米。当齿之间的间隙增大到0.036英寸时，在20度时齿槽转矩是22，000达因*厘米。当齿之间的间隙增大到0.050英寸时，在20度时齿槽转矩增大至40，000达因*厘米。当齿之间的间隙增大到0.070英寸时，在20度时齿槽转矩增大至85，000达因*厘米。14，000达因*厘米的齿槽转矩是能容忍的，但是更高的齿槽转矩不能容忍。因为在有齿致动器中限制感应系数也意味着增加齿槽转矩，这意味着如果感应系数是性能限制因素，则有齿致动器不应当被采用。需要重申的是，典型的无齿致动器典型地不能够同时实现高转矩常数和低线圈电阻。并且典型的有齿致动器不能实现低线圈感应系数。因此，明显地需要能够提供高转矩常数、低线圈电阻连同低线圈感应系数的机电式旋转致动器。
发明内容
根据本发明的教导，一种机电式旋转致动器可以包括转子和定子，该定子包括一个或者多个其中安放有一个或多个线圈的槽。定子也可以包括转子位置复位装置，其克服朝向所要求的转动范围之外的齿槽顿转。在一些实施例中，转子位置复位装置可以包括一个或多个复位磁铁，并且在其它实施例中转子位置复位装置可以包括在定子内、临近转子的预定轮廓的腔。一个实施例可以包括有限转动式旋转致动器，其包括定子，其具有在其中轴向地延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分，其中该至少两个齿的末端是间隔开的关系，从而在其间形成间隙。转子可以具有能由定子双向操作、并且延伸入定子的所述孔内的两极式径向磁铁，其中在磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间形成间隔。至少一个电子线圈可在该至少两个齿中的一个齿的至少一部分周围延伸，其中所述电子线圈是可激励的，以向转子提供双向转矩。转子复位装置可以位于该至少两个齿中的至少一个齿内，其中转子复位装置被定位成用于当供应向至少一个电子线圈的电流被停止时，将转子复位到中央旋转角度。一个实施例可以包括在该磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间形成的非均匀间隔。该非均匀间隔使得临近于所述齿的预定轮廓端部的中央部分的间隔与临近于所述齿的末端的间隔相比更大。该非均匀间隔提供复位转矩，该复位转矩导致转子的像弹簧那样的返回中心的动作。
又一个实施例可以包括一种有限转动式旋转致动器，其包括定子，定子具有在其中轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分，其中该至少两个齿的末端之间形成间隙。转子可以包括在该孔中的可双向操作的两极式径向磁铁。至少一个第一槽可在至少一个齿内纵向延伸，且至少一个第二槽可从该孔延伸到该定子中。该至少一个第二槽与该至少一个第一槽或多或少地垂直地对准。电子线圈在该至少一个第二槽内延伸，并且该电子线圈是可激励的，以向该转子提供双向转矩。转子复位装置位于该至少一个第一槽中的至少一单个的第一槽中。该转子复位装置被定位成用于当施加到该至少一个电子线圈的电流被停止时，使得转子复位到中央旋转角度。在又一个实施例中，有限转动式旋转致动器可以包括定子，定子具有在其中轴向地延伸的孔和至少四个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分。该至少四个齿的末端是间隔开的关系，因而在其间形成间隙。转子具有延伸到该孔中的四极磁铁装置。至少一个电子线圈在该至少四个齿中的一个齿的至少一部分的周围延伸。该电子线圈是可激励的，以向转子提供双向转矩。转子复位装置位于该至少四个齿的至少一个齿中。该转子复位装置被定位成用于当向该至少一个电子线圈施加的电流被停止时，将该转子复位到中央旋转角度。
为了更全面理解本发明，参考下面详细说明，结合示出了本发明的各种实施例的附图，其中:图1示出了在现有技术的无齿致动器中发现的定子和转子的组合；图2示出了在现有技术的无齿定子和转子的组合中的磁通线(magnetic fluxline)；图3示出了关于用在典型的无齿光学扫描仪中的磁铁的B/H曲线和相关信息；图4示出了关于用在定子内径增大的无齿扫描仪中的磁铁的B/H曲线和相关信息；图5示出了在现有技术的有齿致动器中发现的定子和转子的组合；图6示出了关于用在有齿致动器中的磁铁的B/H曲线和相关信息；图7示出了在现有技术的有齿定子中发现的磁通线和边缘线；图8示出了在现有技术的另一种有齿致动器中发现的定子和转子的组合；图9示出了本发明的一个实施例，其中示例性地示出了具有复位磁铁的两齿致动器；图9A是示出了根据本发明的教导的致动器的一个实施例的透视图；图9B是被组装在一起形成图9A的定子的定子部分的分解图；图9C是可由图9A所示的实施例操作的具有磁铁和轴的转子的一个实施例；图10示出了图9中所示的实施例中的磁通线；图11示出了本发明的另一个实施例，其中绝缘线圈位于两个槽中并且采用了复位磁铁；图12示出了图11中所示的实施例中的磁通线；
图13示出了又一个实施例，其中线圈位于两个槽中但是没有采用复位磁铁；图14示出了图13中所示的实施例中的磁通线；图15示出了本发明的另一实施例，其中线圈位于四个槽中并且具有复位磁铁；图16示出了图15中所示的实施例中的磁通线；图17示出了本发明的另一实施例，其中线圈位于六个槽中并且采用了复位磁铁；图18示出了在图17中所示的实施例中的磁通线，并且示出了各线匝；图19示出了图18中所示的实施例的定子结构的一些特征；图20示出了本发明的另一实施例，其中线圈位于六个槽中并且没有采用复位磁铁；图21示出了图20所示的实施例中的磁通线；图22示出了本发明的另一实施例，其中采用了四极转子和复位磁铁；图23示出了图22中所示的另一实施例中的磁通线；图24示出了图22中的四极的实施例是如何可以用四个分离的线圈缠绕，其中在每一个齿的周围缠绕一个线圈；图25示出了图22中的四极的实施例是如何可以用两个分离的线圈缠绕，其缠绕在交替的齿的周围；图26示出了图22中的四极的实施例是如何可以用单个线圈以蛇形方式缠绕在交替的齿的周围；图27示出了两极的实施例的定子可以如何被分隔成段，以便于致动器制造和装配，其中这些段可以包括有助于对准的尖端和容纳部的(point-and-socket)布置；图28示出了四极的实施例中定子可以如何被分隔成段，以便于致动器制造和装配，其中这些段可以包括有助于对准的尖端和容纳部的布置；图29示出了这些段如何也可呈交替层地被布置以形成重叠区域，该重叠区域减少了装配后的总的定子磁阻；图30示出了在槽的一端采用小材料连接部(web)，复位磁铁安置在槽中，其中该材料连接部被做成相对较薄，典型地大约为叠片的厚度(例如0.014英寸)，并且其被提供用以帮助定子保持精确的形状，并且其中材料连接部的薄度使得其磁学特性来说没有影响，因为其变成磁饱和的；以及图31示出了该材料连接部是如何可以被移除从而实质上允许定子以段的形式存在，每个段有效地连接到复位磁铁，其中有或者没有该材料连接部，转子位置复位都将会发生。
具体实施例方式现在将会在下文中参考示出了本发明的优选实施例的附图更加全面地描述本发明。但是，本发明可以以多种不同的形式被具体实施，并且不应被解释为局限于下文阐述的实施例。相反，提供这些实施例为的是使该公开的内容彻底和完全，并且向本领域的技术人员充分表达本发明的范围。开始参考图9，本发明的一个实施例在下文中被描述为一种机电的、有限转动式旋转致动器100。在此通过示例的方式描述的该致动器包括定子102，定子102具有在其中轴向延伸的孔104和至少两个齿106，108，齿106和108具有形成该孔的至少一部分的预定轮廓端部110，112。齿106，108的末端114，116是间隔开的关系，并且在其间形成间隙118。对于在此通过示例的方式描述的实施例，转子120包括一个可由定子102双向操作并
且延伸入孔104内的两极式径向磁铁(diametral magnet) 122。间隔124-在此是空气
间隙——被形成在磁铁122的外表面126与齿106，108的预定轮廓端部110，112之间。对于在此描述的不例性实施例，两个电子线圈128,130各自围绕每个齿106,108的一部分延伸。电子线圈128，130是可激励的，以向转子120提供双向的转矩。转子复位装置132呈复位磁铁134，136的形式被配置在每个齿106，108中的槽138，140中，所述槽朝着孔104纵向延伸。转子复位装置132可以仅包括一个复位磁铁。转子复位装置132被定位成用于当电子线圈128，130不再通电时将转子120复位到中央旋转角度142。对于在此通过示例的方式描述的该实施例，两个齿106，108 (不过并不限制于此)径向对准。间隙118的长度尺寸142为径向磁铁122的直径的至少百分之四十。制造转子120的一个简单的方式是使用单个的径向磁化的圆柱形磁铁材料件。转子120可以由一个或者多个磁铁制成，只要其提供与南极径向相对的北极即可。就在此示例性描述的实施例而言，对于直径为0.12英寸、长度为1.3英寸并且由高等级钕铁硼材料制成的转子磁铁以及内径为0.136英寸的定子而言，转矩、感应系数和电阻值是有效的。再次参考图9，所示出的定子102包括具有齿106，108的定子钢，每个齿106，108提供围绕转子磁铁122的一致的圆形间隔124(空气间隙)，其可以具有平滑的圆形横截面或可以包括多个小平面一其是进一步的举例而不背离本发明的教导。当与已知的致动器相比时，间隙118是相对地大的(磁铁直径的大约40%或者更大)，其通常会导致磁铁122经受朝着所期望的转动范围之外的强大的齿槽顿转效应(cogging)。复位磁铁134，136被插入到钢定子102的齿110，112中的槽138，140中，以将每个齿106，108的上部146偏置成“南极”，并且每个齿的下部148偏置成“北极”，如在此参考图9所述的。转子磁铁122的北极在每个复位磁铁134，136的南极之间被均匀吸引，并且同样地转子磁铁的南极在每个复位磁铁的北极之间被均匀吸引。这克服了齿槽顿转效应，并且保持转子磁铁122朝向旋转角度范围的中心141定向。应被注意到的是，看似用来分开北极和南极的线仅是示意性的，并且不是用来限制磁铁以区别极的分离。图9中以截面的方式示出的定子102具有圆柱形状。应被所属领域技术人员理解的是替代性形状可以被采用而并不背离本发明的教导，例如在图9A中示出的致动器100A的矩形截面形状。此外，致动器100，100A可以包括多个定子部分150，152。此外，定子102可以由叠片154形成，正如继续参考图9中所示并且现在参考图9B中所示。对于在此通过示例的方式描述的实施例，转子磁铁122包括钕铁硼材料。转子磁铁122可与轴156 —体形成，其中该轴上承载有由该轴所承载的光学元件158，正如根据图9C所示。光学元件可以包括在光学扫描仪中有效地被采用的反射镜、棱镜或者滤光片。继续参考图9A，9B，9C，轴156可以由不锈钢制成，不过实际上任何材料都能够被采用，只要该材料能够承受由致动器100，100A产生的转矩和在工作环境中与致动器连接的任何外部的负载。如上所述，轴156可与转子磁铁122 —体形成或者采用诸如环氧树脂的粘结剂连接到该磁铁。参考图9A，9B，其中示出的定子102包括多个薄的金属片——在此被如上所述称为叠片154。叠片154可以被装配成定子部分150，152，以形成所要求的形状。每个叠片154的形状可以通过金属压印、激光切割、光刻蚀、水喷射切割、或者其它已知的由金属片成型的方法制成。正如涉及机电有限转动式旋转致动器的美国申请S/N号为13/446，500所描述的——其公开的内容被整体地并入本文，叠片154可以由公知为M-19的硅钢材料制成一其为一种专门制作电机和电变压器的材料。但是，多种不同的材料将是可行的，只要该材料是导磁的即可。一些可能的替换材料包括冷轧钢(例如Q-195)和磁不锈钢(例如不锈钢416)。每个叠片154的尖端160和容纳部162在各叠片层上交替，生成叠片154之间的重叠区域164。结果，由于该重叠区域，空气间隙被相邻层上的导磁叠片材料有效地填充。图10示出了转子磁铁122和复位磁铁134，136之间的磁通线150。当电流通过线圈128，130时，每个齿有效地变成电磁铁，其有助于产生转子磁铁122的转矩和运动。以示例的方式，对于图9中所示的致动器，绕每个齿具有19匝的AWG#25漆包线，转矩常数(KT)是大约38，000达因*厘米每安培，线圈电阻(R)为0.1欧姆，线圈感应系数(L)为大约157微亨。现在参考图11，该致动器100的实施例可以包括绕每个齿106，108的一部分延伸、并且在形成于相对的齿的末端114，116之间的间隙118附近延伸的单个电子线圈128。线圈槽152形成在定子102中且终止在间隙118处，导致单个线圈在线圈槽152中延伸。可替换地，如图11所示，单个线圈可以在两个线圈152，154中的每个中延伸，其中形成在转子磁铁122的相对侧上的相对的线圈槽152，154具有在该相对的线圈槽内延伸的单个线圈128。单个线圈128被紧密地装入线圈槽152，154中以将线圈128中产生的热量传给定子102。因此，与如上面所述的图9的实施例相比，线圈128被更靠近转子磁铁122地布置。继续参考图11，在由线圈槽152，154形成的齿106，108之间，可以具有很宽的间隙118。该宽间隙118能够具有大约40%磁铁直径144或者更大的尺寸。复位磁铁134，136被放置在转子磁铁122的外部，并且利用齿106，108中的槽138，140被有效地埋设在钢定子102中，如上所述。图12示出了图11的实施例的转子磁铁122和复位磁铁134，136之间的磁通线150。对于参考图11所示的致动器100，在每个线圈区域中设有38匝的AWG#31漆包线，转矩常数(KT)是大约38，000达因*厘米每安培，线圈电阻(R)是1.25欧姆，线圈感应系数(L)是大约120微亨。需要注意的是，其产生与无齿致动器相同的转矩常数(KT)和相似的线圈感应系数(L)，但是线圈电阻只是一半。也应注意到，对于在此示出的实施例，线圈槽表面156在四个侧面中的三个上围绕线圈128，因而提供了所期望的、改善的传热路径以从线圈处移走热量。图13示出了本发明的另一个实施例。这个实施例与图11中所示的相似，在转子磁铁的每一侧上只有单个线圈区域。但是，在此实施例中，没有如参考图11所示的实施例中所表示的复位磁铁。取而代之的是，转子位置复位装置132通过定子钢的内侧成型来提供和改进——其在此被称为复位槽区域166，其实际上是相对于线圈128的“线圈+”和“线圈呈90度角布置的结构。只要这个复位槽区域166的宽度168做成比齿106，108之间的间隙118更大,并且深度170比转子磁铁122和定子孔有效内径(effective insidediameter) 172之间的间隙的25%更大，就会有复位效应——当没有电流旋加到线圈上，该效应会使转子120复位到旋转角度的中心范围。复位槽区域166不可以具有对称或者一致的表面，而可以是椭圆形的，如继续参照图13所示，其宽度168向左和向右有效地连续增大。因此，复位装置132包括形成在磁铁122和齿106，108的预定轮廓端部之间的非均匀间隔，该非均匀间隔导致在临近于齿的弓形端部的中央部分的间隔与临近于齿末端部的间隔相比更大；该非均匀间隔提供了复位转矩，该转矩导致转子的像弹簧那样的返回中心的动作。宽度168比间隙118大，其中区域166的形状可如参考图13的虚线进一步地所示。图14示出了图13的实施例的磁通线150。通过采用径向磁化的圆柱形转子磁铁122，由该磁铁会获得正弦型磁通量相对于角度的曲线。这进而产生大致正弦型的致动器输出转矩相对于角度的曲线(当电流被施加到线圈上时)。此外，采用磁路气隙——例如椭圆形的区域166，其宽度168从上-下朝着左-右持续增大，结果产生大致正弦型的像弹簧那样的返回中心的转矩。在该结构下，由于输出转矩-角度曲线的形状(当电流被施加到线圈上)与像弹簧那样的回复转矩-角度(返回中心)曲线相同，最终结果是输出角度对输入电流的曲线在大约+/-60机械角度范围内是近似线性的——其是期望的结果。在本发明的实施例中，采用复位磁铁或者复位槽来改善致动器的转矩输出。对于给定的线圈匝数，不采用复位磁铁作为其转子位置复位装置的致动器的实施例总体上将具有低大约8%到10%的转矩常数(KT)。举例来说，对于再次参考图13所示的致动器，在每个线圈区域中安放有38匝的AWG#31漆包线，转矩常数(KT)为大约34，200达因*厘米每安培，线圈电阻(R)是大约1.25欧姆，以及线圈感应系数(L)是大约120微亨。需要注意的是，这获得与“无齿”致动器近乎相同的转矩常数(KT)和相似的线圈感应系数(L)，但是只有一半的线圈电阻。也应注意至IJ，线圈区域在三个侧面上围绕线圈，提供了非常好的散热路径以从线圈移走热量。图15示出了本发明的又一个实施例。在该实施例中，致动器100B包括在转子磁铁122的每侧上的两个线圈槽152A，152B, 154A，154B，其全部位于非常靠近磁铁的位置。复位磁铁134，136被放置在位于转子磁铁122外侧的槽138，140中，如上所述，并且其被有效地埋设在定子钢中。线圈128延伸入槽152A和154A中。线圈130延伸入槽152B和154B中。该布置的好处是转矩-位置曲线与所有其它致动器(现有的和在此描述的实施例)相比符合期望地更加平坦。图16示出了图15实施例的转子磁铁和复位磁铁之间的磁通线。对于图15中所示的致动器，在每个线圈区域中安放有19匝的AWG#31漆包线，转矩常数(KT)为大约38，000达因*厘米每安培，线圈电阻(R)是1.25欧姆，以及线圈感应系数(L)是大约120微亨。需要注意的是，这提供了与“无齿”致动器相同的转矩常数(KT)和相似的线圈感应系数(L)，但是只有一半的线圈电阻。也应注意到线圈区域近似全部地围绕线圈，提供了非常好的散热路径以从线圈移走热量。图17示出了本发明的又一个实施例。在该实施例中，致动器100C包括在转子磁铁122的每侧上的三个线圈槽152A，B，C和154A，B, C，其全部位于非常靠近磁铁的位置。图18示出了图17实施例的转子磁铁122和复位磁铁134，136之间的磁通线。图18还示出了在线圈176A，B，C中的各自的线匝174。在图19中，这些线圈槽被指定为槽lp，槽2p，槽3p，槽lm，槽2m和槽3m。槽lp/槽Im和槽3p/槽3m各包括单个线圈176A，176B。槽2p/槽2m包括两个线圈176C，176D。通过将线圈分隔成三个分隔的区域(线圈槽)，累积在每个线圈中的热最小化，并且累积的任何热量更容易被移除。图19也通过示例的方式示出了槽之间的角度。槽Ip和槽2p之间的角度被制造成大致与槽2p和槽3p之间的角度是相同的，并且与槽Im和槽2m之间以及槽2m和槽3m之间的角度也都是相同的。O和90度之间的任意角度将将是可行的。但是，在15度和45度之间的角度可获得所期望的性能，但是并不意欲限定于这样的范围。从制造的角度来看，当角度是大约22度时，容易将线圈插入到槽Ip/槽Im和槽3p/槽3m中。每个槽(槽lp，槽lm，槽2p，槽2m，槽3p，槽3m)都是宽的，其导致放在槽中的每个线圈的线圈电阻和电感应系数是低的。通过示例的方式，槽Ip/槽Im和槽3p/槽3m的宽度为0.026英寸，并且槽2p/槽2m的宽度为0.048英寸。此外，所有槽的总宽度使得磁路呈现出很大的0.1英寸的总的齿间间隙。由于转子磁铁直径在此示例中为0.12英寸，磁铁周围的齿间总间隙比转子磁铁直径的80%还大。由于这个非常宽的有效齿间间隙，该实施例在全部之前描述的实施例中有最低的感应系数。继续参考图17，复位磁铁134，136被放置在转子磁铁122的外部，但是其被有效地埋没在定子钢中，正如之前所述。该实施例的好处是，由于线圈被散布，热量能够容易地被从这些散布的线圈移除。此外，该散布等级提供了一种感应系数非常低的致动器。例如图17中所示的致动器，在指定为线圈I+/线圈1-、线圈2+/线圈2_、线圈3+/线圈3_、线圈4+/线圈4-的区域中放置10匝AWG#29漆包线(串联连接的总数为40匝)，转矩常数(KT)为大约38，000达因*厘米每安培，线圈电阻(R)是大约1.0欧姆，线圈感应系数(L)是大约94微亨。需要注意的是，这产生与无齿致动器相同的转矩常数(KT)，但是只有近似三分之一的线圈电阻和更低的线圈感应系数(L)。每个线圈区域在三个侧面上围绕线圈，提供所期望的、有效的散热路径以从线圈移走热量。这些性能参数远优于该无齿致动器。图20示出了本发明的另一实施例。该实施例与图17中所示的相似，都是在转子磁铁的每个侧面上有三个线圈区域。但是，在该实施例中，没有复位磁铁。取而代之的是，转子位置复位装置132是通过定子钢的内侧形状来提供的——其不是圆的，而是具有复位槽区域166。当线圈的槽(槽Ip,槽Im,槽2p,槽2m,槽3p,槽3m,槽4p,槽4m)围绕定子的内径均匀分布一同时为复位槽区域166留出空间时(如图20和21中的左边和右边所示)，只要复位槽的宽度168比槽2p/槽2m(其位于相对于复位槽区域成90度的位置)的宽度更宽，且复位槽区域的深度比转子磁铁和定子齿之间的间隙的距离的大约三倍更大或者与之相等，转子位置将会被复位到中心。在该示例性的致动器100的情况下，转子磁铁直径为
0.120英寸且定子内径为0.136英寸，在转子磁铁和定子钢之间提供0.008英寸的间隙，复位槽区域166的宽度为0.050英寸，并且复位槽区域166的深度170为0.024英寸。如上所述，复位槽区域166可以被修改为看上去更像椭圆而不是更像槽一与图13中的实施例相似，并且仍在本发明的范围内。图21示出了图20的实施例的磁通线150。图22示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，该致动器100包括四极转子磁铁180。在过去，典型的四极致动器被制造出来以应用在光学扫描领域，但是齿槽转矩是难以忍受的，并且感应系数也不能合乎要求。因此，该四极致动器从未获得普及。但是，采用图22中所示的定子装置，齿槽转矩被复位磁铁完全地消除。继续参考图22，致动器100可被描述为包括具有在其中沿轴向延伸的孔104和四个齿106，108，106A, 108A的定子102，四个齿106，108，106A, 108A具有形成孔的一部分的预定轮廓端部110，112。四个齿的末端114，116，114A，116A是间隔的关系以形成间隙118，如上所述。转子120采用四极磁铁装置，在此被描述为延伸入孔104的四极磁铁180，其中在磁铁180和该至少四个齿106，108，106A, 108A的预定轮廓端部之间形成间隔124。电子线圈128，130在该四个齿的至少一部分的周围延伸。转子复位装置132——在此为复位磁铁134，136，134A, 136A被配置在齿的槽138，140，138A, 140A中。该两个线圈128，130基本上填满四个齿之间的空间，以通过与齿的热接触而将线圈中产生的热量传给定子。定子齿之间的间隙118也是开放的并且被允许制作得更宽，提供了具有非常低的感应系数的致动器。图23示出了图22的实施例的磁通线150。对于在此参照22描述的四极致动器100，线圈128，130可以采用几种方式被缠绕。例如，如图24中所示，四个独立的线圈可缠绕在图22的实施例中的四个齿的周围。可替换地，如图25所示，两个线圈可以被缠绕，包括围绕交替齿的线圈。作为又一个可替换的示例，单个线圈可以被缠绕在所有齿的周围——以蛇形的方式，如参考图26所示。在每个齿周围缠绕单个线圈的好处是端部线匝(end-turns)不会占据过大的空间，并且因此，电机的轴向长度能够被减少。在交替齿上缠绕两个线圈的好处是相比于在每个齿上放置单个线圈此时线圈的数目是其一半。蛇形缠绕的好处是对于所有的齿仅需要单个线圈。尽管不是意欲限制，定子钢能够是任何导磁材料，但是优选地是电机级别的硅钢。此外，定子的形状能够采用任何已知的制造技术制造，但是已经发现最容易地制造定子的方式是通过采用冲裁、激光切割或者光学刻蚀而形成薄叠片，然后堆叠该叠片以获得所要求的轴向电机长度，薄叠片例如为0.014英寸厚的M-19材料。还要注意到，上述参考图9A描述的形成定子102的叠片154可被制造成单个实心层或者可替换地制造成分开的区段，如图27和图28中所示，然后装配在一起形成最终所要的形状。该区段或者定子部分150，152也能包括在交替的叠片层上的重叠部分，以减少磁路的总的磁阻，如图29中所示并且如上所述的那样。需要注意的是，转子磁铁122和复位磁铁134，136，134A，136A能由任何磁铁材料制成，并且复位磁铁可由与转子磁铁不同的材料制成。但是，当前的最高性能一般得自于采用钕铁硼N48H或者更好的材料作为转子磁铁。需要注意的是，在所有的提供两个或更多独立的线圈的实施例中，可以仅缠绕单个线圈和/或仅向单个线圈提供电流，这仍在本发明的范围内。但是，尽管采用多于一个线圈的致动器经常串联地连接线圈，但也可并联地或者串联加并联地连接线圈，这仍然在本发明的范围内。如上所述，在所有采用复位磁铁的实施例中，可以仅采用单个复位磁铁以克服齿槽转矩并且仍然在本发明的范围内。但是仅采用一个复位磁铁也会在转子磁铁上产生径向力，有效地将转子磁铁朝向复位磁铁吸引。这在对于支撑轴承采用径向预负载的应用中可以是有好处的。转子位置复位的量取决于复位磁铁的宽度和长度(在磁化方向上)。如果增大宽度或者长度，则提供更大程度的复位(朝向旋转角度的范围的中心的转矩)。根据本发明的教导可以采用进一步的改动。例如，现在参考图30，其中示出了在槽138，140的磁端部处的小的材料连接部182，复位磁铁134，136可被放置在槽138，140中，正如较早时参考图11提出的那样。该材料连接部182可以被制成非常薄的，典型地大约为叠片154的厚度(例如0.014英寸)。这有助于定子102保持精确的形状，其中该材料连接部182的厚度尺寸(即，其薄度)使其对于磁性基本没有影响，因为其变成磁饱和的。此夕卜，并且如参考图31所示，材料连接部182能被移除，允许定子102以区段150，152的形式存在，且每个区段有效地与复位磁铁134，136连接。有没有材料连接部182都将会发生复位。所属领域技术人员将会认识到，在理解了本发明的教导的优点之后，也可以采用多个磁铁，只要其被磁化并且被对准以提供在所要求朝向上的磁通线，正如在此将被更详细地描述的那样。此外，尽管示例性的实施例采用两极磁铁，但也可以采用具有更多极数的转子磁铁，这将会随后在本文中进行图示。尽管在上面提供了本发明的详细描述和图示，但应当理解的是本发明的范围不限于此。此外，在理解了在前的说明书和其附图表示的教导的好处以后，所属领域技术人员将会认识到本发明的很多变形或者其它实施例。因此，应被理解的是本发明不应被限定于所公开的特定实施例。
权利要求
1.一种有限转动式旋转致动器,包括: 定子，具有在其中轴向地延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分，其中该至少两个齿的末端是间隔开的关系，从而在其间形成间隙； 转子，具有能由定子双向操作、并且延伸入定子的所述孔内的两极式径向磁铁，其中在磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间形成间隔； 至少一个电子线圈，其在该至少两个齿中的一个齿的至少一部分周围延伸，其中所述电子线圈是可激励的，以向转子提供双向转矩；和 转子复位装置，其位于该至少两个齿中的至少一个齿内，其中转子复位装置被定位成用于当供应向至少一个电子线圈的电流被停止时，将转子复位到中央旋转角度。
2.根据权利要求1的致动器，其中该间隙的长度尺寸是磁铁的直径的至少百分之四十。
3.根据权利要求1的致动器，其中转子复位装置包括至少一个复位磁铁。
4.根据权利要求3的致动器，其中该至少两个齿中的至少一个齿包括朝向所述孔纵向地延伸的槽。
5.根据权利要求4的致动器，其中该至少一个复位磁铁配置在该至少一个齿中的该槽中。
6.根据权利要求1的致动器，其中该至少两个齿被径向地对准。
7.根据权利要求1的致动器，其中定子包括多个定子部分和叠片中的至少一个。
8.根据权利要求1的致动器，其中该至少一个磁铁包括钕铁硼材料。
9.根据权利要求1的致动器，其中所述间隔和所述间隙是基本无材料的。
10.根据权利要求1的致动器，进一步包括轴，其中所述磁铁与该轴一体形成，以用于使轴旋转。
11.根据权利要求10的致动器，进一步包括由该轴承载的光学元件。
12.根据权利要求1的致动器，其中在该磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间形成非均匀间隔，该非均匀间隔使得临近于所述齿的预定轮廓端部的中央部分的间隔与临近于所述齿的末端的间隔相比更大，并且其中该非均匀间隔提供复位转矩，该复位转矩导致转子的像弹簧那样的返回中心的动作。
13.如权利要求12的致动器，其中该至少两个齿的端部的非均匀间隔一起形成椭圆形状的孔。
14.如权利要求1的致动器，其中该至少两个齿中的每一个包括径向相对的第一齿和第二齿，第一齿和第二齿中的每一个具有向着所述孔径向地延伸的槽，并且其中每个槽在一定子材料连接部处终止，该定子材料连接部足以确保每个齿的固定的形状并且磁场基本不受影响地通过。
15.如权利要求1的致动器，其中在该至少两个齿中的一个齿的至少一部分的周围延伸的该至少一个电子线圈包括第一和第二电子线圈，该第一和第二电子线圈各自绕相对的第一齿和第二齿的周围延伸。
16.如权利要求1的致动器， 其中该至少两个齿中的每个包括径向相对的第一齿和第二齿，第一齿和第二齿中的每个具有径向延伸到所述孔中的槽，并且其中配置在该至少一个齿中的转子复位装置确保该齿的固定的形状。
17.如权利要求1的致动器，其中在该至少两个齿中的一个齿的至少一部分的周围延伸的该至少一个电子线圈在形成于相对的齿的末端之间形成的间隙附近延伸。
18.如权利要求1的致动器，其中至少一个线圈槽被形成在定子中并且终止以形成间隙，并且其中该至少一个电子线圈包括在该至少一个线圈槽内延伸的单个线圈。
19.如权利要求18的致动器，其中该至少一个线圈槽包括形成在转子磁铁的相对的侧面上的相对的线圈槽，并且其中该单个线圈在该相对的线圈槽内延伸。
20.如权利要求18的致动器，其中该单个线圈被紧密地安装在该线圈槽中以将线圈中产生的热量传递给 定子。
21.如权利要求1的致动器，其中所述转子复位装置包括形成在磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间的非均匀间隔，该非均匀间隔使得临近于该齿的弓形端部的中心部分的间隔与临近于该齿的末端的间隔相比更大，并且其中该非均匀间隔提供复位转矩，所述复位转矩导致转子的像弹簧那样的返回中心的动作。
22.如权利要求21的致动器，其中该非均匀间隔在转子磁铁的相对的侧面上形成复位槽，并且其中该复位槽的宽度尺寸比该间隙大。
23.—种有限转动式旋转致动器,包括: 定子，其具有轴向延伸的孔和至少两个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分，其中该至少两个齿的末端之间形成间隙； 转子，其具有在该孔中的可双向操作的两极式径向磁铁，其中在该磁铁和该至少两个齿的预定轮廓端部之间形成间隔； 至少一个第一槽，其在该至少两个齿中的至少一个齿内纵向延伸； 至少一个第二槽，其从该孔延伸到该定子中，该至少一个第二槽与该至少一个第一槽大致垂直地对准； 至少一个电子线圈，其在该至少一个第二槽内延伸，其中该电子线圈是可激励的，以向该转子提供双向转矩；以及 转子复位装置，其位于该至少一个第一槽中的至少一单个的第一槽中，其中该转子复位装置被定位成用于当施加到该至少一个电子线圈的电流被停止时，使得转子复位到中央旋转角度。
24.如权利要求23的致动器，其中该至少一个第二槽包括在其中朝向该孔延伸以形成分叉的第二槽的定子材料指状部，并且其中在该至少一个第二槽内延伸的该至少一个电子线圈被该指状部分开。
25.如权利要求24的致动器，其中该至少一个第二槽包括一相对的第二槽对，并且其中该至少一个电子线圈包括在该槽对中延伸的两个电子线圈。
26.如权利要求25的致动器，其中该两个电子线圈中的一个线圈在该槽对中沿着该指状部的一侧延伸，并且该两个电子线圈中的第二线圈沿着该指状部的相对的一侧延伸，从而该指状部维持着两个线圈之间的间隔。
27.如权利要求23的致动器，其中该间隙的长度尺寸为该磁铁直径的至少百分之四十。
28.如权利要求23的致动器，其中该转子复位装置包括至少一个复位磁铁。
29.如权利要求23的致动器，其中该至少一个第二槽包括在其中朝着所述孔延伸以形成具有中心线圈区域和相邻线圈区域的分区式第二槽的多个定子材料的指状部。
30.如权利要求29的致动器，其中所述线圈区域从转子磁铁的轴线向外大致径向地延伸，并且其中所述相邻线圈区域与所述中心线圈区域偏离一角度，该角度在15度到45度的范围内。
31.如权利要求29的致动器，其中该至少一个电子线圈在所述中心线圈区域中延伸。
32.如权利要求29的致动器，其中在该至少两个齿中的至少一个齿内纵向地延伸的该至少一个第一槽包括从该孔向外延伸到定子中的复位槽，该复位槽的宽度尺寸比该间隙的尺寸大。
33.如权利要求32的致动器，其中所述复位槽被形成在该至少两个齿的预定轮廓端部中，其中第一复位糟与第二复位槽径向地相对。
34.如权利要求32的致动器，其中在该至少一个第二槽内延伸的该至少一个电子线圈包括在各所述线圈区域中延伸的多个电子线圈。
35.如权利要求34的致动器，其中该多个电子线圈被串联地连接。
36.一种有限转动式旋转致动器,包括: 定子，具有在其中轴向地延伸的孔和至少四个齿，所述齿具有预定轮廓端部，该预定轮廓端部形成该孔的至少一部分，其中该至少四个齿的末端是间隔开的关系，因而在其间形成间隙； 转子，具有延伸到该孔中的四极磁铁装置，其中在该磁铁和该至少四个齿的预定轮廓端部之间形成间隔； 至少一个电子线圈，其在该至少四个齿中的一个齿的至少一部分的周围延伸，其中该电子线圈是可激励的，以向转子提供双向转矩；以及 转子复位装置，其位于该至少四个齿的至少一个齿中，其中该转子复位装置被定位成用于当向该至少一个电子线圈旋加的电流被停止时，将该转子复位到中央旋转角度。
37.如权利要求36的致动器，其中该至少四个齿中的至少一个齿包括向该孔纵向地延伸的槽。
38.如权利要求36的致动器，其中该转子复位装置包括位于该至少一个齿内的该槽中的至少一个复位磁铁。
39.如权利要求36的致动器，其中该至少四个齿中的该至少两个齿径向地对准。
40.如权利要求36的致动器，其中在一个齿的至少一部分的周围延伸的该至少一个电子线圈向延伸至形成于相对的齿的末端之间的间隙。
41.如权利要求40的致动器，其中至少一个电子线圈包括两个电子线圈，每个电子线圈在该至少四个齿中的一个齿周围延伸。
42.如权利要求41的致动器，其中该两个电子线圈在径向相对的齿周围延伸。
43.如权利要求42的致动器，其中该两个电子线圈基本上充满在该至少四个齿之间的空间，以通过与齿的热接触而将线圈中产生的热量传给定子。
全文摘要
一种机电式旋转致动器，包括转子和定子，定子具有一个或者多个其中安放有一个或者多个线圈的槽。该定子包括克服在所要的旋转范围之外的齿槽顿转的转子位置复位装置。该转子位置复位装置可以包括一个或多个复位磁铁，或可选地包括位于定子内的、临近转子的预定轮廓的腔。一个定子包括具有构成孔的一部分的预定轮廓端部的齿，转子在孔中工作。齿的末端形成与典型的致动器相比而言较大的间隙，其中间隙的尺寸与转子磁铁相匹配。提供一种期望具有较高的转矩常数、低的线圈电阻和低的线圈感应系数的致动器。
文档编号H02K1/27GK103208868SQ20131012858
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月14日 优先权日2012年1月12日
发明者小威廉·R·本纳 申请人:小威廉·R·本纳