磁阻执行器的制作方法

本发明涉及一种磁阻执行器，其包括可磁化的定子、至少一个线圈和磁轭，所述线圈被设计用于在定子中产生磁场，所述磁轭用于使得定子的磁通至少部分地闭合。

本发明还涉及一种包括磁阻执行器的执行器系统。

本发明还涉及一种使得磁阻执行器的可运动的部件执行往复/翻摆运动的方法。

尽管可应用于任意系统，但本发明将针对光学组件的操纵系统予以介绍。

背景技术：

已知的光-机械的往复/翻摆系统，例如可快速控制的反射镜，所谓的faststeeringmirrosfsm，在多种应用中使用。其它已知的操纵系统基于例如由m.hafez、t.sidler、r.salathe、g.jansen和j.compter的非专利文献“designandsimulationsandexperimentalandinvestigationsofacompactsinglemirrortip/tiltlaserscanner”(mechatronics，第10卷，第741-760页，2000年)已知的洛伦兹致动器，或者基于例如由f.m.tapos、d.j.edinger、t.r.hilby、m.s.ni、b.c.holmes和d.m.stubbs的非专利文献“highbandwithfaststeeringmirror”(optomechanics200，proceedingsofspie，第5877卷，2005年)已知的压电执行器。

基于洛伦兹致动器的执行器应用在具有大的扫描范围——通常至多两个弧度——、但具有有限的带宽——仅数100hz——的系统中。而压电执行器应用在具有大带宽——高达数khz——、但具有较小扫描范围——通常只有几个毫弧度——的系统中。

相比于洛伦兹执行器，磁阻执行器具有较高的力密度，而相比于压电执行器具有较大的扫描范围。磁阻执行器在各种不同的应用领域中使用，例如用于可快速控制的反射镜系统的旋转运动。

然而这里的缺点是，为了围绕两个轴翻摆，在可运动的部件周围设置了两对不同的执行器，这虽然能够实现可运动的部件的快速的加速，但在整体上明显增大了执行器的安装空间，并且严重地限制了最大可达到的光学(偏转)角度。其它的磁阻执行器例如由m.boulet的非专利文献“designofasmallfaststeeringmirrorforairboneandaerospaceapplications”(硕士论文，massachusettsinstituteoftechnology，2008年)和y.long、c.wang、x.dai、x.wei与s.wang的非专利文献“modelingandanalysisofanoveltwo-axisrotaryelectromagneticactuatorforfaststeeringmirror”(journalofmagnetics，第19卷，no.2，第130-139页，2014年)已知。

可是，所有这些已知的磁阻执行器同样具有缺点：围绕可运动的部件设置四个不同的执行器或两对执行器，进而明显增大了安装空间，且同时减小了最大可达到的光学(偏转)角度。这最终严重地限制了使用或应用可行性。

技术实现要素：

本发明的目的因而是，提出一种磁阻执行器，其一方面构造紧凑，另一方面可灵活地使用，而且能实现高带宽和大偏转，同时可靠性高。

在一种磁阻执行器的情况下，其中该磁阻执行器包括可磁化的定子、至少一个线圈和磁轭，所述线圈被设计用于在定子中产生磁场，所述磁轭用于使得定子的磁通至少部分地闭合，本发明实现上述目的的方式为，所述磁轭构造成用于往复/翻摆运动的可运动的部件。

在一种执行器系统的情况下，在其中所述执行器系统包括磁阻执行器，本发明按如下方式同样实现了所述目的：该磁阻执行器根据权利要求1至28中任一项来设计，并且至少部分地设置在非磁性的壳体例如铝壳体中。

在一种用于执行磁阻执行器的可运动的部件的往复/翻摆运动的方法的情况下，其中，该磁阻执行器包括可磁化的定子、至少一个线圈和磁轭，所述线圈被设计用于在定子中产生磁场，所述磁轭用于使得磁通至少部分地闭合，本发明按如下方式同样实现了上述目的：所述磁轭构造成用于往复/翻摆运动的可运动的部件，并且通过对磁场的控制而运动。

由此实现的优点之一是，能提供一种极其紧凑的且高度动态的执行器，因为特别是磁轭形成了执行器的基本上外部的封闭件。一种实施方式的另一优点是，可运动的部件具有小的质量，如果可运动的部件——也叫运动件——仅由使得磁回路闭合的磁轭构成；执行器因而具有高带宽。

构造成可运动的部件的磁轭的另一优点在于，可运动的部件并非在空间上布置在使得磁回路闭合的磁轭的内部，而是形成执行器的特别是单侧的空间上的封闭件，换句话说，不同于磁轭如上所述那样布置在内部的现有技术，磁轭或可运动的部件基本上布置在外面。由此可以非常充分地利用现有的安装空间，因为不存在例如磁轭或线圈的突出：换句话说，可运动的部件几乎布置在整个执行器的最外面的部位，由此没有执行器的构件突出超过该可运动的部件。

另一优点是，相比于定子和线圈，可运动的部件的特别是侧向的覆盖度大：可运动的部件的有效面积与执行器的总直径的之比非常高。

术语“可运动的部件”应广义地理解：术语“可运动的部件”的同义术语是术语“运动件”或“转子”。本发明意义下的可运动的部件尤其形成磁轭，以便使得磁力线闭合，并且形成或者用作“运动件”或“转子”。可运动的部件尤其不构成芯部。

本发明的其它特征、优点和优选的实施方式在下面予以介绍或由此公开：

有利地，定子具有永磁性的区域。由此可以按简单的方式在定子中产生磁性偏置。

有益地，定子横截面沿着至少一个轴构造成e形，其带有两个外部的极靴和一个内部的极靴。相比于通常使用的c形定子，e形定子能实现执行器的较小的总直径。

有利地，沿着相互间形成一定角度地布置的两个轴，定子横截面分别构造成e形。由此可以按简单且紧凑的方式实现围绕两个轴相互独立地翻摆。

有益地，两轴之间的角度为90°。由此可以实现围绕x轴和y轴翻摆。

有益地，至少一个线圈具有线圈轴，该线圈轴基本上垂直于可运动的部件的偏转方向布置，特别地，定子至少部分地布置在线圈中。其优点是在z方向上特别是扁平的构造形式。

有利地，e形定子的沿着一个轴线的内部极靴与沿着第二轴线的内部极靴相同。通过这种方式可以实现简单且紧凑的结构。另外，可以利用内部极靴上的一个唯一的永磁性的区域实现在4个外部极靴中的磁性偏置。

有利地，永磁性的区域布置在e形定子的内部极靴上。由此可以按简单的方式在定子的全部极靴中都实现磁性偏置。

有益地，永磁性的区域布置在使得e形定子的这些极靴连接的区域的过渡区域中。磁性偏置由此可以特别可靠地也传递至其它的极靴。

有益地，可运动的部件借助至少一个弯曲部件可运动地布置在磁阻执行器的壳体上。这能实现简单且同时可靠地固定可运动的部件。

有利地，弯曲部件具有内部的和外部的区域，以及具有至少两个挂件，其中，两个区域通过至少两个挂件相互连接。由此实现可运动的部件的非常可靠的、却灵活的固定和运动。

有益地，至少一个弯曲部件由弹性材料制成，特别是由铍和/或塑料或铝制成。这能实现轻质的可运动的部件，且同时实现对该部件的可靠固定。

有利地，可运动的部件直接与至少一个弯曲部件连接，特别是与至少一个弯曲部件的内部区域连接。由此可以实现成本低廉的制造、弯曲部件与可运动的部件之间的直接的力传递和弯曲部件与可运动的部件的小的惯性。

有益地，可运动的部件和弯曲部件一体地构造。由此降低了制造成本。

有利地，可运动的部件和弯曲部件由铁磁性的钢特别是弹簧钢制成。这里的优点是紧凑的构造形式、较小的惯性以及可运动的部件的旋转点位置靠近表面。

有益地，弯曲部件或可运动的部件至少部分镜对称地构造。通过这种方式，相应的部件本身可以用作反射镜；省去了附加地安置反射镜，这降低了制造成本。

有益地，可运动的部件借助特别是球轴承、点轴承形式的至少一个轴承以由硬金属、蓝宝石等构成的尖端的形式或者以弯曲部件的形式特别是居中地支承在定子的内部的或中间的极靴上。这能以简单的且成本低廉的方式通过固定旋转点实现可运动的部件的翻摆运动。此外，补偿了z方向上的力，即基本上平行于定子极靴作用的力。

有利地，至少一个可运动的部件借助至少一个气隙与定子间隔开地布置。由此一方面确保可运动性，尽管如此，另一方面却保证在磁轭或可运动的部件与定子之间的磁回路基本上完全闭合。

有益地，定子具有四个外部的极靴，其中，在这四个极靴中，在每两个分别相对地布置的极靴上，各设置一个线圈。由此能以简单的方式实现使得可运动的部件沿着两个轴运动。这些线圈在此可以串联连接。如果在全部四个极靴上都设置线圈，则每两个相对的线圈配合作用，以便使得可运动的部件围绕轴运动。可运动的部件于是可以围绕两个轴翻摆。

有利地，定子薄板状地构造。这以可靠的方式防止涡流，并且提高了执行器的效率。

有益地，仅仅定子的外部的极靴由多个绝缘层制成。内部部分由此可以例如仅由铁磁性的材料制成，这简化了其制造，例如通过由实心材料车削。

有利地，定子的内部的极靴柱形地构造。由此确保在任何空间方向上的均匀的翻摆。还可以例如通过车削简单地制造该极靴。

有益地，磁轭铁磁性地构造。由此可以在磁轭中或者在可运动的部件中放弃永磁体等，从而能实现可运动的部件的较小的重量。

有利地，磁轭由钢制成。这能实现借助磁轭使得磁回路可靠地闭合，且同时能实现磁轭的长的寿命。

有益地，可运动的部件基本上构造成优选圆形的、椭圆形的或星形的盘片。借助盘片形状，可以实现可运动的部件的扁平的构造形式。可运动的部件的旋转点因而靠近其表面。此外实现了紧凑的安装空间。盘片的直径与其厚度的比例可以例如介于5和100000之间，特别是介于10和10000之间，尤其介于100和1000之间。在把可运动的部件构造成星形的盘片时，产生了相对线圈的流经相对星支臂的磁通。可运动的部件由此具有较小的质量。

有利地，盘片沿着至少一个轴对称地构造。这能实现简单的制造，同时实现可运动的部件的可靠的翻摆。

有益地设置了四个挂件，其中，相应的挂件在内部区域和外部区域上的固定点沿着可运动的部件的环周方向分别彼此错开90°地布置。由此一方面以可靠的方式限制沿着并非所愿的自由度移动，另一方面在两个所希望的方向/自由度上以小的刚性补偿定子的负刚性。

有利地，至少一个挂件的形状基本上至少部分地与弯曲部件的内部区域的外轮廓的走势相应地构造。由此可以在整体上实现执行器的特别紧凑的且对称的构造形式。

有益地，针对执行器系统设置了反馈和控制机构，并且与磁阻执行器连接，用于监控可运动的部件围绕至少一个轴的运动。由此能以简单且可靠的方式实现监控和调节可运动的部件的偏转。

有利地，反馈和控制机构包括位置测量单元特别是角度位置测量单元、电流放大单元或电压放大单元和/或输出电流测量单元。由此可以特别是测量用于操纵和监控执行器的主要参数。

有利地，磁轭形成执行器的基本上侧向的外部的封闭件。由此实现特别紧凑的构造形式。

本发明的其它重要的特征和优点可由从属权利要求、附图和借助附图的相关附图说明得到。

不言而喻，前述特征和下面还要介绍的特征不仅可按分别给出的组合使用，而且可按其它组合使用，或者可单独使用，而不偏离本发明的范畴。

附图说明

本发明的优选的设计和实施方式在附图中示出，并将在后续说明中予以详述，其中，相同的附图标记表示相同的或类似的或功能相同的构件或部件。在此：

图1a为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图；

图1b为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图；

图2以示意性的形式示出根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的工作方式；

图3示出根据本发明的一个实施方式的在未偏转状态下的弯曲部件；

图4示出根据图3的在偏转状态下的弯曲部件；

图5a、b分别为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图；

图6示出根据本发明的一个实施方式的在未偏转状态下的弯曲部件。

具体实施方式

图1a所示为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图。

在图1a中示出混合执行器连同其一些组件一起的沿着系统轴线剖切的横剖视图。

该磁阻执行器包括基本上柱形的壳体g。在该壳体g中设置了e形的定子1，在该定子的内部的极靴13上设置了永磁体2，并且在该定子的两个外部的极靴14上分别设置了线圈3。在定子1的顶侧外面设置了构造成可运动的部件4的磁轭，用于使得磁回路闭合，该部件直接与弯曲部件5或复位部件连接，并且该弯曲部件限制可运动的部件4的在三个自由度上的运动。此外，在定子1的内部的极靴13的上端设置了球轴承7，该球轴承使得可运动的部件4的旋转点固定，并且限制可运动的部件4围绕另一自由度的运动。

各个极靴13、14沿着磁阻执行器的e形定子1的轴线在永磁体2的下方相互连接，从而产生一个独立的磁回路，并且可以使用一个单独的永磁体2用于整个系统的磁偏置。为了说明本发明的实施方式的基本原理，在弯曲部件5的上方，在执行器1、2、3、4、5、7的壳体g上，在上面的外环周设置了孔6，利用这些孔可以例如固定传感器。这种传感器的一个例子是涡流传感器8。

图1b所示为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图。

在图1b中基本上示出了根据图1a的磁阻执行器。不同于根据图1a的磁阻执行器，对于根据图1b的磁阻执行器，一方面未示出传感器8，另一方面示出了固定环17，利用该固定环将弯曲部件5固定在壳体g上。

图2以示意性的形式示出根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的工作方式。

在该执行器的定子1的内部的极靴13上设置了永磁体2，该永磁体产生均匀的偏置磁通，该偏置磁通流经铁磁性的定子1的中心、其内部的极靴13、由在内部的极靴13与可运动的部件4之间的球轴承7形成的中间的气隙9c，并且流经铁磁性的可运动的部件4，并且该偏置磁通经由工作气隙9a、9b和定子1的左边的或右边的外部的极靴14相应地流回来。均匀的偏置磁通用图2中的线50表示。

如果可运动的部件4处于其零位置/初始位置/未偏转的位置，均匀的偏置磁通就经由左边的或右边的工作气隙9a、9b流至相同的部分，从而作用到可运动的部件4上的净扭矩100基本上等于零，前提是，没有电流流经执行器线圈3。

各执行器线圈3串联，从而在相应的电流流经线圈3时，产生用图2中的线51表示的磁通，该磁通经由定子1的外部的极靴14、可运动的部件4和工作气隙9a、9b根据流向要么顺时针地、要么逆时针地流入到线圈3中。由于永磁体2对于外部磁场来说形成高阻的磁性阻抗(磁阻)，线圈3的磁通宁愿流经外部的极靴14，而不流经定子1的内部的极靴13。均匀的偏置磁通50和随时间变化的线圈磁通51在两个工作气隙9a、9b中交叠。这导致右边的工作气隙9b中的总磁通增加，因为两个磁通50、51沿相同的方向流动，并且导致左边的工作间隙9a中的磁通减少，从而净扭矩100顺时针地作用到可运动的部件4上。在线圈3中的流向相反时，线圈的磁通也相反，并且引起净扭矩100逆时针地作用到可运动的部件4上。

如果不存在线圈电流，偏置磁通沿着工作气隙9a、9b的分布就由可运动的部件4的位置和所导致的磁阻来决定。在偏转时，较高的磁通流经较小的气隙9a、9b，并且产生较大的扭矩100沿最初偏转的方向作用到可运动的部件4上。这一点的含义等同于执行器的负的刚性，并且表明，执行器本身的操纵原理由于存在永磁体2而固有地不稳定。弯曲部件5因而被设计用于补偿执行器的负的刚性，或者使得固有地不稳定的操纵原理稳定。这种弯曲部件5在图3和4中示出。

图3示出根据本发明的一个实施方式的在未偏转状态下的弯曲部件，图4示出根据图3的在偏转状态下的弯曲部件。

在图3或4中示出了弯曲部件5，可运动的部件4布置在该弯曲部件的底侧，并且直接与弯曲部件5连接。弯曲部件5在此基本上相应于可运动的部件4的形状构造，或者二者相应地彼此匹配：两个部件4、5在图3、4中基本上盘形地且圆形地构造。弯曲部件5在其外侧具有固定环16，用于把弯曲部件5固定在执行器的壳体g上。弯曲部件5的内部区域15由盘片构成，如上所述。弯曲部件5的内部区域15和外部区域16通过沿着环周对称地分布的挂件12相互连接。在此，挂件12在盘片5上的固定点10a和挂件12在外部区域16上的固定点10b沿环周方向分别错开90°地布置，这些挂件在形状上基本上相当于四分之一圆。

图4示出可运动的内部区域15与可运动的部件4一起相应地偏转。铁磁性地设计的可运动的部件4在此直接与弯曲部件5连接。由于因永磁体2引起磁偏置，在z方向上有大的偏移力。这些偏移力会损坏弯曲部件5，该弯曲部件在z-方向上未能设计有足够的刚性，以便不会不利地也降低在用于翻摆的所希望的两个旋转自由度上的刚性。为了避免此点，使用了球轴承7，一方面用于补偿z方向上的力，另一方面用于固定旋转点。弯曲部件5在此可以由铝制成，并且如所述那样限制在x方向和y方向上的平移自由度，且限制围绕z轴线的旋转自由度。换句话说，只能围绕x轴和y轴旋转——翻摆。由于弯曲部件5与可运动的部件4直接连接，惯性减小了。

此外，定子1可以在其外部的极靴14上具有由多种绝缘材料构成的层结构，以便防止产生涡流及其对带宽的影响，即减小该影响。此外，磁阻执行器可以设有监控机构，以便确定或控制或调节可运动的部件4的位置。该监控机构可以针对每个轴确定或控制或调节位置。为此，可以例如设置放大器、以及用于线圈电流的控制机构、以及用于在可运动的部件4的可操纵的轴的每个方向上的摆角的控制/监控机构。

图5a、b所示分别为根据本发明的一个实施方式的磁阻执行器的横剖视图。

在图5a和图5b中分别示出了根据图1b的磁阻执行器。与根据图1b的磁阻执行器不同，对于根据图5a和图5b的磁阻执行器，极靴14相对于壳体g的底板基本上水平。在此，线圈3同样在其轴水平的情况下围绕极靴14布置。在图5a中，极靴14一体地设计，在图5a中它是两件式的，于是，仅仅把芯部18的外端称为极靴14。极靴14调整成使得磁通以适当的方式导至磁轭或可运动的部件4。如前所述，带有极靴14的芯部18在此一体地(见图5a)或两件式地(见图5b)设计。在图5b中，极靴14布置在或固定在芯部18上。换句话说，在这种“平躺式”设计中，极靴14因而在端部区域中向“上”朝向，使得磁场朝向可运动的部件4。该实施方式因而能实现特别扁平的构造形式。

图6示出根据本发明的一个实施方式的在未偏转状态下的弯曲部件。

在图6中示出了弯曲部件4，该弯曲部件星形地构造，在此带有叉号形式的辐条4’，并且各梁以90°交叉。在安装弯曲部件4时，四个辐条4’或叉号的支臂基本上布置在相应的极靴14上方，以便能实现围绕两个轴翻摆。用于弯曲部件4的挂件的固定点和在外部区域的固定点在此类似于图3或图4沿环周方向分别错开90°地布置。

总之，本发明——特别是至少一个实施方式——具有如下优点：

-运动质量小，进而带宽大，因为可运动的部件仅由使磁回路闭合的铁磁性磁轭实施，而没有永磁体、插入式衔铁等；

-可运动的部件并非位于使磁回路闭合的磁轭内部，而是构成执行器的单侧的封闭件，这具有非常充分地利用现有安装空间的优点，因为，

o不存在例如磁轭或线圈的突出，也就是说，运动件几乎位于整个致动器的最外面的部位，由此没有执行器的构件突出超过该运动件；

o相比于磁轭和线圈，运动件的侧向覆盖度大，也就是说，运动件的有效面积相比于执行器的总直径的比例很高；

o运动件的扁平的构造形状几乎在可运动的部件的表面产生了运动件的旋转点(旋转点理想地在表面上)；

o横截面为e形的定子提供了执行器的较小的总直径(与通常采用的c形定子相反)。

本发明因而提出了一种紧凑的高动态的执行器，其能够在多种多样的应用中使用，尤其例如在光学通信、扫描-测量技术、目标跟踪等领域中用于光学扫描系统的反射镜的快速翻摆。

尽管已借助优选的实施例介绍了本发明，但本发明并不局限于这些实施例，而是能以多种方式予以改型。换句话说，要明确地指出，本发明的装置的前述实施例仅用于介绍要求保护的教导，但并不局限于这些实施例。

关于本发明的装置的其它有利的设计，为避免赘述，参见说明书的概述部分以及所附的权利要求书。

附图标记清单

1定子

2永磁体

3执行器线圈

4可运动的部件/磁轭

4‘辐条/支臂

5弯曲部件

6孔

7球轴承

8涡流传感器

9a、9b、9c气隙

10a、10b固定点

12挂件

13内部的极靴

14外部的极靴

15内部区域

16外部区域

17固定环

17a螺钉

18芯部

50偏置磁通

51线圈磁通

100扭矩方向

g壳体