DE4245021B4

DE4245021B4 - Bewegungsmagnetgalvanometer

Info

Publication number: DE4245021B4
Application number: DE4245021A
Authority: DE
Inventors: Jean Brookline Montagu
Original assignee: General Scanning Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: US5225770A; JPH0694751A; JP3199813B2; US5424632A

Abstract

Hochfrequenz-Drehmomentmotor (17) für einen optischen Scanner zum Antrieb eines optischen Elements (15), wobei der Motor (17) folgendes aufweist:
einen Rotor (100) mit
einem Magneten (27), welcher zwei Enden besitzt, die entlang der Drehachse des Rotors (100) angeordnet sind, wobei der Magnet (27) in zwei Pole polarisiert ist, die auf gegenüberliegenden Seiten der Achse liegen, wobei der Magnet (27) aus im wesentlichen durchgehendem permanentmagnetischem Material ohne durchgehende Welle besteht,
einer hinteren Welle (16) und einer Abtriebswelle (14), wobei jede Welle (14, 16) in anstoßender Beziehung mit einem jeweiligen Ende des Magneten (27) steht, und wobei jede Welle (14, 16) mit der Drehachse des Rotors (100) ausgerichtet ist, und
einer dünnwandigen drehmomentübertragenden Hülse (26), die so aufgebaut ist, daß sie den Magneten (27) entlang der Achse hält,
wobei die Hülse (26) um mindestens einen Teil des Magneten (27) herum angeordnet ist, wobei die Hülse (26) in...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingmotoren oder Galvanometer mit begrenzter Drehung und insbesondere auf die Klasse, die ein signifikantes Drehmoment liefern kann (manchmal als Drehmomentmotoren bezeichnet).
Eine übliche Verwendung dieser Vorrichtungen ist es, optische Elemente, wie beispielsweise Spiegel, zu betätigen zu Zwecken der Führung von Lichtstrahlen. Diese Art von Vorrichtung wird oft Scanner genannt. Scanner haben einen weiten Drehwinkel von typischerweise mehr als 15 Grad.
Eines der Bedürfnisse der Industrie ist ein starker und genauer Hochfrequenzscanner zur Betätigung in verschiedenen elektro-optischen Vorrichtungen, wie beispielsweise solche, die zum Gravieren oder Laserbearbeiten von Präzisionswiderständen verwendet werden. Vorrichtungen mit höherer Frequenz gestatten schnellere und/oder präzisere Betätigung.
Es gibt eine Anzahl von Arten von bekannten Galvanometern. Übliche Arten umfassen die Drehspule oder sogenannte D'Arsonval-Galvanometer, das Dreheisen-Galvanometer und das Drehmagnet-Galvanometer. Jedes hat seine eigenen Eigenschaften und Beschränkungen. Die Erfindung bezieht sich auf die Dreh- oder Bewegungsmagnetbauart.
Drehmagnet-Drehmomentmotoren unterteilen sich in drei verschiedene Grundbauarten. Die erste ist eine Konstruktion mit eingebettete Spule mit Beispielen in der US 4 302 720 A und der US 3 434 082 A . Sie sind typischerweise Vorrichtungen mit Luftspalt und hoher Induktivität, die gut für ALNICO-Magneten geeignet sind. Die zweite Bauart umfaßt eine Ringspule, die auf einen Metallkern gewickelt ist. Typisch für diese Bauart sind die Drehmo mentmotoren von Aeroflex, Clifton and Harowe. Ihre Konstruktion beschränkt sie auf eine relativ geringe Beschleunigung. Typischerweise können sie nicht effizient gewickelt werden, wenn ihre Länge einen Bruchteil des Durchmessers überschreitet. Die dritte Bauart, beispielsweise die Konstruktion der US 4 076 988 A hat eine Drehmagnetvorrichtung, wobei die Spule fest ist und der das Feld definierende Anker sich dreht. Die Erfindung bezieht sich auf diese letzte Klasse von Drehmomentmotoren.
Die Parameter, die die Leistung eines solchen Motors bestimmen, umfassen das Drehmoment-zu-Trägheit-Verhältnis, das die Beschleunigungsfähigkeit, die elektrische Zeitkonstante, die die Treiberelektronik belastet, und die erste unkontrollierbare Resonanzfrequenz ausdrückt, welche die Stabilität eines den Motor einbeziehenden Servosystems begrenzt.
Frühere Konstruktionen von Drehmagnetgalvanometern verwendeten durchgehende Löcher durch das Magnetmaterial zum Klemmen der Wellen an den Magneten. Dies war notwendig, um ein starkes und festes Verhältnis der Wellen zu dem Magnetmaterial sicherzustellen, wenn der Magnet bewegt wird als ein Ergebnis davon, daß er einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist.
Gewisse wünschenswerte Magnetmaterialien, wie beispielsweise Neodymeisenbor, neigen zu thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die unterschiedlich sind entlang verschiedener Achsen des Materials. Deswegen und wegen der unterschiedlichen thermischen Umgebungen, denen diese Vorrichtungen oft ausgesetzt sind, kann sich ein Galvanometerrotormagnet aus dieser Art von Material signifikant in einer Richtung ausdehnen, während er sich sich signifikant in einer anderen Richtung zusammenzieht.
US 4 090 112 A offenbart einen Drehmomentmotor für einen optischen Scanner, wobei der Motor einen Rotor und einen Stator umfasst. Der Stator umfasst Antriebswindungen bzw. eine Antriebsspule, und der Rotor umfasst einen Permanentmagneten, eine Ausgangs- oder Abtriebswelle und eine Wellenhalterung. Eine Flüssigkeitsschicht ist auch offenbart; die Flüssigkeitsschicht soll zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet sein. Die Flüssigkeitsschicht sieht Kräfte vor, die dazu neigen, die Rotoranordnung radial zentriert innerhalb der Statorbohrung zu halten, während der Rotor keiner viskosen Dämpfung ausgesetzt wird.
US 4 942 322 A offenbart eine Zwei-Pol-Permanentmagnet-Rotoranordnung, bei der der Permanentmagnet metallurgisch verbunden ist mit einer nicht-magnetischen Hülle. Die Permanentmagnet-Rotoranordnung ist geeignet ist zur Verwendung in drehenden elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Motoren und Generatoren, insbesondere solche, die bei hohen Geschwindigkeiten oder Drehzahlen arbeiten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optimierten Hochfrequenz-Drehmomentmotor vorzusehen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei dem das auf den Rotor aufgeprägte Drehmoment optimiert ist und ungleiche thermische Koeffizienten der gewünschten Magnetmaterialien, wie etwa Neodymeisenbor, aufgenommen werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Hochfrequenz-Drehmomentmotor mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist vorteilhaft, da sie einen Rotor vorsieht mit kleinem Durchmesser und geringer Trägheit, der schnell beschleunigt werden kann. Dadurch kann der Drehmomentmotor bei hohen Frequenzen betrieben werden, beispielsweise beim optischen Scannen. Ein großer Teil des Volumens innerhalb des Rotors kann aus magnetischem Material bestehen, was zu einem erhöhten Drehmoment bei einem gegebenen Volumen führt. Magnetmaterial mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entlang verschiedener Achsen können aufgenommen werden. Da der erfindungsgemäße Spulenkörper fest in seiner Lage verankert ist, kann der Rotor schnell beschleunigen, ohne den Spulenkörper aus seiner Lage zubringen. Die Spule des Ständers hat ein Windungsdichtenprofil, das das durch den Motor gelieferte Drehmoment maximiert bei einer gegebenen elektrischen Leistung, da eine größere Menge Kupfer für eine gegebene Anzahl von Windungen verwendet werden kann. Der Spulenkörper kann wirksam auf einer Windungsmaschine gewickelt werden, und da keine Drähte um seine Innenseite gewickelt werden müssen, kann die Spule einen kleinen Durchmesser haben. Da der Lagewandler außerhalb des Raums zwischen den Lagern mit dem Rotor verbunden ist, können die Lager näher beieinander angeordnet werden, wodurch die erste Resonanzfrequenz der Vorrichtung erhöht wird.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines in einem Laserscanningsystem verwendeten Galvanometers;
2 einen Längsschnit des Galvanometers und Lagewandlers von 1, wobei die zugehörigen Befestigungsmittel in einer entfernten Lage gezeigt sind;
3 einen Längsschnitt des Galvanometers und Lagewandlers von 1 im rechten Winkel zu der Ansicht von 2, entlang 3-3;
4 eine auseinandergezogene Ansicht des Rotors des Galvanometers der 1–3, wobei der Magnet in der Mitte seines Bewegungsbereichs für die Galvanometerausrichtung von 3 gezeigt ist;
5 eine Endansicht des Galvanometers und Lagewandlers der 1–3, gesehen von 5-5 und ohne seine Stoppbolzen;
6 einen Querschnitt des Galvanometers der 1–3 entlang 6-6;
7 eine vertikale perspektivische Ansicht des Spulenkörpers des Drehmomentmotors der 1–3, wobei die erste Windung jedes Spulenabschnitts schematisch gezeigt ist und seine Verankerungslöcher weggelassen wurden;
8 eine teilweise vertikale perspektivische Ansicht der unteren Hälfte eines gewickelten Ständers des Drehmomentmotors der 1–3. Die obere Hälfte des Spulenkörpers ist angedeutet und seine Verankerungslöcher wurden weggelassen;
9 eine vertikale Ansicht des Spulenkörpers des Drehmomentmotors der 1–3, mit der unteren Hälfte seiner Wicklungen. Die Figur ist zweigeteilt durch eine Hauptsymmetrieebene und Einzelheiten hinter der Ebene sind gestrichelt gezeigt. Die Verankerungslöcher des Spulenkörpers wurden weggelassen.
10 eine horizontale perspektivische Ansicht des Spulenkörpers von 7 mit seinen Verankerungslöchern;
11 eine horizontale perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Spulenkörpers von 10;
12 eine Endansicht des Spulenkörpers von 11;
13 eine isometrische schematische Ansicht einer Rotor- und Spulenanordnung gemäß der Erfindung;
14 einen schematischen Aufriß des Endes der Anordnung von 13 mit den Flußlinien (Feldlinien) auf Grund des Rotors;
15 einen schematischen Aufriß des Endes der Anordnung von 13 mit den Flußlinien auf Grund der betätigten Spule und des versetzten Rotors;
16 eine isometrische schematische Ansicht des Rotors und Ständers von 13;
17 eine auseinandergezogene Ansicht einer Wicklungsbefestigung gemäß der Erfindung;
18 ein Endaufriß der Körperteile der Wicklungsbefestigung von 17;
19 einen Seitenaufriß der Körperteile der Wicklungsbefestigung von 17, wobei für beide Teile geltende Einzelheiten nur auf dem oberen Teil gezeigt sind;
20 einen Seitenaufriß eines Kugelsteckerelements der Wicklungsbefestigung von 17;
21 einen Endaufriß einer Kugelsteckerelements der Wicklungsbefestigung von 17;
22 eine Reihe von Magnetisierungskurven für Neodymeisenbor;
23 eine Reihe von Magnetisierungskurven für Samariumkobalt.
Bezüglich 1 umfaßt ein Abtastsystem 10 einen Lagewandler 30, wie zum Beispiel einen Tachometer oder einen Lagefühler, und einen Drehmomentmotor 17. Der Drehmomentmotor 17 umfaßt eine Abtriebswelle 14, die an einem Spiegel 15 befestigt ist. Ein Substraktionskreis 13 ist mit dem Rückkopplungsausgang des Lagewandlers sowie mit dem Eingang eines Verstärkerkreises 11 verbunden. Der Verstärkerkreis 11 hat einen Ausgang, der mit dem Drehmomentmotor 17 verbunden ist. Ein Signal 19 kann an das Subtrahierglied 13 angelegt werden, welches es mit dem Rückkopplungssignal vergleicht, das infolge der Drehbewegung gekoppelt mit dem Lagewandler erzeugt wird. Das sich ergebende Signal wird verarbeitet (z. B. verstärkt) und verwendet, um den Drehmomentmotor zu treiben. Der Drehmomentmotor dreht dann den Spiegel 15 und veranlaßt diesen, in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren.
Bezüglich der 2, 3 und 6 umfaßt der Drehmomentmotor 17 ein magnetisch durchlässiges äußeres Gehäuse 28, das einen Ständer 51 hält. Der Ständer ist aus einer Spule 12 aufgebaut, die aus einer großen Vielzehl von Windungen (oder Wicklungen) 31 besteht, die um einen Spulenkörper 50 gewickelt sind. Ein Befestigungsglied 37, wie zum Beispiel ein Stift oder Bolzen, sitzt in einem Paar von Löchern 60, 62 in dem Spulenkörper 50 (siehe auch 10) und entsprechenden Löchern 61, 63 in dem äußeren Gehäuse 28, um den Spulenkörper in seiner Lage zu verankern. Der Spulenkörper ist auch mit einem Kapsel- oder Bindematerial (z. B. einem Epoxidharz) gekapselt oder umgeben, das den Raum zwischen dem Spulenkörper und dem Gehäuse ausfüllt, um einen Wärmeleitpfad zum Ableiten der von der Spule erzeugten Wärme vorzusehen.
Der Ständer umgibt einen Rotor 100, der drehbar auf hinteren und vorderen (oder Abtriebs-)Lagern 42, 40 befestigt ist, und zwar über seine hinteren bzw. vorderen (oder Abtriebs-)Wellen 16 bzw. 14. Die Lager sind durch eine Druckscheibe 44 vorbelastet, welche gegen die vorderen Anschläge 20 anliegt. Der Rotor und der Ständer sind durch einen relativ engen Spalt getrennt.
Bezüglich der 2, 3 und 5 umfaßt die Abtriebswelle 14 des Rotors 100 einen sich bewegenden Anschlag 18, der angeordnet ist, um mit den festen Anschlägen 20 in Eingriff zu kommen, um den Bereich der freien Drehung des Drehmomentmotors zu begrenzen. Die festen Anschläge 20 werden durch Bolzen 22, 24 in ihrer Lage gehalten.
Bezüglich der 2 und 3 ist die hintere Welle 16 mit dem sich drehenden Teil 97 des Lagewandlers 30 verbunden, und zwar gegenüber des Rotors mit Bezug auf das hintere Lager. Die hintere Welle und der sich drehende Teil können durch eine Schraube 99 miteinander verbunden werden, die mit einem Gewinde der hinteren Welle in Eingriff steht.
Der Drehmomentmotor 17 wird üblicherweise mittels seines Gehäuses 28 eingebaut, wie durch die Schraffierung 23 angedeutet.
Dies gestattet Wärmeleitung weg von dem Gehäuse, welches typischerweise aus Stahl ist. Der Bezugsanschlag 32 hilft bei diesem Einbau. Der Drehmomentmotor 17 und der Lagewandler 30 können als eine Einheit eingebaut werden.
Bezüglich 4 umfaßt der Rotor eine Hülse 26, die einen Magneten 27 in seiner Lage hält. Die Hülse und der Magnet sind durch ein halb-flexibles Klebemittel zusammengehalten, wie zum Beispiel ein Silikonbindemittel oder Epoxidharz. Halb-flexible Klebemittel neigen zum Fließen unter langsamen Drücken, aber sind starr unter hoher Kraft. Die Wellen 14, 16 sind in einem im wesentlichen anstoßenden Verhältnis mit der Hülse und dem Magneten. Die End- oder Verdickungsteile 21, 25 der Wellen sind fest mit der Hülse verbunden (z. B. durch Punktschweißen, Nahtschweißen oder Laserschweißen).
Es sei bemerkt, daß es wichtiger ist, die Hülse fest mit der Abtriebswelle zu verbinden als sie an der hinteren Welle zu befestigen, da mehr Drehmoment an der Abtriebsverbindung entwickelt wird. Es ist daher möglich, die Hülse und die Abtriebswelle aus einem einzigen Stück herzustellen und die hintere Welle auf eine andere Art zu befestigen. Es ist auch möglich, eine teilweise Hülse zu verwenden, die nicht die gesamte Oberfläche des Magneten bedeckt.
Diese Rotorbauart mit einer dünnen Hülse hat mehrere Vorteile. Erstens erlaubt sie bei einem gegebenen Volumen innerhalb des Ständers eine große Menge von Magnetmaterial, da die Welle den Magneten nicht durchdringt. Dies ergibt ein stärkeres Feld, als wenn ein Teil desseleben Magnetvolumens von einer ebenso wirksamen nicht-magnetischen Welle eingenommen würde. Andersherum kann ein Rotor mit einer gegebenen Feldstärke durch diese Technik kleiner gebaut werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, Motoren mit kleineren und längeren Rotoren für einen gegebenen Leistungsbedarf herzustellen. Der Grund dafür liegt darin, daß ein Motor mit einem kleinen Durchmesser und einem Rotor von großer Länge ein höheres Drehmo ment-zu-Trägheitsmoment-Verhältnis hat als ein gleichwertiger Motor mit einem größeren Durchmesser. Daher kann der Rotor schneller beschleunigen und deshalb mit höheren Frequenzen betrieben werden.
Bezüglich 6 ist der Magnet 27 magnetisiert, um allgemein halb-zylindrische Nord- und Südpole aufzuweisen. Wenn der Rotor in der Mitte seines Bewegungsbereichs ist, wie in der Figur gezeigt, sind die Magnetpole ungefähr entlang einer Hauptsymmetrieebene 73 der Vorrichtung ausgerichtet, welche durch die Mittelachse 79 des Ständers geht. Diese Ebene 73 ist durch die Ausrichtung des Magnetmaterials definiert.
Da der Magnet mit der Hülse über ein halb-flexibles Klebemittel verbunden ist, können ungleiche thermische Koeffizienten der gewünschten Magnetmaterialien, wie etwa Neodymeisenbor, aufgenommen werden. Eine relativ große Fläche wird zur Verbindung verwendet, da große Kräfte an dieser Verbindung vorhanden sind. Diese Belastungen können ziemlich niedrig gehalten werden, da sie über die gesamte Außenoberfläche des Magneten verteilt werden im Gegensatz zu der kleineren verfügbaren Oberfläche, wenn der Magnet auf einer Achse angeordnet ist.
Die Hülse kann aus rostfreiem Stahl oder Titan sein und kann ungefähr 2 bis 10 Tausendstel eines Zolls (0,05 bis 0,25 mm) dick sein. Sie hat eine hohe Torsionssteifheit, während sie gleichzeitig einen geringen Teil (z. B. weniger als 10%) des Trägheitsmoments des Rotors darstellt. Lange Rotoren mit ziemlich kleinem Durchmesser können auf diese Weise hergestellt werden (z. B. bis zu 3/16 eines Zolls (4,76 mm), was eine Bandbreite von mehr als 4 kHz ergibt). Der Rotor des bevorzugten Ausführungsbeispiels hat einen Durchmesser von 0,44 Zoll (11,2 mm) und eine Länge von 1,35 Zoll (34,3 mm), und seine Hülse ist 5 Tausendstel eines Zolls (0,127 mm) dick. Der Rotor wird in einer Zusammenbauvorrichtung zusammengebaut.
Der Ständer 51 umgibt den Rotor 100 und umfaßt einen Spulenkörper 50, der zwei sich axial erstreckende Wicklungshohlräume 71 bildet, wovon jeder definiert ist durch die Innenoberfläche des Gehäuses 28, die äußere Wicklungsoberfläche 54 des Spulenkörpers 50 und die axialen Oberflächen 65 des Spulenkörpers. Jede aus einer Reihe von Windungen 31 ist durch jeden Wicklungshohlraum 71 geführt, um zwei Spulenteile 75 (siehe auch 7–9) auf dem Spulenkörper 50 zu bilden.
Bezüglich der 7–10 umfaßt ein für die Verwendung in der Erfindung passender Spulenkörper einen inneren zylindrischen Teil 52 mit inneren und äußeren Oberflächen 54, 56. Zwei gegenüberliegende abgeschrägte zylindrische Wicklungssabschnitte 67 ragen aus der Außenoberfläche 54 des inneren zylindrischen Teils. Jeder Wicklungsabschnitt 67 hat radiale Oberflächen 65, eine Außenoberfläche 57 und Stirnflächen 64. Allgemein abgeschrägte Übergangsoberflächen 69 trennen die Stirnflächen 64 und die radialen Oberflächen 65. Der Spulenkörper kann durch Spritzguß eines nicht-leitenden Kunststoffmaterials, wie Nylon, glasgefülltes Nylon, ABS oder ähnlichem hergestellt werden.
Bezüglich der 6–10 sind die Spulen jeweils auf die Wicklungsabschnitte 67 des Spulenkörpers 50 gewickelt. Dies wird bewerkstelligt durch Wickeln zuerst einer ersten Windung 33 um jeden Wicklungsabschnitt 67, wie in 7 gezeigt. Jede dieser Windungen umfaßt ein Paar von umfangsmäßig beabstandeten Schenkeln 93 und ein Paar von Endteilen 91 (siehe 7). Weitere ähnliche Windungen 31 werden um die erste Windung 33 gewickelt, um zwei Gruppen 95 von Schenkeln zu erhalten, die die Spulenteile 75 bilden (siehe 8).
Die sich ergebenden Spulenteile sind symmetrisch bezüglich einer Hauptsymmetrieebene 73, wie in 6 und 9 gezeigt. Die zwei Spulenteile können in demselben Vorgang unter Verwendung desselben Drahtes gewickelt werden, oder sie können aufeinanderfolgend gewickelt werden und in Serie verbunden werden. Die Orientierung dieser Spule und die relative magnetische Orientierung des Rotors sind schematisch in 13 gezeigt.
Beim Betrieb wird Strom durch die Spule 50 geleitet, der ein Magnetfeld erzeugt, das mit dem Feld des Rotormagneten 27 zusammenwirkt und dadurch ein Drehmoment auf den Rotor ausübt. Die Feldlinien auf Grund des Rotors allein sind in 14 gezeigt, und die Feldlinien auf Grund der Wechselwirkung der Felder sind in 15 gezeigt.
Es wird unten gezeigt, daß ein Drehmoment erzeugt wird, wenn der Magnet und die Spule in einem in den Figuren gezeigten Verhältnis stehen. Diese Beziehung steht in einem 90°-Winkel bezüglich der Ausrichtung, die in dem Patent 4 076 998 gezeigt ist. Die Größe des auf den Rotor 100 ausgeübten Drehmoments wird abhängen von der Größe des durch die Spule erzeugten Feldes. Mehr Windungen werden ein stärkeres Feld liefern und es ist daher vorteilhaft, Wicklungen in der gesamten umfangsmäßigen Ausdehnung des Wicklungshohlraums 71 anzuordnen. Wie auch unten gezeigt wird, optimiert ein Vorsehen einer variablen radialen Wicklungsdichte, wie in 6, 8 und 9 gezeigt, weiter das Drehmoment für eine gegebene Hohlraumgeometrie.
Mit allgemeinem Bezug auf die 13–16 und 22–23 soll zuerst gezeigt werden, daß das Feld innerhalb des Spalts eines Permanentmagneten aus weitgehend anisotropem Material und eine Schale aus weichmagnetischem Material bezüglich der Pole des Magneten einen Wert: B = KBrcosΘ (1)hat, der von dem Winkel Θ zwischen der Achse der Magneten und dem Durchmesser, auf dem das Segment 47 liegt (d. h. 45°), abhängt. B_r ist eine konstante Restinduktivität des Magneten 26, und K ist eine dimensionslose Kostante (typischerweise zwischen 0,5 und 1), die von der Geometrie und dem speziellen, ausgewählten magnetischen Material abhängt sowie auch von den Bedingungen der Schale (Gehäuse 28).
Bezüglich insbesondere der 16 und 22 ist die Herleitung von Gleichung (1) wie folgt:
Die magnetischen Eigenschaften eines anisotropen Seltenerdmagneten in einem typischen Betriebsbereich können angenähert werden durch Bm= +HmBr/Hc + Br (2)wobei B_m die Induktion ist, H_m die Feldstärke, B_r die Restinduktivität und Hc die Koerzertivkraft ist.
Die Anwendung von Ampere's Gesetz, ∫ H.dl = NI entlang des Pfades q-r-s-t von 16, ergibt unter der Annahme, daß keine Ströme vorhanden sind: Ha2·g + Hm·d·cosΘ = 0 (3)wobei H_a die magnetische Feldstärke in dem Luftspalt 59 ist, d der Durchmesser des Magneten 27 und g die Breite des Spalts 59 ist.
Gauss's Gesetz ∮ B·da = 0 kann angewendet werden auf die elementare Axialoberfläche des Volumens, das durch die Punkte a, a', p, p', n, n', e, e' definiert wird, und zwar dort, wo das Material ausreichend anisotrop ist, daß das Feld nur die Grenzen der Oberfläche a a' p p' und der Oberfläche e e' n n' schneidet. Dies ergibt: Bm·dAm = Ba·dAa (4)wobei der Index "a" beim Abschnitt n n', p p' sich auf den Luftspalt bezieht und der Index "m" sich auf das Magnetmaterial bezieht. Wegen dA_m = dA_a·cosΘ wird Gleichung (4) zu Bm·cosΘ = Ba. (5)
In dem Luftspalt gilt Ba = μHa (6) wobei μ die Permeabilität von Luft ist.
Gleichungen (2) und (5) ergeben zusammen: Ba/cosΘ = Br(1 + Hm/Hc) (7)und Gleichungen (3) und (6) ergeben zusammen 2gBa/μ + Hm·dcosΘ = 0 (8)
Gleichungen (7) und (8) werden vereinfacht zu Ba = BrcosΘ/(1 + Br/μHc·2g/d) (9)
Die meisten Seltenerdmagneten haben B_r/μH_c = 1,1 und wenn g/d klein ist, typischerweise weniger als 0,3, vereinfacht sich Gleichung (9) zu Ba = K·BrcosΘ (10)wobei 0,5 < K < 1, was das gleiche ist wie die Gleichung (1) (siehe auch US-Patent No. 4 959 568 mit dem Titel "Dynamically Tunable Resonant Device with Electric Control").
Es folgt die Herleitung des Drehmoments, das auf den Magnetrotor bezüglich des Schalen-Ständers ausgeübt wird.
Zum Zwecke der Bestimnmung des Drehmoments sei angenommen, daß der Magnet und die Schale stationär sind, und das Drehmoment auf einen einzigen Leiter, wie in 13 gezeigt, wird berechnet. Das Drehmoment ist gegeben durch die Lorentz-Gleichung T = BLiD/2 (11)wobei B das Magnetfeld ist an der Leiterstelle auf einem Basisdurchmesseer D. Die aktive Länge des Magneten ist L.
Zu jedem Drehmoment gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Gegenkraft. Wenn die Spule als Bezug benutzt wird, wirkt das gleiche Drehmoment auf die Magnet-Schalen-Kombination.
Da die Schale konzentrisch mit dem Magneten ist und sowohl unpolarisiert als auch isotrop, ist die winkelmäßige Lage des Magnetfelds allein durch den Magneten bestimmt. Alles Drehmoment wirkt zwischen der Spule und dem Magneten. Durch Anordnen der Spule an dem Gehäuse wirkt das Drehmoment zwischen dem Gehäuse und dem Magneten. Es ist notwendig, die Spule an der Schale richtig zu verankern und zu beachten, daß der Anker dem gesamten Drehmoment der Einrichtung ausgesetzt sein wird. Dieses feste Verankern wird durch die Befestigungsmittel 37 ausgeführt, die in den Löchern 60, 61, 62, 63 in dem Spulenkörper und dem Gehäuse angebracht sind.
Bei Betrachtung einer Spule mit gleichförmiger Dichte von Windungen, ausgedrückt als N/2α_o, wobei N die Gesamtzahl der Windungen und α_o der Halbwinkel des Wicklungshohlraums, wie in 15 gezeigt ist, wird das gesamte Drehmoment auf den Rotor als das Integral des Drehmoments auf jeden Leiter abgeleitet.
Unter Beachtung, daß das Feld B für jeden Leiter an der Stelle α eine Funktion von γ und Θ ist und daß für jede Winkelposition γ des Rotors die folgende Beziehung besteht; Θ = α – γ (12)wird das Drehmoment ausgedrückt als:
welche vereinfacht wird zu:
Es ist offensichtlich, daß sinα_o/α_o einen Maximalwert hat für ein kleines α_o. Leider bewirkt dies, daß der Widerstand propor tional für eine gegebene Anzahl von Windungen N ansteigt, da der Draht eine kleinere Abmessung haben muß, um in den kleinen Raum, der durch das kleine α_o definiert ist, zu passen. Praktischerweise muß daher α_o so groß wie möglich sein. Wenn α_o zu 90° gemacht wird, ist sinα_o/α_o = 0,82. Bei α_o = 60° ist sinα_o/α_o = 0,87.
Mit einer veränderbaren Spulendichte ist es möglich, den sinα_o/α_o Term zu beseitigen (sinα_o ist immer weniger als 1).
n sei die Windungsdichte und 2n = N/αocosα. (15)
Gleichung 13 wird zu
was vereinfacht wird zu:
In der Praxis führt das dazu, eine Spule zu wickeln, bei der die Wicklungsdichte in der Mitte weniger ist als an den Rändern. Wenn sich die Windungen zwischen +/– 45° erstrecken, sollte die Mitte eine Dichte von 71% der von den Rändern haben. Eine Konstruktion nach (17) mit α_o = 45° erzeugt ein Drehmoment, das ungefähr 40% größer ist als das einer Spule mit gleichförmiger Dichte für einen gegebenen Leistungsverbrauch.
Diese variierte Dichte ist schematisch in 6 und 9 gezeigt, wobei gesehen werden kann, daß weniger Drähte bei der Hauptsymmetrieebene 73, die die zwei Spulenteile 75 trennt, vorhanden sind und mehr Drähte an den radialen Seitenoberflächen des Spulenkörpers weg von dieser Ebene. Es sei bemerkt, daß die Verteilung nicht (17) genau folgen muß, um in den Genuß der Vorteile der Erfindung zu kommen, aber eine bessere Annäherung wird zu besseren Ergebnissen führen.
Diese Art von Spule kann leicht auf den Spulenkörper 50 gewickelt werden unter Verwendung einer Wickelmaschine, da die Drähte während des Wickelns nicht durch den langen, engen zylindrischen Teil geführt werden müssen. Daher können Motoren mit einem großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (z. B. weit über 1) wirksam hergestellt werden.
Bezüglich der 17–21 umfaßt eine Wickelvorrichtung, die eine variable Wicklungsdichte erlaubt, ein Paar von Körperteilen 82, ein Paar von Kugelsteckern 84 und ein Vorrichtungsbefestigungsmittel 77, wie zum Beispiel einen Bolzen 86 und eine zugehörige Mutter 88 und Unterlegscheibe 87. Die Körperteile sind im wesentlichen Abschnitte eines Zylinders, und jedes hat gekrümmte Enden 90 und ein Loch 92. Die Kugelstecker 84 umfassen jeweils eine Nase 104 und einen halb-zylindrischen Abschnitt 106 mit einem Loch 108. Die Vorrichtungsbefestigungsmittel gestatten, daß die Innenoberflächen der Körperteile um den Spulenkörper geklemmt werden und halten die Kugelstecker innerhalb des Spulenkörpers in ihrer Lage.
Die gekrümmten Stirnflächen 90 des Körpers und die gekrümmte Nase 104 der Kugelstecker führen den Draht, während er durch die Wickelmaschine auf den Spulenkörper gewickelt wird, um die oben beschriebene inverse Cosinus-Verdrahtungsdichteverteilung zu ergeben. Die tatsächlich erreichte Verteilung wird eine Funktion sein des Kugelsteckerdurchmessers 110, des Abstandes zwischen den Körperteilen und der Formen der Kurven auf diesen Teilen. Diese Parameter werden auch mit anderen Variablen, wie zum Beispiel der Art der verwendeten Wickelmaschine, seiner Wicklungsgeschwindigkeit und Spannung und der Größe des Drahtes zusammenwirken. Es ist wirksam, diese Parameter durch eine kurze Reihe von Versuch-und-Irrtum-(trial-and-error-)Experimenten für eine gegebene Wickelmaschine und Spulenkörperkonstruktion zu bestimmen.
11 und 12 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel des Spulenkörpers. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich ringförmige Segmentendglieder 58 von ihren Wicklungsabschnitten 55 an jedem Ende jedes Wicklungsabschnittes, und es sind keine allgemein abgeschrägten Übergangsoberflächen vorhanden. Alternativ kann der Spulenkörper aus zwei Teilen hergestellt werden, die separat gewickelt werden und zusammengebaut werden vor dem Einkapseln.
Das aufgezeigte Galvanometer besitzt somit einen fest gebauten Rotor mit geringem Durchmesser, der eine große Menge von Magnetmaterial innerhalb seiner relativ dünnen Hülse umfaßt. Es hat auch eine Spule, die leicht zu wickeln ist und lang und schmal ist und ein optimiertes Dichteprofil besitzt. Des weiteren erlaubt das Anordnen der Verbindung zu dem Lagewandler außerhalb des Raums zwischen den Lagern, daß die Lager näher beieinander gehalten werden können, was die erste Resonanzfrequenz erhöht. Diese Merkmale liefern eine beträchtliche Verbesserung beim maximalen Ausgangsdrehmoment und der Bandbreite der kompakten Einrichtung.
Wegen dieser großen Leistungsverbesserung ist es notwendig, den Spulenkörper mit einem Befestigungsmittel fest in seiner Lage zu verankern, um ihn an einer Bewegung zu hindern, wie oben beschrieben. Dieses Befestigungsmittelanordnungssystem sieht eine größere Stärke vor als Einkapseln allein, insbesondere für Spulenkörper mit kleinen Durchmessern, wo es eine kleinere Fläche zu kapseln gibt. Dieses Befestigungssystem verhindert damit, daß die Spule von dem Gehäuse loskommt oder sich innerhalb des Gehäuses bewegt, wie es sein könnte, wenn sie hohen magnetischen Kräften ausgesetzt wird.
Ebenso ist es vorteilhaft, da die verbesserte Beschleunigung gestattet, daß der Rotor stärker an die Anschläge auftrifft, daß die Verbindung zwischen der Abtriebswelle 14 und der Hülse 26 und zwischen der Hülse 26 und dem Magnet 27 stark ist.
Die vorliegende Gesamtkonstruktion ist vorteilhaft im Vergleich zu einer Dreheiseneinrichtung mit ähnlichen Eigenschaften. Eine Dreheiseneinrichtung wird das gleiche Drehmoment-zu-Trägheitsmo ment-Verhältnis haben, aber die Induktivität der Einrichtung wird um einen Faktor 10 geringer sein. Um eine Einrichtung von vergleichbarer Größe zu einer Dreheiseneinrichtung herzustellen, ist es notwendig, ein magnetisches Material zu verwenden, das eine magnetische Energie hat von ungefähr mindestens 25 × 10⁶ Gauss Oersted. Neodymeisenbor und Samariumkobalt besitzen diese Eigenschaften. Die elektrische Zeitkonstante und die erste unkontrollierbare Resonanzfrequenz werden auch günstig durch diese verminderte Induktivität beeinflußt.

Claims

Hochfrequenz-Drehmomentmotor (17) für einen optischen Scanner zum Antrieb eines optischen Elements (15), wobei der Motor (17) folgendes aufweist: einen Rotor (100) mit einem Magneten (27), welcher zwei Enden besitzt, die entlang der Drehachse des Rotors (100) angeordnet sind, wobei der Magnet (27) in zwei Pole polarisiert ist, die auf gegenüberliegenden Seiten der Achse liegen, wobei der Magnet (27) aus im wesentlichen durchgehendem permanentmagnetischem Material ohne durchgehende Welle besteht, einer hinteren Welle (16) und einer Abtriebswelle (14), wobei jede Welle (14, 16) in anstoßender Beziehung mit einem jeweiligen Ende des Magneten (27) steht, und wobei jede Welle (14, 16) mit der Drehachse des Rotors (100) ausgerichtet ist, und einer dünnwandigen drehmomentübertragenden Hülse (26), die so aufgebaut ist, daß sie den Magneten (27) entlang der Achse hält, wobei die Hülse (26) um mindestens einen Teil des Magneten (27) herum angeordnet ist, wobei die Hülse (26) in drehmomentübertragender Beziehung mit der Abtriebswelle (14) und der darunter liegenden Außenoberfläche des Magneten (27) verbunden ist, wobei die Hülse (26) und der Magnet (27) mit einem halbflexiblen Haft- bzw. Klebstoff verbunden sind, um ungleiche thermische Koeffizienten der jeweiligen Materialien aufzunehmen, und einen Stator (51), welcher mit dem Rotor (100) konzentrisch ist, wobei der Stator (51) eine stationäre äußere Schale aus magnetisch permeablem bzw. durchlässigem Material aufweist, und zwar einschließlich einer Antriebsspule (12), die innerhalb der äußeren Schale befestigt ist, wobei der Rotor (100) in zusammenwirkender Beziehung mit der Spule (12) angeordnet ist, um das optische Element (15) mit hoher Frequenz anzutreiben.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) und die Abtriebswelle (14) ein einstückiges Teil sind.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) ein Trägheitsmoment besitzt, daß geringer ist als zehn Prozent des Trägheitsmoments des Magneten (27).
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) an der hinteren Welle (16) befestigt ist.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der halbflexible Haft- bzw. Klebstoff ein Silikonklebemittel ist.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der halbflexible Haft- bzw. Klebstoff ein Epoxidharz ist.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) einen zylindrischen Querschnitt besitzt und mindestens einen Teil des Magneten (27) umgibt.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Abtriebswelle (14) ein stumpfes bzw. Stummelende (25) besitzt, das an der Hülse (26) befestigt ist.
Motor gemäß Anspruch 4, wobei die Abtriebswelle (14) und die hintere Welle (16) stumpfe bzw. Stummelenden (21, 25) umfassen, die an der Hülse (26) befestigt sind.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Abtriebswelle (16) an die Hülse (26) geschweißt ist.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) den Magneten (27) vollständig umgibt.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Magnet (27) aus Neodym-Eisen-Bor besteht.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Magnet (27) aus Samarium-Kobalt besteht.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) aus rostfreiem Stahl besteht.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Hülse (26) aus Titan besteht.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor (100) eine Länge besitzt, die größer ist als sein Durchmesser.
Motor gemäß Anspruch 16, wobei der Rotor (100) eine Länge besitzt, die mindestens dreimal so groß ist wie der Durchmesser.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor (100) einen Durchmesser von einem halben Zoll (1,27 cm) oder kleiner besitzt.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Rotor (100) einen Durchmesser von drei Sechzehntel Zoll (0,48 cm) oder kleiner besitzt.
Motor gemäß Anspruch 1 in Form eines Scannerantriebs, der geeignet ist zum Antrieb eines optischen Elements (15), wie beispielsweise eines Spiegels, in einer drehenden Schwingbewegung, wobei der Scannerantrieb folgendes aufweist: eine feststehende äußere Schale (28), einen Stator bzw. Ständer (51), der mit strukturellem Kapsel- oder Verbindungsmaterial an eine Spule (12) gekapselt ist, die um einen Spulenkörper (50) gewickelt ist, der innerhalb der Schale (28) angeordnet ist, wobei der Ständer (51) ein Verankerungsloch (61, 63) aufweist, das zu der Schale (28) hin angeordnet ist, ein starres Befestigungselement (37), das in das Loch (61, 63) eingepaßt ist und sich zu der Schale (28) hin erstreckt und den Ständer (51) an der Schale (28) verankert, um eine relative Drehbewegung dazwischen zu verhindern, und zwar während der Beschleunigung des Scanners, während der Reaktivkräfte auf die Spule (12) ausgeübt werden, und wobei der magnetische Rotor (100) entlang seines Durchmessers polarisiert ist und in innerer konzentrischer Beziehung zu dem Stator (51) drehbar angebracht ist.
Motor gemäß Anspruch 20, wobei das Befestigungsmittel (37) ein sich axial erstreckendes Element ist in der Form eines Stiftes oder Bolzens.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei der Motor (17) ferner folgendes aufweist: ein Abtriebslager (40) zur Verbindung an eine äußere Last, wobei das Abtriebslager (40) die Abtriebswelle (14) drehbar hält, ein hinteres Lager (42), das die hintere Welle (16) drehbar hält, wobei das Lager (42) an dem entgegengesetzten Ende des Rotors (100) zu dem Abtriebslager (40) angeordnet ist, und einen Lagewandler (30), der mit dem Rotor (100) verbunden ist zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals ansprechend auf die Drehung des Rotors (100), wobei der Lagewandler (30) mit dem Rotor (100) außerhalb des Raumes zwischen den Lagern (40, 42) verbunden ist, um die Entfernung zwischen den Lagern (40, 42) zu minimieren und folglich die erste Resonanzfrequenz des Rotors (100) günstig zu beeinflussen.
Motor gemäß Anspruch 22, wobei der Lagewandler (30) auf der hinteren Welle (16) angebracht ist.
Motor gemäß Anspruch 23, wobei der Lagewandler (30) auf der hinteren Welle (16) angebracht ist durch eine Schraube (99), die mit einem Gewinde in der hinteren Welle (16) in Eingriff steht.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die hintere Welle (16) und die Abtriebswelle (14) jeweils eine Stummelachse bzw. Stummelwelle ist, wobei keine der Wellen (14, 16) den Magneten (27) wesentlich durchdringt, und wobei die Antriebsspule (12) des Stators (51) zwei Spulenteile (75) aufweist, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors (100) angeordnet sind, wobei jeder Spulenteil (75) definiert ist durch eine große Vielzahl von leitenden Windungen (31), wobei jede Windung (31) aus ersten und zweiten leitenden Seitenschenkeln (93) und leitenden Endteilen (91) besteht, wobei die Endteile (91) mit den entsprechenden Seitenschenkeln der Vielzahl von Windungen (31) verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Seitenschenkel der Windung (31) zusammengruppiert sind in jeweilige erste und zweite Gruppen (95) von leitenden Schenkeln, wobei die Gruppen (95) umfangsmäßig voneinander beabstandet sind.
Motor gemäß Anspruch 25, wobei die Spule (12) auf einen Spulenkörper (50) gewickelt ist, der innerhalb der äußeren Schale (28) des Motors (17) angeordnet ist, wobei der Spulenkörper (50) so aufgebaut ist, daß er einen Wärmeleitpfad zur Ableitung von durch die Spule (12) erzeugter Wärme bildet.
Motor gemäß Anspruch 26, wobei zylindrische Abschnitte des Spulenkörpers (50) mindestens ein Paar von Verankerungslöchern (60, 62) definieren zur Aufnahme eines Befestigungsmittels (37), das den Spulenkörper (50) in seiner Lage hält.
Motor gemäß Anspruch 25, wobei der Stator (51) einen Wärmeleitpfad zur Ableitung von durch die Spule (12) erzeugter Wärme bildet.
Motor gemäß Anspruch 1 oder 25, wobei der Rotor (100) frei ist für eine uneingeschränkte schwingende Drehbewegung.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei starre Befestigungselemente (37) die Spule (12) mit der Schale (28) verankern, um eine relative Bewegung dazwischen zu verhindern, und zwar während der Beschleunigung des Scannerrotors, während der Reaktivkräfte auf die Spule (12) ausgeübt werden.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei sich die Hülse (26) über die gesamte Länge des Magneten (27) erstreckt.