DE8717514U1

DE8717514U1 - Abstimmbare Resonanz-Vorrichtung

Info

Publication number: DE8717514U1
Application number: DE8717514U
Authority: DE
Original assignee: General Scanning Inc
Current assignee: General Scanning Inc
Priority date: 1986-08-05
Filing date: 1987-08-05
Publication date: 1989-01-19
Also published as: GB2194832A; JPS63117655A; US4959568A; GB2194832B; GB8718199D0; DE3725996A1

Description

· · ■ ■ a

I *

M O _&bgr; I I

Abstimmbare Resonanz-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit beweglichem Elemente das sich durch Resonanzbewegung auszeichnet. Regelmäßig besitzt eine derartige
Vorrichtung eine charakteristische Resonanzfrequenz, bestimmt durch eine Federkonstante und das Trägheitsmoment des beweglichen Elements.

Bereits bekannt ist die Abstimmung der Resonanzfrequenz einer derartigen Vorrichtung durch z. B. zusätzliche Massen oder Einstellung t&y Federkonstante des Federelements.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Element mit Resonanzbewegung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Resonanzbewegung dynamisch abstimmbar ist im 3ewegungszustand der Vorrichtung,

Infolgedessen kann die Bewegungsfrequenz entsprechend der Bewegungsfrequenz einer anderen Resonanz-Vorrichtung abgestimmt werden, um diese
synchron zu halten.

»itt * &diams; »t ti ««

der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise erläutert« Es zeigen:

Flg. i eine Isometrische schematische Ansicht einer abstiminbaren

Resonanz-Vorrichtung;

Fig. 2 eine Isometrische Explosions-Anslcht des äbstimmbafen Elements

der Vorrichtung von Fig* Ij

via. &Aacgr;. 4 aina gghamnttcghe End-Ansleht des abstimmbaren Elements der Vorrichtung von Fig. 1 In zwei unterschiedlichen Winkelstellungen;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht des Läufers und des Ständers des

abstlmmbaren Teils der Resonanz-Vorrichtung;

Fig. 6 ein wahlweises Ausführungsbeispiel von Fig. 2;

Flg. 7 eine Schär Magnetisierungskurven für Neodym-Elsen-Bor;

Fig. 7A eine Schar Magnetisierungskurven für Samarium-Kobalt;

Flg. 8 schematisch die abstimmbare Resonanz-Vorrichtung von Fig. 1,

angeschlossen an einen Regler und einen weiteren Abtaster,

Ein abstimmbarer Resonanz-Abtaster 10 besitzt eine drehbare mechanische Aufhängjang 12 (z.B. eine biegsame Aufhängung, wie unter dem Handelsname;?, "Flexure Bearings" der Bendix Corp. erhältlich), die ein (nicht gezeigtes) optisches Element zum Abtasten eines Strahls 14 haltert= Die Drehachse der Aufhängung 12 ist gleichachsig mit einer Welle 16, die durch einen üblichen Dreh-Steller 18 angetrieben ist (vgl. z.B. US 40 90 112 und US 40 76 998, deren Offenbarung ausdrücklich einbezogen wird). Der Steller 18 besitzt Winkelstellungs- oder -Geschwindigkeit-Fühler (nicht gezeigt), die einen Betrieb der Aufhängung 12 und des Stellers 18 entweder als direkt angesteuertes oder geregeltes Resonanz-System 20 erlauben.

(ill I » &iacgr; I ti ·»

ill litt < · > ( &igr; i »4t ·< ··

t ·« it **·■*■ . * · «ti t t · &igr;

Das Resonanz-System 20 besitzt wie alle Resonanzsysteme eine charakteristische Betriebs-Resonanzfrequenz aufgrund des Trägheitsmoments I seiner beweglichen Elemente Und der Federkonstante K der Aufhängung 12*

Um eine ausgewählte oder Soll-Betrlebs-Resonanzfrequenz zu unterhalten oder zu verfolgen, besitzt der Abtaster 10 einen Resönanz-Abstlmmer 22. Der Abstimmer 22 erzeugt einen wählbaren Grad von Verschiebung in der Federkonstante des Systems, um ein kontinuierliches, dynamisches Abstimmen der Resonanzfrequenz zu ermöglichen. Der Abstimmer 22 1st mit der Aufhängung 12 über eine Welle 24 verbunden, die mit der Welle 16 gleichachsig 1st.

Im Abstimmer 22 ist eine Welle 24 an einem glelchachslgen zylindrischen Dauermagnet 26 befestigt, dessen Magnetisierng auf einem Durchmesser senkrecht zur Drehachse 28 ausgerichtet ist. Der Dauermagnet 26 besteht aus stark anisotropem Werkstoff mit hoher Koerzitivkraft, z. B. einer seltenen Erde.

Ein hohl-zylindrischer Mantel 30 aus niedrig-gekohltem Stahl umgibt konzentrisch den Dauer-Magnet 26 und ist in einer festen Drehstellung relativ zur Aufhängung 12 gehalten. (In Fig. 2 ist der Mantel 30 vom Dauermagnet abgezogen gezeigt.) Eine seiner Funktionen 1st, das Magnetfeld im Spulenbereich zu erhöhen.

Zwei Spulen 32, 34 liegen völlig innerhalb des Nord(N)- und Süd(S)-Magnetfelds des Dauermagneten 26.

Wenn der Dauermagnet 26 in seiner mittigen Drehstellung Ist (entsprechend der mittigen Drehstellung der Aufhängung 12), erstrecken sich die beiden Segmente der Spule 32 gleichmäßig über den N-PoI und die beiden Segmente der Spule 34 gleichmäßig über den S-PoI, wobei Winkel a sämtlich ca. 45 ^&bgr; betragen. Die Spulen 32 und 34 sind beide an der Innenwand des Mantels 30 befestigt.

t t it » 4 I· I) »4

'•«J tilt ill*

P . , S «it Ii ti

til < ■ « i · t t

it ill it* tie«· ··

Das Magnetfeld B Im Luftspalt 40 zwischen dem Dauermagnet 26 und dem Mantel 30 am Ort eines Segments 44 der Spule 32 betrugt

B = K D_r COS O (1)

&THgr; = Winkel zwischen der Achse des Magnets und dem Durchmesser» auf dem

das Segment 44 liegt (d.h. ca. 45 °), B_r = konstante Restinduktanz des Dauermagnet 26, K = dimensionslose Konstante (typisch 0,5 bis I)* abhängig von Geometrie und jeweiligem Magnetwerkstoff sowie Bedingungen des Mantels

Fig. 5, 7:

Gleichung (1) ist folgendermaßen herleitbar:

Die magnetischen Eigenschaften eines anisotropen Dauermagneten 26 In einem typischen Betriebsbereich betragen näherungsweise:

B_Q . -H_Q B_xZU₀ * B_r (2)

B_m - Induktion,
H_m = Feldstärke,
B_r = Restinduktanz,
H_c = Koerzitivkraft.

Bei Anwendung des Ampere'schen Gesetzes

/ H · dl = NI
auf dem Weg q-r-s-t von Fig. 5 und Annahme von Stromloslgkeit ergibt sich:

lilt 4 i I» ti It

• · I ««It &igr; ti«

&igr; &igr; «te 11 J»

< &igr;« &igr; &igr; · · &igr; t &igr; ·

» t &igr; · &igr; · &igr; · &igr; ·

< · ill ««· ij g ^n &igr;«

H. 2 · g ' F + m_m ' d ' COS O - O (3)

mit

H_a * Magnetfeldstärke im Luftspalt 4O₄ d - Durchmesser des Dauermagnets 26, F - empirische Konstante von z.B. 1,3.

Das Gauss'sche Gesetz

/ B · dA » U

kann auf die elementare axiale Fläche des Volumens angewendet werden, das definiert ist durch die Punkte a, a¹, p, p% n, n¹, e, &bgr;% wobei der Werkstoff hinreichend anisotrop ist, damit das Feld nur die Grenzen der Fläche a a¹ &rgr; &rgr;' und der Fläche e e' &eegr; &eegr;' durchquert, Dies ergibt:

B_a · dA,, - B. ■ dA, (4)

mit

_m = Abschnitt nn^?, pp· zum Luftspalt _u = Magnetwerkstoff.

Wegen dA^ = dA, · cos O wird Gleichung (4)

B_m · cos GsB, (5).

Im Luftspalt gut

B, = uH_a (6)

mit

&mgr; = Luft-Permeabilität.

*· » »r r * c*w

** * r &igr; in ««·

« · a &tgr;&tgr; a * ccet

· tr as it

**· * &igr; ti &igr;

B » · |( Il

•j 7 · * · ■ ·

Die Gleichungen (2) und (5) ergeben verknüpft;

B_a/cos &THgr; * B_r (1 - H_m/H_c) (7),

und die Gleichungen (3) und (6) ergeben verknüpft

2 g F &Bgr;,/&mgr; + H_m · d · cos &THgr; »0 (8).

Die Gleichungen (7) und (8) vereinfachen sich zu

B, * B_r · cos &THgr; / (1 + B/uH_c · 2gF/d) (9).

Für die meisten Seltenerd-Magnete gilt B_r = H₀, und mit g/d klein, typisch kleiner als 0,3, vereinfacht sich Gleichung (9) zu

B_a = K · B_r · cos O (10)

0,5 < K < 1 wie in (1).

Wenn der Dauermagnet 26 sich um einen Winkel y relativ zu den Spulen und 34 dreht, vereinfacht sich das Feld B₀ am Segment u der Spule 32, abgeleitet aus der Gleichung (1), mit

Q = 45 * * y
zu

B₀ = 0,707 K B_f (Cos y + Sin y) (11),

und ähnlich beträgt das Feld B_v am Segment vj

B_v * 0*707 K B, (cos y « sin y) (12).

• > t> · I I I I I I I I Il · 1 if

( &igr; &igr; 11 &igr; &igr; 11 &igr; ;&ngr;·

> I I I ■ I I I · I I &Ggr;

lit Il I · 11*1

•j 8 -'

Das resultierende Drehmoment T an der Spule 32 mit N Drahtwindungen bei einem Strom I leitet sich aus den Lorentz-Kräf ten ab. Unter Berücksichtigung, daß die Kräfte an den Segmenten u und &ngr; entgegengesetzt sind, da der Strom in entgegengesetzten Richtungen in den beiden Hälften der Spule 32 fließt, ergibt sich

T * 0,707 K B_r L N I d · sin y (13),

L 3 Länge des Segments,

d s doppelter Radius, wo sich das Spulensegment befindet, ungefähr gleich dem Dauermagnet-Durchmesser.

Für kleine Winkel lautet Gleichung (13) näherungsweise:

T » 0,707 K B₁ L N I d · y (14).

Da die Spule 32 am Mantel 30 befestigt ist, ist T auch das Drehmoment, das auf das Gestell des Abtasters 10 einwirkt, das normalerweise ortsfest gehalten ist. Entsprechend wird ein gleichgroßes Drehmoment mit entgegengesetztem Vorzeichen auf den Dauermagnet 26 und damit auf die Welle 24 ausgeübt.

Die Gleichung (14) beschreibt eine Feder, deren Federkonstante in ihrem Wert durch den Strom I in der Spule 32 gesteuert ist. Die äquivalente Drehmoment-Konstante für die Zwei-Spulen-Vorrichtung (mit der Spule 34) beträgt:

T/y ■ 1,414 K B₁ L N I d (15).

Z.B. für einen ausgeführten Abtaster mit

- einer Resonanzfrequenz 200 Hz,

- einem Anker mit Gesamt-Trägheitsmoment 2,5 g ■ cm² und

- einer Aufhängung mit Federkonstante 3.790.000 dyn · cm/rad könnte der Abstimmer die folgenden Parameter besitzen:

.· ¹I ■' '■

i tu · t ·

• I » I HII

ti ■ · &igr;

d -	0,9
5 "	0,4
N -	175 Windungen/Spule
L «	1 cm
B_r -	1,1 T
K -	0,5 (ca.).

Der berechnete Wert der magnetischen Feder bei einem Strom von 0,5 A beträgt 61 - 10"* N * m/rad oder 61.000 dyn · cm/rad oder 1,6 % der Aufhängungs-Federkonstante. Dies sollte einen Abstimm-Resonanzfrequenz-Bereich von ca. 0,8 % der Bezugsfrequenz oder 1₄6 Hz ergeben. Da das Vorzeichen der Steuerfeder vom Stromvorzeichen abhängt, kann sie zur mechanischen Feder addiert oder von ihr subtrahiert werden. Daher wird innerhalb der Grenzen von a £ 0,5 A Steuerstrom der gesamte Abstimmfrequenz-Bereich verdoppelt, 1,6 % oder 3,2 Hz. Diese rechnerisch gefundene Wert kommt sehr nahe dem Meßwert 3,43 Hz.

Andere Ausführungrvsisplele liegen im durch die Ansprüche gegebenen Schutzbereich.

Z.B., da das Drehmoment stark von der Inhomogenität des Magnetfelds im Bereich abhängt, wo die geraden Spulen-Segmente sich befinden, kann eine Spulen-Zone mit einem Magnetfeld, das stärker von der Winkelstellung abhängt, erzeugt werden. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn der gesamte Drehwmkel begrenzt ist, und kann auf verschiedene Weise erreicht werden, z.B. durch nicht-zylindrische Formgebung der Innenwand des Mantels 30, z.B. oval oder als gestreckter Kreis. Wahlweise kann der Dauermagnet kreisunrund sein oder inhomogene magnetische Eigenschaften besitzen. Auch ist eine Kombination dieser Möglichkeiten denkbar.

Il Il « t

· I Il ■

· &igr; , .1

;: Fig. &bgr;:

Bei einem anderen Ausführungsbeispiei befinden sich Treiber und/oder Csschwindigkeits-Ftihlspulen 50, 52 im Luftspalt 40. Da elektrische Signale,

,J erzeugt vom Treiber und/oder den Geschwindigkeits-Fühlspulen 50, 52 bei der

;i Resonanzfrequenz wechseln, können sie leicht vom Abstimmstrom unterschie-

- den werden, der nur den Änderungen dieser Resonanzfrequenz bei bedeutend

niedrigerer Geschwindigkeit folgt (ein geeigneter Treiber und geeignete Geschwindigkeitsfahler sind z.B. beschrieben in US 40 76 298 (Montagu) und I US 40 90 112 (Silverstone)).

I Nach einem anderen Ausführungsbeispiel besitzt das Element 18 sowohl Treiber

I als auch Abstimm-Eingesehaften, und das Element 22 besitzt Tachometer- und

\ Abstimm-Eigenschaften, um den Abstimmbereich des Systems zu verdoppeln im

I wesentlichen durch Verdoppeln der Wärmedissipations-Elgenschaft des Ab-

■ tasters 10.

Nach einem anderen Ausfuhrungsbeispiel ist der Abstimmer 22 mit einem Regler 60 verbunden, der seinerseits an einen anderen Abtaster &bgr;2 angeschlossen ist. Der Regler 60 1st so aufgebaut, daß er dynamisch den Abstimmer 22 steuert, damit das System 20 auf die Frequenz des Abtasters 62 abgestimmt wird.

HH IHt SI

illi t · ·· >· ··

«ft ti I 1 »9«»

t i itt «It.

ZelchnungsbeschfifUlngi

fig» 8: 62 Abtaster

60 Regier Fig. 7:

Permeanz-Koeffizient Energie-Produkt Seltenerd-Magnet lieodym-Eisen-Bor Entmagnetlsierungs-Kraft Kilo Oe

Normale Induktion Eigen-Induktlon FIg. 7a

Seltenerd-Magnet Samarium-Kobalt

Claims

1. Vorrichtung mit

- einem Element mit Resonanzfrequenz und Resonanzbewegung, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zum dynamischen Abstimmen der Resonanzfrequenz auf eine Soll-Frequenz.

2. Vorrichtung zum dynamischen Abstimmen auf eine Soll-Frequenz eines

- mechanischen Systems (20) mit

- einem Element,

- das in Resonanzbewegung durch einen Bereich von Ausschlägen

beiderseits einer Mittenstellung beweglich ist, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zur federartigen Einwirkung auf das Element

- im wesentlichen proportional zum Ausschlag aus der Mittenstellung entsprechend vorgegebener Federkonstante, und

- eit~> Einrichtung zur Änderung der Federkonstante

- bei Bewegung des Elements.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß - die Einrichtung zur federartigen Einwirkung besitzt:

- einen Anker (26),

- der sich mit dem beweglichen Element bewegt und

- so angeordnet ist, daß er ein Magnetfeld in einem Raum (40) am Anker (26) erzeugt, und

- einen Leiter (32, 34),

- der Strom führt und im Raum (40) angeordnet ist,

- wobei der Leiter (32, 34) und der Anker (26) derart angeordnet sind,

- daß eine auf den Anker (26) ausgeübte Kraft veränderlich ist

- durch Zusammenwirken des Magnetfelds und des Stroms

- bei Änderungen im Ausschlag aus der Mittenstellung.