DE102016125558A1

DE102016125558A1 - Galvanometerantrieb mit mehrschichtigen Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102016125558A1
Application number: DE102016125558.0A
Authority: DE
Inventors: Norbert Petschik
Original assignee: Scanlab GmbH
Current assignee: Scanlab GmbH
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-06-28
Also published as: CN114614649A; CN110100379B; WO2018114326A1; CN110100379A; US11296586B2; US20190341834A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse (2) drehbaren Rotor (3), der zumindest in einem Abschnitt durch einen Permanentmagneten (4) ausgebildet ist, und einem den Permanentmagneten (4) umgebenden Stator (5), der eine Spule umfasst. Erfindungsgemäß weist der Permanentmagnet (4) zumindest zwei Magnetschichten (10) und zumindest eine zwischen diesen beiden angeordnete, elektrisch isolierende Zwischenschicht (11) auf. Ferner umfasst die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen als Permanentmagnet (4) ausgebildeten Rotor (3) eines Galvanometerantriebs (1). Erfindungsgemäß werden mehrere Magnetschichten (10) stoffschlüssig zu einem Rohling miteinander verbunden und/oder wird anschließend die Außenkontur des Rohlings zur Ausbildung des Rotors, insbesondere mechanisch, nachbearbeitet. Außerdem umfasst die Erfindung eine Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls mit einem optischen Ablenkelement, insbesondere einem Spiegel, und einem mit diesem verbundenen Galvanometerantrieb (1), mittels dem das Ablenkelement bidirektional über einen begrenzten Drehbereich rotierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, der zumindest in einem Abschnitt durch einen Permanentmagneten ausgebildet ist. Außerdem weist der Galvanometerantrieb einen den Permanentmagneten umgebenden Stator auf, der eine Spule umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für einen als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor eines Galvanometerantriebs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls mit einem optischen Ablenkelement, insbesondere einem Spiegel, und einem mit diesem verbundenen Galvanometerantrieb, mittels dem das Ablenkelement bidirektional über einen begrenzten Drehbereich rotierbar ist.
Insbesondere bei der Durchführung von Laserapplikationen - wie z.B. Lasermarkieren, generative Fertigung, Laserschweißen oder Laserschneiden - werden Galvanometerantriebe verwendet, um optische Elemente, wie z.B. Spiegel, zur Ablenkung eines Bearbeitungslaserstrahls zu positionieren. Dabei handelt es sich um Rotationsmotoren mit begrenztem Winkelbereich, die bei der heute gängigen Ausführung als „moving-magnet“ Galvanometerantrieb im Wesentlichen eine Spule und einen bewegten Permanentmagneten umfassen. Der Permanentmagnet des Galvanometerantriebs dreht sich bei einem Betrieb des Galvanometerantriebs in einem externen Magnetfeld, das durch einen die Spule aufweisenden Stator erzeugt wird. Da die heute verfügbaren Hochleistungsmagnete aus Metallen bzw. metallischen Legierungen, z.B. Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Cobalt, hergestellt werden, weist der Permanentmagnet eine elektrische Leitfähigkeit auf. Verändert sich dabei die Stärke des Magnetfelds oder dreht sich der Permanentmagnet in dem durch den Stator erzeugten Magnetfeld, wird in dem Permanentmagnet eine elektrische Spannung induziert, die in dem elektrisch leitfähigen Magnetmaterial zu einem Wirbelstrom führt. Insbesondere bei modernen digitalen Regelungen, die auf Pulsweitenmodulation beruhen, wird der Strom durch die Spule permanent mit Frequenzen im kHz-MHz Bereich umgepolt, wodurch auch das resultierende Magnetfeld mit solch hohen Frequenzen oszilliert und ein entsprechend großer Wirbelstrom auftreten kann. Ein derartiger Wirbelstrom wird auf Grund ohmscher Verluste in Wärme umgesetzt. Durch die Erwärmung kann sich zum einen die Magnetisierung des Permanentmagneten reduzieren, wodurch die Leistungsfähigkeit des Galvanometerantriebs verschlechtert wird und infolgedessen das angetriebene Ablenkmittel nicht mehr so schnell verdreht werden kann. Außerdem führt die Erwärmung zu einer Ausdehnung des Permanentmagneten, so dass Spannungen und Verformungen auftreten, wodurch wiederum die Ablenkgenauigkeit negativ beeinflusst wird.
Aus der DE 10 2007 037 183 A1 ist ein Schwenkaktor für eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, der zur Unterdrückung des Temperaturanstiegs einen Permanentmagneten mit radialen Nuten aufweist, durch die Wirbelströme unterbrochen werden. Nachteilig dabei ist allerdings, dass die radialen Nuten nur schwer in dem Permanentmagneten ausgebildet werden können und den Wirbelstrom lediglich unzureichend unterdrücken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Galvanometerantrieb zu schaffen, mit dem der Wirbelstrom in dem Permanentmagnet effektiver unterdrückt werden kann und/oder der kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Galvanometerantrieb, ein Herstellungsverfahren für einen als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor eines Galvanometerantriebs und eine Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, der zumindest in einem Abschnitt als Permanentmagnet ausgebildet ist. Der Permanentmagnet bildet demnach zumindest einen Längsabschnitt einer Welle des Galvanometerantriebs. Hierdurch kann der Galvanometerantrieb einfach und somit kostengünstig hergestellt werden. Der Galvanometerantrieb weist ferner einen den Permanentmagneten umgebenden Stator auf, der eine Spule umfasst. Mittels der Spule kann ein Magnetfeld erzeugt werden, das mit dem Magnetfeld des Permanentmagneten zusammenwirkt, so dass der Permanentmagnet in Drehung versetzt wird. Der Permanentmagnet weist zumindest zwei Magnetschichten auf. Außerdem weist der Permanentmagnet zumindest eine zwischen den Magnetschichten angeordnete, elektrisch isolierende Zwischenschicht auf. Diese verhindert, dass sich der Wirbelstrom von einer der beiden Magnetschichten bis zu der jeweils benachbarten Magnetschicht erstreckt. Der Wirbelstrom ist somit in seiner Ausbildung gehemmt, so dass die Erwärmung des Permanentmagneten reduziert wird. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit des Galvanometerantriebs verbessert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Permanentmagnet aus zwei Magnetschichten aufgebaut ist, wobei zwischen diesen beiden eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein können. Der Permanentmagnet kann aber auch aus mehreren Magnetschichten aufgebaut sein. Dann sind jeweils zwischen zwei benachbarten Magnetschichten eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet, um die jeweiligen Magnetschichten voneinander elektrisch zu isolieren.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Magnetschicht zur Zwischenschicht mindestens 10⁶, vorzugsweise mindestens 10¹², besonders bevorzugt mindestens 10²², beträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verbindet die zumindest eine Zwischenschicht die beiden Magnetschichten stoffschlüssig miteinander. Dadurch wirkt die Zwischenschicht als Verbindungselement für die beiden zueinander benachbarten Magnetschichten, so dass auf ein zusätzliches Verbindungselement verzichtet werden kann. Hierdurch kann der Galvanometerantrieb kostengünstig hergestellt werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Magnetschichten eine Dicke von kleiner oder gleich 2 mm aufweisen. Je dünner die Magnetschichten sind, desto geringer ist auch der Wirbelstrom, der sich in den Magnetschichten ausbildet. Infolgedessen kann hierdurch zusätzlich eine Erwärmung des Permanentmagneten reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ können die Magnetschichten zueinander auch eine gleiche Dicke aufweisen. Mittels gleichdicker Magnetschichten kann der Permanentmagnet einfacher aufgebaut werden. Unterschiedlich dicke Magnetschichten können beispielsweise dann verwendet werden, wenn der Permanentmagnet einem inhomogenen Magnetfeld ausgesetzt ist. Beispielsweise können dünnere Magnetschichten dort angeordnet werden, wo ein stärkeres Magnetfeld ausgebildet ist, da an diesen Stellen der Wirbelstrom stärker ist. Dagegen können an Stellen, an denen das Magnetfeld schwächer ist, dickere Magnetschichten angeordnet sein, da hier der Wirbelstrom schwächer ist.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Dicke der Zwischenschicht maximal 10% der Dicke zumindest einer der benachbarten Magnetschichten entspricht. Die Dicke der Zwischenschicht kann aber auch lediglich 5% der Dicke zumindest einer der benachbarten Magnetschichten entsprechen. Ebenso kann die Dicke der Zwischenschicht lediglich 1% der Dicke zumindest einer der benachbarten Magnetschichten entsprechen. Die genannten Werte für die Dicke der Zwischenschicht können sich beispielsweise auch auf die dünnste Magnetschicht beziehen. Die Zwischenschicht muss die beiden benachbarten Magnetschichten auf der einen Seite elektrisch voneinander isolieren. Auf der anderen Seite darf die Zwischenschicht auch nicht zu dick sein, da sonst der Permanentmagnet keine ausreichende Magnetisierung aufweist.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn sich die Magnet- und die Zwischenschichten in Längs- oder in Querrichtung des Rotors vollständig durch diesen hindurcherstrecken. Ein besonderer Vorteil ist es, wenn sich jede einzelne der Magnet- und der Zwischenschichten in Längs- oder in Querrichtung des Rotors vollständig durch diesen hindurcherstreckt. Dadurch ist die Wirbelstromunterdrückung maximal, so dass die Leistungsfähigkeit des Galvanometerantriebs erhöht wird.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Permanentmagnet sandwichartig aus einer Vielzahl übereinanderliegender Magnet- und/oder Zwischenschichten ausgebildet ist. Dabei können die Magnet- und Zwischenschichten alternierend angeordnet sein. Dadurch sind jeweils zwei Magnetschichten von zumindest einer Zwischenschicht getrennt, so dass sich der Wirbelstrom im Permanentmagneten nur auf die einzelnen Magnetschichten erstrecken kann. Der Wirbelstrom wird dadurch gering gehalten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Magnet- und/oder Zwischenschichten entlang einer Schichtachse übereinandergeschichtet. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich die Schichtachse parallel zur Drehachse, so dass die Magnet- und/oder Zwischenschichten senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sind. Dadurch ist der Wirbelstrom, der sich parallel zur Drehachse erstreckt, in seiner Stärke verringert.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn sich die Schichtachse quer zur Drehachse erstreckt. Dabei kann die Schichtachse vorzugsweise lotrecht zur Drehachse angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Magnet- und/oder Zwischenschichten parallel zur Drehachse ausgerichtet sein. Dadurch können Wirbelströme, die in einer Ebene senkrecht zur Drehachse angeordnet sind, verhindert werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Permanentmagnet eine zur Drehachse lotrechte Magnetisierungsrichtung aufweist. Das durch den Permanentmagneten ausgebildete Magnetfeld ist somit senkrecht zur Drehachse orientiert. Das von dem Stator erzeugte externe Magnetfeld kann ebenfalls senkrecht auf der Drehachse des Rotors stehen. Dadurch kann der Galvanometerantrieb ein hohes Drehmoment auf den Permanentmagneten aufbringen.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Schichtachse mit einer Winkelabweichung von weniger als ± 30° zur Magnetisierungsrichtung ausgerichtet ist. Die Winkelabweichung kann aber auch weniger als ± 15° betragen. In diesem Fall kann eine wirksame Unterbrechung des Wirbelstroms erfolgen.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Zwischenschicht aus einem Beschichtungsmittel ausgebildet ist, da der Permanentmagnet hierdurch sehr kostengünstig herstellbar ist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus einem korrosionsbeständigen und/oder flüssigen, pulverförmigen oder gasförmigen Beschichtungsmittel ausgebildet sein. Außerdem kann das Beschichtungsmittels beispielsweise ein Lack sein. Das gasförmige Beschichtungsmittel kann beispielsweise mittels eines Verfahrens zur Gasphasenabscheidung auf die Magnetschichten aufgebracht werden. Dadurch können besonders dünne Zwischenschichten ausgebildet werden, die als elektrische Isolation zwischen den Magnetschichten wirken. Das Beschichtungsmittel kann beispielsweise auch eine Kunststoffschicht umfassen.
Zusätzlich oder alternativ ist die Außenfläche des Permanentmagneten mit dem Beschichtungsmittel beschichtet. Das Beschichtungsmittel kann korrosionsbeständig sein, so dass dieses den Permanentmagneten vor Korrosion schützt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Magnetschichten in Bezug zur Schichtachse in einem zwischen zwei Randbereichen des Permanentmagneten befindlichen Innenbereich dünner ausgebildet sind als in zumindest einem der beiden Randbereiche. In zumindest einem Randbereich des Permanentmagneten kann das Magnetfeld schwächer sein als in dem Innenbereichen, beispielsweise wenn der Permanentmagnet länger als der Stator ist, so dass er mit den Randbereichen aus dem Stator hinausragt. Dadurch fällt die Stärke der Wirbelströme in den Randbereichen ab, so dass hier dickere Magnetschichten ausreichen. In dem Innenbereich ist das Magnetfeld dagegen stärker, so dass hier dünnere Magnetschichten besser für die Hemmung des Wirbelstroms geeignet sind. Des Weiteren wird der Permanentmagnet hierdurch stabiler, da sich die im Randbereich angeordneten dickeren Schichten nicht so leicht ablösen können.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Permanentmagnet als Vollkörper ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ weist der Permanentmagnet eine rotationssymmetrische, insbesondere zylindrische, Grundform auf. Dabei kann der Außendurchmesser des Permanentmagneten zwischen 2 mm und 20 mm betragen. Der Vollkörper weist dabei vorzugsweise keine Hohlräume, Bohrungen o.ä. auf, so dass der Permanentmagnet vollständig aus den Magnet- und Zwischenschichten ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Galvanometerantrieb zwei zur Drehachse koaxiale Lagerungsfortsätze auf, die jeweils an einer Stirnseite des Permanentmagneten mit diesem verbunden sind. Dabei kann die Verbindung beispielsweise stoffschlüssig ausgebildet sein. Alternativ kann der Vollkörper aber auch eine zur Drehachse koaxiale Durchgangsbohrung aufweisen, in der eine Lagerungswelle angeordnet ist, die stirnseitig über den Permanentmagneten vorsteht.
Vorteilhaft ist es, wenn der Rotor in den Lagerungsfortsätzen oder den vorstehenden Abschnitten der Lagerungswelle drehbar gelagert ist. Der Rotor kann somit bidirektional über einen begrenzten Drehbereich gedreht werden. An jeweils einem der beiden Lagerungsfortsätze kann des Weiteren eine Ablenkeinheit, insbesondere ein Spiegel, und/oder ein Sensor zum Erkennung des Drehwinkels des Rotors angeordnet sein.
Vorgeschlagen wird ferner ein Herstellungsverfahren für einen als Permanentmagneten ausgebildeten Rotor eines Galvanometerantriebs. Der Galvanometerantrieb kann dabei nach einem oder mehreren der in der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung genannten Merkmale ausgebildet und/oder hergestellt sein, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bei diesem Herstellungsverfahren werden mehrere Magnetschichten stoffschlüssig zu einem Rohling miteinander verbunden. Zusätzlich oder alternativ wird anschließend die Außenkontur des Rohlings zur Ausbildung des Rotors, insbesondere mechanisch, nachbearbeitet. Dadurch lässt sich der Rotor besonders einfach und somit kostengünstig herstellen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Rohling durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen nachbearbeitet wird.
Vorgeschlagen wird ferner eine Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls mit einem optischen Ablenkelement und einem mit diesem verbundenen Galvanometerantrieb, mittels dem das Ablenkelement bidirektional über einen begrenzten Drehbereich rotierbar ist. Das Ablenkelement kann beispielsweise ein Spiegel sein. Das Ablenkelement wird somit von dem Galvanometerantrieb gedreht, wodurch der Laserstrahl über eine Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks geführt werden kann. Der Galvanometerantrieb ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

1a einen Galvanometerantrieb mit drehbaren Permanentmagneten im Längsschnitt,
1b einen Querschnitt des Galvanometerantriebs mit einem in dem Permanentmagneten ausgebildeten Wirbelstrom,
2a ein Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs im Längsschnitt mit einem Permanentmagneten, der aus mehreren Magnetschichten aufgebaut ist, die parallel zu einer Drehachse eines Rotors verlaufen,
2b eine Querschnittsansicht des vorherigen Galvanometerantriebs in einer Draufsicht, dessen Permanentmagnet aus mehreren Magnetschichten ausgebildet ist,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs im Längsschnitt mit einem Permanentmagneten, der unterschiedlich dicke Magnetschichten aufweist,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs im Längsschnitt mit einem Permanentmagneten, der aus mehreren Magnetschichten aufgebaut ist, die quer zu einer Drehachse eines Rotors verlaufen,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs im Längsschnitt mit einem Permanentmagneten, der aus mehreren Magnetschichten aufgebaut ist, die senkrecht auf der Drehachse eines Rotors stehen,
6a einen Ausschnitt des Permanentmagneten, der zwei Magnetschichten und eine Beschichtung umfasst und
6b einen Ausschnitt des Permanentmagneten, der zwei Magnetschichten und eine Beschichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst.

1a zeigt einen Galvanometerantrieb 1 mit einem um eine Drehachse 2 drehbaren Rotor 3. Zumindest ein Abschnitt des Rotors 3 ist als Permanentmagnet 4 ausgebildet. Der Übersichtlichkeit wegen ist der Permanentmagnet 4 nicht schraffiert dargestellt. Vorliegend befindet sich dieser Abschnitt im Bereich eines Stators 5. Der Permanentmagnet 4 bildet demnach zumindest einen Teil bzw. einen Abschnitt einer Welle des Galvanometerantriebes 1. Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst der Galvanometerantrieb 1 ferner einen den Permanentmagneten 4 umgebenden Stator 5, der eine vorliegend nicht weiter im Detail dargestellte Spule umfasst. Der Stator 5 ist aus den beiden Statorkomponenten 5a und 5b aufgebaut, wobei der Stator 5 natürlich auch einteilig oder aus mehreren Statorkomponenten aufgebaut sein kann. Des Weiteren können sich Wicklungen einer Spule in beiden Statorkomponenten 5a und 5b befinden, es kann aber natürlich auch in jeder Statorkomponente 5a und 5b jeweils eine Spule angeordnet sein.
An den beiden Stirnseiten des Permanentmagneten 4 ist jeweils ein Lagerungsfortsatz 6a, 6b angeordnet. Diese sind mit dem Permanentmagneten 4 verbunden und drehen sich somit mit diesem mit. Die beiden Lagerungsfortsätze 6a, 6b sind somit ebenfalls Bestandteil des Rotors 3. Die Lagerungsfortsätze 6a, 6b sind außerdem in hier nicht gezeigten Lagern drehbar aufgenommen. Zwischen dem Permanentmagneten 4 und dem Stator 5 ist ferner ein Spalt 7 ausgebildet, so dass sich der Permanentmagnet 4 berührungslos innerhalb des Stators 5 drehen kann. Der Stator 5 sowie der Rotor 3 sind außerdem in einem Gehäuse 8 des Galvanometerantriebs 1 angeordnet. Der Permanentmagnet 4 weist eine Außenfläche 16 auf, die dem Stator 5 zugewandt ist.
Um eine Drehung des Rotors 3 gegenüber dem Stator 5 hervorzurufen, wird an die in dem Stator 5 angeordnete Spule bzw. Spulen eine Spannung angelegt, so dass ein Strom fließt. Durch die Wechselwirkung des Magnetfelds des Permanentmagneten 4 mit dem stromdurchflossenen Leiter der Spule wird ein Drehmoment hervorgerufen welches den Rotor 3 in Drehung versetzt. Die Winkelbeschleunigung des Rotors 3 ist im Wesentlichen proportional zum Stromfluss durch die Spule. Insbesondere kann durch Umpolen der Stromrichtung die Richtung der Drehbewegung des Rotors 3 ebenfalls umgekehrt werden. Mittels ständiger Regelung der Stärke und Richtung des Stroms kann so erreicht werden, dass die Drehbewegung des Rotors 3 einer vorgegebenen Trajektorie folgt.
Der Permanentmagnet 4 ist ferner aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Durch die für das hochdynamische Abfahren der gewünschten Trajektorien notwendige oder die aus der Pulsweitenmodulation resultierende ständige Änderung des Stromflusses und somit des Magnetfelds der Spule des Stators 5 wird in dem Permanentmagneten 4 ein Wirbelstrom 15 induziert. Der Wirbelstrom 15 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Uhrzeigersinn entgegengesetzt orientiert ausgebildet. Des Weiteren umfasst der Wirbelstrom 15 eine Wirbelstromkomponente 15a, die dem Stator 5a zugewandt ist, und eine Wirbelstromkomponente 15b, die dem Stator 5b zugewandt ist. Durch Dissipation im Permanentmagneten 4 wird zumindest ein Teil des Wirbelstroms 15 in Wärme umgesetzt, so dass sich der Permanentmagnet 4 erwärmt. Die Erwärmung ist jedoch nachteilig, da sich die Magnetisierung des Permanentmagneten 4 abschwächen kann, wodurch das auf den Permanentmagneten 4 wirkende Drehmoment reduziert wird, so dass der Rotor 3 nicht mehr ausreichend schnell und präzise gedreht werden kann. Außerdem führt die Erwärmung zu einer Ausdehnung des Permanentmagneten 4 und/oder des Rotors 3, so dass ein kontrolliertes Drehen des Rotors 3 nicht mehr gegeben ist.
Mittels des Rotors 3 kann beispielsweise ein hier nicht gezeigtes Ablenkelement, beispielsweise ein Spiegel, einer Laserbearbeitungsvorrichtung gedreht werden. Dafür sind selbstverständlich hohe Anforderungen an die Dynamik und die Genauigkeit der Drehbewegung gestellt. Deswegen sollen die negativen Effekte des Wirbelstroms 15 verringert werden. Auf die Ausbildung des Wirbelstroms 15 wird nachfolgend in der 1b genauer eingegangen.
1b zeigt den Galvanometerantrieb 1 in einer Querschnittsansicht. Der Permanentmagnet 4 ist der Übersichtlichkeit wegen nicht schraffiert dargestellt. In dem Permanentmagneten 4 ist ein Wirbelstrom 15 (vgl. 1a) ausgebildet, der im dargestellten Schnitt eine Wirbelstromkomponente 15a aufweist, die an der zur Statorkomponente 5a zugewandten Seite des Permanentmagneten 4 abbildungsgemäß vom Betrachter weggerichtet ist. Außerdem weist der Wirbelstrom 15 eine Wirbelstromkomponente 15b auf, die an der zur Statorkomponente 5b zugewandten Seite des Permanentmagneten 4 abbildungsgemäß zum Betrachter hinläuft.
Wesentliche Ursache für den Wirbelstrom 15 mit den beiden Wirbelstromkomponenten 15a, 15b ist die Induktion einer Spannung im Permanentmagneten 4 aufgrund einer schnellen Änderung des externen Magnetfelds des Stators 5. Der Stator 5 erzeugt ein Magnetfeld, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Südpol S' und einen Nordpol N‘ aufweist und im Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld des Permanentmagneten 4 (in der Zeichenebene ist das Magnetfeld des Stators 5 somit im Bereich des Permanentmagneten 4 vertikal orientiert) verläuft. Das induzierte Wirbelfeld verläuft senkrecht zur Magnetfeldrichtung des Stators 5 und bildet den Wirbelstrom 15 aus (1a/1b). Das Magnetfeld des Permanentmagneten 4 weist ferner einen Nordpol N, der der Statorkomponente 5a zugewandt ist, und einen Südpol S, der der Statorkomponente 5b zugewandt ist, auf.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs 1 mit einem Permanentmagneten 4, der aus mehreren Magnetschichten 10 aufgebaut ist. Der Übersichtlichkeit halber ist in den Figuren jeweils nur eine der Magnetschichten 10 und Zwischenschichten 11 mit einem Bezugszeichen versehen. Der Permanentmagnet 4 kann beispielsweise aus lediglich zwei Magnetschichten 10 mit einer oder mehreren Zwischenschichten 11 ausgebildet sein. Alternativ kann der Permanentmagnet 4 auch, wie hier gezeigt, aus einer Vielzahl an Magnetschichten 10 mit jeweils dazwischen angeordneten Zwischenschichten 11 ausgebildet sein.
Zwischen jeweils zwei Magnetschichten 10 ist zumindest eine Zwischenschicht 11 angeordnet, die die beiden Magnetschichten 10 miteinander verbinden und/oder voneinander elektrisch isoliert. Die isolierende Zwischenschicht 11 verhindert, dass ein elektrischer Strom zwischen zwei benachbarten Magnetschichten 10 fließen kann. Ein möglicher auftretender elektrischer Strom ist somit auf eine Magnetschicht 10 begrenzt. Der Wirbelstrom wird somit durch die Zwischenschicht 11 unterbrochen.
Die Magnetschichten 10 und die Zwischenschichten 11 sind des Weiteren in Richtung einer Schichtachse 9 übereinander und/oder alternierend angeordnet. Die Magnetschichten 10 und die Zwischenschichten 11 bilden somit sandwichartig den Permanentmagnet 4 bzw. den entsprechenden Abschnitt des Rotors 3 aus. Die Schichtachse 9 steht ferner senkrecht auf den Magnetschichten 10 und/oder den Zwischenschichten 11.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schichtachse 9 - entlang derer die Magnetschichten 10 und Zwischenschichten 11 übereinandergeschichtet sind - lotrecht zur Drehachse 2 des Rotors 3 ausgerichtet. Die Magnetschichten 10 und die Zwischenschichten 11 sind demnach im Wesentlichen parallel zur Drehachse 2 ausgerichtet. Mittels einer derartigen Anordnung werden Wirbelströme verhindert, die in einer senkrecht zur Drehachse 2 stehenden Ebene fließen.
Wie aus 2a hervorgeht, weist der Permanentmagnet 4 eine Magnetisierungsrichtung 12 auf, die als Vektor dargestellt ist. Die Magnetisierungsrichtung 12 ist dabei lotrecht zur Drehachse 2, so dass ein maximales Drehmoment auf den Rotor 3 vermittelt wird.
Außerdem ist die Magnetisierungsrichtung 12 parallel zur Schichtachse 9 angeordnet.
Vorzugsweise ist der Lagerungsfortsatz 6a mit dem vorliegend nicht gezeigten Ablenkelement, beispielsweise einem Spiegel, verbunden, mit dem zur Laserbearbeitung ein Laserstrahl abgelenkt werden kann. Die Präzision der Laserstrahlablenkung hängt somit direkt von der Präzision der Drehung des Rotors 3 ab. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Wirbelstrom im Permanentmagneten 4 so gut wie möglich unterdrückt wird, um eine Erwärmung des Permanentmagneten zu verhindern, so dass die Ablenkeinheit so schnell und genau wie möglich positioniert werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn im Bereich des anderen Lagerungsfortsatzes 6b ein vorliegend nicht dargestellter Sensor bzw. ein Messorgan angeordnet ist, mit dem die Orientierung des Rotors 3 ermittelt werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen analogen oder digitalen Positionsdetektor handeln.
2b zeigt exemplarisch für das in 2a dargestellt Ausführungsbeispiel eine Querschnittsansicht des Galvanometerantriebs 1. Wie bereits vorstehend erwähnt ist der Permanentmagnet 4 aus mehreren Magnetschichten 10 mit dazwischen liegenden Zwischenschichten 11 ausgebildet. Die Schichtachse 9 ist lotrecht zur Drehachse 2 angeordnet. Außerdem ist die Schichtachse 9 parallel zum Magnetfeld des Permanentmagneten 4 angeordnet. Das Magnetfeld verläuft außerhalb des Permanentmagneten 4 vom Nordpol N zum Südpol S, wohingegen das Magnetfeld (gemäß der Magnetisierungsrichtung 12) innerhalb des Permanentmagneten 4 vom Südpol S zum Nordpol N verläuft. Durch die derartige Anordnung der Magnetschichten 10 wird der Wirbelstrom 15 (wie er beispielsweise ungehemmt in 1a/1b gezeigt ist) reduziert, so dass die Wärmeentwicklung in dem Permanentmagneten 4 verringert wird. Ist die Schichtachse 9 lotrecht zur Drehachse 2 angeordnet aber nicht parallel zum Magnetfeld dann sinkt mit wachsendem Winkel zwischen Schichtachse und Magnetfeld die Wirbelstromunterdrückung. Daher sollte vorteilhafterweise die Schichtachse 9 mit einer Winkelabweichung von weniger als ± 30°, insbesondere von weniger als ± 15°, zur Magnetisierungsrichtung 12 ausgerichtet sein.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der zusätzlichen Ausführungsbeispiele werden für Merkmale, die im Vergleich zu den jeweils vorherigen Ausführungsbeispielen in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale. Nachfolgend wird demnach vorrangig auf die wesentlichen Unterschiede zu den jeweils vorangegangenen Ausführungsbeispielen eingegangen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs 1 mit einem Permanentmagneten 4, der unterschiedlich dicke Magnetschichten 10 aufweist. Die Magnetschichten 10 und die Zwischenschichten 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Drehachse 2 angeordnet. Die Schichtachse 9 steht senkrecht auf der Drehachse 2. In den Randbereichen des Permanentmagneten 4 sind die Magnetschichten 10 dicker ausgebildet als in einem Innenbereich. Dadurch ist der Wirbelstrom in dem Innenbereich des Permanentmagneten 4 stärker gehemmt als in den Randbereichen. Des Weiteren ist der Permanentmagnet 4 hierdurch stabiler, da die dickeren Randschichten nicht so leicht abplatzen können. Derartig unterschiedlich dicke Magnetschichten können selbstverständlich auch dann verwendet werden, wenn die Schichtachse 9, wie in der folgenden 4 oder 5 gezeigt, quer bzw. parallel zur Drehachse 2 angeordnet ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Galvanometerantriebs 1 mit einem aus mehreren Magnetschichten 10 aufgebauten Permanentmagneten 4. Die Magnetisierungsrichtung 12 des Permanentmagneten 4 ist wiederum senkrecht zur Drehachse 2 ausgerichtet. Die Schichtachse 9 weist jedoch in diesem Ausführungsbeispiel gegenüber der Magnetisierungsrichtung 12 bzw. Achse einen Winkel 13 auf. Infolgedessen verlaufen die Magnetschichten 10 quer zur Magnetisierungsrichtung 12 und quer zur Drehachse 2. Der Winkel 13 kann zwischen -30° und +30° betragen. Der Winkel 13 kann aber auch lediglich zwischen -15° und +15° betragen. Wie bereits beschrieben, können auch hier die Magnetschichten 10 eine unterschiedliche Dicke (wie beispielsweise in 3) aufweisen.
Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schichtachse 9 parallel bzw. koaxial zur Drehachse 2 angeordnet. Die Zwischenschichten 11 sind somit derart orientiert, dass ein sich in Richtung der Drehachse 2 des Rotors 3 erstreckender Wirbelstrom unterbrochen bzw. stark verringert wird. Auch hier können die Magnetschichten 10 eine unterschiedliche Dicke (wie beispielsweise in 3) aufweisen.
6a zeigt einen Detailausschnitt des Permanentmagneten 4, der vorliegend zumindest zwei Magnetschichten 10a und 10b aufweist, die mit einer Beschichtung 17a, 17b versehen sind. Die Beschichtungen 17a, 17b bilden die Zwischenschicht 11 aus. Der Permanentmagnet 4 kann natürlich aus mehr als nur zwei Magnetschichten 10 aufgebaut sein. Die Magnetschicht 10a ist von der Beschichtung 17a vollständig umschlossen. Die Magnetschicht 10b ist von der Beschichtung 17b ebenfalls vollständig umschlossen. Die Beschichtungen 17a, 17b erstrecken sich ferner über die Außenfläche 16 des Permanentmagneten 4. Dadurch sind die Magnetschichten 10a, 10b und somit der Permanentmagnet 4 vor Korrosion geschützt.
In einem Kontaktbereich der beiden Beschichtungen 17a und 17b bilden die beiden Beschichtungen 17a, 17b die Zwischenschicht 11 aus. Die Zwischenschicht 11 isoliert die beiden Magnetschichten 10a, 10b elektrisch voneinander. Die Beschichtungen 17a, 17b können beispielsweise durch einen Lack hergestellt sein, der vorzugsweise flüssig aufgebracht wird. Die Beschichtungen 17a, 17b können aber auch pulverförmig aufgebracht sein. Alternativ können die Beschichtungen 17a, 17b auch aus einer gasförmigen Phase auf den Magnetschichten 10a, 10b abgeschieden werden. Mittels eines Gasphasenabscheideverfahrens können beispielsweise besonders dünne Beschichtungen 17a, 17b ausgebildet werden.
6b zeigt einen Detailausschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels des Permanentmagneten 4. Die beiden Magnetschichten 10a, 10b sind wieder mit jeweils einer Beschichtung 17a, 17b umschlossen. In diesem Ausführungsbeispiel gehen die Beschichtungen 17a, 17b im Bereich der Zwischenschicht 11 ineinander über, so dass die Zwischenschicht 11 dünner als in dem in 6a dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. In beiden Ausführungsbeispielen verbindet die Zwischenschicht 11 die beiden Magnetschichten 10a, 10b stoffschlüssig miteinander.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Galvanometerantrieb
2: Drehachse
3: Rotor
4: Permanentmagnet
5: Stator
5a, 5b: Statorkomponenten
6: Lagerungsfortsätze
7: Spalt
8: Gehäuse
9: Schichtachse
10: Magnetschicht
11: Zwischenschicht
12: Magnetisierungsrichtung
13: Winkel
14: Drehrichtung
15: Wirbelstrom
15a, 15b: Wirbelstromkomponenten
16: Außenfläche des Permanentmagneten
17: Beschichtung
S: Südpol des Permanentmagneten
N: Nordpol des Permanentmagneten
S': Südpol des Stators
N‘: Nordpol des Stators

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007037183 A1 [0003]

Claims

Galvanometerantrieb mit einem um eine Drehachse (2) drehbaren Rotor (3), der zumindest in einem Abschnitt durch einen Permanentmagneten (4) ausgebildet ist, und einem den Permanentmagneten (4) umgebenden Stator (5), der eine Spule umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4) zumindest zwei Magnetschichten (10) und zumindest eine zwischen diesen beiden angeordnete, elektrisch isolierende Zwischenschicht (11) aufweist.
Galvanometerantrieb nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zwischenschicht (11) die beiden Magnetschichten (10) stoffschlüssig miteinander verbindet.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetschichten (10) eine Dicke von kleiner oder gleich 2 mm aufweisen und/oder dass die Magnetschichten (10) zueinander gleich oder unterschiedlich dick sind.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht (11) maximal 10%, bevorzugt maximal 5%, besonders bevorzugt maximal 1%, der Dicke zumindest einer der benachbarten Magnetschichten (10) entspricht.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnet- (10) und Zwischenschichten (11) in Längs- oder Querrichtung des Rotors (3) vollständig durch diesen hindurcherstrecken.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4) sandwichartig aus einer Vielzahl von, insbesondere alternierend, übereinanderliegenden Magnet- (10) und/oder Zwischenschichten (11) ausgebildet ist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnet- (10) und/oder Zwischenschichten (11) entlang einer Schichtachse (9) übereinandergeschichtet sind und/oder dass sich die Schichtachse (9) parallel zur Drehachse (2) erstreckt, so dass die Magnet- (10) und/oder Zwischenschichten (11) senkrecht zur Drehachse (2) ausgerichtet sind.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schichtachse (9) quer, insbesondere lotrecht, zur Drehachse (2) erstreckt und/oder dass die Magnet- (10) und/oder Zwischenschichten (11) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (2) ausgerichtet sind.
Galvanometerantrieb nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4) eine zur Drehachse (2) lotrechte Magnetisierungsrichtung (12) aufweist und/oder dass die Schichtachse (9) mit einer Winkelabweichung von weniger als ± 30°, insbesondere von weniger als ± 15°, zur Magnetisierungsrichtung (12) ausgerichtet ist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zwischenschicht (11) aus einem, vorzugsweise korrosionsbeständigen und/oder flüssigen oder pulverförmigen oder gasförmigen, Beschichtungsmittel, insbesondere einem Lack, hergestellt ist und/oder dass die Außenfläche (16) des Permanentmagneten (4) mit dem Beschichtungsmittel beschichtet ist.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetschichten (10) in Bezug zur Schichtachse (9) in einem zwischen zwei Randbereichen des Permanentmagneten (4) befindlichen Innenbereich dünner ausgebildet sind als in zumindest einem der beiden Randbereiche.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (4) als Vollkörper ausgebildet ist und/oder eine rotationssymmetrische, insbesondere zylindrische, Grundform aufweist, vorzugsweise mit einem Außendurchmesser zwischen 2 mm bis 20 mm.
Galvanometerantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Galvanometerantrieb (1) zwei zur Drehachse (2) koaxiale Lagerungsfortsätze (6a, 6b) aufweist, die jeweils an einer Stirnseite des Permanentmagneten (4), insbesondere stoffschlüssig, mit diesem verbunden sind und/oder in denen der Rotor (3), insbesondere bidirektional über einen begrenzten Drehbereich, drehbar gelagert ist.
Herstellungsverfahren für einen als Permanentmagnet (4) ausgebildeten Rotor (3) eines Galvanometerantriebs (1), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetschichten (10) stoffschlüssig zu einem Rohling miteinander verbunden werden und/oder dass anschließend die Außenkontur des Rohlings zur Ausbildung des Rotors, insbesondere mechanisch, nachbearbeitet wird.
Ablenkeinheit zum Ablenken eines Laserstrahls mit einem optischen Ablenkelement, insbesondere einem Spiegel, und einem mit diesem verbundenen Galvanometerantrieb (1), mittels dem das Ablenkelement bidirektional über einen begrenzten Drehbereich rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Galvanometerantrieb (1) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.