DE102021206772A1

DE102021206772A1 - Galvanometerantrieb mit verbesserter Statorgeometrie

Info

Publication number: DE102021206772A1
Application number: DE102021206772.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dötlinger; Tobias Edlböck; Norbert Petschik; Norbert Kirr
Original assignee: Scanlab GmbH
Current assignee: Scanlab GmbH
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Ein Dreh-Stellantrieb mit beschränktem Stellwinkel weist auf:einen um eine Drehachse, welche sich in axialer Richtung erstreckt, drehbaren Rotor, bestehend aus einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweipoligen diametral magnetisierten Permanentmagneten, einen Stator mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden zylinderförmigen Öffnung und mindestens einer elektrischen Spule, wobei der Stator an der Wandung der zylinderförmigen Öffnung eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, die sich in axialer Richtung erstrecken, wobei die Mehrzahl von Ausnehmungen durch vier teilbar ist und die Ausnehmungen mit einer n-zähligen Symmetrie rund um den Rotor angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist, die durch vier teilbar ist, wobei mindestens zwei Ausnehmungen Windungen der mindestens einen elektrischen Spule enthalten, wobei ein Rückstellmoment oder ein Rastmoment des Dreh-Stellantriebs im unbestromten Zustand für Stellwinkel, die kleiner als ±30° sind, einen Wert aufweist, der geringer als 5 % des Nennmoments des Dreh-Stellantriebs ist.

Description

Die Erfindung ist auf einen Galvanometerantrieb bzw. Dreh-Stellantrieb gerichtet, insbesondere auf einen Galvanometerantrieb, wie er bei Laserapplikationen zum präzisen Richten der Laserstrahlung auf den Bearbeitungsort zum Einsatz kommt. Die eingesetzten Galvanometer weisen dabei typischerweise Spiegel auf, die zum Richten der Laserstrahlung auf den Bearbeitungsort innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs, der kleiner als +/- 90° ist, typischerweise kleiner als +/- 30°, verschwenkt werden. Hier ist mit „Winkelbereich“ der Bereich gemeint, innerhalb dessen der Spiegel verschwenkt werden kann, im Gegensatz zu der Verwendung des Begriffs in der Optik im Zusammenhang mit Galvanometern, wo infolge der Ablenkung von Strahlung am Spiegel der Winkelbereich infolge des Verschwenkens doppelt so groß ist.
Ein solcher Dreh-Stellantrieb ist beispielsweise in DE 20 2013 000 369 U1 beschrieben, der die 1 zur Veranschaulichung des grundlegenden Aufbaus eines im Stand der Technik bekannten Dreh-Stellantriebs entnommen ist.
Innerhalb einer eine Spule aufweisenden Statoreinheit ist ein einen Permanentmagneten aufweisender Rotormagnet angeordnet, der sich bei Erregung der Spule um seine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Mittelachse dreht. Die Bezeichnungen „Spule plus“ und „Spule minus“ sollen dabei auf die Stromrichtung durch die Windungen der Spule hindeuten, die entsprechend in die Zeichenebene hinein fließende bzw. aus der Zeichenebene heraus fließende Ströme kennzeichnen. Der Vorteil solch einer Anordnung bei Dreh-Stellantrieben ist der, dass dadurch ein sehr geringes Rastmoment (engl. „cogging torque“ bzw. „restoration torque“) erzielt werden kann, welches insbesondere bei fehlender Erregung der Spule den Rotor zu bestimmten Vorzugspositionen drehen möchte.
Nachteilig bei der gezeigten Anordnung ist jedoch, dass es schwierig ist, die Wärme von der Spule abzuführen, die auf drei Seiten von Luft bzw. Harz umgeben ist. DE 20 2013 000 369 U1 schlägt daher vor, von dem in 1 gezeigten Konzept abzugehen und einen mit Nuten und Zähnen ausgestatteten Stator zu verwenden, wie er von klassischen Elektromotoren bekannt ist, bei denen sich der Rotor um mehr als 360° dreht. Durch die Einbettung der Spule in Nuten kann die Verlustwärme der Spule besser abgeführt werden. Der Nachteil der Verwendung eines Stators mit Nuten und Zähnen ist jedoch, dass solch ein Aufbau mit einem erhöhten Rastmoment bzw. Rückstellmoment einhergeht, was bei Dreh-Stellantrieben grundsätzlich nicht erwünscht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dreh-Stellantrieb bereit zu stellen, bei dem im Betrieb die Temperatur der Spule niedrig gehalten werden kann und dennoch ein Rastmoment bzw. Rückstellmoment sehr gering ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Dreh-Stellantrieb nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Dreh-Stellantrieb mit beschränktem Stellwinkel weist auf:

einen um eine Drehachse, welche sich in axialer Richtung erstreckt, drehbaren Rotor, bestehend aus einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweipoligen diametral magnetisierten Permanentmagneten, wobei der Rotor mittels eines Lagermechanismus gelagert ist
einen den Permanentmagneten umgebenden Stator mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden zylinderförmigen Öffnung zur Aufnahme des Rotors und
mindestens einer elektrischen Spule, die bei Erregung dem Rotor ein bidirektionales Drehmoment verleihen kann,
wobei der Stator an der Wandung der zylinderförmigen Öffnung eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, die sich in axialer Richtung erstrecken,
- wobei die Mehrzahl von Ausnehmungen durch vier teilbar ist und die Ausnehmungen mit einer n-zähligen Symmetrie rund um den Rotor angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist, die durch vier teilbar ist,
wobei mindestens zwei Ausnehmungen Windungen der mindestens einen elektrischen Spule enthalten,
wobei ein Rückstellmoment oder ein Rastmoment des Dreh-Stellantriebs im unbestromten Zustand der mindestens einen Spule für Stellwinkel, die kleiner als ±30° sind, einen Wert aufweist, der geringer als 5 %, bevorzugt geringer als 1 % des Nennmoments des Dreh-Stellantriebs ist.

Ein Dreh-Stellantrieb oder auch Galvanometerantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von einem herkömmlichen Elektromotor dadurch, dass der Rotor nur innerhalb eines eingeschränkten Winkelbereichs bewegbar ist. Dies liegt beispielsweise daran, dass der Dreh-Stellantrieb einen zweipoligen Stator aufweist, wodurch ein erzeugtes Drehmoment mit dem Kosinus des Stellwinkels abnimmt und bei +/-90° auf den Wert Null abgefallen ist. Entsprechend wird der Dreh-Stellantrieb zweipolig betrieben. Üblicherweise wird darüber hinaus beim Betrieb von Dreh-Stellantrieben bzw. Galvanometerantrieben durch ein Stopp-Element dafür gesorgt, dass ein gewisser maximaler Stellwinkel (z.B. +/-30°) nicht überschritten werden kann. Entsprechend ist ein Wicklungsschema an den beschränkten Drehbereich bzw. Stellwinkelbereich angepasst.
Bevorzugt besteht der Rotor vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig aus dauermagnetischem Material. Bei einer Variante der Erfindung ist der Rotor an seiner Außenfläche, die von der Stator-Innenseite durch einen Luftspalt getrennt ist, rund um die Drehachse herum mit Nuten versehen, die bevorzugt im Wesentlichen den gleichen radialen Abstand voneinander aufweisen.
Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßer Dreh-Stellantrieb als System zusammen mit einem Positionsdetektor zur Erfassung des aktuellen Stellwinkels eingesetzt, der bevorzugt mit einer hohen Messrate im kHz-Bereich bis MHz-Bereich erfasst wird. Infolge dieses Einsatzes der Dreh-Stellantriebe als Galvanometerantriebe sind die erfindungsgemäßen Dreh-Stellantriebe (wie jene des Standes der Technik) so ausgelegt, dass Drehbeschleunigungen erreicht werden können, die um eine Größenordnung höher sind als bei konventionellen Elektromotoren. Es lassen sich darüber hinaus noch höhere Drehbeschleunigungen erzielen als beim Stand der Technik.
Die axiale Richtung ist die Richtung, in der die Drehachse verläuft, um die herum der Rotor drehbar gelagert ist. Die axiale Richtung und die Drehachse verlaufen dabei parallel zur Längsachse des Rotors und fallen insbesondere mit dieser Längsachse zusammen. Insbesondere kann es sich bei der Drehachse um eine Symmetrieachse des im Wesentlichen zylinderförmigen Rotors handeln. Der Begriff „Lagermechanismus“ bezieht sich hier nicht nur auf ein in der axialen Richtung an einer ganz bestimmten Stelle angeordnetes Lager, z.B. ein Wälzlager. Vielmehr soll damit auch eine Mehrzahl von an unterschiedlichen Stellen in der axialen Richtung angeordneten Lagern umfasst sein.
Es versteht sich, dass bei vorgegebener Polarität des Permanentmageneten die Richtung des Drehmoments an die Richtung des durch die elektrische Spule fließenden Stroms gekoppelt ist.
Die Wandung der zylinderförmigen Öffnung des Stators kann als Innenwand eines hohlzylinderförmigen Stators angesehen werden, wobei der Begriff „Zylinder“ hier nicht auf Kreiszylinder beschränkt ist, sondern im mathematischen Sinne verwendet wird. Die Ausnehmungen können zur zylinderförmigen Öffnung hin offen sein oder aber durch eine dünne Wand von der zylinderförmigen Öffnung abgetrennt sein (hier werden in beiden Fällen in solcher Weise ausgestaltete Ausnehmungen als Nuten bezeichnet). In jedem Fall erstrecken sich die Ausnehmungen bis in die unmittelbare Nähe der zylinderförmigen Öffnung. Bevorzugt erstrecken sich die Ausnehmungen über mindestens 85% der Länge in axialer Richtung des Stators, noch bevorzugter über mindestens 95% der Länge in axialer Richtung des Stators. Auch wenn bevorzugt die Ausnehmungen in axialer Richtung nicht weiter unterteilt sind, können die Ausnehmungen in axialer Richtung auch durch Zwischenwände unterteilt sein. Weiter bevorzugt weisen die Ausnehmungen senkrecht zur axialen Richtung einen Querschnitt auf, der sich in der axialen Richtung nicht ändert oder im Wesentlichen nicht ändert.
Mit dem Begriff „n-zählige Symmetrie“ ist gemeint, dass bei einer Drehung des Stators um die Drehachse um einen Winkel von 360°/n jede der Ausnehmungen an einen Ort gelangt, der dem Ort einer anderen Ausnehmung oder derselben Ausnehmung vor der Drehung entspricht. Insbesondere wird also eine 4-zählige, 8-zählige, 12-zählige, 16-zählige, etc. Drehsymmetrie umfasst.
Der Bereich in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen/Nuten wird in der Regel als „Zahn“ bezeichnet und umfasst den zwischen den Ausnehmungen/Nuten vorhandenen Teil der Wandung der zylinderförmigen Öffnung.
Bevorzugt haben alle Zähne den gleichen Abstand oder im Wesentlichen den gleichen Abstand zur Drehachse. Mit anderen Worten, die der Drehachse am nächsten gelegenen Stellen der Zähne sind alle gleich weit von der Drehachse entfernt oder im Wesentlichen gleich weit von der Drehachse entfernt. Insbesondere fällt bevorzugt die der Drehachse am nächsten gelegene Randfläche der Zähne mit der Innenseite der zylinderförmigen Öffnung zusammen und ist ein Teil einer kreiszylindrischen Fläche.
Es sei betont, dass der Dreh-Stellantrieb nicht auf den Fall beschränkt ist, dass zwei Ausnehmungen alle Windungen einer elektrischen Spule enthalten. Vielmehr kann eine Ausnehmung auch Windungen unterschiedlicher elektrischer Spulen enthalten oder aber die Windungen einer elektrischen Spule können auf mehr als zwei Ausnehmungen verteilt sein. Bevorzugt wird jedoch mit zwei Spulen gearbeitet, wobei die Windungen jeder Spule in jeweils zwei ihr zugeordneten Ausnehmungen verlaufen.
Der Begriff „Rastmoment“ bezeichnet hier ein Drehmoment, welches auf den Rotor im unbestromten Zustand der mindestens einen Spule einwirkt, um diesen zu einer gewissen Drehposition zu drehen. Falls dieser gewissen Drehposition die 0°-Stellung des Dreh-Stellantriebs zugewiesen ist, so spricht man auch von „Rückstellmoment“ anstelle von „Rastmoment“. Es sei noch bemerkt, dass es mehrere Positionen geben kann, zu denen hin ein Rastmoment vorhanden ist.
Bei dem vorliegenden Dreh-Stellantrieb ist ein Rückstellmoment bzw. ein Rastmoment überaus gering, bevorzugt nicht mehr vorhanden. Um die geringe Größe des Rückstellmoments bzw. Rastmoments zum Ausdruck zu bringen, wird anstelle von Zahlenwerten, die an eine ganz bestimmte Größe und geometrische Gestaltung des Dreh-Stellantrieb gekoppelt sind, als Vergleichsgröße das Nennmoment (RMS-Moment) des Dreh-Stellantriebs angegeben, da dieses eine dem Dreh-Stellantrieb inhärente Größe ist, welche einer Messung zugänglich ist. Als Nennmoment wird dabei ein Betrag des Drehmoments angesehen, das der Drehstellantrieb aufgrund seiner Auslegung für vorgegebene Betriebsbedingungen aufweist. Da sich auch das Rückstellmoment bzw. das/die Rastmoment(e) mit den Betriebsbedingungen ändern, müssen keine expliziten Betriebsbedingungen zur Ermittlung des maximalen Drehmoments vorgegeben werden. Die angegebenen Prozentwerte sollen unabhängig von den Betriebsparametern des Dreh-Stellantriebs gelten. Eine untere Grenze für das erzielbare Rastmoment bzw. Rückstellmoment resultiert aus der Haftreibung des zur Lagerung des Rotors verwendeten Lagermechanismus. Diese untere Grenze liegt in der Praxis bei 0,1%, bevorzugt 0,01 % des maximalen Drehmoments des Dreh-Stellantriebs.
Es sei noch bemerkt, dass man anstelle des Nennmoments auch andere Vergleichsgrößen, wie z.B. das maximale Drehmoment (also das Drehmoment, dass sich für vorgegebene Betriebsbedingungen, insbesondere bei vorgegebenem Strom und vorgegebener Spannung, maximal erzielen lässt) oder die Haftreibung des Lagermechanismus heranziehen könnte. Die Haftreibung wird durch den Haftreibungskoeffizienten des Lagermechanismus festgelegt. Für den Fall, dass die Haftreibung in Abhängigkeit von der Orientierung des Dreh-Stellantriebs im Schwerefeld der Erde merklich variiert, kann die minimal auftretende Haftreibung herangezogen werden. Das Nennmoment wurde hier aber als Vergleichsgröße herangezogen, da es sich am einfachsten zweifelsfrei bestimmen lässt.
Infolge der oben beschriebenen Ausgestaltung des Stators ist es möglich, für ein sehr kleines Rückstellmoment bzw. Rastmoment zu sorgen, obwohl gleichzeitig durch die Anordnung der Windungen, bevorzugt aller Windungen, der mindestens einen elektrischen Spule in den Ausnehmungen, für eine gute Wärmeableitung und damit für eine niedrige Temperatur der Spulen im Betrieb gesorgt werden kann. Weiterhin sind durch die Anordnung der Windungen in den Ausnehmungen die Induktivität und die Drehmomentkonstante gegenüber jener einer Luftspule erhöht. Dadurch kann die Anzahl der Windungen kleiner sein, was den elektrischen Widerstand und damit auch die Wärmeerzeugung bei Stromfluss verringert.
Bevorzugt weisen alle Ausnehmungen im Wesentlichen die gleiche Gestalt und/oder die gleichen Abmessungen auf.
Eine im Wesentlichen gleiche Gestalt der Ausnehmungen kann dadurch realisiert werden, dass beispielsweise jede der Abmessungen einer Ausnehmung in drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen sich um maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, von der entsprechenden Abmessung irgendeiner der anderen Ausnehmungen unterscheidet. Weiterhin kann das Merkmal dadurch realisiert werden, dass sich das Volumen von jeder der Ausnehmungen um maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, vom Volumen irgendeiner der anderen Ausnehmungen unterscheidet.
Weiterhin können die Ausnehmungen auch so ausgestaltet werden, dass sie zwar eine unterschiedliche Gestalt aufweisen, sich jedoch die Ausdehnung in axialer Richtung von jeder der Ausnehmungen um maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, von der Ausdehnung in axialer Richtung irgendeiner der anderen Ausnehmungen unterscheidet. Alternativ oder ergänzend kann sich die größte Ausdehnung in Umfangsrichtung an der Innenseite der zylinderförmigen Öffnung von jeder der Ausnehmungen um maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 %, von der größten Ausdehnung in Umfangsrichtung an der Innenseite der zylinderförmigen Öffnung von irgendeiner der anderen Ausnehmungen unterscheiden.
Bevorzugt weisen die Ausnehmungen alle eine geometrisch ähnliche Gestalt auf, beispielsweise die Gestalt eines länglichen Quaders, eines (Dreiecks-)Prismas, oder eines (Halb-)Zylinders.
Es hat sich herausgestellt, dass das vorhandene Rückstellmoment bzw. Rastmoment umso geringer ist, je höher die Symmetrie des Stators ist.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei den Ausnehmungen um Nuten, von denen jede einen Öffnungswinkel aufweist, der größer oder gleich (360°/n)*0,5 und kleiner oder gleich (360°/n)*0,7 ist.
Ein Öffnungswinkel kann dabei beispielsweise als ein Winkel definiert werden, dessen Scheitelpunkt auf der Drehachse liegt und dessen Schenkel die Ränder der Nut an jenen Stellen berühren, an denen diese die Innenseite der zylinderförmigen Öffnung schneiden. Mit Rändern der Nut sind dabei jene Seiten gemeint, die an einen Zahn grenzen. Dieser Winkel kann z.B. erhalten werden, indem man den Durchmesser der Ausnehmung bzw. Nut in Umfangsrichtung an der die zylinderförmige Öffnung definierenden Wandung (entsprechend einer Teilkreislänge) durch den Abstand der Wandung von der Drehachse R (entsprechend dem Radius) teilt. Insbesondere können dabei alle Nuten den gleichen Öffnungswinkel aufweisen oder aber die Öffnungswinkel können unterschiedlich sein, solange jeder der Öffnungswinkel innerhalb des angegebenen Bereichs variiert.
Weiter bevorzugt handelt es sich bei den Ausnehmungen um Nuten, die mit einer 8-zähligen Symmetrie rund um den Rotor angeordnet sind und von denen jede einen Öffnungswinkel aufweist, der größer oder gleich 25° und kleiner oder gleich 32° ist.
Insbesondere können dabei alle Nuten den gleichen Öffnungswinkel aufweisen oder aber die Öffnungswinkel können unterschiedlich sein, solange jeder der Öffnungswinkel innerhalb des angegebenen Bereichs variiert.
Weiter bevorzugt unterscheiden die Öffnungswinkel der Nuten sich maximal um einen Faktor 1,3 voneinander. Noch weiter bevorzugt unterscheiden sich die Öffnungswinkel zweier beliebiger Nuten um maximal 3° voneinander. Mit solch einer Ausgestaltung lässt sich eine besonders hohe Symmetrie des Stators erreichen.
Weiter bevorzugt weist im Bereich von Stellwinkeln, die kleiner als 7°, bevorzugt kleiner als 9°, weiter bevorzugt kleiner als 15° sind, der Stator keine Ausnehmungen an der Wandung der zylinderförmigen Öffnung auf.
Dies ist gleichbedeutend damit, dass für die angegebenen Bereiche von Stellwinkeln die Innenseite der zylinderförmigen Öffnung durch einen Zahn ausgebildet wird, mit anderen Worten die Wandung der zylinderförmigen Öffnung nicht durchbrochen ist. Dabei entspricht die Nullstellung in dieser Anmeldung der Drehstellung des Rotors, in der die Richtung der Feldlinien des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds an der Position der Drehachse auf der Richtung der Feldlinien des durch die elektrische Spule erzeugten Magnetfelds senkrecht steht. Die Nullstellung entspricht einem Drehwinkel von 0°.
Bei einer optionalen Ausgestaltung variiert die radiale Abmessung der Ausnehmungen.] Mit radialer Abmessung ist hier die größte Abmessung senkrecht zur Richtung der Drehachse gemeint. Insbesondere können Ausnehmungen bzw. Nuten, die keine Windungen einer elektrischen Spule enthalten, dies sind sogenannte Leernuten, eine geringere radiale Abmessung (also Tiefe) aufweisen als Ausnehmungen bzw. Nuten, die Windungen einer elektrischen Spule enthalten.
Weiter bevorzugt ist n größer als 4 und die der Nullstellung nächstgelegenen Ausnehmungen weisen keine Windungen der mindestens einen elektrischen Spule auf und eine gegenüber den übrigen Ausnehmungen verringerte radiale Abmessung auf.
Die der Nullstellung nächstgelegenen Ausnehmungen sind jene Ausnehmungen, die in Umfangsrichtung zu den beiden Stellen der Wandung des Stators benachbart sind, die in einer Richtung senkrecht zu den Feldlinien des durch den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds getrennt durch den Luftspalt an den Rotor angrenzen, wenn die Spule(n) im unbestromten Zustand ist/sind. Damit gibt es also vier nächstgelegene Ausnehmungen.
Durch solch eine Ausgestaltung der Ausnehmungen bzw. Nuten können Eisenverluste verringert werden, die durch Flussdichtevariationen erzeugt werden, welche im Bereich der Leernuten durch Bewegung und/oder Stromänderungen auftreten. Außerdem kann eine größere Torsionssteifigkeit und Wärmekapazität des Stators erzielt werden.
Weiter bevorzugt enthält mindestens eine der Ausnehmungen ein Wärmeableitmaterial. Als Wärmeableitmaterial können beispielsweise Einleger aus Kupfer oder Aluminium zum Einsatz kommen. Ebenfalls ist es möglich, Wärme statt mit einem Wärmeableitkörper über ein durchgeleitetes Fluid (beispielsweise Wasser oder Öl als Wärmeableitmaterial) abzuleiten, beispielsweise indem entsprechende Rohrleitungen in den Nuten verlegt sind. Ferner wäre es auch denkbar, die Wärme mittels eines durch die Rohrleitungen hindurchgeleiteten Gases, z.B. Luft, abzuleiten.
Dadurch kann für eine verbesserte Wärmeableitung gesorgt werden.
Weiter bevorzugt weist mindestens einer der Bereiche, die in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen angeordnet sind, mindestens eine Bohrung darin auf.
Basierend auf der weiter oben gegebenen Definition des Begriffs „Zahn“ ist somit in mindestens einem der Zähne mindestens eine Bohrung vorhanden. Solche eine Bohrung kann zum Einen zwei in Umfangsrichtung benachbarte Nuten miteinander verbinden. Zum Anderen kann sich eine Bohrung auch in axialer Richtung erstrecken, also parallel zur Drehachse. Insbesondere in solch einem Fall kann auf diese Weise eine Bohrung auch zur Verringerung des Rückstellmoments bzw. Rastmoment beitragen.
Es sei noch erwähnt, dass Bohrungen auch in einer Zwischenwand vorhanden sein können, durch welche Ausnehmungen in axialer Richtung unterteilt sind.
Weiter bevorzugt weist mindestens eine Bohrung ein Wärmeableitmaterial darin auf. Als Wärmeableitmaterial können beispielsweise Einleger aus Kupfer oder Aluminium zum Einsatz kommen. Ebenfalls ist es möglich, Wärme über ein durchgeleitetes Fluid (beispielsweise Wasser oder Öl als Wärmeableitmaterial) abzuleiten, beispielsweise in dem entsprechende Rohrleitungen in den Nuten verlegt sind. Ferner wäre es auch denkbar, die Wärme mittels eines durch die Rohrleitungen hindurch geleiteten Gases, z.B. Luft, abzuleiten.
Dadurch kann für eine verbesserte Wärmeableitung gesorgt werden.
Weiter bevorzugt weisen die Ausnehmungen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse einen rechteckigen Querschnitt auf. Alternativ zur rechteckigen Gestalt kann die Form der Ausnehmungen, insbesondere Nuten, auch so gewählt werden, dass ihre radialen Begrenzungen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse mit den Schenkeln eines Winkels zusammenfallen, dessen Scheitelpunkt sich auf der Drehachse befindet. Mit anderen Worten, die Gestalt kann im Wesentlichen kreisringsegmentförmig sein, wobei die Begrenzungen in Umfangsrichtung nicht zwingend gekrümmt sein müssen, sondern z.B. auch plan sein können.
Weiter bevorzugt weist die radiale Abmessung der Ausnehmungen einen Wert auf, der zwischen 25% und 75% des Durchmessers des Rotors liegt.
Mit der radialen Abmessung einer Ausnehmung ist hier die maximale Abmessung in radialer Richtung gemeint. Dies bezieht sich - wie auch weiter oben bei anderen Bezugnahmen auf eine Radialrichtung - auf ein Zylinder-Koordinatensystem, dessen z-Achse mit der Drehachse zusammenfällt.
Für den Fall, dass der Rotor nicht eine kreiszylindrische Außenfläche hat, ist mit Durchmesser des Rotors der Maximaldurchmesser des Rotors gemeint.
Weiter bevorzugt liegt der radiale Abstand zwischen den dem Rotor abgewandten Enden der Ausnehmungen und der Außenseite des Stators zwischen 150% und 250% des Minimums des linearen Abstands der Schenkel der Öffnungswinkel von jeweils zwei benachbarten Ausnehmungen, gemessen am rotorseitigen Ende der Ausnehmungen.
Auf diese Weise wird für eine hinreichende Torsionssteifigkeit und Wärmekapazität des Stators gesorgt. Noch mehr Statormaterial zwischen den dem Rotor abgewandten Enden der Ausnehmungen und der Außenseite des Stators beeinflusst nicht wesentlich das elektromagnetische Verhalten, wirkt sich aber nachteilig auf das Wärmeableitverhalten aus.
Bei einer möglichen Abwandlung weist der Dreh-Stellantrieb einen verdrillten Rotor und/oder einen verdrillten Stator auf.
Der Begriff „verdrillter Stator“ bezieht sich dabei auf einen Stator, bei dem die Ausnehmungen bzw. Nuten nicht parallel zur Drehachse verlaufen, sondern in Abhängigkeit von der Position in axialer Richtung eine unterschiedliche Position in Umfangsrichtung haben. In gleicher Weise kann der Rotor mit Nuten versehen sein, die nicht parallel zur Drehachse verlaufen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 zeigt den schematischen Aufbau eines im Stand der Technik bekannten Dreh-Stellantriebs.
2 zeigt einen schematischen Schnitt in Axialrichtung durch einen möglichen erfindungsgemäßen Dreh-Stellantrieb.
3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Dreh-Stellantriebs von 2 für den Einsatz als Galvanometerantrieb.
4 zeigt einen schematischen Schnitt senkrecht zur Axialrichtung durch einen möglichen erfindungsgemäßen Dreh-Stellantrieb.
5 veranschaulicht mittels zweier schematischer Schnitte senkrecht zur Axialrichtung eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

2 zeigt einen die Drehachse des Rotors enthaltenden schematischen Schnitt in Axialrichtung durch einen Dreh-Stellantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein aus einem diametral magnetisierten Permanentmagneten bestehender Rotor 110 ist im Innern eines Stators 130 angeordnet, welcher im Wesentlichen zur Aufnahme des Rotors 110 in einer zylinderförmigen Öffnung die Gestalt eines Hohlzylinders hat, dessen innere Wandung 200 die zylinderförmige Öffnung nach außen begrenzt. Dabei ist der Rotor mittels zweier Lager 140 und 150 so gehaltert, dass er sich um eine Drehachse R, die in 1 horizontal mittig durch den Rotor verläuft, gegenüber der Statoreinheit 130 drehen kann. In der vorliegenden Anmeldung wird die Richtung der Drehachse R als Axialrichtung bezeichnet und Richtungen senkrecht zu dieser Achse als Radialrichtungen.
3 zeigt beispielhaft die Verwendung des in 2 gezeigten Dreh-Stellantriebs in einem Galvanometer, indem an dem Rotor 110 stirnseitig ein Spiegel 1000 angebracht ist, durch dessen Verdrehung ein auf den Spiegel auftreffender Laserstrahl zu einem anderen Ort gelenkt werden kann (z.B. in einem Scanner).
Zur Veranschaulichung des Unterschieds zu dem in 1 gezeigten Stand der Technik zeigt 4 einen Querschnitt senkrecht zur Drehachse des Rotors durch den Dreh-Stellantrieb von 2. Im Unterschied zur 2 ist in 4 ein zwischen Rotor 110 und Stator 130 vorhandener Luftspalt 115 explizit dargestellt. Dieser ist zwischen der Außenseite des zylindrischen Rotors 110 und der Wandung 200 des Stators 130, die die zylinderförmige Öffnung nach außen begrenzt, vorhanden.
Insbesondere erkennt man in 4 Ausnehmungen 135a, 135b,135c, die sich von der Wandung 200 zur Außenseite 400 des Stators 130 erstrecken. Die Ausnehmungen im Ausführungsbeispiel von 4 weisen dabei in einer Ebene senkrecht zur Drehachse R einen rechteckigen Querschnitt auf und sind zum Rotor 110 hin offen, weshalb sie im Folgenden auch als Nuten bezeichnet werden. In 4 sind die insgesamt acht Nuten in Umfangsrichtung mit gleichem Abstand zueinander angeordnet. Dadurch erhält der Aufbau des Stators eine 8-zählige Symmetrie, insbesondere da alle Nuten in Gestalt und Abmessungen gleich zueinander sind.
Wie in 4 schematisch angedeutet ist, sind in den beiden Nuten 135a die Windungen einer ersten elektrischen Spule 136 angeordnet und in den beiden Nuten 135b die Windungen einer zweiten elektrischen Spule 137 angeordnet. Wenn ein Strom durch die beiden Spulen fließt (im bestromten Zustand), dann wird dadurch eine Änderung des Magnetfelds in den Spulen 136, 137 bewirkt, woraufhin der aus dem Permanentmagneten ausgebildete Rotor 110 eine Drehbewegung gegenüber dem Stator 130 ausführt. Dabei zeigt 4 die Nullstellung des Rotors, die dieser einnimmt, wenn kein Strom durch die Spulen 136, 137 fließt (im unbestromten Zustand). In 4 sind dann die magnetischen Feldlinien des Rotors in der Vertikalrichtung ausgerichtet. Als Referenzlinie zur Kennzeichnung der Nullstellung ist in 4 eine auf den magnetischen Feldlinien und der Drehachse R senkrecht stehende horizontale Nulllinie L0 eingezeichnet.
Bei dem Dreh-Stellantrieb gemäß 4 kann durch die Einbettung der Spulen in Nuten die Verlustwärme der Spulen besser abgeführt werden. Durch den im Vergleich zum Aufbau in 1 deutlich verringerten Luftspalt ergibt sich darüber hinaus bei gleicher Anzahl an Windungen eine höhere Drehmomentkonstante. Infolge der höheren Induktivität kann ferner die Anzahl der Windungen verringert werden, woraus ein geringerer Ohm'scher Widerstand und eine geringere Wärmeentwicklung resultieren. Dadurch wird es möglich, die Dynamik beim Betrieb des Dreh-Stellantriebs zu erhöhen und infolge der verringerten Temperaturen beim Betrieb die Genauigkeit der Einstellung des gewünschten Stellwinkels verbessert, da die Temperatureinflüsse geringer sind.
Damit den genannten möglichen Vorteilen nicht der Nachteil eines erhöhten Rast- bzw. Rückstellmoments gegenüber steht, sind beim Dreh-Stellantrieb gemäß 4 zusätzlich noch die Ausnehmungen bzw. Nuten 135c angebracht, in denen keine Windungen einer Spule angeordnet sind. Hierdurch wird ein Aufbau mit hoher Symmetrie erzielt, welcher wiederum zu einem geringen, im Idealfall verschwindend kleinen, Rastmoment bzw. Rückstellmoment führt. Es sei noch erwähnt, dass bei dem Querschnitt in 2 die Nuten 135c gezeigt sind.
Auch wenn es für die Erzielung einer hohen Symmetrie vorteilhaft ist, wenn die Ausnehmungen eine Gestalt und Größe haben, die möglichst wenig variiert, so haben Versuche gezeigt, dass die symmetrische Anordnung der Nuten einen wesentlichen Einfluss für die Erzielung eines kleinen Rast- bzw. Rückstellmoments hat. Dabei wurden in Versuchen gute Resultate mit einer 4-zähligen, 8-zähligen, 12-zähligen oder 16-zähligen Symmetrie erzielt, wichtig ist also eine Anzahl der Ausnehmungen, die ein Vielfaches von 4 ist. Theoretisch ließe sich die Anzahl der Ausnehmungen auch noch über 16 hinaus erhöhen. Von Bedeutung ist hierbei auch, dass bei einem Dreh-Stellantrieb der Stellwinkel in der Regel kleiner als +/-30° (manchmal kleiner als +/-20°) ist. Es muss also lediglich innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs für ein geringes Rast- bzw. Rückstellmoment gesorgt werden.
Von Vorteil ist es, wenn, wie in 4 gezeigt, in Nullstellung des Rotors 110 in einer Richtung senkrecht zu den Feldlinien des Permantmagneten (also in Verlängerung der Nulllinie L0) an der Innenfläche des Stators ein sog. Zahn 139, also ein Zwischenbereich zwischen zwei Nuten, vorhanden ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die an dieser Stelle angeordneten beiden Zähne (in der Figur links bei „9 Uhr“ und rechts bei „3 Uhr“) möglichst einen großen Durchmesser in Umfangsrichtung (an der die zylinderförmige Öffnung definierenden Wandung 200) aufweisen. Der mögliche Durchmesser wird dabei durch die Tatsache begrenzt, dass die Nuten symmetrisch angeordnet sein müssen, eine 4-zählige Symmetrie lässt z.B. einen größeren Durchmesser zu als eine 8-zählige Symmetrie.
Wenn der Rotor von der Nullstellung abweicht, wie in der 5 dargestellt, dann wachsen die Flussdichtevariationen an, da die Felder von Permanentmagnet und Spulen dann stärker aufeinander ausgerichtet sind. Versuche haben gezeigt, dass man den daraus resultierenden Eisenverlusten entgegenwirken kann, indem man die Tiefen der nächstgelegenen Nuten geringer wählt, wie aus der rechten Hälfte der 5 hervorgeht. Obwohl durch die verringerten Tiefen der Nuten in der rechten Hälfte der 5 die Symmetrie eigentlich gestört ist, ergab sich, dass die Rast- bzw. Rückstellmomente beim Aufbau der rechten Hälfte der 5 nur geringfügig größer waren als beim Aufbau der linken Hälfte der 5.
Was die explizite Ausgestaltung der Nuten anbelangt, so haben Versuche gezeigt, dass hier der Öffnungswinkel α eine Rolle spielt.
Der Öffnungswinkel α sollte dabei so gewählt werden, dass er zwischen (360°/n)*0,5 und (360°/n)*0,7 liegt, wobei n die Werte 4, 8, 12, 16, ... annehmen kann. Mit anderen Worten, das Verhältnis des Durchmessers einer Nut in Umfangsrichtung (an der die zylinderförmige Öffnung definierenden Wandung 200) zum Durchmesser eines Zahns in Umfangsrichtung (an der die zylinderförmige Öffnung definierenden Wandung 200) sollte zwischen 1 und 7/3 liegen.
Wie bereits erwähnt, spielt die Symmetrie der Anordnung der Nuten die wichtigste Rolle. Entsprechend können die Öffnungswinkel in dem oben angegebenen Bereich variieren, ohne einen allzu großen Zuwachs bei den Rast- bzw. Rückstellmomenten in Kauf nehmen zu müssen. Gleiches gilt für die Nuttiefen. Sie sollten allerdings so gewählt werden, dass sie zwischen 25 % und 75 % des Durchmessers des Rotors 110 liegen. Weiterhin sollte beachtet werden, dass für eine hinreichende Dicke des Stators 130 im Bereich der Nuten gesorgt wird. So sollte der Abstand zwischen dem Boden der Nut und der Außenseite des Stators 150 % des Durchmessers in Umfangsrichtung eines zu der Nut benachbarten Zahns nicht unterschreiten.
Die geometrische Gestalt der Nuten muss nicht rechteckig sein. Beispielsweise können die Ausnehmungen/Nuten einen kreisringsegmentförmigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere sind auch andere Geometrien denkbar, solange für eine hinreichende Symmetrie gesorgt wird. Wie im Falle der Öffnungswinkel und Nuttiefen bedeutet dies auch, dass die Geometrie der Nuten in gewissen Grenzen innerhalb eines Stators variiert werden kann, ohne allzu große Rast- bzw. Rückstellmomente in Kauf nehmen zu müssen.
Auch wenn in den Figuren die Ausnehmungen 135a, 135b und 135c zum Rotor 110 hin offen, sind, so ist es auch möglich, jeweils eine dünne Wand (bevorzugt dünner als 1 mm) am rotorseitigen Ende der Ausnehmungen vorzusehen. Daraus können sich Vorteile bei der Herstellung des Stators ergeben. Unabhängig davon können auch noch zusätzlich Bohrungen in axialer Richtung im Stator (insbesondere in den Zähnen) vorgesehen werden. Diese Bohrungen haben ebenfalls einen geringfügigen Effekt auf das Rast- bzw. Rückstellmoment. Insbesondere können diese Bohrungen auch dazu genützt werden, Wärme aus dem Stator abzuführen, beispielsweise indem man Materialien mit besonders hoher Wärmeleitung (z.B. Kupfer) in die Bohrungen einbringt oder aber mittels eines Fluids (z.B. Wasser oder Gas) Wärme abtransportiert.
Es sei noch erwähnt, dass die Zuordnung eines Öffnungswinkel zu Ausnehmungen auch dann möglich ist, wenn die an eine Ausnehmung angrenzenden Zähne am Rand zur Ausnehmung etwas abgerundet sind. In solch einem Fall können fiktive „Ecken“ an den Rändern der Ausnehmung an der Innenseite der zylinderförmigen Öffnung (also der Wandung 200) dadurch festgelegt werden, dass mittels einer Verlängerung von Wandabschnitten der Ausnehmung in einiger Entfernung zur Wandung 200 und einer Fortsetzung der Wandung 200 fiktive Schnittpunkte konstruiert werden, die als „Ecken“ dienen, zwischen denen dann der Durchmesser in Umfangsrichtung für die Ausnehmung zur Festlegung des Öffnungswinkels bestimmt wird. Abhängig von der Geometrie der Ausnehmungen und Zähne weiß der Fachmann hier, wie er in der Praxis im Detail vorzugehen hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202013000369 U1 [0002, 0004]

Claims

Dreh-Stellantrieb mit beschränktem Stellwinkel mit: einem um eine Drehachse, welche sich in axialer Richtung erstreckt, drehbaren Rotor, bestehend aus einem sich in axialer Richtung erstreckenden zweipoligen diametral magnetisierten Permanentmagneten, wobei der Rotor mittels eines Lagermechanismus gelagert ist, einem den Permanentmagneten umgebenden Stator mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden zylinderförmigen Öffnung zur Aufnahme des Rotors und mindestens einer elektrischen Spule, die bei Erregung dem Rotor ein bidirektionales Drehmoment verleihen kann, wobei der Stator an der Wandung der zylinderförmigen Öffnung eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, die sich in axialer Richtung erstrecken, wobei die Mehrzahl von Ausnehmungen durch vier teilbar ist und die Ausnehmungen mit einer n-zähligen Symmetrie rund um den Rotor angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist, die durch vier teilbar ist, wobei mindestens zwei Ausnehmungen Windungen der mindestens einen elektrischen Spule enthalten, wobei ein Rückstellmoment oder ein Rastmoment des Dreh-Stellantriebs im unbestromten Zustand der mindestens einen Spule für Stellwinkel, die kleiner als ±30° sind, einen Wert aufweist, der geringer als 5 %, bevorzugt geringer als 1 %, des Nennmoments des Dreh-Stellantriebs ist.
Dreh-Stellantrieb nach Anspruch 1, wobei alle Ausnehmungen im Wesentlichen die gleiche Gestalt und/oder die gleichen Abmessungen aufweisen.
Dreh-Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei den Ausnehmungen um Nuten handelt, von denen jede einen Öffnungswinkel aufweist, der größer oder gleich (360°/n)*0,5 und kleiner oder gleich (360°/n)*0,7 ist.
Dreh-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei den Ausnehmungen um Nuten handelt, die mit einer 8-zähligen Symmetrie rund um den Rotor angeordnet sind und von denen jede einen Öffnungswinkel aufweist, der größer oder gleich 25° und kleiner oder gleich 32° ist.
Dreh-Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Öffnungswinkel der Nuten sich maximal um einen Faktor 1,3 voneinander unterscheiden.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Bereich von Stellwinkeln, die kleiner als 7°, bevorzugt kleiner als 9°, weiter bevorzugt kleiner als 15° sind, der Stator keine Ausnehmungen an der Wandung der zylinderförmigen Öffnung aufweist.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die radiale Abmessung der Ausnehmungen variiert.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei n größer als 4 ist und die der Nullstellung nächstgelegenen Ausnehmungen keine Windungen der mindestens einen elektrischen Spule aufweisen und eine gegenüber den übrigen Ausnehmungen verringerte radiale Abmessung aufweisen.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Ausnehmungen ein Wärmeableitmaterial enthält.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Bereiche, die in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen angeordnet sind, mindestens eine Bohrung darin aufweist.
Dreh-Stellantrieb nach Anspruch 10, wobei mindestens eine Bohrung ein Wärmeableitmaterial darin aufweist.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmungen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die radiale Abmessung der Ausnehmungen einen Wert aufweist, der zwischen 25% und 75% des Durchmessers des Rotors liegt.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der radiale Abstand zwischen den dem Rotor abgewandten Enden der Ausnehmungen und der Außenseite des Stators zwischen 150% und 250% des Minimums des linearen Abstands der Schenkel der Öffnungswinkel von jeweils zwei benachbarten Ausnehmungen, gemessen am rotorseitigen Ende der Ausnehmungen, liegt.
Dreh-Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem verdrillten Rotor und/oder einem verdrillten Stator.