Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft allgemein elektromechanische Vorrichtungen und insbesondere elektromechanische Vorrichtungen, die aus mehreren Ständerteilstücken gebildet sind, um den Einbau einer elektrischen Spule zu erleichtern und die Rotorleistung zu verbessern.This invention relates generally to electromechanical devices, and more particularly to electromechanical devices formed from a plurality of stator sections to facilitate installation of an electrical coil and to improve rotor performance.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Elektromechanische Drehstellglieder sind allgemein bekannt und kommen in vielfältigen Industrie- und Verbraucheranwendungen zum Einsatz. Besonders nützlich sind sie auf dem Gebiet der optischen Abtastung, wo ein optisches Element an einer Stellgliedausgangswelle angebracht ist, die dann auf schwingende Weise hin und her gedreht wird.Electromechanical rotary actuators are well known and used in a variety of industrial and consumer applications. Particularly useful in the field of optical scanning, where an optical element is mounted on an actuator output shaft, which is then oscillated to and fro.
Beispielsweise wird verbreitet ein Spiegel an der Ausgangswelle eines Drehstellglieds angebracht, um ein optisches Abtastsystem zu erzeugen. Bei dieser Anwendung kann die Stellglied/Spiegel-Kombination einen Lichtstrahl über einen Bereich von Winkeln umlenken oder das Sichtfeld einer Kamera umlenken, so dass sie vielfältige Ziele beobachten kann.For example, a mirror is widely mounted on the output shaft of a rotary actuator to produce an optical scanning system. In this application, the actuator / mirror combination can redirect a beam of light over a range of angles or redirect the field of view of a camera so that it can observe multiple targets.
Auch andere optische Elemente können an der Ausgangswelle angebracht sein. Zum Beispiel kann ein Prisma oder ein optisches Filter an der Welle angebracht sein, und die Drehung der Stellgliedwelle kann den Winkel des Prismas oder Filters variieren. Kommt ein dielektrisches Filter zum Einsatz, verschiebt die Änderung des Filtereintrittswinkels die Durchlassbereichs- bzw. Bandpasswellenlängenkennlinie nach oben oder unten, wodurch das optische System auf eine spezielle Wellenlänge abgestimmt werden kann. Alternativ kann das Prisma oder Filter vollständig in den Strahlenweg und aus ihm gedreht werden, was selektives Filtern des Strahls ermöglicht.Other optical elements may also be attached to the output shaft. For example, a prism or optical filter may be attached to the shaft, and the rotation of the actuator shaft may vary the angle of the prism or filter. When a dielectric filter is used, the change of the filter entrance angle shifts the pass band characteristic up or down, whereby the optical system can be tuned to a specific wavelength. Alternatively, the prism or filter can be rotated completely into and out of the beam path, allowing for selective filtering of the beam.
Noch eine weitere Anwendung ist, einen Arm an der Stellgliedausgangswelle anzubringen, wobei der Arm aus opakem Material hergestellt ist, z. B. geschwärztem Metall. Durch die Drehung der Stellgliedwelle wird der Arm in den Strahlenweg und aus ihm gedreht, was für eine Verschlusswirkung sorgt.Yet another application is to attach an arm to the actuator output shaft, the arm being made of opaque material, e.g. B. blackened metal. The rotation of the actuator shaft rotates the arm into and out of the beam path, providing a shutter action.
Viele bekannte Drehstellglieder stellen nur zwei diskrete Drehwinkel bereit, und das Drehstellglied bezweckt, die Ausgangswelle zwischen diesen beiden Winkeln gewissermaßen auf digitale Ein-Aus-Weise zu variieren. Gewöhnlich gehen diese Stellglieder mit einer Art von mechanischer Stoßwirkung (Vibration) einher, wenn die drehende Trägheitslast am Ende der Winkelbewegung plötzlich zum Stillstand kommen muss. Für optische Anwendungen ist dieser mechanische Stoß überaus unerwünscht, da dieser Stoß mit anderen optischen Elementen gekoppelt werden kann, was Störungen sowie akustische Störgeräusche erzeugt.Many known rotary actuators provide only two discrete angles of rotation, and the rotary actuator is intended to somewhat vary the output shaft between these two angles in a digital on-off manner. Usually these actuators are associated with some sort of mechanical impact (vibration) when the rotating inertia load suddenly stops at the end of the angular movement. For optical applications, this mechanical shock is highly undesirable because this shock can be coupled with other optical elements, producing noise and acoustic noise.
Neben stoßfreier Betätigung ist es in Anwendungen mit optischer Abtastung auch erwünscht, dass der erreichbare Drehwinkelbereich auf analoge Weise praktisch unendlich sowie steuerbar und wiederholbar ist. Mitunter könnte ein Drehwinkel von 5 Grad benötigt werden, und ein andermal könnte ein Drehwinkel von 10 Grad nötig sein. Dann wieder könnte ein Zwischenwinkel notwendig sein, z. B. 6,54 Grad.In addition to bumpless actuation, it is also desirable in optical scanning applications that the achievable rotational angle range be virtually infinite and controllable and repeatable in an analogous manner. Sometimes a rotation angle of 5 degrees might be needed, and another time a rotation angle of 10 degrees might be needed. Then again, an intermediate angle might be necessary, for. B. 6.54 degrees.
Bei einem praktisch unendlichen erwünschten Bereich von Ausgangswinkeln ist ein gewisses Verfahren zum Kontrollieren des Stellglied-Ausgangswinkels auf der Grundlage eines externen Signals erforderlich. Dazu gibt es zwei Verfahren – Steuerung im offenen und im geschlossenen Kreis bzw. Steuerung und Regelung.With a virtually infinite desired range of output angles, some method of controlling the actuator output angle based on an external signal is required. There are two methods for this - open and closed loop control or closed-loop control.
Beim Einsatz von Steuerung muss das Stellglied allgemein einen gewissen federartigen Rückstellmechanismus haben, so dass ohne anliegenden Strom am Stellglied der federartige Mechanismus die Welle auf einen Nennwinkel zurückstellt. Wird dann der Eingangsstrombetrag variiert, der am Stellglied anliegt, variiert dies den vom Stellglied erzeugten Drehmomentbetrag und variiert somit den auf die Feder ausgeübten Drehmomentbetrag, was dann den Ausgangswinkel des Stellglieds steuert. Auf diese Weise besteht eine direkte Beziehung zwischen dem vom Stellglied erzeugten Ausgangswinkel und dem am Stellglied anliegenden Eingangsstrom. Allerdings hängt der Linearitätsgrad der Steuerung stark von der Drehmoment-Winkel-Kennlinie des Stellglieds und auch von der Drehmoment-Winkel-Kennlinie des federartigen Rückstellmechanismus ab. Hystereseeffekte in den Materialien oder im Aufbau können ebenfalls die Beziehung zwischen Ausgangswinkel und Eingangsstrom beeinträchtigen und somit die Wiederholbarkeit herabsetzen. Und schließlich hängt die Geschwindigkeit der Steuerung vom Überschwingbetrag ab, der zulässig ist. Sind höhere Geschwindigkeiten erforderlich, werden normalerweise ausgereiftere Steuerverfahren benötigt, um dem System künstlich Dämpfung zuzufügen und Überschwingungen einzudämmen.When using control, the actuator must generally have a certain spring-like return mechanism, so that without any current on the actuator spring-like mechanism resets the shaft to a nominal angle. Then, as the input current amount applied to the actuator varies, this varies the amount of torque produced by the actuator and thus varies the amount of torque applied to the spring, which then controls the output angle of the actuator. In this way, there is a direct relationship between the output angle produced by the actuator and the input current applied to the actuator. However, the degree of linearity of the control depends largely on the torque-angle characteristic of the actuator and also on the torque-angle characteristic of the spring-like return mechanism. Hysteresis effects in the materials or construction can also affect the relationship between output angle and input current, and thus reduce repeatability. And finally, the speed of the control depends on the amount of overshoot that is allowed. When higher speeds are required, more sophisticated control techniques are usually needed to artificially dampen the system and reduce overshoots.
Beim Einsatz von Regelung muss das Stellglied einen Winkelpositionssensor beinhalten, der allgemein extern angebracht ist. Dann legt ein Servosystem Strom am Stellglied an, um die Welle in einer Richtung zu bewegen, so dass die Differenz zwischen dem externen Sollwinkel und dem durch den Winkelpositionssensor erfassten Stellgliedausgangswinkel minimiert ist. Regelung kann viel größere Geschwindigkeit, Linearität und Wiederholbarkeit bieten, ist aber natürlich wegen des erforderlichen Winkelpositionssensors und der Servosteuerelektronik komplizierter und teurer.When using control, the actuator must include an angular position sensor, which is generally externally mounted. Then, a servo system applies current to the actuator to move the shaft in one direction so that the difference between the external target angle and the actuator output angle detected by the angular position sensor is minimized. Control can be much greater speed, linearity and repeatability offer, but of course because of the required angular position sensor and the servo control electronics more complicated and expensive.
Unabhängig vom Einsatz von Steuerung oder Regelung ist es auf dem Gebiet der optischen Abtastung erwünscht, dass die Leistung des Stellglieds vorhersagbar ist, wenn externer Strom wegfällt – z. B. Rückstellen der Ausgangswelle in eine mittlere Nennwinkelposition. Bei vielen bekannten Stellgliedern sorgt eine Metallfeder für diesen Mittenrückstellvorgang, die eine Schraubenfeder, Blattfeder oder ein Torsionsstab sein kann. Bei noch anderen bekannten Stellgliedern kommen der magnetische Aufbau oder zusätzliche Magnete zum Einsatz, um das Stellglied mittig zurückzustellen.Regardless of the use of control or regulation, it is desirable in the field of optical sensing that the performance of the actuator be predictable when external power is removed - e.g. B. resetting the output shaft in a mean nominal angular position. Many known actuators provide a metal spring for this center reset operation, which may be a coil spring, leaf spring, or a torsion bar. In still other known actuators, the magnetic structure or additional magnets are used to reset the actuator centered.
Während für den Mittenrückstellmechanismus Metallfedern eine lineare Rückstellkraft-Winkel-Kennlinie über einen Bereich von Winkeln vorsehen können, gibt es einen endlichen Winkelbereich, über den sie wunschgemäß arbeiten können, der normalerweise 25 Grad oder weniger beträgt. Den konstruktiv vorgesehenen Winkelbereich zu überschreiten führt zu stark verkürzter Lebensdauer oder sogar zu sofortigem Bruch der Feder. Obwohl magnetische Aufbautechniken oder zusätzliche Magnete für eine Mittenrückstellwirkung ohne Ermüdung oder Bruch sorgen können, ist die Rückstellkraft-Winkel-Kennlinie allgemein nicht linear und kann durchaus stark nicht linear sein.While for the center reset mechanism, metal springs can provide a linear restoring force-angle characteristic over a range of angles, there is a finite range of angles over which they can operate as desired, typically 25 degrees or less. Exceeding the design angular range leads to greatly reduced life or even immediate breakage of the spring. Although magnetic buildup techniques or additional magnets can provide a center reset effect without fatigue or breakage, the restoring force-angle characteristic is generally non-linear and may well be highly nonlinear.
Auf dem Gebiet der optischen Abtastung und auch auf anderen Gebieten kann es erwünscht sein, dass das Stellglied einen möglichst breiten Winkelausgangsbereich bereitstellt. Ist ein Spiegel an der Ausgangswelle angebracht, sorgt ein breiterer Winkel vom Stellglied für einen breiteren Abtastwinkel. Ist ein opakes Element am Stellglied angebracht, sorgt ein breiterer Winkel vom Stellglied für einen größeren Verschlussgrad. Allerdings wurden bisher keine bekannten handelsüblichen Stellglieder ermittelt, die einen Winkelbereich über rund ±25 mechanische Grad zusammen mit analogem Steuervermögen bereitstellen.In the field of optical scanning and also in other fields, it may be desirable for the actuator to provide the widest possible angular output range. With a mirror attached to the output shaft, a wider angle from the actuator provides a wider scan angle. If an opaque element is attached to the actuator, a wider angle of the actuator provides for a greater degree of closure. However, no known commercial actuators have been found so far, which provide an angular range of about ± 25 mechanical degrees together with analog control capability.
Bedarf besteht an einem elektromechanischen Drehstellglied, das breite Winkelfähigkeit hat und das eine lineare Strom-Winkel-Kennlinie bereitstellen kann. Weiterhin besteht Bedarf, dass ein solches Stellglied auch eine Eigendämpfungscharakteristik hat, um die Geschwindigkeit im Gebrauch mit Steuerung im offenen Kreis zu verbessern.There is a need for an electromechanical rotary actuator which has wide angularity and which can provide a linear current-angle characteristic. Further, there is a demand that such an actuator also have an internal damping characteristic to improve the speed in use with open-loop control.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Gemäß den Lehren der Erfindung kann ein elektromechanisches Drehstellglied mit begrenzter Drehung einen Ständer mit einer Öffnung, die sich darin axial erstreckt, und mindestens zwei Zähnen mit bogenförmigen Endabschnitten aufweisen, die mindestens einen Abschnitt der Öffnung bilden. Ein Läufer hat mindestens einem diametral magnetisierten Magnet, der mit dem Ständer bidirektional betreibbar ist und sich in die Öffnung erstreckt, wobei ein ungleichmäßiger Spalt zwischen dem Magnet und den bogenförmigen Endabschnitten der Zähne gebildet ist und wobei die Form des Spalts für ein Rückstelldrehmoment sorgt, das in einer federartigen Mittenrückstellwirkung des Läufers resultiert. Eine elektrische Spule erstreckt sich um mindestens einen Abschnitt eines Zahns der mindestens zwei Zähne, wobei die elektrische Spule zum Magnetisieren des Zahns und Bereitstellen von bidirektionalem Drehmoment für den Läufer erregbar ist.In accordance with the teachings of the invention, a limited rotation electromechanical rotary actuator may include a stator having an aperture extending axially therein and at least two teeth having arcuate end portions forming at least a portion of the aperture. A rotor has at least one diametrically magnetized magnet which is bidirectionally operable with the stator and extends into the opening, wherein an uneven gap between the magnet and the arcuate end portions of the teeth is formed and wherein the shape of the gap provides for a restoring torque resulting in a spring-like center restoring action of the rotor. An electrical coil extends around at least a portion of a tooth of the at least two teeth, wherein the electrical coil is energizable to magnetize the tooth and provide bidirectional torque to the rotor.
Gemäß den Lehren der Erfindung kann ein elektromechanisches Drehstellglied einen Ständer mit einer Öffnung, die sich darin axial erstreckt, und mindestens zwei Zähnen mit bogenförmigen Endabschnitten aufweisen, die mindestens einen Abschnitt der Öffnung bilden. Ein Läufer hat mindestens einen diametral magnetisierten Magnet, der mit dem Ständer bidirektional betreibbar ist und sich in dessen Öffnung erstreckt, wobei ein allgemein ovalförmiger Spalt zwischen dem Magnet und den bogenförmigen Endabschnitten der Zähne gebildet ist und wobei der ovalförmige Spalt für ein Rückstelldrehmoment sorgt, das in einer federartigen Mittenrückstellwirkung des Läufers resultiert. Eine elektrische Spule erstreckt sich um mindestens einen Abschnitt eines Zahns der mindestens zwei Zähne, wobei die elektrische Spule zum Magnetisieren des Zahns und Bereitstellen von bidirektionalem Drehmoment für den Läufer erregbar ist.In accordance with the teachings of the invention, an electromechanical rotary actuator may include a stator having an aperture extending axially therein and at least two teeth having arcuate end portions forming at least a portion of the aperture. A rotor has at least one diametrically magnetized magnet bidirectionally operable with the stator and extending into the opening thereof, forming a generally oval shaped gap between the magnet and the arcuate end portions of the teeth, and wherein the oval shaped gap provides for a restoring torque resulting in a spring-like center restoring action of the rotor. An electrical coil extends around at least a portion of a tooth of the at least two teeth, wherein the electrical coil is energizable to magnetize the tooth and provide bidirectional torque to the rotor.
Gemäß den Lehren der Erfindung kann ein elektromechanisches Drehstellglied mit begrenzter Drehung einen Ständer mit einer Öffnung, die sich darin axial erstreckt, und mindestens zwei Zähnen mit bogenförmigen Endabschnitten aufweisen, die mindestens einen Abschnitt der Öffnung bilden. Ein Läufer hat mindestens einen diametral magnetisierten Magnet mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt, wobei der Magnet mit dem Ständer bidirektional betreibbar ist und sich in dessen Öffnung erstreckt, wobei ein ungleichmäßiger Spalt zwischen dem Magnet und den bogenförmigen Endabschnitten der Zähne gebildet ist, was dazu führt, dass der Spalt breitere Spaltabschnitte auf gegenüberliegenden ersten Seiten der Öffnung als schmalere Spaltabschnitte auf gegenüberliegenden zweiten Seiten davon hat, und wobei die Form des Spalts für ein Rückstelldrehmoment sorgt, das in einer federartigen Mittenrückstellwirkung des Läufers resultiert. Eine elektrische Spule erstreckt sich um mindestens einen Abschnitt eines Zahns der mindestens zwei Zähne, wobei die elektrische Spule zum Magnetisieren des Zahns und Bereitstellen von bidirektionalem Drehmoment für den Läufer erregbar ist. In accordance with the teachings of the invention, a limited rotation electromechanical rotary actuator may include a stator having an aperture extending axially therein and at least two teeth having arcuate end portions forming at least a portion of the aperture. A rotor has at least one diametrically magnetized magnet having a generally circular cross-section, the magnet being bidirectionally operable with the stator and extending into the opening thereof, forming an uneven gap between the magnet and the arcuate end portions of the teeth, resulting in in that the gap has wider gap portions on opposite first sides of the opening than narrower gap portions on opposite second sides thereof, and wherein the shape of the gap provides a restoring torque resulting in a spring-like center restoring action of the rotor. An electrical coil extends around at least a portion of a tooth of the at least two teeth, wherein the electrical coil is energizable to magnetize the tooth and provide bidirectional torque to the rotor.
Gemäß den Lehren der Erfindung kann eine elektromechanische Vorrichtung einen Ständer mit einer sich darin axial erstreckenden Öffnung aufweisen, wobei der Ständer mindestens zwei Zähne aufweist, wobei sich jeder Zahn der mindestens zwei Zähne zur Öffnung erstreckt. Der Ständer verfügt über mehrere Ständerteilstücke mit einem ersten Ständerteilstück, das einen ersten Vorsprung in Abstandsbeziehung mit einem ersten Zahn hat, und/oder einem zweiten Ständerteilstück, das einen zweiten Vorsprung in Abstandsbeziehung mit einem zweiten Zahn hat. Der erste Vorsprung hat einen ersten Hohlraum darin zum Aufnehmen des zweiten Vorsprungs darin, und der zweite Vorsprung hat einen entsprechenden zweiten Hohlraum darin zum Aufnehmen des ersten Vorsprungs darin auf überlappende Weise, um das erste Ständerteilstück mit dem zweiten Ständerteilstück einteilig zu bilden. Ein Läufer kann eine Welle mit einem diametral magnetisierten Magnet aufweisen, der sich in die Öffnung erstreckt. Eine elektrische Spule erstreckt sich um mindestens einen Abschnitt eines Zahns, wobei die elektrische Spule zum Magnetisieren des mindestens einen Zahns erregbar ist.In accordance with the teachings of the invention, an electromechanical device may include a stator having an aperture extending axially therein, the stator having at least two teeth, each tooth of the at least two teeth extending toward the aperture. The stand has a plurality of post sections having a first post section having a first protrusion in spaced relationship with a first tooth and / or a second post section having a second protrusion in spaced relation with a second tooth. The first projection has a first cavity therein for receiving the second projection therein, and the second projection has a corresponding second cavity therein for receiving the first projection therein in an overlapping manner to integrally form the first stator section with the second stator section. A rotor may comprise a shaft with a diametrically magnetized magnet extending into the aperture. An electrical coil extends around at least a portion of a tooth, wherein the electrical coil is excitable to magnetize the at least one tooth.
Gemäß den Lehren der Erfindung kann eine elektromechanische Vorrichtung mehrere Ständerteilstücke aufweisen, wobei ein erstes Ständerteilstück einen ersten Vorsprung in Abstandsbeziehung mit einem ersten Zahn aufweist, wobei der erste Vorsprung einen ersten Hohlraum darin aufweist, und wobei ein zweites Ständerteilstück einen zweiten Vorsprung in Abstandsbeziehung mit einem zweiten Zahn aufweist, wobei der zweite Vorsprung einen zweiten Hohlraum darin hat. Eine elektrische Spule ist um mindestens einen Abschnitt eines Zahns des ersten und zweiten Zahns gebildet, wobei die elektrische Spule zum Magnetisieren des mindestens einen Zahns erregbar ist. Der erste Vorsprung des ersten Ständerteilstücks ist im zweiten Hohlraum des zweiten Ständerteilstücks platziert, und der zweite Vorsprung des zweiten Ständerteilstücks ist im ersten Hohlraum des ersten Ständerteilstücks auf überlappende Weise platziert, was dazu führt, dass das erste Ständerteilstück mit dem zweiten Ständerteilstück einteilig gebildet ist, um einen Ständer mit mindestens zwei Zähnen und einer Öffnung zwischen freien Enden davon zu bilden.According to the teachings of the invention, an electromechanical device may include a plurality of stator sections, wherein a first stator section has a first projection in spaced relationship with a first tooth, the first projection having a first cavity therein, and wherein a second stator section has a second projection in spaced relationship with one second tooth, wherein the second projection has a second cavity therein. An electrical coil is formed around at least a portion of a tooth of the first and second teeth, wherein the electrical coil is excitable to magnetize the at least one tooth. The first projection of the first stator section is placed in the second cavity of the second stator section, and the second projection of the second stator section is placed in the first cavity of the first stator section in an overlapping manner, resulting in the first stator section integrally formed with the second stator section, to form a stand having at least two teeth and an opening between free ends thereof.
Eine Ausführungsform kann ein elektromagnetisches Stellglied aufweisen, dessen Winkelbewegungsbereich ±80 mechanische Grad übersteigt und dessen Aufbau es vorteilhaft leicht zusammenzubauen und vorteilhaft billig herzustellen macht. Ausführungsformen können eine lineare Ausgangswinkel-Eingangsstrom-Kennlinie vorsehen und können auch für Eigendämpfung sorgen.One embodiment may include an electromagnetic actuator whose angular range of motion exceeds ± 80 mechanical degrees and whose structure makes it advantageous to assemble easily and advantageously to manufacture cheaply. Embodiments may provide a linear output angle input current characteristic and may also provide for internal damping.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die folgende nähere Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Es zeigen:For a better understanding of the invention, reference should be made to the ensuing detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings which illustrate various embodiments of the invention. Show it:
1 das elektromechanische Stellglied der Erfindung; 1 the electromechanical actuator of the invention;
2 eine explodierte Ansicht des Stellglieds der Erfindung; 2 an exploded view of the actuator of the invention;
3 eine weitere explodierte Ansicht des Stellglieds der Erfindung; 3 another exploded view of the actuator of the invention;
4 eine Läuferanordnung der Erfindung mit einem Magnet und einer Welle; 4 a rotor assembly of the invention having a magnet and a shaft;
5 schematisch einen magnetischen Kreis gemäß den Lehren der Erfindung; 5 schematically a magnetic circuit according to the teachings of the invention;
6A und 6B die einzelnen Ständerteilstücke – in diesem Fall eine linke Hälfte und rechte Hälfte der Ständeranordnung; 6A and 6B the individual stand sections - in this case a left half and right half of the stand assembly;
7 die Draufsicht auf eine einzelne Lamelle mit angegebenen Merkmalen; 7 the top view of a single lamella with specified characteristics;
8 die Art und Weise, wie die Lamellen in Schichten angeordnet und wie sie mit Spitze und Buchse abwechselnd Schicht für Schicht gestapelt sind, um ein Ständerteilstück zu bilden; 8th the manner in which the lamellae are arranged in layers and how they are alternately stacked with the tip and sleeve layer by layer to form a stator section;
8A und 8B die Art und Weise, wie die Lamellen in Schichten mit Spitze und Buchse abwechselnd Schicht für Schicht gepaart zusammenkommen, um den Ständer zu bilden; 8A and 8B the manner in which the lamellae in layers with tip and socket come together alternately layer by layer to form the stator;
9 und 9A Ausführungsformen mit vier Polen bzw. drei Zähnen gemäß den Lehren der Erfindung; 9 and 9A Four pole or three tooth embodiments according to the teachings of the invention;
9B eine Möglichkeit, wie die Ausführungsform mit vier Polen in Teilstücke geteilt sein kann; 9B a way in which the four pole embodiment may be divided into sections;
10 eine Ständeranordnung der Erfindung mit zwei Ständerteilstücken; 10 a stator assembly of the invention with two stator sections;
10A die Draufsicht auf Lamellen, die zu einer Ständeranordnung zusammengebaut sind, unter Angabe der Überlappungsfläche der Lamellenschichten; 10A the plan view of slats, which are assembled into a stator assembly, indicating the overlapping surface of the slat layers;
11 und 11A alternative Ausführungsformen für Lamellen, die gemäß den Lehren der Erfindung verwendet werden können; 11 and 11A alternative embodiments for fins that may be used in accordance with the teachings of the invention;
12 eine geschlitzte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die Spulen nicht um radial nach innen weisende Zähne platziert, sondern die Spulen sind in Schlitzen platziert, die radial außerhalb des Läufermagneten liegen. 12 a slotted embodiment of the invention. In this embodiment, the coils are not placed around radially inwardly facing teeth, but the coils are placed in slots that are radially outward of the rotor magnet.
12A zeigt eine Möglichkeit, wie die geschlitzte Ausführungsform in Teilstücke geteilt sein kann; 12A shows one way in which the slotted embodiment can be divided into sections;
13 einen magnetischen Kreis, dessen Luftspalt ringsherum gleich ist; 13 a magnetic circuit whose air gap is the same all around;
14 einen magnetischen Kreis, dessen Luftspalt elliptisch ist – d. h. links und rechts breiter als oben und unten; 14 a magnetic circle whose air gap is elliptical - ie wider on the left and right than on the top and bottom;
15 das Rückstelldrehmoment-Winkel-Profil (absolut betrachtet) des Stellglieds der Erfindung; 15 the return torque-angle profile (in absolute terms) of the actuator of the invention;
16 einen magnetischen Kreis mit asymmetrischen Luftspalten, der einen diametral entgegengesetzten Abschnitt, dessen Luftspalt ringsherum gleich ist, und einen weiteren diametral entgegengesetzten Abschnitt hat, dessen Luftspalt elliptisch ist; 16 a magnetic circuit with asymmetric air gaps having a diametrically opposite section whose air gap is equal around and a further diametrically opposite section whose air gap is elliptical;
17 das Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profil des Stellglieds der Erfindung; 17 the output torque-angle profile of the actuator of the invention;
18 das Rückstelldrehmomentraten-Winkel-Profil (relativ betrachtet) des Stellglieds der Erfindung; und 18 the return torque rate-angle profile (in relative terms) of the actuator of the invention; and
19 ein Ausgangswinkel-Eingangsspannungs-Profil als Beispiel für ein Stellglied gemäß den Lehren der Erfindung. 19 an output angle input voltage profile as an example of an actuator according to the teachings of the invention.
Nähere Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenFurther description of the preferred embodiments
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen vollständiger beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Gleichwohl kann die Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und sollte nicht so aufgefasst werden, als sei sie auf die hier vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. Statt dessen sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit die Offenbarung gründlich und vollständig ist, und sie vermitteln dem Fachmann umfassend den Schutzumfang der Erfindung. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen durchweg gleiche Elemente.The invention will be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which preferred embodiments of the invention are shown. However, the invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments presented herein. Instead, these embodiments are provided so that the disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals refer to like elements throughout.
Zunächst wird anhand von 1, 2, 3 und 4 eine Ausführungsform der Erfindung hier beispielhaft als elektromechanisches Drehstellglied 10 beschrieben, das eine Läuferanordnung 12 mit einer Welle 14 und mindestens einem Magneten 16 aufweist, der mit der Welle betreibbar ist. Eine Ständeranordnung 18 weist mindestens zwei Ständerteilstücke 20, 22 auf, wobei jedes Ständerteilstück über einen Zahn 24, 26 verfügt, der sich zum Magnet 16 erstreckt. Ein erster und zweiter Vorsprung 28, 30 von jedem der Ständerteilstücke 20, 22 sind durch eine verschachtelte Zusammenfügung abwechselnder benachbarter Lamellen 32, 34 einteilig gebildet, die die Ständerteilstücke 20, 22 bilden. Die Vorsprünge 28, 30 sind von jedem Zahn 24, 26 beabstandet. Jeder Zahn 24, 26 in jedem Ständerteilstück 20, 22 weist ein konkaves geformtes freies Ende 36, 38 auf, die zusammen eine Öffnung 40 bilden, die den Magnet 16 aufnimmt, was gemäß 5 näher dargestellt ist. Elektrische Spulen 42, 44 erstrecken sich um jeden Zahn 24, 26 in jedem der Ständerteilstücke 20, 22.First, based on 1 . 2 . 3 and 4 an embodiment of the invention here by way of example as an electromechanical rotary actuator 10 described that a runner arrangement 12 with a wave 14 and at least one magnet 16 has, which is operable with the shaft. A stand arrangement 18 has at least two stand sections 20 . 22 on, with each stand section over a tooth 24 . 26 which turns into a magnet 16 extends. A first and second lead 28 . 30 from each of the stand sections 20 . 22 are by a nested assembly of alternating adjacent lamellae 32 . 34 formed in one piece, the stand sections 20 . 22 form. The projections 28 . 30 are from every tooth 24 . 26 spaced. Every tooth 24 . 26 in each stand section 20 . 22 has a concave shaped free end 36 . 38 put on an opening together 40 form the magnet 16 picks up what according 5 is shown in more detail. Electric coils 42 . 44 extend around each tooth 24 . 26 in each of the stand sections 20 . 22 ,
Zu beachten ist, dass die Begriffe links, rechts, oben und unten hier in der Beschreibung so verwendet werden, dass sie das Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung beim Studium der Beschreibung und Betrachten der Zeichnungen erleichtern sollen. Diese Begriffe beziehen sich allgemein auf die Zeichnung und sollen keine Einschränkung darstellen.It should be noted that the terms left, right, top and bottom are used herein in the specification to facilitate understanding of embodiments of the invention in the study of describing and viewing the drawings. These terms generally refer to the drawing and are not intended to be limiting.
Mit weiterem Bezug auf 1–3 verfügt das hier als Beispiel beschriebene Stellglied 10 über die Läuferanordnung 12 und die Ständeranordnung 18 mit einer Läuferstütze 46 sowie ein Gehäuse 48 mit einer Vorderfläche 50 und einer Rückfläche 52. Die Vorderfläche 50 und Rückfläche 52 sind mit Hilfe von Gehäuseschrauben 54, hier mit 54A, 54B, 54C und 54D angegeben, und Gehäuseröhren 56, hier mit 56A, 56B, 56C und 56D angegeben, aneinander befestigt. Wie mit weiterem Bezug auf 2 und 3 beschrieben, weist die Läuferstütze 46 Kugellager auf. Löcher 58, hier mit 58A, 58B, 58C und 58D angegeben, befinden sich in der Vorderfläche 50 und Rückfläche 52 zum Aufnehmen der Röhren 56. Wie später in diesem Abschnitt näher beschrieben wird, sind Mittelstreben 60, hier zwei Streben 60A, 60B, zwischen den Flächen 50, 52 verbunden. Die vier Gehäuseröhren 56 sind durch Löcher 62 in den Lamellen 32, 34 geleitet. Darstellungsgemäß können vier, sechs oder andere Anzahlen von Löchern 62 nach Bedarf vorhanden sein. Die Gehäuseröhren 56 halten die Lamellen 32, 34 in einer erwünschten Ausrichtung. Ferner durchlaufen die Gehäuseröhren 56 die Löcher 58 in den Gehäuseflächen 50, 52. Die Gehäuseschrauben 54 halten diese Kombination aus Aufbauelementen zusammen.With further reference to 1 - 3 has the actuator described here as an example 10 over the rotor arrangement 12 and the stator assembly 18 with a runner support 46 as well as a housing 48 with a front surface 50 and a back surface 52 , The front surface 50 and back surface 52 are with the help of housing screws 54 , herewith 54A . 54B . 54C and 54D indicated, and housing tubes 56 , herewith 56A . 56B . 56C and 56D indicated, attached to each other. As with further reference to 2 and 3 described, indicates the runner support 46 Ball bearing on. holes 58 , herewith 58A . 58B . 58C and 58D indicated, are in the front surface 50 and back surface 52 for picking up the tubes 56 , As will be described later in this section, are middle struts 60 , here two struts 60A . 60B , between the surfaces 50 . 52 connected. The four housing tubes 56 are through holes 62 in the slats 32 . 34 directed. As shown, four, six or other numbers of holes 62 be available as needed. The housing tubes 56 hold the slats 32 . 34 in a desired orientation. Further, the housing tubes go through 56 the holes 58 in the housing surfaces 50 . 52 , The housing screws 54 keep this combination of building elements together.
Zu beachten ist, dass es andere mögliche Verfahren zum Halten der Ständeranordnung 18 in genauer Ausrichtung im Hinblick auf die Läuferanordnung 12 gibt, weshalb trotz der Verwendung des hier beschriebenen Gehäuses 48 in einer beispielhaften Ausführungsform dies keine Einschränkung bedeuten soll. Jede bekannte Möglichkeit zum Zusammenhalten der Stellgliedkomponenten kann zum Einsatz kommen.It should be noted that there are other possible methods of holding the stator assembly 18 in exact alignment with regard to the rotor arrangement 12 why, despite the use of the housing described here 48 in an exemplary embodiment, this is not a limitation should mean. Any known possibility for holding together the actuator components can be used.
Wie zuvor beschrieben und mit weiterem Bezug auf 2 und 3 verfügt das Stellglied 10 auch über die Läuferstütze 46. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Läuferstütze 46 Kugellager auf, die auf der Ausgangswelle 14 und optional auf einer Hilfswelle 14A angeordnet und an der Vorderfläche 50 bzw. Rückfläche 52 zum Aufhängen der Läuferanordnung 12 in einer genauen, mittigen Radialposition angebracht sind, während die Läuferanordnung frei drehen kann. Jedoch ist zu beachten, dass auch eine Biegung als Läuferstütze 46 verwendet werden kann.As previously described and with further reference to 2 and 3 has the actuator 10 also over the runner support 46 , In a preferred embodiment, the runner support 46 Ball bearings on the output shaft 14 and optionally on an auxiliary shaft 14A arranged and on the front surface 50 or rear surface 52 for hanging the rotor assembly 12 are mounted in a precise, central radial position, while the rotor assembly can rotate freely. However, it should be noted that a bend as a runner support 46 can be used.
Wie zuvor beschrieben und erneut anhand von 4 veranschaulicht, weist die Läuferanordnung 12, der drehende Abschnitt des Stellglieds 10, die Ausgangswelle 14 und den Läufermagnet 16 auf. Alternative Ausführungsformen können auch die Hilfswelle 14A aufweisen, auf der bei Bedarf beispielsweise ein Winkelpositionssensor oder andere Außenaufbauten angebracht sein können.As previously described and again with reference to 4 illustrates, the rotor assembly 12 , the rotating section of the actuator 10 , the output shaft 14 and the runner magnet 16 on. Alternative embodiments may also be the auxiliary shaft 14A may be mounted on the need, for example, an angular position sensor or other external structures.
Mit weiterem Bezug auf 4 kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Läufermagnet 16 ein einzelner, massiver, zylindrischer Magnet mit einem einzelnen Nordpol 64 und einem einzelnen Südpol 66 sein, was anhand von 5 dargestellt ist. Der Magnet 16 kann so magnetisiert sein, dass er für einen Radialfluss sorgt, weshalb der Magnet ”diametral” magnetisiert ist, was den Nordpol 64 bildet, der zum Südpol 66 diametral entgegengesetzt liegt. Beschreibungsgemäß bildet dadurch der diametral magnetisierte Magnet 16 Flusslinien 66, die sich allgemein in einer Richtung durch den Magnet erstrecken, was mit erneutem Bezug auf 5 gezeigt ist. Obwohl ein zylinderförmiger Läufermagnet 16 bevorzugt ist, funktionieren auch andere Formen, z. B. eine Form, bei der die Seiten mit abgeflachten Oberflächen abgeflacht sind. Möglich ist auch, mehrere Magnete zu verwenden, solange sie so magnetisiert und ausgerichtet sind, dass sie für die Flusslinien 66 in der gewünschten Orientierung sorgen, was später näher beschrieben wird. Obwohl zudem eine bevorzugte und beispielhafte Ausführungsform den zweipoligen Magnet 16 verwendet, ist es auch möglich, einen Läufermagnet mit einer größeren Anzahl von Polen zu verwenden, solange die Anzahl von Ständerzähnen 24, 26 entsprechend eingestellt ist.With further reference to 4 may in a preferred embodiment of the rotor magnet 16 a single, massive, cylindrical magnet with a single north pole 64 and a single South Pole 66 be what is based on 5 is shown. The magnet 16 can be magnetized to provide a radial flux, which is why the magnet is "diametrically" magnetized, which is the north pole 64 that forms to the south pole 66 is diametrically opposed. As described, this forms the diametrically magnetized magnet 16 flow lines 66 , which extend generally in one direction through the magnet, with renewed reference to 5 is shown. Although a cylindrical rotor magnet 16 is preferred, other forms, for. B. a shape in which the sides are flattened with flattened surfaces. It is also possible to use several magnets, as long as they are magnetized and aligned so that they are for the flux lines 66 in the desired orientation, which will be described later. In addition, although a preferred and exemplary embodiment is the bipolar magnet 16 used, it is also possible to use a rotor magnet with a larger number of poles, as long as the number of stator teeth 24 . 26 is set accordingly.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet 16 aus gesintertem Neodym-Eisen-Bor-Material hergestellt. Dies sorgt für eine vorteilhaft hohe Flussausgabe und ermöglicht, dass das Stellglied 10 bei Temperaturen im Bereich von rund –55 Grad Celsius bis über +100 Grad Celsius je nach Güte des Magnetmaterials arbeitet. Allerdings können andere Materialien für den Magnet 16 verwendet werden, z. B. AlNiCo, Samarium-Cobalt, Keramikmaterialien u. ä. Die Materialien für den Magnet 16 können auch gebunden bzw. gesintert sein, beispielsweise gebundenes bzw. gesintertes Neodym-Eisen-Bor oder gebundenes bzw. gesintertes Samarium-Cobalt, was für niedrigere Läuferträgheit, aber auch für niedrigere Flussausgabe und damit niedrigere Drehmomentausgabe sorgen würde.In a preferred embodiment, the magnet 16 made of sintered neodymium-iron-boron material. This provides an advantageously high flow output and allows the actuator 10 works at temperatures in the range of about -55 degrees Celsius to over +100 degrees Celsius depending on the quality of the magnetic material. However, other materials for the magnet 16 be used, for. B. AlNiCo, samarium cobalt, ceramic materials u. ä. The materials for the magnet 16 may also be bonded or sintered, for example neodymium-iron-boron-bonded or sintered samarium-cobalt, which would provide lower rotor inertia but also lower flux output and thus lower torque output.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgangswelle 14 und optionale Hilfswelle 14A aus Edelstahl hergestellt, wenngleich praktisch jedes Material verwendet werden kann, solange das Material dem durch das Stellglied 10 erzeugten Drehmoment und jeder mit dem Stellglied verbundenen externen Last in der Betriebsumgebung widerstehen kann.In a preferred embodiment, the output shaft 14 and optional auxiliary shaft 14A made of stainless steel, although virtually any material can be used as long as the material through the actuator 10 generated torque and any external load connected to the actuator in the operating environment can withstand.
Ferner können die Ausgangswelle 14 und optionale Hilfswelle 14A mit dem Magnet 16 einteilig ausgebildet sein oder können am Magnet mit Hilfe von Kleber, z. B. Epoxidharz, angebracht sein. Jedoch kann jeder bekannte Kleber verwendet werden, solange er dem Drehmoment und allen Seitenlasten widerstehen kann, die auf die Läuferanordnung 12 wirken. Möglich ist auch, eine Läuferanordnung 12 mit einer einzelnen Welle zu erzeugen, die sich durch ein Loch im Magnet 16 erstreckt, oder mit einer einzelnen Welle, auf der mehrere Magnete angebracht sind.Furthermore, the output shaft 14 and optional auxiliary shaft 14A with the magnet 16 be formed in one piece or can on the magnet with the help of adhesive, z. As epoxy resin, be appropriate. However, any known adhesive may be used as long as it can withstand the torque and any side loads imposed on the rotor assembly 12 Act. It is also possible, a runner arrangement 12 to produce with a single wave extending through a hole in the magnet 16 extends, or with a single shaft on which a plurality of magnets are mounted.
Mit erneutem Bezug auf 4 hat in einer beispielhaften Ausführungsform der Läufermagnet 16 einen Durchmesser 70 von 0,25 Inch und eine Axiallänge 72 von 1 Inch, und die Ausgangswelle 14 und Hilfswelle 14A haben einen Durchmesser 74 von 0,187 Inch und eine Axiallänge 76, die sich 0,75 Inch in jeder Axialrichtung erstreckt. Die resultierende Läuferträgheit beträgt 0,55 Gramm-Quadratzentimeter. Obwohl diese Parameter auf eine beispielhafte hergestellte Ausführungsform zutreffen, sollen sie keine Einschränkung darstellen.With renewed reference to 4 In one exemplary embodiment, the rotor magnet has 16 a diameter 70 of 0.25 inches and an axial length 72 of 1 inch, and the output shaft 14 and auxiliary shaft 14A have a diameter 74 of 0.187 inches and an axial length 76 which extends 0.75 inches in each axial direction. The resulting rotor inertia is 0.55 gram-square centimeter. Although these parameters apply to an exemplary manufactured embodiment, they are not intended to be limiting.
Mit erneutem Bezug auf 1–3 und nunmehr auf 6A und 6B weist die Ständeranordnung 18, der Abschnitt des Stellglieds 10, der relativ zur Läuferanordnung 12 feststehend bleibt, mehrere dünne Metallstreifen auf, hier Lamellen 32, 34 genannt, was zuvor beschrieben wurde. Die zu den Ständerteilstücken 20, 22 zusammengebauten Lamellen 32, 34 sind in eine gewünschte Form gebracht, um einen magnetischen Kreis 78 zu verstärken, was mit erneutem Bezug auf 5 gezeigt ist. Die Form jeder Lamelle 32, 34 kann durch Metallstanzen, Laserschneiden, Photoätzen, Wasserstrahlschneiden oder andere bekannte Verfahren zur Bildung einer Form aus Blech erzeugt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lamellen 32, 34 aus einem als M-19 bekannten Siliciumstahlmaterial hergestellt, einem speziell für Motoren und elektrische Transformatoren hergestellten Material. Gleichwohl funktionieren viele unterschiedliche Materialien, solange das Material magnetisch leitend ist. Zu einigen möglichen Alternativmaterialien zählen kaltgewalzter Stahl (beispielsweise Q-195) und magnetischer Edelstahl (zum Beispiel Edelstahl 416).With renewed reference to 1 - 3 and now up 6A and 6B has the stator assembly 18 , the section of the actuator 10 that is relative to the rotor assembly 12 remains stationary, several thin metal strips on, here slats 32 . 34 called what has been previously described. The to the stand sections 20 . 22 assembled lamellae 32 . 34 are brought into a desired shape around a magnetic circle 78 reinforce what with renewed reference to 5 is shown. The shape of each lamella 32 . 34 can be produced by metal stamping, laser cutting, photo etching, water jet cutting or other known methods for forming a sheet from sheet metal. In a preferred embodiment, the fins are 32 . 34 made from a silicon steel material known as M-19, one especially for motors and engines electrical transformers produced material. However, many different materials work as long as the material is magnetically conductive. Some alternative materials include cold-rolled steel (for example Q-195) and magnetic stainless steel (for example, stainless steel 416).
Wie hier beschrieben, wird als Beispiel ein geschichteter bzw. lamellarer Aufbau 80, der einen Abschnitt der Ständeranordnung 18 gemäß 1 bildet, durch Zusammenfügen geschichteter bzw. lamellarer Aufbauten 80A, 80B für die Ständerteilstücke 20, 22 durch selektives Einschieben des ersten und zweiten Vorsprungs 28, 30 erzeugt, was zuvor gemäß 2 und 3 beschrieben wurde und nun mit weiterem Bezug auf 6A und 6B und nunmehr 7 und 8 näher dargestellt wird.As described herein, a lamellar structure will be exemplified 80 containing a section of the stand assembly 18 according to 1 forms, by assembling layered or lamellar structures 80A . 80B for the stand sections 20 . 22 by selectively inserting the first and second projections 28 . 30 generates what was previously according to 2 and 3 has been described and now with further reference to 6A and 6B and now 7 and 8th is shown in more detail.
Gemäß 7 und 8 hat jede Lamelle 32, 34 einen spitzenförmigen Vorsprung 28 und einen einsatz- bzw. buchsenförmigen Vorsprung 30. Für die hier als Beispiel beschriebene Ausführungsform hat jedes einen Zahn 24, 26, zuvor anhand von 2 und 3 beschrieben, der radial nach innen weist. Wie zuvor beschrieben, sind die Ständerteilstücke 20, 22 durch Stapeln der Lamellen 32, 34 Schicht für Schicht gemäß 8 so gebildet, dass sich in jeder zweiten Schicht die spitzenförmigen Vorsprünge 28 und buchsenförmigen Vorsprünge 30 abwechseln, was 6A und 6B für geschichtete Lamellen 80A, 80B zeigen. Zu beachten ist, dass dies zwar ein bevorzugtes Aufbauverfahren ist, aber andere Stapelverfahren auch möglich sind, darunter beispielsweise ein Verfahren, bei dem zwei Lamellen 34 nach rechts weisende spitzenförmige Vorsprünge 28 haben, gefolgt von zwei Lamellen 32, die nach links weisende spitzenförmige Vorsprünge 28 haben. Danach werden die Ständerteilstücke 20, 22 mit den Lamellen 80A, 80B zusammengeschoben, um die fertiggestellte Ständeranordnung 18 mit den Lamellen 80 zu bilden, was mit erneutem Bezug auf 1 gezeigt ist.According to 7 and 8th has every slat 32 . 34 a pointed protrusion 28 and a cartridge-shaped projection 30 , For the embodiment described here by way of example, each has a tooth 24 . 26 , previously based on 2 and 3 described which points radially inward. As previously described, the stand sections are 20 . 22 by stacking the lamellae 32 . 34 Layer by layer according to 8th formed so that in each second layer, the tip-shaped projections 28 and bush-shaped projections 30 take turns, what 6A and 6B for layered lamellae 80A . 80B demonstrate. It should be noted that although this is a preferred construction method, other stacking methods are also possible, including, for example, a method in which two sipes 34 right-pointing tip-shaped projections 28 have followed by two slats 32 , the left-pointing tip-shaped projections 28 to have. After that, the stand sections become 20 . 22 with the slats 80A . 80B pushed together to the finished stator assembly 18 with the slats 80 to form what with renewed reference to 1 is shown.
Als weiteres Beispiel zeigen 8A und 8B, wie die Lamellen in Schichten mit Schicht für Schicht abwechselnder Spitze und Buchse gepaart zusammenkommen, um den Ständer zu bilden.As another example show 8A and 8B how the laminations come together in layers with layer by layer of alternating tip and socket to form the stator.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind gemäß der beispielhaften Beschreibung hierin nur zwei Ständerteilstücke 20, 22 vorhanden, ein rechtes bzw. linkes Ständerteilstück. Dies ist die bevorzugte Konfiguration zur Verwendung mit der Läuferanordnung 12, deren Magnet 16 zwei Pole 64, 66 wie zuvor beschrieben hat. Allerdings ist es auch möglich, ein Stellglied 10A mit drei oder mehr Ständerteilstücken zu erzeugen, z. B. die Ausführungsform mit vier Polen gemäß 9 oder die Ausführungsform mit drei Polen gemäß 9A, solange eine Überlappungsfläche 82 in den Lamellen 80 der Ständerteilstücke vorhanden ist, was mit erneutem Bezug auf 1, 6A und 6B gezeigt ist. Gemäß 9A weist die Ausführungsform mit drei Polen beispielsweise mehrere Zähne 24, 26, 26A auf. Während zudem gemäß der vorstehenden beispielhaften Beschreibung jedes Ständerteilstück 20, 22 einen einzelnen Zahn 24, 26 aufweist, kann ein einzelnes Ständerteilstück 84 mehrere Zähne oder einen einzelnen Zahn 86 aufweisen, was anhand von 9B gezeigt ist, in der ein Ständerteilstück 84A einen Zahn 86A aufweist, ein Ständerteilstück 84B einen Zahn 86B aufweist, ein Ständerteilstück 84C einen Zahn 86C aufweist und ein Ständerteilstück 84D einen Zahn 86D aufweist.In a preferred embodiment, according to the exemplary description herein, only two stand sections are included 20 . 22 available, a right or left stand section. This is the preferred configuration for use with the rotor assembly 12 whose magnet 16 two poles 64 . 66 as previously described. However, it is also possible to have an actuator 10A to produce with three or more stand sections, z. B. the embodiment with four poles according to 9 or the embodiment with three poles according to 9A as long as an overlap area 82 in the slats 80 the stand sections is present, what with renewed reference to 1 . 6A and 6B is shown. According to 9A For example, the three pole embodiment has multiple teeth 24 . 26 . 26A on. Moreover, while according to the above exemplary description, each stand section 20 . 22 a single tooth 24 . 26 can have a single stand section 84 multiple teeth or a single tooth 86 show, based on 9B is shown in the a stand section 84A a tooth 86A has, a stand section 84B a tooth 86B has, a stand section 84C a tooth 86C and a stand section 84D a tooth 86D having.
In typischen Ständeranordnungen, die einen Spitzen-Buchsen-Ansatz verfolgen, ist die Orientierung der Lamellen in allen Schichten gleich. Deshalb ist stets ein kleiner Luftspalt zwischen der Spitze und der Buchse vorhanden, da die Oberflächen nie so hergestellt werden können, dass sie perfekt passen. Wegen des kleinen Luftspalts ist die magnetische Permeabilität niedriger, und der magnetische Widerstand ist höher, vergleicht man sie mit einer einzelnen Lamelle, die nicht geteilt ist. Dadurch ist die Stellgliedleistung beeinträchtigt. Dagegen wechseln sich in Ausführungsformen der Erfindung die Platzierungen von Spitze 88 und Buchse 90 in jeder Lamellenschicht 32, 34 ab, was die Überlappungsfläche 82 zwischen den Lamellen 32, 34 erzeugt, was mit erneutem Bezug auf 1, 6A und 6B gezeigt ist. Obwohl ein kleiner Luftspalt zwischen der Spitze 41 und Buchse 42 in einer einzelnen Lamellenschicht vorhanden ist, z. B. benachbarten Schichten, ist dieser Luftspalt mit dem magnetisch leitenden Lamellenmaterial der nächsten Nachbarschicht infolge der Überlappungsfläche 82 effektiv gefüllt, was anhand von 10 und 10A näher dargestellt ist. Endergebnis ist, dass die magnetische Permeabilität und der magnetische Widerstand nahezu die gleichen wie in dem Fall sind, in dem die Lamellen nicht in mehrere Ständerteilstücke geteilt ist. Die Überlappungsfläche 82 kann mit jeder Länge hergestellt sein, allgemein aber sorgt ein größerer Überlappungsbetrag für erhöhte Leistung.In typical stator assemblies employing a tip bushing approach, the orientation of the blades in all layers is the same. Therefore, there is always a small air gap between the tip and the socket, as the surfaces can never be made to fit perfectly. Because of the small air gap, the magnetic permeability is lower, and the magnetic resistance is higher when compared to a single fin that is not split. This affects the actuator performance. In contrast, in embodiments of the invention, the placements of lace alternate 88 and socket 90 in each slat layer 32 . 34 what the overlap area 82 between the slats 32 . 34 what, with renewed reference to 1 . 6A and 6B is shown. Although a small air gap between the top 41 and socket 42 is present in a single lamellae, z. B. adjacent layers, this air gap with the magnetically conductive fin material of the next adjacent layer due to the overlap surface 82 effectively filled, which is based on 10 and 10A is shown in more detail. As a result, the magnetic permeability and the magnetic resistance are almost the same as in the case where the fins are not divided into a plurality of stator sections. The overlap area 82 can be made with any length, but generally a larger overlap amount provides for increased performance.
Mit erneutem Bezug auf 5 ist der magnetische Kreis 78 durch den Läufermagnet 16 und die Ständeranordnung 18 erzeugt. Ein magnetischer Fluss 92 verlässt den Nordpol 64 des Magneten 16, überspringt einen magnetischen Luftspalt 94 und erreicht eine Oberseite des linken Zahns 26 und eine Oberseite des rechten Zahns 24. Der magnetische Fluss 92 durchläuft die Ständeranordnung 18 in Richtung zur Unterseite 96 des linken Zahns 26 und Unterseite 98 des rechten Zahns 24, wonach der Flussabschnitt 100 schließlich über den magnetischen Luftspalt 94 und zurück zum Südpol 66 des Magneten 16 springt.With renewed reference to 5 is the magnetic circle 78 through the rotor magnet 16 and the stator assembly 18 generated. A magnetic flux 92 leaves the North Pole 64 of the magnet 16 , skips a magnetic air gap 94 and reaches an upper side of the left tooth 26 and a top of the right tooth 24 , The magnetic flux 92 goes through the stator assembly 18 towards the bottom 96 of the left tooth 26 and bottom 98 of the right tooth 24 , after which the river section 100 finally over the magnetic air gap 94 and back to the South Pole 66 of the magnet 16 jumps.
Mit weiterem Bezug auf 5 und erneutem Bezug auf 2 und 3 können zur Erzeugung von Drehmomentausgabe vom Stellglied 10 die Spulen 42, 44 aus elektrisch leitendem Material um den linken Zahn 26 und/oder rechten Zahn 24 eines Ständerteilstücks 20, 22 platziert sein, und ein elektrischer Strom kann durch die linke und/oder rechte Spule geführt werden, was den jeweiligen Zahn effektiv zu einem Elektromagnet macht. Obwohl. eine einzelne Spule (die linke Spule 44 oder rechte Spule 42), die um einen einzelnen Zahn 24 oder 26 eines Ständerteilstücks 20 oder 22 platziert ist, Drehmomentausgabe erzeugt, sorgt die Platzierung einer Spule um jeden Zahn 24, 26 vorteilhaft für ein höheres Drehmoment-Ausgabevermögen und sorgt auch für größere Flexibilität für die Ansteuerelektronik, solange jeder Spulendraht für die Ansteuerelektronik zugänglich ist.With further reference to 5 and again referring to 2 and 3 can to generate torque output from the actuator 10 the spools 42 . 44 made of electrically conductive material around the left tooth 26 and / or right tooth 24 a stand section 20 . 22 be placed, and an electric current can be passed through the left and / or right coil, which effectively makes the respective tooth to an electromagnet. Even though. a single coil (the left coil 44 or right coil 42 ), which is around a single tooth 24 or 26 a stand section 20 or 22 placed, generates torque output, placing a coil around each tooth 24 . 26 advantageous for a higher torque output capacity and also provides greater flexibility for the control electronics, as long as each coil wire is accessible to the control electronics.
Wird im Hinblick auf das Stellglied 10, das die beiden Ständerteilstücke 20, 22 hat, eins links 22 und eins rechts 20, mit erneutem Bezug auf 5 ein elektrischer Strom durch die linke Spule 44 mit einer solchen Polarität geführt, dass der linke obere Zahnabschnitt 102 und linke untere Zahnabschnitt 104 nördlicher werden, so erzeugt dies ein Drehmoment im Uhrzeigersinn, da der Nordpol 64 des Magneten 16 durch die Oberseite 102 des linken Zahns 26 abgestoßen und der Südpol 66 des Magneten 16 zur Unterseite 104 des linken Zahns 26 angezogen wird. Bei Umkehr des elektrischen Stroms wird auch die Drehmomentrichtung umgekehrt. Drehmoment wird in Proportion zur elektrischen Strommenge erzeugt, die an der Spule 44 anliegt. Zu einem erwünschten Merkmal gehört, dass die Spule oder die Spulen 42, 44 zum Magnetisieren des Zahns oder der Zähne 24, 26 bidirektional erregbar sein können, um bidirektionales Drehmoment für die Läuferanordnung 12 bereitzustellen.Will with regard to the actuator 10 that the two stand sections 20 . 22 has, one left 22 and one right 20 , with renewed reference to 5 an electric current through the left coil 44 with such a polarity that the left upper tooth portion 102 and left lower tooth section 104 north, this creates a clockwise torque because the north pole 64 of the magnet 16 through the top 102 of the left tooth 26 repelled and the South Pole 66 of the magnet 16 to the bottom 104 of the left tooth 26 is attracted. When reversing the electrical current and the torque direction is reversed. Torque is generated in proportion to the amount of electrical current applied to the coil 44 is applied. One desirable feature is that the coil or coils 42 . 44 to magnetize the tooth or teeth 24 . 26 bidirectionally excitable to bidirectional torque for the rotor assembly 12 provide.
Bei typischen Stellgliedern, die Zähne haben, ist normalerweise jede Lamellenschicht massiv (d. h. nicht in mehrere Teilstücke aufgeteilt), und jede Spule muss auf einen voll zusammengebauten Ständer gewickelt werden. Eine Spule auf einen solchen Ständer zu wickeln ist schwierig und teuer, da der Draht zunächst extern vorhanden sein muss und auf jedem Zahn Windung für Windung platziert werden muss. Wegen der engen Nähe zwischen Stellgliedzähnen ist dies schwierig. Zu dem ist es auch schwierig, auf einem solchen Weg eine optimale Kupferdichtung zu erreichen. Daher ist dies ein teurerer Weg und auch einer, der zu suboptimaler Leistung führt.Typically, with typical actuators having teeth, each fin layer is solid (i.e., not divided into multiple sections), and each coil must be wound on a fully assembled stand. Winding a coil on such a stand is difficult and expensive because the wire must first be present externally and must be placed on each tooth turn by turn. This is difficult because of the close proximity between actuator teeth. It is also difficult to achieve an optimal copper seal in such a way. Therefore, this is a more expensive way and also one that leads to suboptimal performance.
Da im Gegensatz dazu der Lamellenaufbau 80 diskrete Lamellen 32, 34 aufweist, die einen Ansatz mit Spitze und Buchse für Ausführungsformen der Erfindung verwenden, ermöglicht dies, die Ständeranordnung 18 als Ständerteilstücke 20, 22 zusammenzubauen. Daher können die Spulen 42, 44 sehr leicht auf jedem Ständerteilstück 20, 22 platziert werden, da kein anderer Zahn im Weg steht. Die Spulen 42, 44 können maschinell direkt auf ein Ständerteilstück 20, 22 gewickelt werden, oder alternativ können die Spulen separat auf einen Kern gewickelt oder mit Hilfe von bindungsfähigem Magnetdraht gebildet und dann einfach auf die Zähne 24, 26 jedes Ständerteilstücks 20, 22 aufgeschoben werden. Sobald die Spulen 42, 44 an Ort und Stelle sind, können die Ständerteilstücke 20, 22 zusammengeschoben werden. Dieser Aufbau ist ein sehr billiger und leichter Weg, die Ständeranordnung 18 zusammenzubauen, und ermöglicht auch maximale Leiterdichtung und damit maximale Stellgliedleistung.In contrast, the lamellar structure 80 discrete slats 32 . 34 This allows the stator assembly to use a tip and socket approach for embodiments of the invention 18 as stand sections 20 . 22 assemble. Therefore, the coils can 42 . 44 very easy on each stand section 20 . 22 be placed because no other tooth is in the way. The spools 42 . 44 can machine directly on a stand section 20 . 22 Alternatively, the coils may be wound separately on a core or formed by means of bondable magnet wire and then simply onto the teeth 24 . 26 each stand section 20 . 22 be deferred. Once the coils 42 . 44 In place, the stand sections can 20 . 22 be pushed together. This structure is a very cheap and easy way to use the stator assembly 18 and also allows maximum conductor seal and thus maximum actuator performance.
Obwohl die Lamellen 32, 34 mit einer Spitzen-Buchsen-Konfiguration 88, 90 diskutiert wurden, ist es auch möglich, dass die Lamellen eine einfache stumpfe Kante, abgerundete Kante oder andere Vorsprungkonfigurationen haben, solange die Überlappungsfläche 82 zwischen den Lamellenschichten vorgesehen ist. Natürlich ermöglicht die Spitzen-Buchsen-Konfiguration 88, 90 leichtes Zusammenbauen und ist somit bevorzugt.Although the slats 32 . 34 with a tip socket configuration 88 . 90 It is also possible that the slats have a simple blunt edge, rounded edge or other protrusion configurations as long as the overlap surface 82 is provided between the lamellar layers. Of course, the top-jacks configuration allows 88 . 90 easy to assemble and is thus preferred.
Obwohl ferner die zuvor beschriebenen Lamellierungen eine einzelne Lamellenart veranschaulichen, die eine Spitze und eine Buchse hat, die sich abwechseln und an allen Ständerteilstücken verwendet werden, ist es auch möglich, zwei oder mehr getrennte Arten von Lamellen zu haben und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung zu fallen. Als nicht einschränkendes Beispiel zeigt 11 eine Lamelle, die allgemein den Buchstaben ”T” ohne einen ersten und zweiten Vorsprung wie zuvor beschrieben bildet, während ein weiteres, das allgemein den Buchstaben ”W” bildet, zum Paaren auf radiale Weise mit dem ”T” vorgesehen ist und den ersten und zweiten Vorsprung allgemein gleich hat. Gemäß 11A lassen sich durch Abwechseln solcher T- und W-Bleche die Lamellen 80 bilden, die zuvor anhand von 6A, 6B und 10 beschrieben wurden.Further, although the above-described sipes exemplify a single sipe type having a tip and a sleeve that alternate and are used on all the stand sections, it is also possible to have two or more separate types of sipes and still be within the scope of the invention To fall invention. As a non-limiting example shows 11 a sipe generally forming the letter "T" without first and second protrusions as described above, while another generally forming the letter "W" is provided for mating in a radial manner with the "T" and the first and second second projection in general has the same. According to 11A can be changed by alternating such T and W sheets, the slats 80 form, previously based on 6A . 6B and 10 have been described.
Als weiteres Beispiel und gemäß 12 weist ein den Lehren der Erfindung entsprechender magnetischer Kreis eine einzelne Spule 42 auf, die in einem Gebiet platziert ist, das vom Läufermagnet 16 radial nach außen liegt, so dass beide Zähne 24, 26 durch die einzelne Spule erregt werden. Diese Bauart von magnetischem Kreis kann auch in einem Ständer ausgebildet sein, der in Ständerteilstücke 20, 22 geteilt ist, was anhand von 12A veranschaulicht ist. Wie bei den anderen zuvor beschriebenen Ständerausführungsformen ermöglicht das Teilen der Ständeranordnung 18 in Teilstücke 20, 22 leichtes Einfügen der Spule 42 beim Zusammenbau. Alle in dieser Offenbarung durchweg diskutierten Betriebsgrundsätze gelten nach wie vor, und des Verständnisses halber arbeitet der linke Abschnitt von 12 und 12A genauso wie in der vorstehenden Beschreibung für den linken Zahn 26 von 5, und der rechte Abschnitt von 12 und 12A arbeitet genauso wie der rechte Zahn 24 von 5.As another example and according to 12 For example, a magnetic circuit corresponding to the teachings of the invention has a single coil 42 placed in an area of the runner magnet 16 lies radially outwards, so that both teeth 24 . 26 be excited by the single coil. This type of magnetic circuit can also be formed in a stand that in Ständererteilstücke 20 . 22 shared is what is based on 12A is illustrated. As with the other stator embodiments described above, the dividing of the stator assembly allows 18 in sections 20 . 22 easy insertion of the coil 42 when assembling. All principles of operation discussed throughout this disclosure are still valid, and for the sake of clarity, the left-hand section of FIG 12 and 12A as in the above description for the left tooth 26 from 5 . and the right section of 12 and 12A works just like the right tooth 24 from 5 ,
Mit erneutem Bezug auf 10 haben in einer beispielhaften Ausführungsform die Lamellen 80 der Ständeranordnung 18 eine Breite 80W von 1 Inch und eine Länge 80L von 1,5 Inch sowie eine Axialtiefe 80D von 0,9 Inch, wobei jede Lamelle 32, 34 0,025 Inch dick ist. Mit erneutem Bezug auf 2 und 3 sind die freistehenden Spulen 42, 44 jeweils 0,3 Inch breit und jeweils mit 500 Windungen aus bindungsfähigem Kupfermagnetdraht AWG #33 gewickelt und um jeden Zahn 24, 26 platziert. Sind die beiden Spulen 42, 44 in Reihe verbunden, beträgt der resultierende Reihenwiderstand etwa 50 Ohm, und die Induktivität beträgt etwa 190 Millihenry. Eine Spitzendrehmomentausgabe des Stellglieds 10 beträgt 1.600.000 Dyn-Zentimeter pro Ampere (22,66 Ounce-Inch pro Ampere). Obwohl diese Werte für eine beispielhafte Ausführungsform gelten, sollen sie keine Einschränkung darstellen.With renewed reference to 10 have in an exemplary embodiment, the slats 80 the stator assembly 18 a width 80W of 1 inch and one length 80L of 1.5 inches and an axial depth 80D of 0.9 inches, with each lamella 32 . 34 0.025 inches thick. With renewed reference to 2 and 3 are the freestanding coils 42 . 44 each 0.3 inches wide and each wound with 500 turns of bondable copper magnet wire AWG # 33 and around each tooth 24 . 26 placed. Are the two coils 42 . 44 connected in series, the resulting series resistance is about 50 ohms, and the inductance is about 190 millihenries. A peak torque output of the actuator 10 is 1,600,000 dynes-centimeters per ampere (22.66 ounce-inches per ampere). Although these values are for one exemplary embodiment, they are not intended to be limiting.
Um mit erneutem Bezug auf 7 die Winkelpositionshysterese zu reduzieren und somit die Winkelpositionswiederholbarkeit zu verbessern, kann jeder Lamellenzahn 24, 26 eine tiefe Kerbe oder einen tiefen Schlitz 106 beinhalten. Die tiefe Kerbe 106 erzwingt, dass Fluss vom Magnet 16 die gesamte Länge des Zahns 26 vollständig umrundet. Dies hilft auch, die Flussdichte im Zahn 24, 26 bei Änderung des Drehwinkels des Magneten 16 relativ konstant zu halten. Da die Flussdichte im Lamellenzahn 24, 26 über einen Bereich von Drehwinkeln durchweg relativ gleich bleibt, bleibt auch die magnetische Permeabilität des Lamellenmaterials relativ gleich, weshalb auch die Spuleninduktivität über einen Bereich von Drehwinkeln durchweg relativ gleich bleibt.To reference again 7 To reduce the angular position hysteresis and thus improve the angular position repeatability, each lamellar tooth can 24 . 26 a deep notch or a deep slot 106 include. The deep notch 106 enforces that flow from the magnet 16 the entire length of the tooth 26 completely surrounded. This also helps to control the flux density in the tooth 24 . 26 when changing the angle of rotation of the magnet 16 to keep relatively constant. As the flux density in the lamellar tooth 24 . 26 remains relatively constant over a range of angles of rotation, the magnetic permeability of the fin material remains relatively the same, which is why the coil inductance throughout a range of angles of rotation remains relatively constant throughout.
Ändert sich die Spuleninduktivität eines Stellglieds in Abhängigkeit vom Drehwinkel, wird dies als Induktivitätsmodulation bezeichnet. Tatsächlich ändert sich bei typischen Stellgliedern die Induktivität durchaus winkelabhängig. Ein elektromechanisches Stellglied, dessen Induktivität sich winkelabhängig nicht groß ändert, ist überaus erwünscht, weshalb dies ein Bedarf ist, dem die Erfindung nachkommt.If the coil inductance of an actuator changes as a function of the angle of rotation, this is referred to as inductance modulation. In fact, in typical actuators, the inductance changes quite angle-dependent. An electromechanical actuator whose inductance does not vary greatly with angle is highly desirable, which is why this is a need to which the invention pays.
Mit weiterem Bezug auf 7 hat die tiefe Kerbe 106 vorzugsweise eine Tiefe 108 in den Zahn 24, 26, die allgemein so tief wie die Breite 110 der Spule 42, 44 mit erneutem Bezug auf 5 ist, wenngleich auch andere Tiefen funktionieren. Die Breite 112 der Kerbe oder des Schlitzes 106 ist unkritisch. Allerdings wird aufgrund von Herstellungstechniken die Breite 112 allgemein mindestens so breit wie die Dicke der Lamellen 32, 34 sein müssen. Allgemein sollte die Breite 112 nicht breiter als ein Abstand 114 zwischen freien Enden der Zähne 24, 26 hergestellt sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die tiefe Kerbe 106 0,030 Inch breit, und der Abstand 114 zwischen Zähnen 24, 26 beträgt 0,040 Inch. Obwohl diese Maße auf eine beispielhafte Ausführungsform zutreffen, sollen sie keine Einschränkung darstellen.With further reference to 7 has the deep notch 106 preferably a depth 108 in the tooth 24 . 26 generally as deep as the width 110 the coil 42 . 44 with renewed reference to 5 is, although other depths work. The width 112 the notch or slot 106 is not critical. However, due to manufacturing techniques, the width becomes 112 generally at least as wide as the thickness of the slats 32 . 34 have to be. Generally, the width should be 112 not wider than a distance 114 between free ends of the teeth 24 . 26 be prepared. In an exemplary embodiment, the deep notch is 106 0.030 inches wide, and the distance 114 between teeth 24 . 26 is 0.040 inches. Although these dimensions apply to an exemplary embodiment, they are not intended to be limiting.
Gemäß 13 kann der zuvor anhand von 5 beschriebene magnetische Luftspalt 94 so ausgebildet sein, dass er rings um den Magnet 16 gleich ist, was 13 zeigt, oder der magnetische Luftspalt 94 kann am linken 94L und rechten 94R Abschnitt breiter im Vergleich zum Luftspalt am oberen 94T und unteren 94B Abschnitt sein, was 14 zeigt und zuvor anhand von 5 veranschaulicht wurde. Ist der magnetische Luftspalt 94 so ausgebildet, dass er rings um den Magnet 16 gleich ist, und liegt kein Strom an den Spulen 42, 44 an, so wirkt ein geringes Rückstelldrehmoment auf den Magnet, das dazu neigt, den Nordpol 64 in Winkelpositionen von +45 Grad, –45 Grad, +135 Grad und –135 Grad zu positionieren. Somit gibt es in dieser Konfiguration vier ”leicht bevorzugte” Winkelpositionen, wenn kein Strom an den Spulen 42, 44 anliegt. Als weiteres Beispiel orientiert sich der Magnet 16 so, dass er vier getrennte Positionen ”bevorzugt”. Somit liegt eine Präferenz des Magneten 16 vor. Ist aber der magnetische Luftspalt 94 auf der linken Seite, Spalt 94L, und rechten Seite, Spalt 94R, des Magneten 16 breiter ausgebildet und liegt kein Strom an den Spulen 42, 44 an, so wirkt ein starkes Rückstelldrehmoment auf den Magnet 16, das dazu neigt, den Nordpol 64 in Winkelpositionen von +90 Grad (gerade nach oben in der Zeichnungsorientierung) oder –90 Grad (gerade nach unten in der Zeichnungsorientierung) zu orientieren. Somit gibt es in dieser Konfiguration zwei ”stark bevorzugte” Winkelpositionen, wenn kein Strom an den Spulen 42, 44 anliegt. Gemäß der zuvor beschriebenen Terminologie hat der Magnet 16 eine sehr starke Präferenz für zwei getrennte Winkelpositionen. Die Stärke dieses Rückstelldrehmoments hängt davon ab, wie viel breiter der Luftspalt auf der linken Seite und rechten Seite im Vergleich zur oberen und unteren Seite ist. Diese stark bevorzugte Winkelposition sorgt für eine federartige Mittenrückstellwirkung (Rückstelldrehmoment) für das Stellglied, die überaus erwünscht ist.According to 13 can the previously based on 5 described magnetic air gap 94 be formed so that it surrounds the magnet 16 the same is what 13 shows, or the magnetic air gap 94 can on the left 94L and right 94R Section wider compared to the air gap at the top 94T and lower 94B Be section, what 14 shows and previously based on 5 was illustrated. Is the magnetic air gap 94 designed so that it surrounds the magnet 16 is the same, and there is no current on the coils 42 . 44 on, so a small restoring torque acts on the magnet, which tends to the north pole 64 in angular positions of +45 degrees, -45 degrees, +135 degrees and -135 degrees. Thus, in this configuration there are four "easy preferred" angular positions when there is no current on the coils 42 . 44 is applied. As another example, the magnet is oriented 16 so that he "prefers" four separate positions. Thus, there is a preference of the magnet 16 in front. But is the magnetic air gap 94 on the left, split 94L , and right side, gap 94R , the magnet 16 formed wider and no power is applied to the coils 42 . 44 on, so acts a strong restoring torque on the magnet 16 that tends to the North Pole 64 in angular positions of +90 degrees (straight up in the drawing orientation) or -90 degrees (straight down in the drawing orientation). Thus, in this configuration, there are two "highly preferred" angular positions when there is no current on the coils 42 . 44 is applied. According to the terminology described above, the magnet has 16 a very strong preference for two separate angular positions. The magnitude of this return torque depends on how much wider the air gap is on the left and right sides compared to the top and bottom sides. This highly preferred angular position provides for a spring-like center reset action (return torque) for the actuator which is highly desirable.
Außerdem steuert die Form (kreisförmig oder elliptisch, wie hier als Beispiel dargestellt) des magnetischen Luftspalts 94 die Linearität des Drehmoment-Winkel-Profils des Rückstelldrehmoments. Steigt der magnetische Luftspalt 94 konstant von oben/unten nach links/rechts gemäß 14, so ist das Rückstelldrehmoment-Winkel-Profil 116 glatt und annähernd sinusförmig, was anhand der Kurve von 15 gezeigt ist. Ändert sich aber der magnetische Luftspalt 94 plötzlich (d. h. hat die Form Unstetigkeiten), so hat auch das Rückstelldrehmoment-Winkel-Profil Unstetigkeiten.In addition, the shape (circular or elliptical, as shown here as an example) controls the magnetic air gap 94 the linearity of the torque-angle profile of the return torque. If the magnetic air gap rises 94 constant from top / bottom to left / right according to 14 so is the return torque-angle profile 116 smooth and nearly sinusoidal, as indicated by the curve of 15 is shown. But changes the magnetic air gap 94 suddenly (that is, the shape has discontinuities), so does the restoring torque-angle profile discontinuities.
Gemäß 16 kann eine Ausführungsform der Erfindung einen magnetischen Kreis aufweisen, dessen Luftspalt 118 asymmetrisch ist, d. h. mit einem diametral entgegengesetzten Bereich, dessen Luftspalt 118A rings um einen vorgewählten Bereich gleich ist, sowie einen weiteren diametral entgegengesetzten Bereich, dessen Luftspalt 118B sich in einem vorgewählten Bereich durchweg ändert. In einem solchen Fall unterscheidet sich das Drehmoment-Winkel-Profil für die Bewegung im Uhrzeigersinn verglichen mit der Bewegung gegen den Uhrzeigersinn. Dies kann für Anwendungen mit ”Spiegelkippung” erwünscht sein.According to 16 an embodiment of the invention may have a magnetic circuit, its air gap 118 is asymmetrical, ie with a diametrically opposite region whose air gap 118A is equal to around a preselected area, as well as another diametrically opposite area whose air gap 118B consistently changes in a selected area. In such a case, the torque-angle profile differs for the clockwise motion compared to the counterclockwise motion. This may be desirable for mirror tilt applications.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Form des magnetischen Luftspalts 94 elliptisch ausgebildet, wobei sie einen oberen und unteren Radius von 0,145 Inch sowie einen linken und rechten Radius von 0,185 Inch hat. Beim beispielhaften zylindrischen Läufermagnet 16 mit 0,25 Inch Durchmesser 70 und 1 Inch Axiallänge 72 zusammen mit einer Ständeranordnungstiefe 80D von 0,9 Inch ergibt dies ein Spitzenrückstelldrehmoment von rund 318.150 Dyn-Zentimeter oder rund 10.000 Dyn-Zentimeter pro Grad über den mittleren Bereich von Winkeln. Obwohl diese Maße und Werte auf eine beispielhafte Ausführungsform zutreffen, sollen diese keine Einschränkung darstellen.In an exemplary embodiment, the shape of the magnetic air gap is 94 elliptical, having an upper and lower radius of 0.145 inches and a left and right radius of 0.185 inches. In the exemplary cylindrical rotor magnet 16 0.25 inch diameter 70 and 1 inch axial length 72 together with a stand arrangement depth 80D 0.9 inches, this results in a peak recovery torque of about 318,150 dynes-centimeters or about 10,000 dynes-centimeters per degree over the mid-range of angles. Although these measures and values apply to an exemplary embodiment, they are not intended to be limiting.
Ferner und in Übereinstimmung mit den Lehren der Erfindung kann eine Ständeranordnung 18 einige Lamellen aufweisen, deren Luftspalt so ausgebildet ist, dass er rings um den Magnet 16 gleich ist, z. B. wie mit erneutem Bezug auf 13 beschrieben, und andere Lamellen können einen unterschiedlich ausgebildeten Luftspalt haben, z. B. den mit erneutem Bezug auf 5 beschriebenen. Weiterhin kann eine Lamelle oder eine vorgewählte Anzahl benachbarter Lamellen einen Luftspalt bilden (13), und eine weitere vorgewählte Anzahl von Lamellen kann den unterschiedlichen Luftspalt bilden (14).Further, and in accordance with the teachings of the invention, a stator assembly 18 have some fins whose air gap is formed so that it surrounds the magnet 16 is the same, z. B. as with renewed reference to 13 described, and other fins may have a differently shaped air gap, z. B. the with reference to again 5 described. Furthermore, a lamella or a preselected number of adjacent lamellae form an air gap ( 13 ), and another preselected number of fins can form the different air gap ( 14 ).
Durch Verwendung des zylindrischen Magneten 16, der diametral magnetisiert ist, ergibt sich ein sinusförmiges Fluss-Winkel-Profil. Dies erzeugt wiederum ein etwa sinusförmiges Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profil 120 für das Stellglied (wenn Strom an den Spulen 42, 44 anliegt), was 17 zeigt. Außerdem ergibt sich gemäß der vorstehenden Diskussion mit Hilfe eines magnetischen Luftspalts 94, dessen Breite von oben/unten nach links/rechts fortwährend zunimmt, ein etwa sinusförmiges federartiges Mittenrückstelldrehmoment 122, 116, was anhand von 18 und wiederum 15 gezeigt ist. Da in dieser Konfiguration die Form des Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profils 120 (wenn Strom an den Spulen anliegt) die gleiche wie das federartige Rückstelldrehmoment-Winkel-(Mittenrückstell-)Profil ist, steht als Endergebnis, dass das Ausgangswinkel-Eingangsstrom-Profil über einen Winkel von rund ±60 mechanische Grad nahezu linear ist. Beispielhaft ist ein resultierendes Ausgangswinkel-Eingangsspannungs-Profil anhand von 19 gezeigt. Der Eingangsstrom ergibt sich aus der Eingangsspannung, die beide Spulen ansteuert, die hier in Reihe geschaltet sind. Das Stellglied 10 der Erfindung hat einen Nutzbereich von über ±80 mechanische Grad mit einem gewissen Abfall der Ausgangswinkel-Eingangsstrom-Linearität. Das sehr breite Winkelvermögen und das sehr lineare Ausgangswinkel-Eingangsstrom-Profil sind sowohl ungewöhnliche als auch überaus erwünschte Aspekte der Erfindung.By using the cylindrical magnet 16 , which is diametrically magnetized, results in a sinusoidal flux-angle profile. This in turn produces an approximately sinusoidal output torque-angle profile 120 for the actuator (if current is applied to the coils 42 . 44 is present), what 17 shows. In addition, according to the discussion above, the result is a magnetic air gap 94 , whose width continuously increases from top / bottom to left / right, an approximately sinusoidal spring-like center reset torque 122 . 116 , which is based on 18 and again 15 is shown. Because in this configuration the shape of the output torque-angle profile 120 As a result, the output angle input current profile is nearly linear over an angle of about ± 60 mechanical degrees. By way of example, a resulting output angle input voltage profile is based on 19 shown. The input current results from the input voltage, which drives both coils, which are connected in series here. The actuator 10 The invention has a useful range of over ± 80 mechanical degrees with some drop in output angle input current linearity. The very wide angle capability and the very linear output angle input current profile are both unusual and highly desirable aspects of the invention.
Wie mit erneutem Bezug auf 17 veranschaulicht, sorgt ein Mittenrückstelldrehmoment 120, das sich daraus ergibt, dass der magnetische Luftspalt 94 anwachsend ausgebildet ist, durchaus für eine ”federartige” Wirkung. Gekoppelt mit der Trägheit einer externen Last erzeugt dies ein Feder-Masse-System, das eine entsprechende Resonanzfrequenz hat. Liegt ein impulsartiger Strom am Stellglied 10 an, kommt es zu Überschwingen dieses Feder-Masse-Systems und zu Schwingung mit der Resonanzfrequenz. Normalerweise kann die Schwingung mindestens 10 Zyklen anhalten, was ein typischer Kennwert von Stellgliedern mit Federrückstellung und Trägheitslasten ist. Um das Überschwingen und die Schwingung zu reduzieren, wird Dämpfung zugefügt.As with renewed reference to 17 illustrates provides a Mittenstellstelldrehmoment 120 that results from the magnetic air gap 94 is formed growing, quite for a "feathery" effect. Coupled with the inertia of an external load, this creates a spring-mass system that has a corresponding resonant frequency. Is a pulse-like current at the actuator 10 On, it comes to overshoot of this spring-mass system and oscillation with the resonance frequency. Normally, the oscillation may last for at least 10 cycles, which is a typical characteristic of spring return actuators and inertial loads. To reduce overshoot and vibration, damping is added.
Bei typischen Stellgliedern wird diese Dämpfung allgemein extern zugefügt, entweder mit Hilfe mechanischer Dämpfungsmaterialien oder mit Hilfe elektrischer Techniken, z. B. gesteuerte Ansteuerimpedanz oder Gegen-EMK-Rückkopplung. In der Erfindung können eine oder mehrere ”kurzgeschlossene Windungen” verwendet werden, um dem Stellglied Dämpfung hinzuzufügen.In typical actuators, this damping is generally added externally, either by means of mechanical damping materials or by means of electrical techniques, e.g. B. controlled drive impedance or back EMF feedback. In the invention, one or more "shorted turns" may be used to add damping to the actuator.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine dünne Kupferhülle 124 um eine oder beide Spulen 42, 44 platziert, was beispielhaft mit erneutem Bezug auf 2 veranschaulicht ist, in der sich die Hülsen 124 um einen Umfang der Spulen erstrecken. In einer beispielhaften Ausführungsform ist jede Hülse 124 0,290 Inch breit und mit 0,020 Inch dickem Kupfer hergestellt. Dies stellt grob kritische Dämpfung für das Stellglied angesichts einer typischen Trägheitslast bereit.In one embodiment of the invention is a thin copper shell 124 around one or both coils 42 . 44 placed, which by way of example with renewed reference to 2 is illustrated in which the sleeves 124 extend around a circumference of the coils. In an exemplary embodiment, each sleeve is 124 0.290 inches wide and made with 0.020 inch thick copper. This provides roughly critical damping for the actuator in the face of a typical inertia load.
Mit erneutem Bezug auf 2 und 3 verfügt eine Ausführungsform über die Mittelstreben 60A, 60B, die sich von der Gehäusevorderfläche 50 zur Gehäuserückfläche 52 erstrecken. Die elektrisch leitenden Streben 60A, 60B können ein von der Gehäusefläche beabstandetes Ende haben, wobei die Verbindung elektrisch leitender Schrauben 126, die in die Gehäuserückfläche 52 eingesetzt und an den Streben 60A, 60B angebracht sind, effektiv eine kurzgeschlossene Windung erzeugt, die sich von der Gehäusevorderfläche 50 durch die Streben 60A, 60B zur Gehäuserückfläche 52 erstreckt. Ein erwünschtes Merkmal eines solchen Aufbaus ist, dass die Schrauben 126, hier als 126A, 126B, 126C und 126D veranschaulicht, vollständig entfernt werden können, wenn Dämpfung extern vorgesehen ist, und auch der Dämpfungsgrad auf der Grundlage der Anzahl verwendeter Schrauben 126 und des Festziehens der Schrauben 126 gesteuert werden kann, von denen jede die Leitfähigkeit der kurzgeschlossenen Windung steuert.With renewed reference to 2 and 3 has an embodiment of the center struts 60A . 60B extending from the front of the housing 50 to the back of the housing 52 extend. The electrically conductive struts 60A . 60B may have an end spaced from the housing surface, the connection of electrically conductive screws 126 in the back of the housing 52 used and on the struts 60A . 60B attached effectively creates a shorted turn, extending from the housing front surface 50 through the struts 60A . 60B to the back of the housing 52 extends. A desirable feature of such a construction is that the screws 126 , here as 126A . 126B . 126C and 126D can be completely removed when damping is provided externally, and also the degree of damping based on the number of screws used 126 and tightening the screws 126 each of which controls the conductivity of the shorted turn.
Kommt in beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen ein Ansatz mit kurzgeschlossener Windung zum Einsatz, ist auch die Stellgliedinduktivität stark reduziert, besonders bei hohen Frequenzen. Beispielsweise sinkt in einer beispielhaften Ausführungsform die Induktivität bei 1 kHz von rund 190 Millihenry ohne die Technik mit kurzgeschlossener Windung auf rund 18 Millihenry mit der Technik mit kurzgeschlossener Windung.When a short-circuited winding approach is used in both embodiments described above, the actuator inductance is also greatly reduced, especially at high frequencies. For example, in an exemplary embodiment, the inductance at 1 kHz drops from around 190 millihenries without the shorted turn technique to around 18 millihenries with the shorted turn technique.
Obgleich Techniken mit kurzgeschlossenen Windungen an Stellgliedern zum Einsatz kamen, betrafen sie aber allgemein Drehspul-Stellglieder und nicht Drehmagnet-Stellglieder. Außerdem ist eine extern einstellbare Eigendämpfungswirkung ein weiterer sehr erwünschter und ungewöhnlicher Aspekt der Erfindung.Although shorted turn techniques were used on actuators, they generally concerned rotary coil actuators rather than rotary solenoid actuators. In addition, an externally adjustable self-damping effect is another very desirable and unusual aspect of the invention.
Obwohl zuvor eine nähere Beschreibung sowie Zeichnungen der Erfindung vorgestellt wurden, sollte verständlich sein, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht dadurch beschränkt, sondern durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt ist.Although a more detailed description and drawings of the invention have been presented above, it should be understood that the scope of the invention is not limited thereby, but is determined by the claims which follow.
Ferner werden dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und andere Ausführungsformen der Erfindung anhand der in den vorstehenden Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen präsentierten Lehren deutlich sein. Daher ist klar, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist und dass Abwandlungen und Ausführungsformen zum Schutzumfang der beigefügten Ansprüche gehören sollen.Furthermore, numerous modifications and other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from the teachings presented in the foregoing descriptions and accompanying drawings. It is therefore to be understood that the invention is not to be limited to the specific embodiments disclosed and that modifications and embodiments are intended to be within the scope of the appended claims.
