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Kreuzverweis auf verwandte Patentanmeldung
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Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht Priorität der in gemeinsamem Besitz befindlichen Patentanmeldung Serien-Nr. 61/585721, eingereicht am 12. Januar 2012, für einen Dreh-Stellantrieb mit hohem Drehmoment und niedriger Induktivität und ein damit verbundenes Verfahren, deren Offenbarung hier durch Verweis einbezogen wird.
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein elektromechanische Dreh-Stellantriebe mit beschränktem Winkel und insbesondere Stellantriebe, die auf dem Gebiet der optischen Abtastung eingesetzt werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektromechanische Dreh-Stellantriebe haben seit Jahrzehnten existiert. Sie werden in verschiedenen industriellen und Verbraucher-Anwendungen eingesetzt, sind aber von besonderem Nutzen auf dem Gebiet der optischen Abtastung, wobei ein optisches Element an einer Abtriebswelle eines Stellantriebs befestigt wird, die dann oszillierend hin und her gedreht wird.
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Zum Beispiel ist es üblich, an der Abtriebswelle eines Dreh-Stellantriebs einen Spiegel zu befestigen, um ein optisches Abtastungssystem zu erzeugen. In dieser Anwendung kann die Stellantrieb/Spiegel-Kombination einen Lichtstrahl durch einen Bereich von Winkeln umlenken oder das Gesichtsfeld einer Kamera so ändern, dass sie verschiedene Targets beobachten kann.
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Es können auch andere optische Elemente an der Abtriebswelle befestigt werden. Beispielsweise kann ein Prisma oder ein optisches Filter an der Welle angebracht werden, und durch die Drehung der Stellantriebswelle kann der Winkel des Prismas oder Filters variiert werden. Wenn ein dielektrisches Filter verwendet wird, werden durch Veränderung des Filtereinfallswinkels die Bandfilter-Wellenlängeneigenschaften nach höheren oder niedrigeren Werten verschoben, wodurch das optische System auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt werden kann. Alternativ kann das Prisma oder Filter vollständig in den Strahlweg hinein und aus diesem heraus gedreht werden, wodurch eine selektive Filterung des Strahls ermöglicht wird.
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Typische elektromechanische Dreh-Stellantriebe, die auf dem Gebiet der optischen Abtastung verwendet werden, werden im Allgemeinen aus einer Kombination von Magnet, Stahl und Spulen aus isoliertem ”Magnet”-Draht hergestellt. Diese Elemente sind auf verschiedene Weise angeordnet worden, aber in den letzten zwanzig Jahren war die beliebteste Anordnung die Verwendung eines einfachen zweipoligen Rotormagneten und einer ”zahnlosen” Statorkonstruktion.
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Der Rotor innerhalb dieser Stellantriebe ist typischerweise ein massiver, zylinderförmiger Magnet, der aus hochwertigem, diametral magnetisiertem Neodym-Eisen-Bor besteht und an dem zwei Wellen befestigt sind. Ein Wellenabschnitt kann an einem Spiegel befestigt werden, und ein weiterer Wellenabschnitt kann mit einem Positionssensor betrieben werden. Die Welle ist typischerweise durch Kugellagern gelagert. Beispielsweise können Maße für diese Offenbarung einen Rotormagneten mit einem Durchmesser von etwa 3 mm (0,12 Zoll) und einer Länge von etwa 33 mm (1,3 Zoll) aufweisen.
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Es wird hilfreich sein, bekannte Stellantriebstechnologie zu überprüfen und auf bekannte Stellantriebe Bezug zu nehmen, damit der Leser die Bedürfnisse besser versteht, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfüllt werden. In diesem Hintergrundabschnitt der Offenbarung werden zwar Probleme in der Technik angesprochen, aber es wird auch hilfreich sein, die Entwicklung von Ausführungsformen zu beschreiben, die generell durch umfassende Analyse und Experimentieren verwirklicht werden. Daher ist die gesamte, in diesem Hintergrundabschnitt enthaltene Offenbarung nicht als Lehre gemäß dem bisherigen Stand der Technik aufzufassen.
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1 zeigt eine Schnittansicht der Rotor- und Stator-Anordnung, die in einem typischen ”zahnlosen” optischen Abtaster nach dem aktuellen Stand der Technik zu finden ist. Der Stator ist im Wesentlichen röhrenförmig. Was den oben beschriebenen Durchmesser des Rotormagneten betrifft, kann eine typische Statorröhre einen Außendurchmesser von etwa 12,7 mm (0,5 Zoll), einen Innendurchmesser von etwa 5 mm (0,196 Zoll) aufweisen und ist typischerweise aus kaltgewalztem Stahl hergestellt. Magnetdrahtspulen werden geformt und mit der Innenwand der Statorstahlröhre verbunden und belegen einen Bogen von etwa 90 Grad. Zwischen der Außenwand des Rotormagneten und der Innenwand der Spule liegt typischerweise ein Spalt von etwa 0,1778 mm (0,007 Zoll), wodurch der Magnet frei rotieren kann. In 1 sind die Spulenbereiche mit ”Spule plus” bzw. ”Spule minus” bezeichnet, um in die Seite hineingehende bzw. aus der Seite herauskommende Windungen zu bezeichnen.
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2 zeigt magnetische Feldlinien, die in einem typischen ”zahnlosen” optischen Abtaster nach dem aktuellen Stand der Technik, wie in 1 dargestellt, zu finden sind. Es ist zu sehen, dass die magnetischen Flusslinien über einen relativ großen Spalt reichen (”springen”) müssen, um den Statorstahl zu erreichen. Die Spule liegt zwischen dem Magneten und dem Statorstahl. Wenn die Spule erregt ist, greift sowohl an der Spule als auch am Magneten eine Lorentz-Kraft an. Da die Spule typischerweise mit dem Stator verbunden ist und daher stationär gehalten wird, wird die gesamte Kraft auf den Rotormagneten übertragen. Da Kraft an gegenüberliegenden Seiten des Magneten erzeugt wird und die Kraft in Form eines Drehmoments auftritt, erzeugt der Stellantrieb ein Drehmoment und folglich Bewegung.
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In diesem Beispiel eines Stellantriebs werden 50 Windungen AWG #33 Magnetdraht verwendet, die einen Spulenwiderstand (R) von etwa 2,5 Ohm, eine Spuleninduktivität (L) von etwa 100 μH aufweisen und eine Drehmomentkonstante (KT) von etwa 38000 Dyn·cm Drehmoment pro Ampere (A) des durch die Spule fließenden elektrischen Stroms erzeugen.
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Die zahnlose Anordnung bietet Vorteile. Ein Vorteil ist die relativ niedrige Spuleninduktivität, die von der Tatsache herrührt, dass die Spule einen geschlossenen Stahlkern nicht vollständig umgibt. Ganz im Gegenteil, das gesamte Innere des Stellantriebs ist offen und enthält nur den Rotormagneten, dessen Permeabilität fast die gleiche ist wie die von Luft.
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Die zahnlose Struktur ist jedoch nicht ohne Nachteile. Ein Hauptnachteil ist die Wärmemenge, die während schneller, weiter Winkelbewegungen des Rotors erzeugt wird. Ferner kann die erzeugte Wärme nicht effektiv entfernt werden. Diese beiden Nachteile rühren von der Tatsache her, dass die Spule einen relativ kleinen Raum (Querschnittsfläche) belegt und dass sie mit der Innenseite der Statorröhre verbunden ist, so dass sie nur an einer Seite (der Außenseite der Spule) direkt befestigt ist.
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Nochmals zu 1: es ist zu sehen, dass die linke, die rechte und die Innenseite der Spulen im Wesentlichen nicht an irgendwelchen Flächen befestigt sind. Deshalb kann durch die Spule entwickelte Wärme nur von einer Fläche (der Außenseite) abgeführt werden. In der Tat tendiert an der Innenfläche der Spule entwickelte Wärme dazu, den Rotormagneten aufzuheizen, wodurch die Leistung vermindert wird und die Gefahr einer Entmagnetisierung des Rotormagneten bestehen kann, wenn die Wärme etwa 100°C übersteigt.
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Um weniger Wärme zu entwickeln, wird ein niedrigerer Spulenwiderstand benötigt, und um den Spulenwiderstand zu verringern, muss dickerer Draht verwendet werden.
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Wenn zum Beispiel AWG#29-Magnetdraht anstelle von AWG#33-Magnetdraht verwendet und in den gleichen Spulenbereich eingebracht wurde, konnten nur etwa 22 Windungen verwendet werden, die einen Spulenwiderstand (R) von 0,48 Ohm und eine Drehmomentkonstante (KT) von 16720 Dyn·cm/A lieferten. Der Spulenwiderstand ist sicher niedriger (wegen des dickeren Drahts), aber die Drehmomentkonstante ist auch niedriger (da weniger Windungen vorhanden sind).
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Beim Vergleich von Motorkonstruktionen ist es nützlich, Leistungsziffern zu verwenden. Eine wichtige Leistungsziffer wird als Motorkonstante (KM) bezeichnet, welche die Wärmemenge angibt, die für einen gegebenen, durch den Stellantrieb erzeugten Drehmomentbetrag entwickelt wird. Die KM kann auf verschiedene Arten berechnet werden, aber die leichteste Art ist: KM = KT/√R.
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Die KM des ursprünglichen Stellantriebs mit 50 Windungen, dessen KT = 38000 und R = 2,5 Ohm ist, ist 24033 Dyn·cm/√Watt. Um daher ein Drehmoment von 24033 Dyn·cm zu erzeugen, muss der Motor 1 Watt Wärme ableiten. Um den zweifachen Drehmomentbetrag zu erzeugen, oder 48066 Dyn·cm, muss der Motor 4 Watt Wärme ableiten. Die Verdopplung der Drehmomentabgabe erfordert eine Verdopplung der elektrischen Stromaufnahme. Da Wärme proportional zum Quadrat des Stroms ist, veranschaulicht dies, dass bei Verdopplung des Stroms die vierfache Wärme entwickelt wird.
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Vergleich dieser Werte mit dem gleichen Stellantrieb mit 22 Windungen AWG#29, dessen KT = 16720 und R = 0,48 ist, offenbart, dass die KM jetzt 24133 beträgt, oder annähernd den gleichen Wert wie zuvor hat.
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Dies demonstriert ein wichtiges Gesetz beweglicher Magnetstellantriebe. Die KM wird durch den für die Spule zugewiesenen Bereich bestimmt. Es kommt nicht darauf an, wie viele Drahtwindungen den Spulenbereich belegen. Wenn der Spulenbereich der gleiche bleibt und vollständig mit Windungen ausgefüllt ist, bleibt die KM die gleiche.
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Aus diesem Grund ist es verlockend, einfach den Spulenbereich zu vergrößern, zum Beispiel durch Vergrößern des Außendurchmessers der Spule (und des Innendurchmessers der Statorröhre). Durch Vergrößern des Durchmessers der Statorröhre wird jedoch der magnetische Luftspalt vergrößert, den der Magnetfluss überspringen muss.
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Eine weitere, in der Magnetkonstruktion verwendete Leistungsziffer wird als Permeanzkoeffizient (PC) bezeichnet. Der Permeanzkoeffizient gibt den ”Arbeitspunkt” des Rotormagneten an. Für einen einfachen Kreis, der aus Magnet, Luft und Stahl von hoher Permeabilität besteht, kann der Permeanzkoeffizient gefunden werden, indem die magnetische Länge durch den gesamten magnetischen Luftspalt dividiert wird. Für den oben beschriebenen elektromechanischen Stellantrieb mit einem Rotordurchmesser (magnetische Länge) von 3,048 mm (0,120 Zoll) und einem Statorinnendurchmesser von 4,978 mm (0,196 Zoll) ist der magnetische Luftspalt 4,978–3,048 = 1,93 mm (0,076 Zoll). Daher ist der Permeanzkoeffizient annähernd 0,120/0,076 = 1,6.
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3 zeigt eine B/H-Kurve eines typischen Hochleistungs-Neodym-Eisen-Bor-Magneten. Die X-Achse stellt die Koerzitivfeldstärke (H) des Magneten dar. Die Y-Achse stellt die Flussdichte (B) dar. Die Zahlen um die Außenseite herum (beginnend bei 0,1 und endend bei 5,0 in diesem Diagramm) sind der Permeanzkoeffizient, der den ”Arbeitspunkt” des Magneten bestimmt. Dieses Diagramm veranschaulicht, dass bei einem Permeanzkoeffizient von 1,6 (wie dies für einen typischen, nach dem aktuellen Stand der Technik verwendeten Stellantrieb der Fall ist) der Magnet bei einer Flussdichte von 8,7 Kilogauß (kG) arbeitet, wenn die Temperatur 20°C beträgt.
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Wenn der Innendurchmesser der Statorröhre beispielsweise auf 6,096 mm (0,24 Zoll) vergrößert wird, ergibt dies mehr als den doppelten Bereich für Spulendrähte, wodurch ohne weiteres mehr als 22 Windungen AWG#29-Magnetdraht verwendet werden können. Durch Vergrößern des Innendurchmessers der Statorröhre wird jedoch auch der magnetische Luftspalt vergrößert, den der Magnetfluss überspringen muss. Deshalb wird der Magnetfluss schwächer. Dies wird in 4 gezeigt, angedeutet durch den Permeanzkoeffizient 1,0. Das schwächere Magnetfeld erfordert noch mehr Spulenwindungen, um die gleiche Drehmomentkonstante zu erzeugen. Der niedrigere Permeanzkoeffizient erzeugt außerdem ein Risiko der Entmagnetisierung bei erhöhten Temperaturen.
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Analyse und Prüfung haben gezeigt, dass die KM eines zahnlosen Stellantriebs zwischen einem Permeanzkoeffizient von 1,0 und 2,0 ungefähr gleich bleibt, und daher gibt es im Wesentlichen keinen bekannten Weg, das Problem der Wärmeentwicklung innerhalb eines zahnlosen Stellantriebs zu lösen. Wenn daher Wärmeentwicklung ein leistungsbegrenzender Faktor ist, muss nach einem anderen Stellantriebtyp gesucht werden.
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Früher haben einige Unternehmen versucht, das Problem der Wärmeentwicklung durch Verwendung von ”gezahnten” Stellantrieben (auch als geschlitzte Stellantriebe bezeichnet) zu lösen. Beispielsweise zeigt 5 eine Schnittansicht eines derartigen Stellantriebs, der in bekannten optischen Abtastern verwendet wird. In einem gezahnten Stellantrieb ist die Spule nicht zwischen dem Magneten und dem Statorstahl angeordnet, sondern wird stattdessen um einen Stahlkern gewickelt, der rund um den Magneten ”Zähne” bildet. Da diese Spule nicht mehr zwischen dem Magneten und dem Statorstahl angeordnet ist, können die Statorzähne viel dichter an dem Magneten liegen. Als Ergebnis ist der Permeanzkoeffizient von gezahnten Stellantrieben viel höher als für zahnlose Stellantriebe.
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6 zeigt die gleichen B/H-Kurven des Magneten wie die 3 und 4, hebt aber auch die resultierende Flussdichte hervor, wenn der Permeanzkoeffizient gleich 6 ist. Da der Magnet bei einer höheren Flussdichte arbeitet, sind für den gleichen Rotormagnet wie oben beschrieben jetzt nur 38 Drahtwindungen erforderlich, um 38000 Dyn·cm/A zu erzeugen. Und da der Spulenbereich viel größer ist, kann dickerer Draht verwendet werden.
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Zweifellos kann eine ”gezahnte” Statoranordnung das Problem der Wärmeentwicklung lösen. Es tritt jedoch ein neues Problem auf, das der stark erhöhten elektrischen Induktivität (L). Für einen in 5 dargestellten Stellantrieb ist beispielsweise die Induktivität größer als 300 μH, etwa das Dreifache der Induktivität eines ”zahnlosen” Stellantriebs mit der gleichen Drehmomentkonstante.
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Zurück zum Diagramm von 6: die Induktivität wird wegen zwei Faktoren erhöht. Der erste Faktor sind die ”äußeren Randlinien” die Magnetfluss um die Spule herum führen, aber nicht mit dem Rotormagneten Wechselwirken, um Drehmoment zu erzeugen. Ein zweiter Faktor sind die Randlinien ”von Zahn zu Zahn”, die Magnetfluss um einen Spalt zwischen den Zähnen führen und kein Drehmoment erzeugen, wie in 7 dargestellt.
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Um äußere Randlinien zu beseitigen, könnte der gezahnte Stator umgestaltet werden, wie in 8 dargestellt. In dieser Anordnung werden die Spulen um Zähne gewickelt, die vollständig im Inneren des Stators liegen, und bilden im Wesentlichen eine magnetische Reihenschaltung zwischen den zwei Spulen. Tatsächlich trägt dies dazu bei, die Induktivität auf etwa 212 μH zu reduzieren, aber das ist immer noch mehr als das Doppelte der Induktivität eines zahnlosen Stellantriebs, der das gleiche Drehmoment erzeugt.
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Um die Induktivität noch weiter zu reduzieren, muss der Rand (bzw. das Randfeld) von Zahn zu Zahn verringert werden, und daher muss der Spalt zwischen den Zähnen erweitert werden. Wenn zum Beispiel der Spalt zwischen Statorzähnen auf 1,27 mm (0,050 Zoll) vergrößert wird, dann wird die Induktivität 180 μH. Wenn der Spalt zwischen Statorzähnen noch weiter auf 1,778 mm (0,070 Zoll) vergrößert wird, dann wird die Induktivität 157 μH. Das ist immer noch um mehr als 50% höher als bei einem zahnlosen Stellantrieb, kann aber für bestimmte Anwendungen annehmbar sein.
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Das Vergrößern des Spalts zwischen Statorzähnen hat jedoch negative Folgen. Die größte davon ist, dass der Stellantrieb dazu neigt, zu von der Mitte entfernten Winkeln hin zu ”versetzen”, da die Nord- und Südpole des Rotormagneten sich stark in Richtung der Statorzähne selbst ausrichten. Ein geringer Versatzbetrag kann durch das außerhalb des optischen Abtasters liegende Servosystem toleriert werden, aber ein großer Versatzbetrag ist schädlich für die Leistung und daher höchst unerwünscht.
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Bei dem oben in Bezug auf 8 beschriebenen gezahnten oder geschlitzten Stellantrieb zum Beispiel, dessen Spalt zwischen den Zähnen 0,762 mm (0,030 Zoll) beträgt, ist das Versatzdrehmoment gleich 14000 Dyn·cm bei 20 Grad. Wenn der Spalt zwischen den Zähnen auf 0,9144 mm (0,036 Zoll) vergrößert wird, beträgt das Versatzdrehmoment 22000 Dyn·cm bei 20 Grad. Wenn der Spalt zwischen den Zähnen auf 1,27 mm (0,050 Zoll) vergrößert wird, erhöht sich das Versatzdrehmoment auf 40000 Dyn·cm bei 20 Grad. Wenn der Spalt zwischen den Zähnen auf 1,778 mm (0,070 Zoll) vergrößert wird, erhöht sich das Versatzdrehmoment auf 85000 Dyn·cm bei 20 Grad. Ein Versatzdrehmoment von 14000 Dyn·cm ist tolerierbar, aber höhere Versatzdrehmomente sind es nicht.
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Da die Beschränkung der Induktivität in einem gezahnten Stellantrieb auch die Erhöhung des Versatzdrehmoments bedeutet, heißt das, dass ein gezahnter Stellantrieb nicht verwendet werden sollte, wenn Induktivität ein leistungsbeschränkender Faktor ist.
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Um dies zu wiederholen: der typische zahnlose Stellantrieb ist typischerweise nicht imstande, eine hohe Drehmomentkonstante bei niedrigem Spulenwiderstand zu liefern, und ein typischer gezahnter Stellantrieb ist nicht imstande, eine niedrige Spuleninduktivität zu liefern. Daher besteht zweifellos ein Bedarf für einen elektromagnetischen Dreh-Stellantrieb, der eine hohe Drehmomentkonstante und einen niedrigen Spulenwiderstand bei niedriger Spuleninduktivität bereitstellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung kann ein elektromechanischer Dreh-Stellantrieb einen Rotor und einen Stator aufweisen, der einen oder mehrere Schlitze enthält, in die eine oder mehrere Spulen eingebaut werden. Der Stator kann außerdem eine Rotorpositionsrückstelleinrichtung enthalten, die den Versatz zur Außenseite des gewünschten Drehungsbereichs überwindet. In einigen Ausführungsformen kann die Rotorpositionsrückstelleinrichtung einen oder mehrere Rückstellmagnete enthalten, und in anderen Ausführungsformen kann die Rotorpositionsrückstelleinrichtung einen profilierten Hohlraum innerhalb des Stators nahe dem Rotor enthalten.
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Eine Ausführungsform kann einen Dreh-Stellantrieb mit beschränkter Drehung aufweisen, der einen Stator mit einer darin axial verlaufenden Öffnung und mindestens zwei Zähnen mit profilierten Enden enthält, die zumindest einen Teil der Öffnung bilden, wobei distale Enden der mindestens zwei Zähne voneinander beabstandet sind und daher einen Spalt dazwischen bilden. Ein Rotor kann einen zweipoligen diametralen Magneten aufweisen, der bidirektional mit dem Stator betätigt werden kann und sich in dessen Öffnung hinein erstreckt, wobei zwischen dem Magneten und den profilierten Enden der mindestens zwei Zähne ein Abstand ausgebildet ist. Mindestens eine elektrische Spule kann sich zumindest um einen Teil eines Zahns der mindestens zwei Zähne erstrecken, wobei die elektrische Spule erregt werden kann, um dem Rotor ein bidirektionales Drehmoment zu verleihen. Die Rotorrücksstelleinrichtung kann in mindestens einen Zahn der mindestens zwei Zähne aufgenommen werden, wobei die Rotorrücksstelleinrichtung so angeordnet ist, dass sie den Rotor auf einen mittleren Drehwinkel zurückstellt, wenn der mindestens einen elektrischen Spule Strom vorenthalten wird.
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Eine Ausführungsform kann einen ungleichmäßigen Abstand aufweisen, der zwischen dem Magneten und den profilierten Enden der mindestens zwei Zähne ausgebildet ist. Der ungleichmäßige Abstand führt zu einem Abstand nahe dem Mittelabschnitt der profilierten Zahnenden, der größer ist als der Abstand in der Nähe ihrer distalen Enden. Der ungleichmäßige Abstand sorgt für ein Rückstelldrehmoment, das zu einem federartigen Rückstellvorgang des Rotors zur Mitte führt.
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Eine weitere Ausführungsform kann einen Dreh-Stellantrieb mit beschränkter Drehung aufweisen, der einen Stator mit einer darin axial verlaufenden Öffnung und mindestens zwei Zähnen mit profilierten Enden enthält, die zumindest einen Teil der Öffnung bilden, wobei distale Enden der mindestens zwei Zähne einen Spalt dazwischen bilden. Ein Rotor kann einen zweipoligen diametralen Magneten aufweisen, der bidirektional innerhalb der Öffnung betätigt werden kann. Mindestens ein erster Schlitz kann sich in Längsrichtung innerhalb mindestens eines Zahns erstrecken, und mindestens ein zweiter Schlitz kann sich von der Öffnung ins Innere des Stators erstrecken. Der mindestens eine zweite Schlitz ist mehr oder weniger senkrecht zu dem mindestens einen ersten Schlitz ausgerichtet. Eine elektrische Spule erstreckt sich innerhalb des mindestens einen zweiten Schlitzes und kann erregt werden, um dem Rotor ein bidirektionales Drehmoment zu verleihen. Die Rotorrücksstelleinrichtung wird in mindestens einem ersten einzelnen Schlitz von dem mindestens einen ersten Schlitz aufgenommen. Die Rotorrücksstelleinrichtung ist so angeordnet, dass sie den Rotor auf einen mittleren Drehwinkel zurückstellt, wenn der mindestens einen elektrischen Spule Strom vorenthalten wird.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein Dreh-Stellantrieb mit beschränkter Drehung einen Stator mit einer axial darin verlaufenden Öffnung und mindestens vier Zähnen mit profilierten Enden aufweisen, die zumindest einen Teil der Öffnung bilden. Distale Enden der mindestens vier Zähne sind voneinander beabstandet, um einen Spalt dazwischen zu bilden. Ein Rotor mit einem Vierpolmagnetenmittel erstreckt sich in die Öffnung hinein. Mindestens eine elektrische Spule erstreckt sich um zumindest einen Teil eines Zahns der mindestens vier Zähne. Die elektrische Spule kann erregt werden, um dem Rotor ein bidirektionales Drehmoment zu verleihen. Eine Rotorrücksstelleinrichtung wird in mindestens einen Zahn der mindestens vier Zähne aufgenommen. Die Rotorrücksstelleinrichtung ist so angeordnet, dass sie den Rotor auf einen mittleren Drehwinkel zurückstellt, wenn der mindestens einen elektrischen Spule Strom vorenthalten wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird auf die nachstehende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, die verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Dabei zeigen:
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1 eine Stator-Rotor-Kombination, die in einem zahnlosen Stellantrieb nach dem aktuellen Stand der Technik zu finden ist;
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2 die Magnetflusslinien innerhalb einer zahnlosen Stator-Rotor-Kombination nach dem aktuellen Stand der Technik;
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3 die B/H-Kurven und relevante Informationen zu dem in einem typischen zahnlosen optischen Abtaster verwendeten Magneten;
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4 die B/H-Kurven und relevante Informationen zu einem Magneten, der in einem zahnlosen Abtaster mit vergrößertem Innendurchmesser seines Stators verwendet wird;
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5 die Stator-Rotor-Kombination, die in gezahnten Stellantrieben nach dem aktuellen Stand der Technik zu finden ist;
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6 die B/H-Kurven und relevante Informationen zu dem in einem gezahnten Stellantrieb verwendeten Magneten;
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7 die Magnetflusslinien und Randlinien, die in einem gezahnten Stator nach dem aktuellen Stand der Technik zu finden sind;
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8 die Stator-Rotor-Kombination, die in einem anderen gezahnten Stellantrieb nach dem aktuellen Stand der Technik zu finden ist;
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9 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein zweizähniger Stellantrieb mit Rückstellmagneten als Beispiel dargestellt ist;
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9A eine perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform eines Stellantriebs nach den Lehren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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9B eine auseinandergezogene Darstellung von Statorsektionen, die zu einem Stator gemäß 9A zusammengesetzt werden sollen;
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9C eine Ausführungsform eines Rotors mit einem Magneten und einer Welle, die mit der Ausführungsform gemäß 9A betreibbar ist;
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10 die Magnetflusslinien in der in 9 dargestellten Ausführungsform;
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11 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine isolierte Drahtspule in zwei Schlitzen angeordnet ist und die Rückstellmagneten verwendet;
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12 die Magnetflusslinien in der in 11 dargestellten Ausführungsform;
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13 eine weitere Ausführungsform, in der die Drahtspule in zwei Schlitzen angeordnet ist, aber ohne Verwendung von Rückstellmagneten;
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14 die Magnetflusslinien in der in 13 dargestellten Ausführungsform;
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15 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Drahtspule in vier Schlitzen angeordnet ist und die Rückstellmagneten aufweist;
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16 die Magnetflusslinien in der in 15 dargestellten Ausführungsform;
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17 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Drahtspule in sechs Schlitzen angeordnet ist und die Rückstellmagneten verwendet;
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18 die Magnetflusslinien in der in 17 dargestellten Ausführungsform;
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19 einige Merkmale der Statorkonfiguration der in 18 dargestellten Ausführungsform;
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20 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Drahtspule in sechs Schlitzen angeordnet ist, aber ohne Verwendung von Rückstellmagneten;
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21 die Magnetflusslinien in der in 20 dargestellten Ausführungsform;
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22 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein vierpoliger Rotor und Rückstellmagnete verwendet werden;
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23 die Magnetflusslinien in der in 22 dargestellten weiteren Ausführungsform;
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24 zeigt, wie die in 22 dargestellte vierpolige Ausführungsform mit vier getrennten Spulen gewickelt werden kann, wobei um jeden Zahn eine Spule gewickelt wird;
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25 zeigt, wie die in 22 dargestellte vierpolige Ausführungsform gewickelt werden kann, wobei auf alternierende Zähne zwei getrennte Spulen gewickelt werden;
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26 zeigt, wie die in 22 dargestellte vierpolige Ausführungsform mit einer einzigen Spule serpentinenartig um alternierende Zähne gewickelt wird;
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27 zeigt, wie ein Stator für zweipolige Ausführungsformen in Segmente geteilt sein kann, um die Fertigung und den Zusammenbau des Stellantriebs zu erleichtern, wobei die Segmente eine Spitze-Aufnahme-Anordnung aufweisen können, die bei der Ausrichtung hilft;
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28 zeigt, wie ein Stator für vierpolige Ausführungsformen in Segmente geteilt sein kann, um die Fertigung und den Zusammenbau des Stellantriebs zu erleichtern, wobei die Segmente eine Spitze-Aufnahme-Anordnung aufweisen können, die bei der Ausrichtung hilft;
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29 zeigt, wie die Segmente auch in wechselnden Lagen angeordnet werden können, um einen überlappenden Bereich zu bilden, wobei der überlappende Bereich nach dem Zusammenbau die Gesamtreluktanz des Stators verringert;
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30 veranschaulicht die Verwendung eines kleinen Materialstegs an einem Ende eines Schlitzes, in dem Rückstellmagnete angeordnet sind, wobei der Materialsteg relativ dünn ist und typischerweise etwa die Dicke einer Lamelle aufweist (zum Beispiel 0,355 mm = 0,014 Zoll) und bereitgestellt wird, um dazu beizutragen, dass der Stator eine genaue Form beibehält, und wobei die Dünnheit des Stegmaterials dieses praktisch unsichtbar für Magnetismus macht, da es magnetisch gesättigt wird; und
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31 zeigt, wie der Materialsteg entfernt werden kann, wodurch im Wesentlichen die Existenz des Stators in Segmenten zugelassen wird, wobei jedes Segment praktisch an dem Rückstellmagneten befestigt ist, wobei die Rückstellung der Rotorposition mit oder ohne den Materialsteg erfolgt.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und ist nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt aufzufassen. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die vorliegende Offenbarung gründlich und vollständig ist, und werden den Umfang der Erfindung dem Fachmann völlig deutlich machen.
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Zunächst wird hierin unter Bezugnahme auf 9 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als elektromechanischer Dreh-Stellantrieb 100 mit beschränkter Drehung beschrieben. Der hierin als Beispiel beschriebene Stellantrieb umfasst einen Stator 102 mit einer axial darin verlaufenden Öffnung 104 und mindestens zwei Zähnen 106, 108 mit profilierten Enden 110, 112, die zumindest einen Teil der Öffnung bilden. Distale Enden 114, 116 der Zähne 106, 108 sind voneinander beabstandet und bilden dazwischen einen Spalt 118. Ein Rotor 120 für die hierin als Beispiel beschriebene Ausführungsform umfasst einen zweipoligen diametralen Magneten 122, der mit dem Stator 102 bidirektional betätigt werden kann und sich in die Öffnung 104 hinein erstreckt. Ein Abstand 124, hierin ein Luftspalt, ist zwischen einer Außenfläche 126 des Magneten 122 und den profilierten Enden 110, 112 der Zähne 106, 108 ausgebildet. Für die hierin als Beispiel beschriebene Ausführungsform erstrecken sich zwei elektrische Spulen 128, 130 jeweils um einen Abschnitt jedes Zahns 106, 108. Die elektrischen Spulen 128, 130 können erregt werden, um dem Rotor 120 ein bidirektionales Drehmoment zu verleihen. Eine Rotorrückstelleinrichtung 132 in Form von Rückstellmagneten 134, 136 wird in Schlitzen 138, 140 in jedem Zahn 106, 108 aufgenommen, die sich in Längsrichtung zu der Öffnung 104 hin erstrecken. Die Rotorrückstelleinrichtung 132 kann nur einen Rückstellmagneten aufweisen. Die Rotorrückstelleinrichtung 132 ist so angeordnet, dass sie den Rotor 120 auf einen mittleren Drehwinkel 142 zurückstellt, wenn den elektrischen Spulen 128, 130 Strom vorenthalten wird. Für die hierin als Beispiel beschriebene Ausführungsform sind die zwei Zähne 106, 108 radial angeordnet, was keine Einschränkung bedeuten soll. Eine Längenabmessung 142 des Spalts 118 beträgt mindestens vierzig Prozent eines Durchmessers des diametralen Magneten 122.
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Eine einfache Art, den Rotor 120 herzustellen, ist die Verwendung eines einzigen zylinderförmigen Stücks aus magnetischem Material, das diametral magnetisiert ist. Der Rotor 120 kann aus einem oder mehreren Magneten hergestellt sein, solange er einen Nordpol bereitstellt, der dem Südpol diametral gegenüberliegt. Für hierin als Beispiele beschriebene Ausführungsformen gelten Drehmoment-, Induktivitäts- und Widerstandswerte für einen Rotormagneten mit einem Durchmesser von 3,048 mm (0,12 Zoll) und einer Länge von 33,02 mm (1,3 Zoll), der aus hochwertigem Neodym-Eisen-Bor-Material besteht, und einen Stator mit einem Innendurchmesser von 3,4544 mm (0,136 Zoll).
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Der unter nochmaliger Bezugnahme auf 9 dargestellte Stator 102 weist Statorstahl auf, wobei bei jeder Zahn 106, 108 einen gleichmäßigen runden Zwischenraum 124 (einen Luftspalt) um den Rotormagneten 122 bildet, der einen glatten kreisförmigen Querschnitt aufweisen oder Facetten enthalten kann, um ein weiters Beispiel anzugeben, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Spalt 118 ist relativ groß im Vergleich zu bekannten Stellantrieben (etwa 40% des Magnetdurchmessers oder größer), was normalerweise dazu führen würde, dass der Rotormagnet 122 einen starken Versatz zum Äußeren eines gewünschten Drehungsbereichs erfährt. Die Rückstellmagnete 134, 136 werden in Schlitze 138, 140 in den Zähnen 110, 112 des Stahlstators 102 eingesetzt, um den oberen Abschnitt 146 jedes Zahns 106, 108 als Südpol und den unteren Abschnitt 148 jedes Zahns als Nordpol vorzumagnetisieren, wie hierin unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Der Nordpol des Rotormagneten 122 wird gleichmäßig zwischen dem Südpol jedes Rückstellmagneten 134, 136 angezogen, und ebenso wird der Südpol des Rotormagneten gleichmäßig zwischen dem Nordpol jedes Rückstellmagneten angezogen. Dadurch wird die Versatzwirkung überwunden, und der Rotormagnet 122 wird in der Ausrichtung zum Mittelpunkt 141 des Drehwinkelbereichs gehalten. Zu erwähnen ist, dass die Linie, welche die Nord- und Südpole zu trennen scheint, nur schematisch eingezeichnet ist und den Magneten nicht auf deutliche Poltrennungen einschränken soll.
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Der in dem Querschnitt in 9 dargestellte Stator 102 weist eine Zylinderform auf. Der Fachmann wird verstehen, dass alternative Formen verwendet werden können, wie zum Beispiel die rechteckige Querschnittsform des in 9A dargestellten Stellantriebs 100A, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ferner kann der Stellantrieb 100, 100A mehrere Statorabschnitte 150, 152 aufweisen. Ferner kann der Stator 102 aus Lamellen 154 geformt werden, wie unter fortgesetzter Bezugnahme auf 9 und jetzt auf 9B dargestellt wird. Der Rotormagnet 122 für die hierin als Beispiel beschriebene Ausführungsform weist ein Neodym-Eisen-Bor-Material auf. Der Rotormagnet 122 kann in einem Stück mit einer Welle 156 geformt werden, wobei die Welle ein durch die Welle getragenes optisches Element 158 tragen kann, wie in 9C dargestellt. Die optischen Elemente können einen Spiegel, ein Prisma oder Filter aufweisen, die effektiv in optischen Abtastern genutzt werden.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 9A, 9B und 9C kann die Welle 156 aus Edelstahl hergestellt sein, obwohl praktisch jedes Material verwendet werden kann, solange das Material dem durch den Stellantrieb 100, 100A erzeugten Drehmoment und einer etwaigen externen Last widerstehen kann, die in der Arbeitsumgebung mit dem Stellantrieb verbunden wird. Wie oben beschrieben, kann die Welle 156 in einem Stück mit dem Rotormagneten 122 geformt werden oder kann mit Klebstoffen, wie zum Beispiel Epoxidharz, an dem Magneten befestigt werden. Der in den 9A und 9B dargestellte Stator 102 weist mehrere dünne Metallbleche auf, die hierin als Lamellen 154 bezeichnet werden, wie oben beschrieben. Die Lamellen 154 können zu Statorsektionen 150, 152 zusammengesetzt werden, um eine gewünschte Form zu bilden. Die Form jeder Lamelle 154 kann durch Formstanzen, Laserschneiden, Photoätzen, Wasserstrahlschneiden oder durch andere bekannte Verfahren zum Herstellen einer Form aus Metallblech erzeugt werden. Wie in der US-Patentanmeldung S/N 13/446500 für einen elektromechanischen Dreh-Stellantrieb mit beschränkter Drehung beschrieben, deren Offenbarung hierin insgesamt durch Verweis einbezogen wird, können die Lamellen 154 aus Siliciumstahlmaterial hergestellt sein, bekannt als M-19, einem speziell für Motoren und elektrische Transformatoren hergestellten Material. Es funktionieren jedoch viele verschiedene Materialien, solange das Material magnetisch leitend ist. Einige mögliche Alternativmaterialien sind unter anderen kaltgewalzter Stahl (zum Beispiel Q-195) und magnetischer Edelstahl (beispielsweise Edelstahl 416). Die aus Spitze 160 und Aufnahme 162 bestehenden Teile jeder Lamelle 154 wechseln in jeder Lamellenlage, wodurch ein überlappender Bereich 164 zwischen den Lamellen 154 erzeugt wird. Als Ergebnis wird wegen des überlappenden Bereichs der Luftspalt effektiv mit dem magnetisch leitenden Lamellenmaterial an einer benachbarten Lage gefüllt.
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10 zeigt Flusslinien 150 zwischen dem Rotormagneten 122 und den Rückstellmagneten 134, 136. Wenn elektrischer Strom durch die Spulen 128, 130 geleitet wird, wird jeder Zahn effektiv ein Elektromagnet, der zu Drehmoment und Bewegung des Rotormagneten 122 beiträgt.
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Für den in 9 dargestellten Stellantrieb mit 19 Windungen aus Magnetdraht AWG#25 um jeden Zahn beträgt beispielsweise die Drehmomentkonstante (KT) etwa 38000 Dyn·cm/A, der Spulenwiderstand (R) beträgt 0,1 Ohm, und die Spuleninduktivität (L) beträgt etwa 157 μH.
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Wie in 11 dargestellt, kann eine Ausführungsform des Stellantriebs 100 die eine elektrische Spule 128 aufweisen, die sich um einen Teil jedes Zahns 106, 108 und über den zwischen den gegenüberliegenden distalen Enden 114, 116 ausgebildeten Spalt 118 erstreckt. Innerhalb des Stators 102 ist ein Spulenschlitz 152 ausgebildet und endet an dem Spalt 118, wodurch eine Einzelspule entsteht, die innerhalb des Spulenschlitzes 152 verläuft. Alternativ kann die Einzelspule innerhalb jedes der zwei Spulenschlitze 152, 154 verlaufen, wie in 11 dargestellt, in der einander gegenüberliegende Spulenschlitze 152, 154, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rotormagneten 122 ausgebildet sind, die Einzelspule 128 aufweisen, die innerhalb der gegenüberliegenden Spulenschlitze verläuft. Die Einzelspule 128 ist genau in die Spulenschlitze 152, 154 eingepasst, um in der Spule 128 entwickelte Wärme zum Stator 102 zu übertragen.
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Die Spule 128 ist daher näher an dem Rotormagneten 122 angeordnet als oben für die Ausführungsform von 9 beschrieben. Wie weiter aus 11 ersichtlich, kann zwischen den durch die Spulenschlitze 152, 154 gebildeten Zähnen 106, 108 ein sehr breiter Spalt 118 bestehen. Dieser breite Spalt 118 kann eine Abmessung von mindestens etwa 40% des Magnetdurchmessers 144 aufweisen. Die Rückstellmagnete 134, 136 sind außerhalb des Rotormagneten 122 angeordnet und werden praktisch unter Verwendung der Schlitze 138, 140 innerhalb der Zähne 106, 108 in dem Stahlstator 102 versenkt. 12 zeigt die Flusslinien 150 zwischen dem Rotormagneten 122 und den Rückstellmagneten 134, 136 für die Ausführungsform von 11.
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Für den unter Bezugnahme auf 11 erläuterten Stellantrieb 100 mit 38 Windungen aus AWG#31-Magnetdraht, die in jeden Spulenbereich eingebracht werden, beträgt die Drehmomentkonstante (KT) etwa 38000 Dyn·cm/A, der Spulenwiderstand (R) beträgt 1,25 Ohm, und die Spuleninduktivität (L) beträgt etwa 120 μH. Zu beachten ist, dass dieser Stellantrieb die gleiche Drehmomentkonstante (KT) liefert und eine ähnliche Spuleninduktivität (L) aufweist wie der zahnlose Stellantrieb, aber mit dem halben Spulenwiderstand. Außerdem ist zu beachten, dass für die hierin dargestellte Ausführungsform die Spulenschlitzoberfläche 156, die Spule 128 auf drei ihrer vier Seiten umgibt und auf diese Weise einen wünschenswerten und verbesserten Wärmeableitungsweg zur Wärmeableitung von der Spule bereitstellt.
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13 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist der in 11 dargestellten insofern ähnlich, als auf jeder Seite des Rotormagneten nur ein Spulenbereich vorhanden ist. Jedoch gibt es in dieser Ausführungsform keine Rückstellmagnete, wie sie in der in 11 dargestellten Ausführungsform gezeigt werden. Stattdessen wird die Rotorpositionsrückstelleinrichtung 132 bereitgestellt und durch eine Formgebung der Innenseite des Statorstahls erleichtert, hierin als Rückstellschlitzbereich 166 bezeichnet, der effektiv ein Merkmal ist, das unter einem Winkel von 90 Grad zur Plus-Spule und Minus-Spule der Spule 128 angeordnet ist. Solange die Breite 168 dieses Rückstellschlitzbereichs 166 größer als der Spalt 118 zwischen den Zähnen 106, 108 ist und die Tiefe 170 größer als 25% des Spalts zwischen dem Rotormagneten 122 und dem effektiven Innendurchmesser 172 der Statoröffnung ist, tritt eine Rückstellwirkung auf, die dazu tendiert, den Rotor 120 auf einen mittleren Drehwinkelbereich zurückzustellen, wenn den Spulen kein Strom zugeführt wird. Der Rückstellschlitzbereich 166 kann unter Umständen keine Symmetrie oder gleichmäßige Oberfläche aufweisen, sondern stattdessen oval sein, wie in 13 dargestellt, und seine Breite 168 nimmt nach links und rechts praktisch stetig zu. Folglich weist die Rückstelleinrichtung 132 einen ungleichmäßigen Zwischenraum zwischen dem Magneten 122 und den profilierten Enden der Zähne 106, 108 auf, wobei der ungleichmäßige Zwischenraum in der Nähe eines Mittelabschnitts der bogenförmigen Zahnenden zu einem größeren Abstand als dem Abstand in der Nähe ihrer distalen Enden führt, und wobei der ungleichmäßige Zwischenraum ein Rückstelldrehmoment bereitstellt, das zu einem federartigen Rückstellvorgang des Rotors zur Mitte führt. Die Breite 168 ist größer als der Spalt 118, wobei die Form des Bereichs 166 ferner der Darstellung durch die gestrichelten Linien in 13 entsprechen kann.
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14 zeigt die Flusslinien 150 für die Ausführungsform gemäß 13.
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Durch Verwendung eines diametral magnetisierten zylinderförmigen Rotormagneten 122 ergibt sich aus dem Magneten ein sinusförmiges Fluss-Winkel-Profil. Dieses erzeugt seinerseits ein annähernd sinusförmiges Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profil des Stellantriebs (wenn den Spulen Strom zugeführt wird). Bei Verwendung eines magnetischen Luftspalts, beispielsweise der ovalen Form des Bereichs 166, dessen Breite 168 von oben-unten nach links-rechts stetig zunimmt, entsteht außerdem ein annähernd sinusförmiges federartiges Rückstelldrehmoment zur Mitte hin. Da in dieser Konfiguration eine Form des Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profils (wenn den Spulen Strom zugeführt wird) die gleiche ist wie die eines federartigen Rückstelldrehmoment-Winkel-Profils (Mittenrückstellprofils), ist das Endergebnis, dass das Ausgangsdrehmoment-Winkel-Profil über einen Winkel von etwa ±60 Grad nahezu linear ist, ein wünschenswertes Ergebnis.
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In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessert die Verwendung der Rückstellmagneten oder der Rückstellschlitze die Drehmomentabgabe des Stellantriebs. Ausführungsformen des Stellantriebs, welche die Rückstellmagnete nicht als ihre Rotorpositionsrückstelleinrichtungen verwenden, werden im Allgemeinen für eine gegebene Spulenwindungszahl eine um etwa 8% bis 10% niedrigere Drehmomentkonstante (KT) aufweisen.
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Für den in 13 dargestellten Stellantrieb mit in jeden Spulenbereich eingebrachten 38 Windungen AWG#31-Magnetdraht beträgt in diesem Fall die Drehmomentkonstante (KT) etwa 34200 Dyn·cm/A, der Spulenwiderstand (R) beträgt etwa 1,25 Ohm, und die Spuleninduktivität (L) beträgt etwa 120 μH. Zu beachten ist, dass dieser Stellantrieb nahezu die gleiche Drehmomentkonstante (KT) liefert und eine ähnliche Spuleninduktivität (L) aufweist wie der ”zahnlose” Stellantrieb, aber bei dem halben Spulenwiderstand. Außerdem ist zu beachten, dass der Spulenbereich die Spule auf drei Seiten umgibt und einen sehr guten Wärmeableitungsweg zur Wärmeableitung von der Spule bereitstellt.
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15 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der Stellantrieb 100E zwei Spulenschlitze 152A, 152B, 154A, 154B auf jeder Seite des Rotormagneten 122, die alle sehr nahe an dem Magneten angeordnet sind. Die Rückstellmagnete 134, 136 sind innerhalb der Schlitze 138, 140 angeordnet, die außerhalb des Rotormagneten 122 positioniert sind, wie oben beschrieben, und sind effektiv in dem Statorstahl vergraben. Die Spule 128 erstreckt sich in die Schlitze 152A, 154A. Die Spule 130 erstreckt sich in die Schlitze 152B, 154B. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Drehmoment-Positions-Profil, wie erwünscht, flacher ist als das aller anderen dargestellten Stellantriebe (sowohl der bekannten als auch der hierin beschriebenen Ausführungsformen). 16 zeigt die Flusslinien zwischen dem Rotormagneten und Rückstellmagneten für die Ausführungsform gemäß 15.
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Für den in 15 dargestellten Stellantrieb mit 19 Windungen AWG#31-Magnetdraht, die in jeden Spulenbereich eingebracht werden, beträgt die Drehmomentkonstante (KT) 38000 Dyn·cm/A, Der Spulenwiderstand (R) beträgt 1,25 Ohm, und die Spuleninduktivität (L) beträgt etwa 120 μH. Zu beachten ist, dass dies bei gleicher Spuleninduktivität (L) die gleiche Drehmomentkonstante (KT) liefert wie der ”zahnlose” Stellantrieb, aber mit dem halben Spulenwiderstand. Außerdem ist zu beachten, dass der Spulenbereich die Spule fast vollständig umgibt und einen sehr guten Wärmeableitungsweg zum Ableiten von Wärme von der Spule bereitstellt.
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17 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält der Stellantrieb 100C drei Spulenschlitze 152A, B, C und 154A, B, C auf jeder Seite des Rotormagneten 122, die alle sehr nahe an dem Magneten angeordnet sind. 18 zeigt die Flusslinien zwischen dem Rotormagneten 122 und den Rückstellmagneten 134, 136 für die Ausführungsform gemäß 17. 18 zeigt außerdem die einzelnen Drahtwindungen 174 in den Spulen 176A, B, C. In 19 werden diese Spulenschlitze mit Schlitz 1p, Schlitz 2p, Schlitz 3p, Schlitz 1m, Schlitz 2m und Schlitz 3m bezeichnet. Schlitz 1p/Schlitz 1m und Schlitz 3p/Schlitz 3m enthalten jeweils eine einzelne Spule 176A, 176B. Schlitz 2p/Schlitz 2m enthalten zwei Spulen 176C, 176D. Durch Trennen der Spulen in drei separate Bereiche (Spulenschlitze) wird die Wärmeentwicklung in jeder Spule minimiert, und etwa entwickelte Wärme wird leichter abgeleitet. 19 zeigt außerdem als Beispiel die Winkel zwischen den Schlitzen. Der Winkel zwischen Schlitz 1p und Schlitz 2p wird im Allgemeinen auf die gleiche Größe eingestellt wie die Winkel zwischen Schlitz 2p und Schlitz 3p und auch zwischen Schlitz 1m und Schlitz 2m sowie Schlitz 2m und Schlitz 3m. Jeder Winkel zwischen 0 und 90 Grad ist wirksam. Eine wünschenswerte Leistung wird jedoch mit Winkeln zwischen 15 und 45 Grad erreicht, doch ein derartiger Bereich soll keine Einschränkung bedeuten. Unter dem Gesichtspunkt der Fertigung lässt sich die Spule leicht in Schlitz 1p/Schlitz 1m und Schlitz 3p/Schlitz 3m einsetzen, wenn der Winkel etwa 22 Grad beträgt.
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Jeder Schlitz (Schlitz 1p, Schlitz 1m, Schlitz 2p, Schlitz 2m, Schlitz 3p, Schlitz 3m) ist breit, was dazu führt, dass der Spulenwiderstand und die elektrische Induktivität jeder in den Schlitz eingebrachten Spule niedrig sind. Beispielsweise sind Schlitz 1p/Schlitz 1m und Schlitz 3p/Schlitz 3m 0,660 mm (0,026 Zoll) breit, und Schlitz 2p/Schlitz 2m ist 1,219 mm (0,048 Zoll) breit. Außerdem stellt die Gesamtbreite aller Schlitze dar, was für den Magnetkreis als ein sehr großer Gesamtspalt von 2,54 mm (0,1 Zoll) zwischen den Zähnen erscheint. Da der Durchmesser des Rotormagneten in diesem Beispiel 3,048 mm (0,12 Zoll) beträgt macht der Gesamtspalt zwischen den Zähnen um den Magneten herum mehr als 80% des Rotormagnetdurchmessers selbst aus. Wegen dieses sehr breiten effektiven Spalts zwischen den Zähnen weist diese Ausführungsform die niedrigste Induktivität aller dargestellten früheren Ausführungsformen auf.
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Wie weiter in 17 dargestellt, sind die Rückstellmagneten 134, 136 außerhalb des Rotormagneten 122 angebracht und sind effektiv in dem Statorstahl versenkt, wie früher beschrieben. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass wegen der verteilt angeordneten Spulen die Wärme leicht von den verteilten Spulen abgeleitet werden kann. Außerdem sorgt dieser Verteilungsgrad für einen Stellantrieb mit sehr niedriger Induktivität.
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Für den in 17 dargestellten Stellantrieb, bei dem 10 Windungen AWG#29-Magnetdraht in den Bereichen untergebracht sind, die mit Spule 1 plus/Spule 1 minus, Spule 2 plus/Spule 2 minus, Spule 3 plus/Spule 3 minus und Spule 4 plus/Spule 4 minus bezeichnet sind (insgesamt 40 in Reihe geschaltete Windungen), betragen beispielsweise die Drehmomentkonstante (KT) etwa 38000 Dyn·cm/A, der Spulenwiderstand (R) etwa 1,0 Ohm und die Spuleninduktivität (L) etwa 94 μH. Zu beachten ist, dass dies die gleiche Drehmomentkonstante (KT) liefert wie der zahnlose Stellantrieb, aber bei nahezu einem Drittel des Spulenwiderstands und niedrigerer Spuleninduktivität (L). Jeder Spulenbereich umgibt die Spule auf drei Seiten und liefert einen erwünschten und effektiven Wärmeableitungsweg zur Wärmeableitung von den Spulen. Diese technischen Daten sind weit besser als die des zahnlosen Stellantriebs.
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20 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist der in 17 dargestellten insofern ähnlich, als drei Spulenbereiche auf jeder Seite des Rotormagneten vorhanden sind. In dieser Ausführungsform gibt es jedoch keine Rückstellmagneten. Stattdessen wird die Rotorpositionsrücksstelleinrichtung 132 durch die innere Form des Statorstahls erleichtert, die nicht kreisförmig ist und stattdessen die Rückstellschlitzbereiche 166 aufweist. Wenn die Schlitze für die Spulen (Schlitz 1p, Schlitz 1m, Schlitz 2p, Schlitz 2m, Schlitz 3p, Schlitz 3m, Schlitz 4p, Schlitz 4m) gleichmäßig um den Innendurchmesser des Stators verteilt sind und dabei Platz für die Rückstellschlitzbereiche 166 lassen (links und rechts in 20 und 21 dargestellt), wird die Rotorposition zur Mitte zurückgestellt, solange die Breite 168 der Rückstellschlitze größer ist als die Breite von Schlitz 2p/Schlitz 2m (die in Winkeln von 90 Grad bezüglich der Rückstellschlitzbereiche angeordnet sind) und die Tiefe der Rückstellschlitzbereiche größer oder gleich dem annähernd Dreifachen der Spaltdistanz zwischen dem Rotormagneten und den Statorzähnen ist. Im Fall dieses als Beispiel dargestellten Stellantriebs 100 ist der Durchmesser des Rotormagneten 3,048 mm (0,120 Zoll), und der Innendurchmesser des Stators ist 3,454 mm (0,136 Zoll), wodurch zwischen dem Rotormagneten und dem Statorstahl ein Spalt von 0,2032 mm (0,008 Zoll) entsteht, die Breite des Rückstellschlitzbereichs 166 ist 1,27 mm (0,050 Zoll), und die Tiefe 170 des Rückstellschlitzbereichs 166 ist 0,6096 mm (0,024 Zoll). Wie oben beschrieben, kann der Rückstellschlitzbereich 166 modifiziert werden, so dass er eher oval als schlitzartig aussieht, ähnlich der in 13 dargestellten Ausführungsform, und noch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung bleiben. 21 zeigt die Flusslinien 150 für die Ausführungsform gemäß 20.
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22 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein Stellantrieb 100 verwendet, der einen vierpoligen Rotormagneten aufweist. Früher sind typische vierpolige Stellantriebe zur Anwendung auf dem Gebiet der optischen Abtastung hergestellt worden, aber das Versatzdrehmoment war kaum tolerierbar, und auch die Induktivität war nicht wünschenswert. Aus diesem Grunde wurden die vierpoligen Stellantriebe nie populär. Bei Verwendung der in 22 dargestellten Ausführungsform wird jedoch das Versatzdrehmoment durch die Rückstellmagneten vollständig eliminiert.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 22 lässt sich der Stellantrieb 100 so beschreiben, dass er den Stator 102 mit der darin axial verlaufenden Öffnung 104 und vier Zähnen 106, 108, 106A, 108A mit profilierten Enden 110, 112 aufweist, die einen Teil der Öffnung bilden. Die distalen Enden 114, 116, 114A, 116A der vier Zähne sind voneinander beabstandet und bilden den Spalt 118, wie oben beschrieben. Der Rotor 120 verwendet eine vierpolige Magneteinrichtung, hierin beschrieben als vierpoliger Magnet 180, der in die Öffnung 104 hineinragt, wobei zwischen dem Magneten 180 und den profilierten Enden der mindestens vier Zähne 106, 108, 106A, 108A der Abstand 124 ausgebildet ist. Die elektrischen Spulen 128, 130 erstrecken sich zumindest um Teile der Zähne. Die Rotorrückstelleinrichtungen 132, hier die Rückstellmagneten 134, 136, 134A, 136A, werden in den Schlitzen 138, 140, 138A, 140A der Zähne aufgenommen. Die zwei Spulen 128, 130 füllen den Raum zwischen den vier Zähnen weitgehend aus, so dass in den Spulen entwickelte Wärme durch Wärmekontakt zum Stator zu diesem übertragen wird. Der Spalt 118 zwischen den Statorzähnen wird gleichfalls erweitert und kann breiter werden, wodurch ein Stellantrieb mit sehr niedriger Induktivität entsteht. 23 zeigt die Flusslinien 150 für die Ausführungsform gemäß 22.
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Für den vierpoligen Stellantrieb 100, der hierin unter Bezugnahme auf 22 beschrieben wird, können die Spulen 128, 130 auf verschiedene Arten gewickelt werden. Zum Beispiel können vier einzelne Spulen um die vier Zähne der Ausführungsform gemäß 22 gewickelt werden, wie in 24 dargestellt. Alternativ können zwei Spulen gewickelt werden, die eine Spule um alternierende Zähne einschließen, wie in 25 dargestellt. Als weitere Alternative kann eine einzelne Spule serpentinenartig um alle Zähne gewickelt werden, wie in 26 dargestellt. Der Vorteil des Wickelns einer einzelnen Spule um jeden Zahn ist, dass die Endwindungen nicht so viel Raum einnehmen und daher die axiale Länge des Motors verkleinert werden kann. Der Vorteil des Wickelns von zwei Spulen auf alternierende Zähne ist, dass die Anzahl der Spulen halb so groß ist wie beim Anbringen einer Einzelspule auf jedem Zahn. Der Vorteil der serpentinenartigen Wicklung ist, dass nur eine einzige Spule für alle Zähne benötigt wird.
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Ohne damit eine Einschränkung zu beabsichtigen, kann der Statorstahl ein magnetisch leitendes Material sein, wäre aber vorzugsweise Siliciumstahl von Motorqualität. Außerdem kann die Form des Stators unter Anwendung jeder bekannten Fertigungstechnik gefertigt werden, aber es hat sich gezeigt, dass der Stator am einfachsten durch Stanzen, Laserschneiden oder Photoätzen der Form in dünne Lamellen, wie zum Beispiel in 0,3556 mm (0,014 Zoll) dickes M-19-Material, und anschließendes Stapeln der Lamellen gefertigt werden kann, um die gewünschte axiale Länge des Motors zu erzielen.
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Außerdem ist zu beachten, dass die oben unter Bezugnahme auf 9A beschriebenen Lamellen 154, die den Stator 102 bilden, als eine einzige massive Lage oder alternativ als getrennte Segmente gefertigt werden können, wie in 27 und 28 dargestellt, die, wenn sie zusammengesetzt werden, die fertige gewünschte Form bilden. Die Segmente oder Statorsektionen 150, 152 können auch an wechselnden Lamellenlagen überlappende Teile enthalten, um die Gesamtreluktanz des Kraftlinienwegs zu verringern, wie in 29 dargestellt und oben beschrieben.
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Zu beachten ist, dass der Rotormagnet 122 und die Rückstellmagnete 134, 136, 134A, 136A aus irgendeinem Magnetmaterial hergestellt sein können, und dass die Rückstellmagnete aus einem anderen Material als der Rotormagnet hergestellt sein können. Gegenwärtig wird jedoch die höchste Leistung durch Verwendung von Neodym-Eisen-Bor N48H oder besserem Material für den Rotormagneten erzielt.
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Zu beachten ist, dass es in allen Ausführungsformen, die zwei oder mehr getrennte Spulen bereitstellen, möglich ist, nur eine einzige Spule zu wickeln und/oder dieser Strom zuzuführen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Und während bei Stellantrieben, die mehr als eine Spule verwenden, die Spulen gewöhnlich in Reihe geschaltet sind, ist es auch möglich die Spulen parallel oder seriell-parallel zu schalten, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Wie oben beschrieben, ist in allen Ausführungsformen, die Rückstellmagnete verwenden, die Verwendung eines einzigen Rückstellmagneten zur Überwindung des Versatzdrehmoments möglich, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Bei Verwendung nur eines Rückstellmagneten wird jedoch auch eine am Rotormagneten angreifende Radialkraft erzeugt, die den Rotormagneten effektiv zum Rückstellmagneten hin anzieht. Dies kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, die eine radiale Vorlast für die Stützlager verwenden.
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Der Betrag der Rotorpositionsrückstellung ist von der Breite und Länge (in der Magnetisierungsrichtung) der Rückstellmagneten abhängig. Wenn entweder die Breite oder die Länge vergrößert wird, wird ein größerer Rückstellbetrag (Drehmoment zur Mitte der Drehwinkelbereichs hin) bereitgestellt.
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung können weitere Modifikationen vorgenommen werden. Um ein Beispiel zu geben, wird nun auf 30 Bezug genommen, die einen kleinen Materialsteg 182 an einem Magnetende der Schlitze 138, 140 darstellt, wo die Rückstellmagnete 134, 136 angeordnet werden können, wie früher unter Bezugnahme auf 11 angesprochen. Der Materialsteg 182 kann sehr dünn ausgeführt werden, typischerweise etwa in der Dicke der Lamelle 154 (zum Beispiel 0,3556 mm = 0,014 Zoll). Dies ist vorgesehen, um dazu beizutragen, den Stator 102 in einer präzisen Form zu halten, wobei das Dickenmaß (d. h. die geringe Dicke) des Materialstegs 182 ihn praktisch für Magnetismus unsichtbar macht, da er magnetisch gesättigt wird. Ferner kann, wie in 31 dargestellt, der Materialsteg 182 entfernt werden, wodurch der Stator 102 in Segmenten 150, 152 existieren kann, wobei jedes Segment effektiv an dem Rückstellmagneten 134, 136 befestigt ist. Die Rückstellung erfolgt mit oder ohne den Materialsteg 182.
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Wie dem Fachmann in den Sinn kommen kann, der nun aus den Lehren der vorliegenden Erfindung Nutzen zieht, ist es auch möglich, mehrere Magnete zu verwenden, solange diese so magnetisiert und ausgerichtet sind, dass die Flusslinien in der gewünschten Orientierung bereitgestellt werden, wie hierin ausführlicher beschrieben wird. Außerdem verwendet zwar eine typische Ausführungsform einen zweipoligen Magneten, aber es kann auch ein Rotormagnet mit einer größeren Polzahl eingesetzt werden, wie später in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wird.
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Obwohl vorstehend eine ausführliche Beschreibung und Zeichnungen der Erfindung geliefert wurden, versteht es sich, dass der Umfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll. Ferner werden dem Fachmann, der aus den in den vorstehenden Beschreibungen und den dazugehörigen Zeichnungen dargestellten Lehren Nutzen zieht, viele Modifikationen und weitere Ausführungsformen der Erfindung in den Sinn kommen. Daher versteht es sich, dass die Erfindung durch die offenbarten konkreten Ausführungsformen nicht eingeschränkt werden soll.
