-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft allgemein winkelbegrenzte elektromechanische Rotationsaktoren bzw. Drehantriebe und insbesondere Aktoren, die auf dem Gebiet der optischen Abtastung verwendet werden.
-
Hintergrund
-
Seit Jahrzehnten gibt es winkelbegrenzte elektromechanische Rotationsaktoren. Sie kommen in vielfältigen Gewerbe- und Konsumanwendungen zum Einsatz, sind aber auf dem Gebiet der optischen Abtastung von besonderem Nutzen, bei der ein optisches Element an einer Aktorausgangswelle angebracht ist und dann pendelnd hin- und hergedreht wird.
-
Beispielsweise ist gemäß 1 häufig ein Spiegel an der Ausgangswelle eines Rotationsaktors angebracht, um ein optisches Abtastsystem zu erzeugen. In dieser Anwendung kann die Aktor/Spiegel-Kombination einen Lichtstrahl über einen Bereich von Winkeln umlenken oder das Sichtfeld einer Kamera umlenken, so dass sie vielfältige Ziele beobachten kann.
-
Allgemein sind typische elektromechanische Rotationsaktoren, die auf dem Gebiet der optischen Abtastung verwendet werden, aus einer gewissen Kombination aus Magnet, Stahl und Spulen aus isoliertem „Magnet“-Draht hergestellt. Diese Elemente wurden auf vielfältige Weise angeordnet, aber in den letzten zwanzig Jahren bestand die am weitesten verbreitete Anordnung darin, eine einfache Gestaltung mit einem zweipoligen Rotormagnet und einem „zahnlosen“ Stator zu verwenden, die einem schlitzlosen/bürstenlosen Gleich- oder Wechselstrom-Synchronmotor ähnelt, aber eine einfachere, einphasige Spulenanordnung hat.
-
Normalerweise ist der Rotor in diesen Aktoren aus einem zylindrischen Magnet hergestellt, an dem eine oder zwei Wellen auf die eine oder andere Weise angebracht sind. Beispielhaft sind einige bekannte Rotoranordnungen anhand von 2, 3 und 4 veranschaulicht.
-
Kommt diese Art von Aktor zur optischen Abtastung zum Einsatz, kann eine Welle an einem Spiegel angebracht und eine weitere Welle mit einem Positionssensor betreibbar sein. Üblicherweise ist die Rotoranordnung auf einer Seite oder beiden Seiten durch Kugellager gelagert.
-
Hilfreich ist ein Überblick über die bekannte Aktortechnologie und ein Verweis auf bekannte Aktoren, um dem Leser den Bedarf verständlicher zu machen, der durch Ausführungsformen der Erfindung befriedigt wird.
-
5 zeigt eine Schnittansicht einer Anordnung aus Rotormagnet, Stator und Spule, wie man sie in einem typischen herkömmlichen optischen Scanner des Stands der Technik vorfindet. Der Stator ist im Wesentlichen röhrenförmig und aus einem massiven Stück aus magnetisch leitendem Material hergestellt, z. B. kaltgewalztem Stahl. Für den Rotormagnet mit einem Durchmesser von 0,120 Inch (etwa 3,05 mm) kann eine typische Statorröhre einen Außendurchmesser von 0,5 Inch (rund 12,7 Millimeter) und einen Innendurchmesser von 0,196 Inch (etwa 5 Millimeter) haben. Die Spule ist aus Magnetdrahtwindungen hergestellt, die an die Innenwand der Statorstahlröhre mit Hilfe von Epoxidharz geklebt sind. Jede Seite der Spule ist als Bogen ausgebildet, der oft einen Bogen im Winkel von etwa 90 Grad auf jeder Seite des Stators wie hier gezeigt belegt. Zwischen der Außenwand des Rotormagneten und der Innenwand der Spule ist normalerweise ein rund 0,007 Inch (etwa 0.18 mm) großer Spalt vorhanden, wodurch der Magnet frei drehen kann. Mit weiterem Bezug auf 5 sind die Spulenbereiche mit „Spule plus“ und „Spule minus“ bezeichnet, um Windungen anzugeben, die sich in die Seite hinein bewegen bzw. aus der Seite heraus austreten.
-
6 veranschaulicht Magnetfeldlinien, die man in einem herkömmlichen optischen Scanner des Stands der Technik gemäß 5 vorfindet, der einen massiven, zylindrischen, diametral magnetisierten Rotormagnet verwendet. Deutlich ist, dass sich die magnetischen Flusslinien über einen relativ großen Spalt erstrecken (ihn „überspringen“) müssen, um den Statorstahl zu erreichen. Die Spule liegt im Raum zwischen dem Magnet und dem Statorstahl. Ist die Spule erregt, wirkt eine Lorentzkraft sowohl auf die Spule als auch auf den Magnet. Da die Spule normalerweise mit dem Stator verklebt ist und somit stationär gehalten wird, wird alle Kraft zum Rotormagnet übertragen. Da Kraft auf entgegengesetzten Seiten des Magneten erzeugt wird, wobei die Kraft die Form von Drehmoment hat, produziert der Aktor Drehmoment und erzeugt dadurch Bewegung.
-
9a zeigt einen zylindrischen Rotormagnet und Spulenwicklungen. Darstellungsgemäß liegt der Magnet im Wesentlichen „innerhalb“ der Spule. In dieser Darstellung ist kein Stahl gezeigt, der außerhalb der Spule liegt. Zur Spule gehören mehrere Windungen aus Magnetdraht. Der lange, gerade Abschnitt der Spule ist als „aktiver Abschnitt“ bekannt, da dieser Abschnitt zum Drehmoment auf den Magnet beiträgt. Der abgerundete Abschnitt der Spule ist als „Endwicklungen“ oder „Wickelkopf“ bekannt. Die Wickelköpfe tragen nicht zur Drehmomenterzeugung bei. Sie dienen lediglich dazu, den aktiven Abschnitt auf einer Seite der Spule mit der anderen Seite der Spule zu verbinden. Allerdings liegt jegliche Erwärmung der Antriebsspule als Ergebnis des sie durchlaufenden Stroms auch in den Wickelköpfen vor. Obwohl also die Wickelköpfe nicht zur Drehmomenterzeugung beitragen, tragen sie dennoch zu Wärme, ohmschem Widerstand und elektrischer Induktivität bei, alles Attribute, die die Aktorleistung insgesamt beeinträchtigen. Daher strebt man an, die Wickelköpfe möglichst kurz zu halten, um diese nachteiligen Wirkungen zu minimieren.
-
Als weiteres Beispiel mit erneutem Bezug auf 9a ist die Spule so dargestellt, dass ihre Spulenwicklungen den Magnet in Abschnitten oben, unten, links und rechts vollständig umgeben. Normalerweise wird diese Spulenanordnung nicht in bekannten Aktoren verwendet, da die Wickelköpfe, wie sie schematisch in dieser 9a dargestellt sind, eine Welle daran hindern würden, den Magnet zu erreichen. Statt dessen müssen die Wickelköpfe weggebogen (oder eher „umgeformt“) werden, was anhand von 9b veranschaulicht ist. Sind die Wickelköpfe auf diese Weise umgeformt, kann die Welle (die am Magnet angebracht ist) die Wickelköpfe normalerweise „durchlaufen“, was dazu führt, dass effektiv ein „Loch“ in der Spule gebildet ist. Natürlich bedeutet dies, dass die „Wickelköpfe“ unerwünscht verlängert werden müssen, um ein solches „Loch“ zu erzeugen. Wie später in den Lehren der Erfindung gezeigt, entfällt ein solches unerwünschtes Merkmal bei Aktoren, die hierin beispielhaft vorgestellt sind.
-
Durch eine solche herkömmliche Aktoranordnung kommt es zu einigen erwünschten Nutzeffekten. Ein Nutzen ist die relativ niedrige Spuleninduktivität, die daraus resultiert, dass die Spule nicht vollständig einen geschlossenen Stahlkern umgibt. Vielmehr ist das gesamte Innere des Aktors offen und enthält nur den Rotormagnet, dessen Permeabilität nahezu die gleiche wie die von Luft ist. Als weiterer Nutzeffekt hat der Rotor allgemein keine „bevorzugte Position“, was bedeutet, dass nach Rotorpositionierung Strom von der Spule entfernt werden kann und der Rotor in dieser Position bleibt. Für optische Abtastanwendungen ist die Leistung dieser Art von Aktor gut für Anwendungen geeignet, zu denen Lasermarkierung und gewisse grafische Laserprojektionen gehören.
-
Obwohl dieser herkömmliche Aktoraufbau seit mehr als zwei Jahrzehnten erfolgreich zur optischen Abtastung verwendet wurde, haben aber die Kosten beim Bilden der Spule und anschließenden Kleben der Spule an den Stator bisher verhindert, dass diese Art von Aktor in bestimmten Konsumanwendungen sehr erfolgreich ist, darunter Displays in Verkaufsstellen, 3D-Drucker und bestimmte selbstfahrende Automobile und solche mit Fahrassistenten, bei denen niedrige Kosten ausschlaggebend sind.
-
Für die Art von Aktor, dessen Anordnung in
5 gezeigt ist und dessen wie zuvor gebildete Wickelköpfe
9b darstellt, ist die Spule am schwierigsten und damit am teuersten herzustellen, da sie idealerweise in drei Dimensionen gewickelt sein muss. Spulen dieser Art sind allgemein in
2a der
US-A-4090112 (Bezugszeichen 50);
1 der
US-A-5313127 (Bezugszeichen 30);
8 der
US-A-5424632 (Bezugszeichen 75); und
4 der
US-A-6633101 (Bezugszeichenen 34 und 42) gezeigt. Obwohl einige dieser Darstellungen zeigen, dass die einzelnen Spulen alle säuberlich ausgebildet sind und eine sehr gute Kupferpackung haben, sind solche Spulenwicklungen bekanntermaßen normalerweise nicht so ordentlich. Aufgrund der 3D-Beschaffenheit der Spulenwicklung konkurrieren die einzelnen Windungen oft effektiv um Raum mit einander „überkreuzenden“ Windungen, was zu suboptimaler Stromdichteverteilung sowie suboptimaler Wärmeteilung unter den Windungen der Spule führt.
-
Dessen ungeachtet präsentiert nach Bildung der Spule ihr Einführen in den Stator die nächste Herausforderung. Aufgrund der engen Nähe der Statorwand zu den Spulenwicklungen kann die Isolierung auf der Spule im Einführvorgang zerkratzt werden, was zu einem sofortigen oder latenten elektrischen Fehler vom Typ „Kurzschluss zwischen Spule und Gehäuse“ führt.
-
Die Spule mit den Statorwänden zu verkleben ist ein weiterer schwieriger Herstellungsschritt für diese Art von Aktor. Häufig kommt wärmeleitendes Epoxidharz zum Einsatz, um die Spule an die Innenseite der Statorwände zu kleben, aber sehr oft bilden sich Luftblasen in der Klebestelle, was zu suboptimaler Wärmeabfuhr führt. Problematisch ist zudem die für das Epoxidharz erforderliche Härtezeit.
-
Ohne ein gewisses externes winkelbegrenzendes Element können diese typischen Aktoren bekanntlich im Stator frei drehen und jede Drehposition einnehmen. Für optische Abtastanwendungen ist dies aber unerwünscht, da diese Anwendungen nur einen Spiegel über einen relativ begrenzten Winkelbereich bewegen - allgemein höchstens 40 Grad mechanisch Spitze-zu-Spitze. Außerdem wird bei Verwendung einer einzelnen Spule zusammen mit einem zweipoligen Magnet kein erwünschtes Drehmoment bei allen Drehwinkeln erzeugt, und tatsächlich wird bei bestimmten Winkeln überhaupt kein Drehmoment erzeugt. Aus diesen Gründen unterliegt diese Art von Aktor einer externen Rotationsbegrenzung. Am häufigsten erfolgt diese Begrenzung durch einen „Anschlagstift“, der durch eine der Wellen getrieben ist und der einen Eingriff mit externen feststehenden Elementen herstellt. Anschlagstifte dieser Art sind in
1 der
US-A-5936324 (Bezugszeichen 32); und
2 der
US-A-5424632 (Bezugszeichen 18) gezeigt.
-
Wird ein Anschlagstift verwendet, muss die Axiallänge der Welle zwangsläufig verlängert werden, um ihm Raum zu geben. In die Welle wird ein Loch dort gebohrt, wo der Anschlagstift sitzt. Obwohl der Anschlagstift das Loch weitgehend füllt, füllt er das Loch nicht vollständig. Daher schwächt die Kombination aus einer längeren Welle plus dem für den Anschlagstift gebohrten Loch die Welle und verringert unerwünscht Resonanzfrequenzen im Torsions- und Biegemodus.
-
Bei Einsatz dieser Art von herkömmlichem Aktor für optische Abtastanwendungen bestimmen die Kosten für das Ausbilden, Einführen und Festhalten der Spule eine ernsthafte Einschränkung dafür, wie billig sich ein optischer Scanner herstellen lässt, und diese Einschränkung hat den Erfolg bestimmter Laserabtastanwendungen im Konsumbereich bisher verhindert. Aus diesem Grund besteht deutlicher Bedarf an einem elektromechanischen Rotationsaktor, der allgemein für alle Nutzeffekte dieser Art von herkömmlichem Aktor für optische Abtastanwendungen sorgt, während er sich zugleich billiger herstellen lässt.
-
Mit erneutem Bezug auf
7 und
8 ist ein bekannter Aktor gemäß der
US-A-4319823 für Kameraverschlussanwendungen gestaltet. In diesem Aktor ist die Spule rechteckig und umgibt den Magnet, und eine Welle ist an der Welle mit Hilfe eines U-förmigen Zwischenbauteils angebracht. Aufgrund dessen, wie nur eine einzelne Welle verwendet wird, und aufgrund der Art und Weise, wie die Welle am Magnet angebracht ist, konnte dieser Aktor aber leider nicht für optische Abtastanwendungen mit hoher Leistung verwendet werden, besonders wenn diese Anwendungen auch Rotorpositionsinformationen erforderten.
-
Die zuvor aufgeführten Patentveröffentlichungen, darunter die
US-A-4090112 „Electrically Damped Oscillation Motor“ (augenscheinlich die erste Art von optischem Scanner vom Typ mit „beweglichem Magnet“);
US-A-5313127 „Moving Magnet Motor“ (ein Aktor vom Typ mit beweglichem Magnet);
US-A-5424632 „Moving Magnet Optical Scanner with Novel Rotor design“ für Montagu (ein Scanner mit beweglichem Magnet und eine Rotoranordnung mit einem Anschlagstift);
US-A-5936324 für Montagu „Moving Magnet Scanner“ (Motor unter Verwendung eines Anschlagstiftelements);
US-A-6633101 für Stokes „Moving magnet Torque Motor“ (ein Aktor);
US-A-7365464 für Brown „Composite Rotor and Output Shaft for Galvanometer Motor and Method of Manufacture Thereof“ (ein Rotoranordnungsverfahren ähnlich wie bei Montagu); und
US-A-8569920 für Ramon et al. „Small Electric Motor“ (verbreitet verwendete Rotoranordnung und Verfahren), dienen als Beispiele und sind hier insgesamt durch Verweis aufgenommen.
-
Zusammenfassung
-
In Übereinstimmung mit den Lehren der Erfindung kann ein drehbegrenzter elektromechanischer Rotationsaktor einen Stator, eine im Stator bidirektional betreibbare Rotoranordnung und eine einzelne Spule aufweisen, deren Form allgemein rechteckig ist. Die elektrische Spule umgibt einen Rotormagnet oben, unten und auf zwei Seiten.
-
Die Rotoranordnung kann eine Ausgangswelle, einen massiven zylindrischen diametral magnetisierten Magnet und eine Positionssensorwelle aufweisen. Die Ausgangswelle und Positionssensorwelle verfügen jeweils über einen Durchlass, den die elektrische Spule durchlaufen kann, während die Rotoranordnung dennoch drehen kann.
-
Ein drehbegrenzter elektromechanischer Rotationsaktor gemäß der Erfindung weist einen Stator mit einer Öffnung auf, die so bemessen ist, dass sie eine Rotoranordnung und eine elektrische Spule aufnimmt. Eine Rotoranordnung ist mit dem Stator über einen begrenzten Rotationsbereich bidirektional betreibbar. Die Rotoranordnung weist eine Ausgangswelle und einen zweipoligen Magnet sowie eine Positionssensorwelle auf, wobei die Ausgangswelle und Positionssensorwelle jeweils nur an einem Abschnitt des Magneten starr angebracht sind. Die Rotoranordnung weist Durchlässe auf, damit eine elektrische Spule durchgehen kann. Die elektrische Spule erstreckt sich auf vier Seiten um den Magnet und ist zum Bereitstellen von bidirektionalem Drehmoment für den Rotor erregbar.
-
Figurenliste
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende nähere Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:
- 1 einen typischen optischen Scanner, wobei ein Spiegel auf einem Ende einer Aktorwelle platziert ist;
- 2 eine Art von bekannter Rotoranordnung wie in der US-A-5424632 beschrieben, wobei zwei Wellenenden an einer Hülse angebracht sind und ein Rotormagnet in der Hülse enthalten ist;
- 3 eine weitere Art von bekannter Rotoranordnung wie in der US-A-6633101 beschrieben, wobei eine einzelne Welle am Magnet angebracht ist und wobei das Wellenende vollständig zylindrisch ist und im Wesentlichen einen „Napf“ bildet, in den der Magnet voll eingesetzt ist;
- 4 noch eine weitere Art von bekannter Rotoranordnung, wobei der Magnet röhrenförmig ist und ein ihn durchlaufendes Loch hat, durch das eine massive Welle durchgeht;
- 5 eine Schnittansicht einer Anordnung aus Rotormagnet, Statorstahl und Spulenplatzierung in einem bekannten Aktor;
- 6 Magnetfeldlinien in der Anordnung gemäß 5, wenn ein massiver, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet verwendet wird;
- 7 und 8 einen bekannten Aktor gemäß der Beschreibung in der US-A-4319823 , der einen Magnet und eine Spulenwicklung mit Wickelköpfen hat;
- 9a eine schematische Darstellung einer um einen zylindrischen Magnet gewickelten Spule als eine vorteilhafte Möglichkeit, keine Wickelköpfe zum Aufnehmen einer Welle bilden zu müssen;
- 9b eine weitere Anordnung aus zylindrischem Rotormagnet und Spulenwicklungen, wobei die Wickelköpfe so ausgebildet sind, dass der Magnet und die Rotorwelle sie durchlaufen können;
- 10 eine Schnittansicht eines Aktors gemäß den Lehren der Erfindung;
- 11 eine weitere Schnittansicht der Ausführungsform von 10, wobei eine Ebene der Schnittansicht 90 Grad verglichen mit 10 orientiert ist;
- 12 eine explodierte Ansicht eines Aktors gemäß den Lehren der Erfindung;
- 13 eine schematische Darstellung einer mit dem Aktor von 11 betreibbaren Rotoranordnung gemäß den Lehren der Erfindung;
- 14 eine Ausführungsform einer Rotoranordnung gemäß den Lehren der Erfindung;
- 14a eine Teilquerschnittansicht an den Linien 14a-14a von 14, die beispielhaft einen Rotationsbereich zeigt, der in einer Region zwischen Spulenseiten begrenzt ist;
- 15 eine weitere Ausführungsform als Ergebnis eines Verfahrens zur Bildung der Rotoranordnung;
- 16a, 16b und 16c noch eine weitere Ausführungsform, wobei eine Rotoranordnung einen Magnet mit Kerben oder Schlitzen an jedem Ende und Wellen mit napfartigen Eingriffen aufweist;
- 17a und 17b Ansichten eines oberen Spulenhalters;
- 18 die Magnetfeldlinien in der Erfindung, wenn der Rotormagnet ein massiver, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist und der Stator aus einem Material hergestellt ist, das magnetisch leitend und dessen Querschnitt so geformt ist, dass effektiv ein geschlitzter Aktor zustande kommt; und
- 19 die Magnetfeldlinien in der Erfindung, wenn der Rotormagnet ein massiver, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet ist und der Stator aus einem Material hergestellt ist, das magnetisch leitend und dessen Querschnitt so geformt ist, dass effektiv ein geschlitzter Aktor mit zusätzlichen Schlitzen zustande kommt, um Hängenbleiben praktisch auszuschließen.
-
Nähere Beschreibung der Ausführungsformen
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Gleichwohl kann die Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt sein und ist nicht so auszulegen, als sei sie auf die hier präsentierten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit die Offenbarung gründlich und vollständig ist, und vermitteln dem Fachmann vollständig den Schutzumfang der Erfindung.
-
Zunächst ist gemäß 10, 11, 12 eine Ausführungsform der Erfindung hierin als elektromechanischer, drehbegrenzter Rotationsaktor 10 beschrieben. Der hier beispielhaft beschriebene Aktor 10 weist einen Aktorkörper 12 auf, der den Stator 14 enthält, wobei der Körper in einem Stück mit dem Stator ausgebildet sein kann. Der Stator 14 hat eine sich axial darin erstreckende Öffnung 16, die im Stator gebildet sein kann, wobei die Öffnung groß genug ist, dass eine Rotoranordnung 18 wie auch eine Rechteckspule 20 hineinpasst. Zudem kann die Öffnung beispielsweise auch das Unterlager 24 aufnehmen. Zu beachten ist, dass in einigen Ausführungsformen das Oberlager 22 oder Unterlager 24 einen Außendurchmesser haben kann, der größer als eine Gesamtabmessung der Öffnung 16 ist, weshalb die Öffnung Abschnitte haben kann, die größer sind, um die Lager aufzunehmen. Wie ferner anhand von 12 dargestellt, kann eine vorgespannte Lagerfeder 28 zum Einsatz kommen.
-
Mit nunmehrigem Bezug auf 13 und 14 weist die Rotoranordnung 18 für die hier beispielhaft beschriebene Ausführungsform eine Ausgangswelle 30, einen Magnet 32 und eine Positionssensorwelle 34 auf. Die Ausgangswelle 30 ist mit einem Abschnitt des Magneten 32 starr verbunden, wobei sie vorzugsweise zum Großteil auf einem Außenumfang 36 (d. h. Durchmesser) des Magneten angebracht ist. Wie hier beispielhaft beschrieben, weist die Welle 30 eine Verbindung 31 auf, die sich von einem Körperabschnitt der Welle erstreckt. Gemäß 14a ist die Verbindung 31 so bemessen, dass sie sich teilweise um eine Umfangsfläche des Magneten 32 erstreckt. Die Positionssensorwelle 34 ist ebenfalls mit einem Abschnitt des Magneten 32 auf einem axial entgegengesetzten Ende 38 starr verbunden, wobei sie vorzugsweise zum Großteil auf dem Außenumfang 36 des Magneten 32 angebracht ist. Die hier beispielhaft beschriebene Welle 34 weist eine Verbindung 35 auf, die sich von einem Körperabschnitt der Welle 34 erstreckt. Mit erneutem Bezug auf 14a wird dem Fachmann aus den Lehren der Erfindung nunmehr verständlich sein, dass die Verbindung 35 so bemessen ist, dass sie sich teilweise um eine Umfangsfläche (Umfang 36) des Magneten 32 erstreckt, und wie die Verbindung 31 bemessen sein kann, um den gewünschten Rotationsbereich 19 beizubehalten. Mit weiterem Bezug auf 14a ist die Rotoranordnung 18 über einen begrenzten Rotationsbereich 19 mit dem Stator 14 bidirektional betreibbar und erstreckt sich in das Loch 16. Als Beispiel für die hier beschriebene Ausführungsform ist der begrenzte Rotationsbereich 19 allgemein durch eine Bogenlänge der Verbinder 31, 35 so bestimmt, dass die Wellen 30, 34 zwischen Gegenseiten der Spule 20 gedreht werden können, ohne dass die Verbinder 31, 35 auf die Gegenseiten der Spule auftreffen. Für die hier anhand von 14a veranschaulichte Ausführungsform wird der Verbinder 31 zwischen gegenüberliegenden aktiven Spulenabschnitten gedreht. Obwohl die anhand von 14a als nicht einschränkendes Beispiel dargestellten Verbinder 31, 35 als einzelner durchgängiger Aufbau gebildet sind, wird der Fachmann aus den Lehren der Erfindung nunmehr verstehen, die einzelnen Verbinder 31, 35 als mehrere Verbinder auszubilden, wobei die Außenverbinder in den mehreren Verbindern die Bogenlänge und damit den begrenzten Rotationsbereich 19 festlegen. Ferner und mit erneutem Bezug auf 11 und 13 können die Verbinder 31, 35 Verbinderpaare aufweisen. Obwohl ferner erwünscht ist, die Verbinder 31, 35 im Wesentlichen die Außenzylinderfläche des Magneten 32 wie in der Veranschaulichung der hier beschriebenen Ausführungsformen kontaktieren zu lassen, wird dem Fachmann klar sein, dass ein Abschnitt der Ober- und Unterseite des Magneten von den Verbindern 31, 35 kontaktiert werden kann, ohne vom Kern und von den Lehren der Erfindung abzuweichen. Die Spule steht nicht in Kontakt mit dem Magnet, was Reibkontakt damit vermeidet.
-
In der Ausführungsform gemäß 13 ist der Magnet 32 ein zweipoliger, massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet. Obwohl es mehrere Möglichkeiten zur Bildung eines Rotors mit Hilfe eines Magneten gibt, sorgt der Gebrauch eines massiven, zylindrischen diametral magnetisierten Magneten für erwünschte Nutzeffekte. Ein Nutzeffekt ist, dass ein sinusförmiges Profil des Flusses als Funktion des Winkels (wobei sich „Winkel“ hier auf den Magnet selbst bezieht) aus dem Magnet resultiert. Seinerseits erzeugt dies ein annähernd sinusförmiges Profil des Ausgangsdrehmoments als Funktion des mechanischen Rotorwinkels des Aktors 10, wenn Strom an der Spule 20 anliegt. Dennoch können andere Magnetformen verwendet werden und nach wie vor dem Grundgedanken und den Lehren der Erfindung entsprechen, darunter ein quadratischer und ein rechteckförmiger Magnet, solange der Magnet zwei Pole hat, die so angeordnet sind, dass sie mit dem aktiven Abschnitt der Rechteckspule 20 zusammenfallen. Als weiteres Beispiel sei erneut auf 10 verwiesen, die die aktiven Spulenabschnitte 20R und 20L in enger Nähe zum Nord- und Südpol des Magneten 32 zeigt.
-
In bekannten Aktoren, die auf dem Gebiet der optischen Abtastung verwendet werden, durchlaufen die Wellen den Rotormagnet normalerweise axial, wobei sie eine ununterbrochene und durchgängige Verbindung der Welle durch die Magnetachse hindurch bilden. Bei hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bildet jedoch die Rotoranordnung 18 einen Durchlass 40, 42 zum Durchgang der Spule 20, wobei der Durchlass durch jede Welle 30, 34 mit weiterem Bezug auf 13 und 14 und nunmehr 15 hindurch oder alternativ durch Schlitze 44, 46 im Magnet 32 hindurch gemäß 16a, 16b und 16c liegt. Die Durchlässe 40, 42 bilden einen freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule 20 sowie zwischen der Spule 20 und dem Magnet 32. In den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen ist dieser Durchlass 40, 42 dadurch erleichtert, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 nur an einem Abschnitt des Magneten 32 angebracht sind und diese Anbringung an Außenflächen 32L, 32R des Magneten 32 als Beispiel erfolgt, wodurch die Wellen vorteilhaft keinen Mittelabschnitt einer Oberseite 32T und Unterseite 32B des Magneten nahe der Rotationslängsachse 33 berühren.
-
Deutlicher dargestellt ist für die hier beispielhaft beschriebene Rechteckspule
20 gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen klar und erwünscht, dass kein Material von den Wellen
30,
34 die Ober- und Unterseite
32T,
32B des Magneten
32 an oder nahe der Längsachse berührt, was mit erneutem Bezug auf
14 gezeigt ist. Auch Wickelköpfe der Spule
20 kontaktieren nicht den Magnet
32 an der Ober- und Unterseite. Dagegen stellen im Stand der Technik Bauelemente normalerweise Kontakt mit der Achse des Magneten her. Beispielsweise berührt gemäß der zuvor aufgeführten
US-A-4319823 ein U-förmiges Bauteil die Achse und die gesamte Oberseite des Magneten. Bei anderen bekannten Aktoren ist eine Welle normalerweise zum Magnet ausgerichtet und durchläuft mindestens teilweise den Magnet entlang seiner Achse. Während Sensoren möglicherweise nicht angebracht sind, dient der Kontakt mit dem Magnet normalerweise zum Ausrichten und Schwenken des Magneten.
-
16a, 16b und 16c zeigen eine alternative Ausführungsform zur Bildung der Rotoranordnung 18 gemäß den Lehren der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Magnet 32 ein zweipoliger, zylindrischer diametral magnetisierter Magnet mit dem Einschnitten 44, 46 in den oberen und unteren Abschnitt 32T, 32B. Die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 sind mit dem Magnet 32 an Außenabschnitten der Schlitze 44, 46 jeweils starr verbunden. In dieser Ausführungsform der Rotoranordnung 18 sind die Wellen 30, 34 relativ leichter herzustellen, wobei sie einfache napfartige Eingriffsbereiche haben. Zu beachten ist, dass in dieser Ausführungsform der Magnet die Durchlässe 40, 42 bildet, die die Spule 20 durchlaufen kann.
-
Mit erneutem Bezug auf 10 wird klar, dass die elektrische Spule 20, hier als rechteckförmige Spule als nicht einschränkendes Beispiel ausgeführt, den Magnet 32 oben, unten, links und rechts umgibt. Unter Verwendung der zuvor festgelegten Spulenterminologie sind die linke Seite 20L und rechte Seite 20R der Spule 20 die „aktiven Abschnitte“, und die Oberseite 20T und Unterseite 20B der Spule 20 sind die „wickelköpfe“. Die hier beispielhaft beschriebene Rechteckspule 20 ist zur Bereitstellung eines bidirektionalen Drehmoments für die Rotoranordnung 18 erregbar.
-
Da der zweipolige Magnet 32 als Beispiel zusammen mit der einzelnen elektrischen Spule 20 verwendet wird, deren aktive Abschnitte nur auf zwei Seiten 32L, 32R des Magneten 32 liegen, kommt es zu maximaler Rotordrehmomentausgabe, wenn der Nord- und Südpol des Magneten jedem aktiven Abschnitt der elektrischen Spule am nächsten sind, und minimales Drehmoment (im Wesentlichen null) tritt auf, wenn der Nord- und Südpol des Magneten einen 90-Grad-Winkel zum aktiven Abschnitt der Spule bilden, was mit weiterem Bezug auf 10 gezeigt ist.
-
Die Innenabmessungen der Spule 32 sind so ausgewählt, dass für einen Spalt 48 um den Magnet 32 gesorgt ist, der hier als freier Raum zwischen dem Magnet und der Spule bezeichnet wird. Vorzugsweise ist dieser Spalt 48 möglichst klein ausgebildet, da bei Zunahme dieses Spalts ein Spulenbereich (in dem Drahtwindungen platziert werden können, um Drehmoment zu erzeugen) effektiv abnimmt. Für den Aktor 10 gemäß 10 und 11 beträgt dieser Spalt 48 rund 0,006 Inch (etwa 0,15 mm) rings um den Magnet 32, was aber nicht als Einschränkung zu betrachten ist.
-
Die Außenabmessungen der Spule 20 sind so ausgewählt, dass sie klein genug ist, um in das Loch 16 im Stator zu passen, und auch klein genug sind, um mit dem Durchlass 40, 42 für den Spulendurchgang zu funktionieren, was letztlich für den freien Raum zwischen der Welle 40, 42 und der Spule sorgt.
-
Wie mit weiterem Bezug auf 10 und 11 gezeigt, ist sowohl für die Ausgangswelle 30 als auch für die Positionssensorwelle 34 der Spalt 48 vorhanden, der den freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule 20 und auch einen freien Raum zwischen der Spule und dem Magnet 32 bildet. Diese freien Räume sind effektiv durch die Durchlässe 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 vorgesehen und ermöglichen der Rotoranordnung 18, über einen begrenzten Rotationsbereich frei zu drehen.
-
Beispielsweise wirkt dieser Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 mit der Dicke der elektrischen Spule zusammen, um den Bereich von Arbeitswinkeln für den Aktor 10 festzulegen, da der Durchlass für den Spulendurchgang groß genug sein muss, damit die Spule durchlaufen kann, während er auch der Rotoranordnung 18 ermöglicht zu drehen. Ist der Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 größer gestaltet, kann die Rotoranordnung 18 über einen größeren Winkelbereich drehen. Vergrößert man aber den Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20, so verringert dies in der Folge eine Wellenmaterialmenge, die in starrer Verbindung mit dem Magnet 32 bleibt, was die gesamte Rotoranordnung 18 schwächt. Daher muss zwischen Abmessungen der Spule 20 und Größe des Durchlasses 40, 42 für den Spulendurchgang bedarfsweise ein Kompromiss ermittelt werden, um den erwünschten begrenzten Rotationswinkel des Aktors 10 sowie die gewünschte Festigkeit und Steifigkeit der gesamten Rotoranordnung 18 zu erreichen.
-
Mit weiterem Bezug auf 10 und 11 ist klar, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 primär an zwei Stellen angebracht sind. Wie dem Fachmann klar sein wird, hängt die Form des Anbringungsbereichs von der Form des Magneten 32 ab (d. h. ob er zylindrisch oder eher kubisch ist). Ist der Magnet 32 zylindrisch, so sind die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 vorzugsweise an gepaarten bogenförmigen Bereichen angebracht, primär um den Außendurchmesser des Magneten. Ist der Magnet 32 kubisch, so sind die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 vorzugsweise auf zwei flachen Seiten des Magneten angebracht.
-
Normalerweise wären die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 mit Hilfe eines Klebers angebracht, z. B. eines Epoxidharzes. Zu Klebern, die in hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, gehörten anaerobe Kleber und Cyanacrylat als nicht einschränkende Beispiele. Als weiteres Beispiel sind mit erneutem Bezug auf 11 die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 beide primär am Magnet 32 auf der linken Seite 32L und rechten Seite 32R des Magneten angebracht. Aus 10 geht hervor, dass die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 nicht an der Rückseite 32RR oder Vorderseite 32F des Magneten angebracht sind. Die Rück- und Vorderseite 32RR, 32F befinden sich dort, wo der Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 liegt. Obwohl die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 nicht auf allen Oberflächen am Magnet 32 angebracht sind, sind diese Rotoranordnung 18 und das Bildungsverfahren der Anordnung für viele Anwendungen ausreichend fest, darunter für die optische Abtastung. Tatsächlich zeigten Computersimulationen und anschließende Versuche, dass die Rotorsteifigkeit dieser Konfiguration genauso wunschgemäß ist wie bei herkömmlichen Scannern mit Drehmagnetgalvanometern.
-
Damit die Rechteckspule 20 den Magnet 32 gemäß 10 und 11 umgibt, unterliegt die Reihenfolge beim Zusammenbau des Aktors 10 Einschränkungen. Um die Rotoranordnung 18 des Aktors 10 gemäß 10 und 11 zusammenzubauen, wird zunächst die Rechteckspule 20 lose um den Magnet 32 gelegt, wonach die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet angebracht werden (beispielsweise mit Epoxidharz). Danach wird die Kombination aus Rotoranordnung 18 und Spule 20 in die Öffnung 16 des Stators 14 eingeführt, und die Spule 20 wird mit Hilfe von Schlitzen 50 im Stator 14 an Ort und Stelle gehalten und kann ferner mit Epoxidharz befestigt werden. Ein oberer Spulenhalter 26 hilft bei der Spulenausrichtung und sorgt für zusätzliche Abstützung neben der Befestigung des Oberlagers 22.
-
Allerdings kann dies den Zusammenbau der Rotoranordnung 18 etwas kompliziert machen. Einem Monteur muss es gelingen, die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 axial zu befestigen, während die Spule 20 lose an Ort und Stelle gehalten wird. Dabei muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass kein Kleber (falls verwendet) auf die Rechteckspule 20 gelangt, um die freie Drehung nicht zu behindern.
-
Als Alternative können die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 so ausgeführt sein, dass sie nur an einer einzelnen Seite des Magneten 32 und nicht an zwei Seiten angebracht werden. Dies ist in alternativen Ausführungsformen gemäß 14 und 15 dargestellt. In diesen Fällen verfügt der Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 nicht nur über einen freien Raum zwischen dem Magnet 32 und der Spule und einen freien Raum zwischen der Welle 30, 34 und der Spule, sondern auch über eine vollständig offene Seite, über die die Spule eingeführt werden kann, nachdem die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 bereits am Magnet 32 angebracht sind. Als nicht einschränkendes Beispiel zeigt 14 eine mögliche Ausführungsform, in der die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 auf derselben Seite angebracht sind (hier auf der linken Seite 32L gemäß der Zeichnungsansicht). Aufgrund dessen kann die Rotoranordnung 18 vollständig ohne die Spule 20 gebildet werden, wonach die Rechteckspule 20 später beispielsweise von rechts in die Anordnung 18 eingesetzt werden kann. Weiterhin zeigt 15 eine weitere mögliche Ausführungsform, in der die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 am Magnet 32 auf Gegenseiten angebracht sind. Sobald in diesem Fall die Rotoranordnung 18 vollständig gebildet ist, kann die Spule 20 von oben oder unten eingebracht und dann in Position gedreht werden. Natürlich sind die Rotoranordnungen 18 gemäß 14 und 15 unter der Annahme, dass ein ähnlicher Kleber zum Einsatz kommt, möglicherweise nicht so fest wie die Rotoranordnungen gemäß 13 sowie 16a, 16b und 16c, da weniger Wellenmaterial in Kontakt mit dem Magnet 32 steht. Daher gibt es einen Kompromiss zwischen Steifigkeit/Festigkeit des Rotors und Leichtigkeit/Reihenfolge des Zusammenbaus.
-
Da in jedem Fall der Magnet 32 oben und unten durch separate Wellen 30, 34 gestützt wird, erreichen die hier beschriebenen Ausführungsformen der Rotoranordnung 18 einen Grad an Steifigkeit, der sich für optische Abtastanwendungen als akzeptabel herausgestellt hat, wobei die Rotoranordnungen gemäß 13 und 16a-16c genauso wünschenswert sind wie bei herkömmlichen Scannern mit Drehmagnetgalvanometern, während sie auch ähnliche Trägheit haben. Auf den ersten Blick scheint dies widersprüchlich, da eine Platzierung eines Durchlasses 40, 42 zwischen dem Magnet 32 und jeder Welle 30, 34 auf den ersten Blick in der Tendenz die Steifigkeit verringern würde. Gewahrt bleibt die Steifigkeit durch Beibehaltung eines großzügigen Kontaktbereichs zwischen dem Magnet 32 und der Ausgangswelle 30 sowie dem Magnet und der Positionssensorwelle 34 und durch Befestigen des Magneten an jeder Welle um den Außenumfang des Magneten. Zudem bleibt die Steifigkeit aufgrund dessen gewahrt, dass jede Welle 30, 34 am Magnet 32 direkt befestigt ist, statt ein Zwischenelement zwischen jeder Welle und dem Magnet zu verwenden. Wie zuvor anhand von Verbindern 31, 35 der Wellen 30 und 34 beschrieben, können ähnliche Verbinder 31, 35 mit Hilfe des Materials des Magneten mit erneutem Bezug auf 16b gebildet sein.
-
Um als weiteres Beispiel die Ermüdungsfestigkeit zu maximieren, ohne dabei den Magnetfluss zu stören, der durch den Magnet 32 und den elektrischen Kreis der Spule 20 erzeugt wird, können die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 aus einem nichtmagnetischen Edelstahl hergestellt sein, z. B. der Sorte 303, was aber nicht als Einschränkung gelten soll. Andere Materialien, darunter sogar Kunststoffmaterialien, z. B. Delrin, Nylon oder PEEK, können zum Einsatz kommen, wenn die Rotorsteifigkeit nicht ausschlaggebend ist.
-
In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Aktorkörper 12 als Stator 14 ausgebildet und hat eine einfache Röhrenform. Um die Drehmomentausgabe vom Aktor 10 zu maximieren, ist der Stator 14 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt. Ein mögliches billiges Material, das wirksam funktioniert, ist kaltgewalzter Stahl, z. B. Stahl 1018, aber magnetische Edelstähle funktionieren auch wirksam, z. B. 416 oder 430. Ist erwünscht, die Positionshysterese zu minimieren, kann (wenn auch mit viel höheren Statormaterialkosten) Nickelstahl Carpenter 49 verwendet werden.
-
Alternativ kann der Stator 14 überhaupt kein magnetisch leitendes Material aufweisen und kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein, z. B. Delrin, Nylon oder PEEK. Weist der Stator 14 kein magnetisch leitendes Material auf, erzeugt der Aktor 10 erheblich weniger Drehmoment - möglicherweise nur die Hälfte dessen, wenn permeables Magnetmaterial verwendet wird. Allerdings ist dann auch die elektrische Induktivität der Rechteckspule 20 entsprechend verringert, weshalb es für bestimmte Anwendungen erwünscht sein kann, den Stator 14 aus einem magnetisch nichtleitendem Material herzustellen.
-
Ferner kann die Rechteckspule 20 im Stator 14 auf vielfältige Weise an Ort und Stelle gehalten werden. In der in 10, 12, 18 und 19 beispielhaft gezeigten Ausführungsform wird aber das Halten der Spule primär mit Hilfe von Schlitzen 50 im Stator 14 erreicht und kann mit dem Einsatz von Epoxidharz unterstützt werden. Ein zusätzlicher oberer Spulenhalter 26 kann dazu dienen, den oberen Abschnitt 20T der Spule 20 zu halten und zu stützen. Dieser obere Spulenhalter 26 kann ein Röhrenelement sein, dessen Innendurchmesser ausreichend groß ist, damit die Ausgangswelle 30 durchläuft, und dessen andere Merkmale zum Befestigen des oberen Spulenhalters 26 und der Spule 20 am Stator 14 geeignet sind. Zudem kann dieser obere Spulenhalter 26 das Oberlager 22 befestigen.
-
Auch andere Möglichkeiten zum Halten der Spule an Ort und Stelle sind denkbar, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
In einigen Ausführungsformen kann der obere Spulenhalter 26 aus einem Material hergestellt sein, das magnetisch nichtleitend ist, z. B. einem Kunststoffmaterial (beispielsweise Silikon, Delrin, Nylon oder PEEK), wobei aber viele Materialien verwendet werden können, darunter wärmeleitende Kunststoffe sowie magnetisch nichtleitende Metalle, z. B. Aluminium. Zu beachten ist, dass bei Herstellung des oberen Spulenhalters aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. Aluminium, Wirbelströme in der Spulenhalteeinrichtung bei Erregung der Spule erzeugt werden können. Diese Wirbelströme bewirken eine Verringerung der Scheininduktivität. Allerdings liegt auch eine gewisse Dämpfung der Rotation der Rotoranordnung vor, da diese Spulenhalteeinrichtung im Wesentlichen als „kurzgeschlossene Windung“ der elektrischen Spule fungiert.
-
Ist der Stator 14 aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt und sind die Innenabmessungen des Stators 14 so realisiert, dass er einen einfachen kreisförmigen Querschnitt und zusätzlich Schlitze 50 hat, durch die die Spule gemäß 18 passt, ist der Aktor 10 im Wesentlichen ein Aktor vom geschlitzten Typ und neigt stark zu Hängenbleiben hin zur Außenseite des Rotationswinkelbereichs. Daher kann eine „Formgebung“ des Innenquerschnitts des Stators 14 erwünscht sein, wenn er aus einem magnetisch leitenden Material hergestellt ist. Mit erneutem Bezug auf 19 ist ein Beispiel für diese Formgebung zu sehen. Hier sind zusätzliche Schlitze 52 im Stator 14 gebildet. Wird ein massiver zylindrischer diametral magnetisierter Magnet verwendet und sind die zusätzlichen Schlitze 52 am Stator 14 etwa so breit wie die zum Halten der Spule verwendeten Schlitze 50, ist Hängenbleiben praktisch ausgeschlossen.
-
Obwohl in dieser beispielhaften Ausführungsform der Stator 14 in einem Stück mit dem Aktorkörper 12 ausgebildet und aus einem einzelnen Material hergestellt ist, ist es auch möglich, den Stator mit Laminierungen auszubilden oder den Stator 14 und Aktorkörper 12 mit Hilfe jeder bekannten Herstellungstechnik herzustellen, darunter 3D-Druck, Metallspritzgießen und Wasserstrahlschneiden.
-
Wie zuvor beschrieben, muss die Öffnung 16 im Stator 14 ausreichend groß sein, damit die Rotoranordnung 18 zusammen mit der Rechteckspule 20 durchpasst. Allerdings bestimmen die Abmessungen dieser Öffnung 16 auch effektiv eine maximale Außenabmessung der elektrischen Spule 20. Wird die Öffnung 16 im Stator 14 größer, so ist mehr Raum vorhanden, um mehr elektrisch leitendes Material (d. h. Kupferdrahtwindungen) auf der elektrischen Spule 20 unterzubringen. Wird aber die Öffnung 16 größer und auch die elektrische Spule 20 größer, können die vom Magnet 32 am entferntesten (und am nächstens zu den Wänden des Lochs im Stator 14 liegenden) Drahtwindungen weniger produktiv als die Drahtwindungen sein, die dem Magnet 32 am nächsten sind.
-
In
10 bis
14 wird die Positionssensorwelle
30 zusammen mit der Ausgangswelle
34 für optische Abtastanwendungen verwendet, um vorteilhaft Positionsinformationen zu haben. In einem solchen Fall würde eine Positionssensoranordnung
54 (hier mit erneutem Bezug auf
15 allgemein dargestellt) in enger Nähe zur Positionssensorwelle verwendet. Verwiesen sei auf die
US-A-8508726 (deren Offenbarung durch Verweis hiermit insgesamt aufgenommen ist) für Beispiele für die Positionssensoranordnung
54, die mit Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung von Nutzen sind. Sind aber Positionsinformationen unnötig oder werden extern gesammelt, ist die Positionssensorwelle
34 immer noch von Nutzen, da sie dazu beiträgt, den Magnet
32 zu stützen, und somit für zusätzliche Seitensteifigkeit sorgt.
-
Die Ausgangswelle 30 kann ein optisches Element tragen, z. B. den mit erneutem Bezug auf 1 gezeigten Spiegel. Zu den optischen Elementen können ein Spiegel, Prisma oder Filter gehören, die in optischen Scannern wirksam zum Einsatz kommen.
-
Ein Nutzeffekt des Aktors 10 der Erfindung ist, dass er vorteilhaft viel billiger herzustellen ist und das Potential hat, elektrisch effizienter als normalerweise bekannte Aktoren zu sein. Da die Spule 20 in einfacher Rechteckform hergestellt ist, kann die Spule auf gewöhnlichen Spulenwickelmaschinen gewickelt werden, die einen hohen Kupferpackungsgrad ermöglichen, während sie die Spule zugleich sehr billig produzieren. Danach wird die Spule 20 mit Hilfe von Schlitzen 50 im Stator 14 an Ort und Stelle gehalten und kann ferner mit Epoxidharz festgehalten werden. Ein oberer Spulenhalter 26, der in einigen Ausführungsformen in den Aktorkörper 12 eingepresst oder am Aktorkörper 12 auf jede andere Weise anderweitig befestigt sein kann, dient als Ausrichtungshilfe und sorgt für zusätzliche Abstützung an der Oberseite 20T der Spule 20.
-
In einem derzeit hergestellten beispielhaften Aktor 10 ist die Leistung vorteilhaft gut und kann allgemein mit der Leistung herkömmlicher Drehmagnetgalvanometer auf dem aktuellen Markt konkurrieren. In diesem beispielhaften Aktor 10 sind der Aktorkörper 12 und der Stator 14 mit Hilfe von Edelstahl im Metallspritzguss hergestellt. Der Außendurchmesser des Aktorkörpers 12 beträgt 0,5 Inch (etwa 12,7 mm). Die Öffnung 16 im Stator weist ein Loch von 7 mm zusammen mit Innenschlitzen auf, die allgemein gemäß 19 konfiguriert sind. Der Magnet 32 ist aus Neodym-Eisen-Bor mit 0,120 Inch (etwa 3 mm) Durchmesser und einer Länge von 0,315 Inch (etwa 8 mm) hergestellt. Die Ausgangswelle 30 und die Positionssensorwelle 34 haben jeweils 3 mm Durchmesser und werden durch das Oberlager 22 und das Unterlager 24 gestützt, die auch 7 mm Außendurchmesser haben, so dass sie sich perfekt in die Öffnung im Stator 14 einpassen. Die vorgespannte Lagerfeder 28 übt etwa 6 Unzen Kraft (etwa 1,67 N) auf das Unterlager 24 aus, wodurch die Kugeln in den Lagern 22, 24 sitzen und vorbelastet bleiben. Die Rechteckspule 20 hat eine Innenabmessung (am nächsten zum Magnet) von 0,140 Inch (etwa 3,6 mm) und eine Außenabmessung (am nächsten zum Durchlass im Stator) von 0,265 Inch (etwa 6,7 mm) sowie eine Dicke von 0,060 Inch (etwa 1,5 mm). Die Spule 20 hat 100 Windungen aus Draht AWG #35, was für einen Spulenwiderstand von etwa 3,3 Ohm sorgt. Für diesen Aktor 10 beträgt die Drehmomentkonstante 22.000 Dyn*cm pro Ampere Strom, der die Spule durchfließt. Der Durchlass 40, 42 für den Durchgang der Spule 20 in der Ausgangswelle 30 und der Positionssensorwelle 34 ist so bemessen, dass die Rotoranordnung 18 über einen 40-Grad-Winkel mechanisch Spitze-zu-Spitze rotiert.
-
Obwohl die Erfindung zuvor näher und anhand von Zeichnungen beschrieben wurde, sollte klar sein, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt ist. Zudem werden dem Fachmann viele Abwandlungen und andere Ausführungsformen anhand der Lehren klar sein, die in den vorstehenden Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen präsentiert wurden. Daher ist verständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen zu beschränken ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 4090112 A [0014, 0021]
- US 5313127 A [0014, 0021]
- US 5424632 A [0014, 0017, 0021, 0025]
- US 6633101 A [0014, 0021, 0025]
- US 5936324 A [0017, 0021]
- US 4319823 A [0020, 0025, 0031]
- US 7365464 A [0021]
- US 8569920 A [0021]
- US 8508726 A [0054]
