DE2632095A1 - Elektromechanischer torsionsoszillator - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, W.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RO 974 016

Elektromechanischer Torsionsoszillator

Die Erfindung betrifft ganz allgemein elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen und insbesondere einen elektromechanischen Torsionsoszillator zum Antrieb von Spiegeln in optischen Ablenksystemen, wobei die Spiegel eine begrenzte Drehbewegung ausführen.

;Für eine ganze Reihe von Anwendungsgebieten gibt es eine große An—

j zahl solcher Betätigungsvorrichtungen. Da diese Anwendungsgebiete

(einmal geringen Leistungsverbrauch oder hohe Güte bei der Reso-

I -

jnanzfrequenz oder große Ablenkwinkel oder großes Drehmoment erfordern, gibt es keine Betätigungsvorrichtung dieser Art, die sich für ein optisches Abtastsystem zum Lesen kleiner, an Packungen beifestigter Schilder, Aufkleber oder Etiketten eignet. Bei dieser Art: !von Anwendungsgebiet ist die erforderliche Leistung nicht kritisch. |Da die Betriebsfrequenz durch die übrigen Daten des Systems festjliegt und in der Nähe der gewünschten Resonanz der Vorrichtung liegt, ist ein hoher Gütefaktor nicht erwünscht. Auch sind mäßige Ablenkwinkel durchaus brauchbar und das erforderliche Drehmoment ist klein.

Die zu schaffende Vorrichtung muß aber eine sehr hohe Lebensdauer ■ haben und darf nicht ausfallen. Die Herstellung, der Zusammenbau, ; die Justierung und die Prüfung sollte einfach sein. Dabei sollten : keine Materialien verwendet werden, bei denen besondere Verarbeitungsverfahren oder außergewöhnliche Handhabung erforderlich sind. Die Vorrichtung sollte außerdem robust sein, starke Stöße, Hitze, Feuchtigkeit und Staub aushalten, ohne daß dadurch der Betrieb oder

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die Lebensdauer nachteilig beeinflußt wird. Die Vorrichtung sollte weiterhin im wesentlichen gegen Einwirkung von Wärme unempfindlich sein und während eines Dauerbetriebs selbst nicht viel Wärme erzeugen. Die Produktion großer Mengen solcher Vorrichtungen sollte sich leicht, ohne besondere Vorkenntnisse, Techniken oder Werkzeuge durchführen lassen. Die Einjustierung der Resonanzfrequenz und des Gütefaktors sollten'möglich sein, damit im Herstellungsverfahren größere Toleranzen zugelassen werden können. Diese Ein- ! Stellungen sollten leicht durchführbar sein, worauf diese Vierte
dann für die Lebensdauer der Vorrichtung erhalten bleiben.
! Einen diesen Forderungen entsprechenden Torsionsoszillator zu
schaffen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäß aufgebaute Betätigungsvorrichtung hat nur einen begrenzten Drehbereich mit einem an einem Torsionsstab befestigten Anker, der zwischen zwei Paaren von Polschuhen von
Permanentmagneten angeordnet ist. Der Magnetfluß in dem Luftspalt zwischen dem Anker und den Polschuhen wird durch einen über eine Erregerwicklung induzierten Fluß verändert. Die Erregerwicklungen j sind im magnetischen Stromkreis in der Weise angeordnet, daß der einem Ende des Ankers zugeordnete Fluß in den Magnetspalten durch j den induzierten Fluß differentiell beeinflußt wird. Dabei wird
der Fluß auf der einen Seite des Ankers verstärkt, während der
Fluß auf der anderen Seite des Ankers abgeschwächt wird, worauf
sich der Anker in Richtung auf den Luftspalt mit der größeren
Flußdichte dreht.

ι Der Anker ist dabei auf einer Achse befestigt, die an dem vom Anker abgewandten Ende gelagert ist. Der zur Ableckung des Lichtstrahls dienende Spiegel ist in unmittelbarer Nachbarschaft des
Ankers angebracht. Die Vorrichtung hat dabei eine eigene Resonanz-

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frequenz und soll bei oder in der Nähe der Resonanz betrieben werden. Da der Energieverbrauch oder Energieverlust sowie die Regelung des Gütefaktors am Anker wirksam wird, wird die Kontrolle der Spiegelbewegung dadurch erleichtert, daß der Spiegel in der Nähe des Ankers angebracht wird.

Der Gütefaktor und die Resonanzfrequenz sind einstellbar. Eine gesonderte Dämpfungswicklung in Reihe mit einem Regelwiderstand oder ein Regelwiderstand in Reihe mit der Steuerschaltung und den Steüerwicklungen gestattet eine Einstellung des Gütefaktors über einen großen Bereich. Die Resonanzfrequenz wird mit Hilfe einer einfachen Klammer einjustiert, so daß es nicht erforderlich ist, an der Achse oder am Anker Material abzunehmen oder hinzuzufügen bzw. besondere Abstimmstreifen vorzusehen oder die Flußdichte im Luftspalt mit Hilfe eines Nebenschlusses über dem Permanentmagneten zu verändern.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung finden sich in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. "I- eine isometrische schematische Ansicht einer Betätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine isometrische perspektivische Teilschnittansicht der Betätigungsvorrichtung,

Fign. 3a, b und

σ zeigen die Ankerbewegung in Beziehung zum Strom

fluß durch die Steüerwicklungen ohne Regelung des Gütefaktors,

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;Fign. 4a, b und

ιc die Ankerbewegung in Beziehung zum Stromfluß

j durch eine Steuerwicklung, wobei die Regelung

ι des Gütefaktors durch einen in Reihe mit der

ι zweiten Steuerwicklung geschalteten Regelwider

stand durchgeführt wird,

Fign. 5a, b und

c zeigt die Ankerbewegung in bezug auf den beide

Steuerwicklungen durchfließenden Steuerstrom, wobei der Gütefaktor mit Hilfe eines in Reihe mit den Steuerwicklungen geschalteten Regelwiderstandes einstellbar ist,

JFig. 6 eine Darstellung des Gütefaktors Q über dem Wi- ; derstand R und

!Fig. 7 die Änderung der Resonanzfrequenz als Funktion

! der Flußdichte in den Luftspalten der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß aufgebaute elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit einem an einem Rahmen 2 mittels einer Klemmvorrichtung 3 befestigten Torsionsstab 1. Am anderen Ende des Torsionsstabes 1 ist ein dem Antrieb dienender Anker angebracht. Ein den Spiegel tragendes Bauteil 11 ist in unmittelbarer Nachbarschaft des Ankers 10 an dem Torsionsstab 1 befestigt. Ein Spiegel 12 ist an dem Bauteil 11 vorzugsweise durch Ankleben mit einem Epoxydharz befestigt. In unmittelbarer Nachbarschaft zu Abfühlwicklungen 20, die auf einer Trägerplatte 21 befestigt sind, ist auf der Rückseite des Spiegels 12 ein Abfühlanker 13 befestigt. Jedes Ende des Ankers 10 liegt dabei im Luftspalt £-förmiger Magnetkerne 30 und 31, die mit der Grundplatte fest verbunden sind. Auf den Magnetkernen 30 und 31 sind Erregerwicklungen 35 und 36 angebracht. Der magnetische Stromkreis zwischen Magnetkernen wird durch ein Paar permanenter Magnete 40 und 41

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vervollständigt, die durch ein Paar Halterungen 45 und 46 aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, in ihrer Lage gehalten werden.

In Fig. 2 sind Einzelheiten der Klemmvorrichtung 3 für den Torsionsstab 1 gezeigt. Der Torsionsstab 1 liegt dabei zwischen einem zweiten und einem dritten Klemmstück 4 bzw. 5, die durch Ausrichtzapfen 6 und 7 miteinander ausgerichtet sind. Ein erster Hai-, tebügel 8 durchsetzt entsprechende Schlitze für die Klemmvorrich- | tung 3 in den Seitenteilen des Rahmens 2. Eine Klemmschraube 9 ! wird so weit angezogen, daß sie Druck auf das Klemmstück 4 aus- j übt und damit den Torsionsstab zwischen den Klemmstücken 4 und 5 einklemmt, wenn sich diese Klemmstücke an die rückwärtige senkj rechte Wand des Rahmens 2 anlegen. Die seitlich angeordne-' ten Schlitze gestatten eine Einstellung der Klemmvorrichtung für j den Torsionsstab nach aufwärts und abwärts, wodurch die wirksame Länge des TorsionsStabes einstellbar wird, so daß dadurch die Re- ; sonanzfrequenz der gesamten Vorrichtung einstellbar ist. '[

Die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung wird nunmehr anhand ■' von Fig. 3 erläutert. Die magnetischen Stromkreise sind dabei in j Fig. 3 dargestellt. Die C-förmigen Magnetkerne 30 und 31 weisen jeweils eine Steuerwicklung 35 bzw. 36 auf. Die C-förmigen Magnetkerne 30 und 31 sind durch ein Paar Permanentmagnete 40 bzw. 41 miteinander verbunden, so daß zusätzlich zu dem durch den Luft- ·· spalt über die Enden der Magnetkerne 30 und 31 führenden magneti- j sehen Stromkreis ein magnetischer Nebenschluß gebildet wird. Der j von dem Permanentmagnet 40 ausgehende Fluß verläuft von einem Pol-! ; schuh 45 des Permanentmagneten durch einen Teil des C-förmigen j !Magnetkerns 30 über den Luftspalt 47 nach dem Anker 10, durch den j Anker 10, über den anderen Luftspalt 48 nach dem C-förmigen Magnetkern 31 und zurück zum Polschuh 49 des Permanentmagneten 40, wie * dies durch Pfeile angedeutet ist. Der andere Permanentmagnet 41 f

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schließt einen magnetischen Stromkreis, bei dem der Flußverlauf· vom Polschuh 55 über einen Teil des C-förmigen Magnetkernes 30, über den Luftspalt 57 nach dem Anker 10, durch den Anker 10 hindurch und über den Luftspalt 58 nach dem C-förmigen Magnetkern und von dort zurück nach dem Polschuh 59 des Permanentmagneten 55 führt, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Sind die Steuerwicklungen nicht erregt, dann ist die Lage des Ankers in Fig. 3a durch im wesentlichen identisch gleiche Luftspalte zwischen jeder :Endfläche des Ankers und dem benachbarten Polschuh des C-förmigen ι Magnetkernes bestimmt. Geringfügige Unterschiede in der Flußj dichte in den Luftspalten zwischen Anker 10 und den Magnetkernen 30 und 31 reichen jedoch nicht aus, den Anker 10 zu bewegen, da der Torsionsstab 1 eine relativ hohe Biegesteifigkeit oder Torsions steifigkeit besitzt.

■ Angenommen, die Erregerwicklungen werden mit der in Fig. 3b dari gestellten Polarität erregt, dann wird in dem magnetischen Strom-I kreis ein magnetischer Fluß induziert, wie er durch die den Erre- \ gerwicklungen 35 und 36 zugeordnete Pfeile angezeigt ist. Man ; • sieht, daß der durch die Erregerwicklungen 35 und 36 hervorgerufej ne Fluß sich über dem Luftspalt 57 zu dem dort bereits vorhandenen ; Magnetfluß hinzuaddiert, während im gegenüberliegenden Luftspalt der dem gleichen Ende des Ankers 10 zugeordnet ist, ein stark verminderter Fluß auftritt, da der durch den Permanentmagneten her-

vorgerufene Fluß durch den von der Erregerwicklung 35 hervorgerufenen elektromagnetischen Fluß aufgehoben wird. Daher bewegt der Anker sich in Richtung des Polschuhs mit der höheren Flußdichte. Eine gleichartige Wirkung tritt am anderen Ende des Ankers 1O ein,' iwobei sich im Luftspalt 48 die magnetischen Flüsse addieren, wäh- |

j · ι

! rend im Luftspalt 58 durch Auslöschung eine Verringerung der ι Flußdichte auftritt. Damit schwingt aber der Anker 10 in die in : Fig. 3b dargestellte Richtung. :

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Da die Erregerwicklungen 35 und 36 mit einem Wechselstromsignal oder mindestens mit einem Singal ständig wechselnder Polarität angesteuert werden sollen, zeigt Fig. 3C die Wirkung eines Steuerstroms mit umgekehrter Polarität. In diesem Fall wird der durch die Erregerwicklung 35 induzierte Fluß in seiner Richtung umgekehrt, so daß die Flußdichte in den Luftspalten 47 und 58 erhöht wird, und der Anker 10 sich in die entgegengesetzte Richtung dreht. Wird die Frequenz des den Erregerwicklungen 35 und 36 zugeführten Signal etwa auf die echte mechanische Resonanzfrequenz der Vorrichtung gebracht, dann werden der Anker und der Spiegel starke Rotationsschwingen mit der Steuerfrequenz ausführen. Da durch die mechanische Konstruktion ein relativ hoher Gütefaktor erzielt wird, wird das Ansprechverhalten bei einem außerhalb der Resonanzfrequenz liegenden Signal eine sehr größe Dämpfung aufweisen und die Vorrichtung kann über einen ziemlich breiten Be-* reich von Betriebsfrequenzen nicht eingesetzt werden. Es kann jedoch öfters vorkommen, daß man eine relativ breite Resonanzkurve benötigt, die mit den mechanischen Eigenschaften allein nicht zu erzielen ist.

Fig. 4 zeigt, wie der Gütefaktor Q beeinflußt werden kann, um damit eine Güte erzielen zu können, die auf das Änsprechverhalten des elektronischen Systems abgestimmt ist. Es ist einleuchtend, daß Materialunterschiede und unterschiede im Zusammenbau von Vorrichtung zu Vorrichtung unterschiedliche Güten ergeben, auch wenn ein Versuch unternommen wird, diese Veränderlichen innerhalb sehr enger Grenzen zu halten. Es sollte daher möglich sein, die Vorrict tung mit etwas weiteren Toleranzen herzustellen und für diese Toleranzen eine leicht einstellbare elektrische Kompensation vorzusehen, so daß die tatsächlichen Kenndaten der Vorrichtung in einen sehr engen genau überwachten Bereich fallen. In der in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrüngsform ist die Erregerwicklung 35 auf dem

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;C-förmigen Magnetkern 30 mit einem regelbaren Widerstand 70 I abgeschlossen. Die Einstellung des Widerstandes läßt eine Ver- !änderung der Güte der Vorrichtung zu. Die Vorrichtung arbeitet 'dabei im wesentlichen in gleicher Weise wie Fig. 3, mit der Ausnahme, daß der zum Antrieb dienende magnetische Fluß nur über die !Luftspalte 48 und 58 an einem Ende des Ankers zugeführt wird. Das andere Ende des Ankers 10 arbeitet in den durch die Erregerwicklung 35 beeinflußten Luftspalten 47 und 57. Die von der Erreger- ^;wicklung 35 aus gesehene Impedanz regelt wirksam die Güte der Vorrichtung, wie dies in Fig. 6 aufgetragen ist. Für einen sehr ι niedrigen Wert des Widerstandes 70 bleibt die Güte Q praktisch die gleiche. Mit zunehmendem Widerstand wird ein Punkt erreicht, in dem die Güte Q ein Minimum wird. Bei weiterer Zunahme des Widerstandes steigt Q wieder bis auf etwa den ursprünglichen Wert an Man sieht daher, daß verschiedene Werte von Q ohne mechanische Justierung durch Einstellung des Widerstandes 70 erzielbar sind.

i Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform zum Regeln 'von Q. In diesem Fall sind die Erregerwicklungen 35 und 36 wie in ^! der Anordnung in Fig. 3 in Reihe geschaltet. Im Steuerstromkreis i ist jedoch ein regelbarer Widerstand 80 eingeschaltet. Dieser I hat im wesentlichen die gleiche Wirkung wie der Widerstand 70 ; '■ in Fig. 4, nur daß man hier eine symmetrische Ansteuerung erhält, ! die in manchen Fällen vorzuziehen ist. In dieser Anordnung ist der zum Antrieb dienende Magnetfluß beiden Enden des Ankers 10 in prak tisch der gleichen Weise zugeordnet wie in Fig. 3. Man sieht na- ! türlich, daß die Quellimpedanz des steuernden Signals effektiv ein Teil des Widerstandes 80 ist. Fügt man jedoch einen diskreten Widerstand in Reihe mit den beiden Wicklungen ein, dann läßt sich die Güte Q verändern, ohne daß die Quellenimpedanz zusammen mit den sich dabei ergebenden Schwierigkeiten geändert werden muß.

Selbst mit der Möglichkeit zur Veränderung von Q zum Erzielen einejs

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gewünschten Nennwertes gibt es doch Fälle, bei denen die Frequenz j der mechanischen Konstruktion außerhalb der gewünschten Grenzen j liegt. In diesem Fall wäre es von Vorteil, eine einfache Einstelle\ vorrichtung für eine Änderung der Resonanzfrequenz vorzusehen. i

!insbesondere sollte eine solche Einstellvorrichtung weder genaue j Prüfverfahren noch eine präzise Einstellung kleinster Elemente er-ι

ι I

] fordern. j

IGemäß Fig. 3 sind einstellbare magnetische Elemente 90 und 91 den \

;beiden Permanentmagneten zugeordnet. Diese beiden aus magnetischem j Material bestehenden Elemente stellen für den durch die Permanent-ι

ι magnete 45 und 55 erzeugten Magnetfluß einen magnetischen Nebenischluß dar. Je mehr das magnetische Element 90 mit dem Permenantimagneten 55 ausgerichtet wird, umso größer ist der durch das magnetische Element 90 fließende Magnetfluß. Je größer der durch dieses magnetische Element fließende Fluß ist, umso weniger IFluß steht über den Luftspalten zur Verfügung. Demgemäß wird dadurch die Flußdichte im Luftspalt immer mehr herabgesetzt, je mehr der Permanentmagnet 90 sich mit dem Permanentmagneten 55 überlappt | und damit dessen Magnetfluß kurzschließt. Die Auswirkung des reduzierter Flusses im Luftspalt ist in Fig. 7 gezeigt. Mit zunehmendem Fluß in den Luftspalten 47, 48, 57 und 58 nimmt die Resonanzfrequenz ab. Dadurch ist es möglich, daß eine mit relativ weiten mechanischen Toleranzen aufgebaute Vorrichtung exakt auf ihre Frequenz gebracht werden kann, ohne daß die Resonanzelemente ■mechanisch justiert werden müssen.

iWenn der Anker 10 in der Mitte zwischen den Polschuhen liegt, dann ■ist der auf die Permanentmagnete 40 und 41 zurückgehende Fluß φ

ί- S

auf zwei in Fign. 3, 4 und 5 dargestellte magnetische Stromkreise beschränkt. Wie noch erläutert, ändert sich die Bahn des Magnet- ' flusses des Permanentmagneten, wenn der Anker aus seiner neutralen ; Lage heraus bewegt wird. _ '·.

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!Wenn die Erregerwicklungen 35 und 36 erregt werden, wird ein dynamischer Fluß φ , erzeugt. Da die Permanentmagneten 40 und 41 eine hohe magnetische Dämpfung darstellung, bleibt der Fluß φ, jeder Erregerentwicklung im unteren oder oberen Stromkreis unabhängig

i von der Lage des Ankers. ·

iwie aus den Fign. 3, 4 und 5 leicht zu ersehen ist, addiert sich _; I der dynamische Fluß φ, zum statischen Fluß φ im Luftspalt auf der j einen Seite des Ankers und subtrahiert sich davon im anderen Luft-^!

I !

• spalt. Daraus ergibt sich an jedem Ende des Ankers 10 ein üngleichf-¹ gewicht der Kräfte. Für die in Fig. 3 dargestellte Polarität der j ;Erregerspannung der Erregerspulen wird ein um den Mittelpunkt des j !Ankers wirksames Drehmoment erzeugt. Durch Ansteuern der Wicklungen ,in der Nähe der Resonanzfrequenz des mechanischen Oszillators j :durch Erzeugung eines Drehmomentes sich ändernder Richtung können ι ι bei kleinstem Leistungsaufwand große Bewegungsamplituden erreicht ■ werden.

!Da sich die Bewegung des Ankers aus dem durch dynamische Ansteuerung erzeugten Drehmoment ergibt, fällt eine wichtige Wirkung auf. i Wird der Anker aus seiner zentralen Position verschoben, dann ist ^!der permanente Magnetfluß φ nicht länger auf die beiden Strom-,kreise in Fig. 3a beschränkt. Stattdessen wird ein Teil dieses Flusses φ ι nach einem magnetischen Stromkreis einschließlich der !Erregerwicklung abgeleitet, wie dies in Fig. 3b gezeigt ist. Da die Position oder Lage des Ankers sich als Funktion der Zeit än-

> dert, ist φ' ebenfalls zeitabhängig. Es wird daher eine Gegen- :

i spannung oder induzierte elektromotorische Kraft erzeugt. Der re- ; !sultierende induzierte Strom verbraucht Energie, wenn er durch | j den elektrischen Widerstand der Steuerschaltung fließt.

i , j

^:Auf diese Weise wird ein Mechanismus erzeugt, durch den als Ergeb-j nis einer mechanischen Bewegung Energie verbraucht wird. Außerdem '

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ist die Menge der hier verbrauchten Energie proportional der Amplitude der mechanischen Bewegung. Somit wird also die mechanische Güte Q oder die Resonanzschärfe eine Funktion der elektromagnetijsehen Parameter, die die Stärke des induzierten Stroms und den jLeistungsverbrauch beeinflussen. Insbesondere beeinflußt die Grö-Sße des Widerstandes im Steuerstromkreis Und die Stärke der Permanentmagnete den Energieverbrauch für eine vorgegebene Bewegung j und beeinflußt damit die mechanische Güte Q. Diese Möglichkeit/ ..,,- !das mechanische Ansprechverhalten in der Nähe der Resonanz durch

Ϊ ■-·"■-■■. . --;

Einstellung elektromagnetischer Parameter beeinflussen zu können, jwird hier sehr interessant.

Ein weiteres Merkmal des Systems besteht darin, daß die Resonanzfrequenz ebenfalls eine Funktion der elektromagnetischen Parameter ist. Diese Wirkung tritt zusätzlich durch den durch Trägheit und Steifigkeit ausgeübten Einfluß auf die Eigenfrequenz auf.

iDie physikalische Erklärung für dieses Ergebnis besteht darin, daß {die Umleitung des permanenten Magnetflusses aus seinen beiden iGleichgewichtsstromkreiseri in Fig. 3a etwas ähnliches wie eine negative Federkonstante erzeugt. D.h., eine geringfügige Drehung des Ankers aus seiner neutralen Lage erzeugt einen Magnetfluß und ein resultierendes Drehmoment, das immer größere Drehungen hervorzurufen sucht. Ohne das Rückstelldrehmoment des Torsionsstabes würde die neutrale Position des Ankers instabil, d.h. dieser würde sich jdicht an die Polschuhe anlegen.

Dynamisch hängt die Größe des durch die Wicklungskerne abgeleitetei|i jFlusses vom elektrischen Widerstand, von der Windungszahl, von der Stärke der Magneten und dem magnetischen Widerstand des Luftspal-tes ab. Die Wirkung oder das Ausmaß dieser negativen Federkonstanί:φ hängt von diesen elektromagnetischen Parametern ab. Diese negative !Federkonstante, wenn sie der Steifigkeit des Torsionsstabes über-

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j lagert wird, verringert die äquivalente mechanische Steifigkeit und die damit die Resonanzfrequenz der Vorrichtung.

Die beiden wichtigsten Paktoren in der Anwendung einer in Resonanz arbeitenden Vorrichtung liegen darin, daß man in zuverlässiger

; Weise die Güte Q der Vorrichtung regeln und ein wirtschaftliches

j Verfahren für die Abstimmung der Resonanzfrequenz schaffen kann.

• Da sowohl die Güte Q als auch die Resonanz von den elektromagnetischen Parametern abhängt, ist es möglich, ihre Vierte auf Sollwerte eines Anwendungsgebietes einzustellen. Insbesondere läßt sich der Widerstand R und die Größe des effektiven Magnetflusses φ ziemlich leicht einstellen.

■ Der Widerstand kann durch eine Potentiometereinstellung verändert . werden. Die wirksame Stärke der Permanentmagnete läßt sich dadurch , ändern, daß man einen einstellbaren Nebenschluß parallel zum Haupt Stromkreis für den Primärfluß vorsieht.

j Eine theoretische Analyse des Systems ist für das Verständnis der wesentlichen Parameter hilfreich.

Zur Ableitung der Gleichungen für den magnetischen Stromkreis sei angenommen, daß die Permanentmagnete als reine Flußquellen wirken, Der dynamische Fluß φ, bleibt damit entweder in dem linken Stromkreis oder dem rechten Stromkreis in Fig. 3b. Die Gleichung für jeden Stromkreis ist dann:

F = (R_o - r) <φ_α + φ_β) + (R₀ + r) (φ_ά - φ₈) (1)

^F = ²Vd -

R - ^f ° - T - ^{f 1Θ}

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- 13 dabei ist

F-. - die magnetomotorische Kraft der Erregerwicklungen

f_f - ein Spaltgrenzfaktor

A - die Fläche des Polschuhs

g - die normale Spalteinstellung

I₁ - der Abstand vom Rotationsmittelpunkt bis zum Mittelpunkt

des Polschuhs

θ - die Winkelbewegung des Arms und

μ - die Permeabilität von Luft.

Diese Ausdrücke für den räumlich konzentrierten magnetischen Widerstand sind natürlich nur angenähert, da der magnetische Fluß über viel kompliziertere Bahnen verläuft, als durch dieses Modell angedeutet werden kann. Insbesondere wird die Flußdichte über den Polflächen dann, wenn sich der Anker in einer gedrehten Lage befindet, sehr ungleichförmig. Beispielsweise kann an den Ecken des Ankers eine Sättigung eintreten, da diese Punkte der Polfläche ode dem Polschuh am nächsten kommen. Ein genaueres Modell dieser Si-I tuation würde mit Sicherheit außerordentlich kompliziert. Außerdem sind alle Hystereseverluste in den leitenden Kernelernenten vernachlässigt worden.

Die Auswirkung von Wirbelströmen kann in dieses Modell dadurch eingeführt werden, daß in den Ausdruck für die magnetomotorische Kraft F ein Ausdruck für den Wirbelstrom eingeführt wird.

wobei N die Anzahl der Windungen der Erregerwicklung, i/2 der j ■ die Erregerwicklung durchfließende Strom, N die Windungsanzahl _: ι für die WirbelStromwicklung und i der in der Wirbelstromwicklung >

fließende Wirbelstrom ist. i

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Die elektrischen Gleichungen für das Antriebssystem und die Wirbelstromwicklungen sind

V= (R_s + R_c) i + N d<j>_d (3)

2~ dt"

i R = N αφ,
e e e d

dt

I wobei R der Reihenwiderstand, R der Widerstand der Wicklung

S O

und N die Anzahl der Windungen ist.

Schließlich erhält man die Bewegungsgleichung für den mechanischen Oszillator

J θ + K_t* = T = I₁^ [(φ₃ + Φ_ά)² - (Φ₃ - Φ_ά)²] . 2

(4)

μ A

Für die Gleichungen (1) bis (4) wird eine Lösung im eingeschwun genen Zustand folgender Form angenommen:

θ = θ_{ο e}3^Mt , i - l_o e^jWt (5)

IDiese Lösung kann dabei in der folgenden Form geschrieben werden:

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^Kt^eo ' ^ai - j O ⁺ ββ_Ί);

^2bl V- ^ ⁺ Oe₉₁)^m . ^ . ₂ψ_γ ) ₊ J (n_s+

V_o/con

(Τ-_ω2/_ωη2)2

T - j

V^RT ^νο^/ωη

^ai

^Kt* ⁼ . K_t (1 + jn_s) e =. ω N_e ²/2 R₀R₆ O)_n ² = K_t/J

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Viele hier interessante Punkte, die sich auf die Ableitung des Modells und die Lösungsformen beziehen, sollen hier erwähnt werden !Der erste Punkt ist der, daß ein Ausdruck, der zur mechanischen ,Dämpfung beiträgt, sich ausschließlich aus dem elektromagnetischen !Antriebssystem ableiten läßt. Dieser elektromagnetische Verlustfaktor η ist gegeben durch

2a, d, (1 + ea.)

η = —^ ±—_

und tritt als Ergebnis einer Komponente des durch die Erregerwicklungen fließenden sich ändernden Stromes auf, der durch die Bewegung des Ankers induziert ist. Dieser Fluß wiederum induziert einen Strom und in dem elektrischen Widerstand wird Energie verjbraucht. Wie bereits erläutert, ist dieser Mechanismus für eine Regelung der Systemgüte sehr interessant.

Der zweite interessante Punkt besteht darin, daß die Zwangsfrejquenz, bei der eine maximale mechanische Bewegung auftritt, ebenfalls durch elektromagnetische Parameter beeinflußt wird. Insbesondere tritt die Maximalamplitude dann auf, wenn

2 2

1 - or - 2a ,d,

2 ^{± ±} s= ο

^ωη Si₁ ² + (1 + QSi₁)²

Dies zeigt, daß die größtmögliche Bewegung bei einer Frequenz auftritt, die kleiner ist als ω . Wie bereits erwähnt, kann dies bei der Abstimmung dieser Resonanzvorrichtungen von Bedeutung sein.

Der größte elektromagnetische Verlustfaktor η als eine Funktion

von a, tritt dann auf, wenn

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— I / —

¹ 1 - e

und ergibt η =0,. Die Amplitude der Bewegung| 9 | bei Resonanz wird .'."..

|θ_ο| - ^2bi^vo 1 ι

Je größer der Wert von a_T, umso höher muß die Spannung V sein, die zum Erzielen einer vorgegebenen Bewegungsamplitude notwendig ist. Dies wirkt sich günstig auf die Auswirkungen oder den Einfluß der Wirbelströme aus. Das heißt, wenn man eine bestimmte Dämpfung

erzielen will, sind mit zunehmendem Wirbelstromfaktor e größere Vierte von a, erforderlich. Das setzt aber höhere Spannungen und mehr Leistung zum Erzielen dieser Bewegung voraus. Für hochfrequente Anwendungsgebiete kann es notwendig sein, laminierte Kerne zu verwenden.

Es sei hier herausgestellt, daß dieses Modell und die Lösung nur Annäherungen sein können. Viele Annahmen sind hier erforderlich, äamit man die Lösungen in geschlossener Form erhält. Zusätzlich wurden einige "Schmierfaktoren" (e, φ , f^) eingeführt, die experimentell bestimmt werden müssen. Trotz dieser Vereinfachungen tonnten einige der wichtigsten Parameter identifiziert und ihre inwirkung auf das Systemverhalten bestimmt werden. Ganz besonders nichtig ist aber, daß die Abhängigkeit der Systemgüte Q und der Resonanzfrequenz vom Regelwiderstand R und der Stärke der Magne-

ten φ explizit dargestellt werden konnte. Außerdem sind diese todel!gleichungen ausreichend genau, so daß sie als Basis für die ntwicklung solcher Vorrichtungen und für Konstruktionsänderungen jenutzt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde ein Spie-

Igel mit einer Dicke von etwa 1 mm und einer Fläche von 1 cm be-

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nutzt mit einem Auslenkwinkel von +2,5° bei einer Resonanzfrequenz von 2500 Hz.

Der Anker war 12,7 mm lang und hatte einen Querschnitt von 3,2 χ 1,6 mm. Das Ankermaterial war Siliciumeisen. Der aus Messing bestehende Torsionsstab hatte einen rechteckigen Querschnitt von 3, 2 χ 1,1 mm. Die Länge ist dabei einstellbar und betrug bei einer Resonanz bei 2500 Hz 17,0 mm.

Die Polflächen waren 3,2 χ 3,2 mm und der Luftspalt betrug nominell 0,3 mm. Die Sättigungsdichte für den Anker betrug 16 500 Gauss. Somit wird der für die Sättigung erforderliche permanente !magnetische Fluß ψ gleich 4,16 χ 10~⁶ Weber.

'Für den Randfaktor f_f wurde ein empirischer Handbuchwert für diese ,Geometrie von 0,54 benutzt. Mit einer Torsionssteifigkeit des Torjsionsstabes von K_fc = 26,5 cm/kg je rad wird Parameter b1 = 0,05. Dies ist, wie man sich erinnert, der maximale Wert für den Verlustjfaktor n_e. Daraus folgt eine minimale Güte Q = 20 und eine entpprechende Bandbreite von 125 Hz.

pie Anzahl der Windungen der Wicklung war 400. Widerstand 70 war einstellbar. Die Permanentmagnete waren aus ALNICO V, 12,7 mm lang mit einem Querschnitt von 3, 2 χ 6,4 mm. Diese Magnete waren in der Lage, den Anker zu sättigen.

Für optimales Betriebsverhalten sollte der Kern laminiert sein, !da der Einfluß der Wirbelströme beträchtlich ist.

Der Faktor Q kann dann wie folgt dargestellt werden: (Unter der Annahme, daß die Wirbelstromverluste vernachlässigbar sind) Typisch R ist 20- 100

Q = 1

+ aR

bR² + 1

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Hierbei sind a und b Konstante, die von den verschiedenen magnetischen und mechanischen Parametern abhängen, Π ist ein konstruktiver Verlustfaktor und R ist der Stromkreiswiderstand.

Die Resonanzfrequenz kann ausgedrückt werden als:

f = f 1 - CR² .
r η -

BR² + 1

als Funktion des elektrischen Widerstandes und

i ^fr^{= f}n ^X -^dBs² --.ν-' -V / als Funktion des permanenten magnetischen Flusses.

Während c und d von verschiedenen Systemparametern abhängige stante sind, ist f die ungedämpfte mechanische Eigenfrequenz und B₀ die statische Flußdichte im Luftspalt.

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Elektromechanischer Torsionsoszillator, dadurch gekennzeichnet,

   daß zwei C-förmige Magnetkerne (30, 31) aus weichmagnetischem Material mit je zwei einander gegenüberliegenden, einen Luftspalt (47, 48, 57, 58) bildenden Polschuhen sowie; zwei Permanentmagnete (40, 41) vorgesehen sind, die an ein-; ander gegenüberliegenden Polschuhen gleichsinnige Magnetpole erzeugen, daß ferner ein aus weichmagnetischem Material bestehender Anker (10), dessen Enden weitgehend innerhalb der Luftspalte (47, 48, 57, 58) der C-förmigen Magnetkerne liegen, für eine Schwingbewegung des Ankers ' (10) innerhalb der Luftspalte mit einem Torsionsstab (1) | verbunden ist, und daß auf einem der C-förmigen Magnetkerne (30) eine Erregerwicklung (35) vorgesehen ist, die durch einen Strom wechselnder Polarität ansteuerbar ist.
2. 2. Torsionsoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Torsionsstab (1) rechteckigen Querschnitt aufweist.

   j
3. 3. Torsionsoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß auch auf dem anderen C-förmigen Magnetkern (31) eine ! Erregerwicklung (36) vorgesehen ist, und daß in den Strom-

   j kreis dieser zweiten Erregerwicklung eine regelbare Impedanz (70) eingeschaltet ist.
4. 4. Torsionsoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkreis der ersten und zweiten Erregerwicklung (35, 36) eine regelbare Impdedanz miteingeschaltet ist.
5. 5. Torsionsoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

   daß parallel zu mindestens einem der C-förmigen Magnetkerne (30, 31) ein magnetisches Nebenschlußelement (90, 91)

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   angeordnet ist,

   Torsionsoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 5,

   dadurch gekennzeichhet, -

   daß die freischv/ingende Länge des einseitig eingespannten

   Torsionsstabes (1) einstellbar ist. j

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   Torsionsoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 6, i

   gekennzeichnet, durch einen Rahmen (2) _r an dem die C-förmi- ; gen Magnetkerne (3O₇ 31) und die Permanentmagnete (40, .41) j befestigt sind/ sowie durch eine einstellbare KlenuTivorrich-, i tung (.3, 4, 5, 6_f 7, 8, 9) _f durch die der Torsionsstab in ! eine vorbestimmte Lage zum Rahmen (2) einstellbar ist.

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