DE3544930A1 - Elektromagnetischer praezisionsdrehantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Präzisionsdrehantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Derartige elektromagnetische Präzisionsdrehantriebe werden z. B. für Meßräder benötigt, die mit optischen Komponenten bestückt sind. Die Meßräder werden oftmals in evakuierten Kryostaten eingesetzt. Das Meßrad wird durch einen Rotor angetrieben, der Teil des elektromagnetischen Drehantrie­ bes ist. Der Rotor kann selbst das Meßrad sein.

Für derartige in festen gleichförmigen Schritten betriebe­ ne Präzisionsdrehantriebe werden hohe Anforderungen in mehreren Hinsichten gestellt.

So muß die Winkelschrittbreite sehr genau resproduzierbar sein. Übliche erwartete Werte liegen unterhalb 10 µm, bezogen auf den Außenradius des Meßrades.

Das Meßrad und die darauf befestigten optischen Komponen­ ten dürfen weder beim Anfahren noch beim Anhalten des Drehantriebes übermäßig fibrieren. Schon geringe Vibratio­ nen können zu Verfälschungen der Meßergebnisse oder zu unnötigen Zeitverzögerungen führen.

Wenn der Präzisionsantrieb, wie oben beschrieben, inner­ halb eines Kryostaten eingesetzt wird, so ist die Anzahl der für den Betrieb des Drehantriebes notwendigen elektri­ schen Anschlüsse so klein wie möglich zu halten. Üblicher­ weise stehen nur zwei Anschlußdrähte, bzw. bei redundantem Antrieb drei Anschlußdrähte zur Verfügung. Durch diese Beschränkung können z. B. präzise Mehrphasen-Schrittan­ triebe hier nicht eingesetzt werden.

Außerdem soll bei dem Präzisionsdrehantrieb der Leistungs­ verbrauch pro ausgeführtem Winkelschritt nur gering sein; hierzu gehört, daß in der jeweilig eingestellten und gehaltenen Position des Meßrades keine Ruheleistung verbraucht wird.

Außerdem soll der Drehantrieb in einem weiten Temperatur­ bereich zwischen etwa 4 K bis 300 K sowohl im Vakuum als auch bei Luftdruck arbeiten. Hierbei soll die Möglichkeit gegeben sein, zum Meßrad in der jeweils gehaltenen Meßradposition einen Wärmekontakt herzustellen, um z. B. eine angestrebte Temperatur konstant zu halten oder definiert zu verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro­ magnetischen Präzisionsdrehantrieb anzugeben, der einfach aufgebaut ist, eine einfache Funktion aufweist und die obigen Forderungen problemlos erfüllt.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Für die Drehung des Rotors wird bei dem Drehantrieb gemäß der Erfindung die Wechselwirkung zwischen einem auf dem Rotor angeordneten Ankerband mit periodischem Muster und einem im wesentlichen radial hin- und herbewegten Perma­ nentmagneten oder einer Permanentmagnetanordnung ausge­ nutzt. Durch die Abstimmung des periodischen Musters des Ankerbandes mit der radialen Hin- und Herbewegung des Magnetträgers für den Permanentmagneten wird eine präzise Drehung des Rotors und ein präzises Anhalten in einer festen Winkelposition ohne Vibrationen ermöglicht. Das periodische Muster des Ankerbandes ist hierbei vorzugs­ weise innerhalb jeder Periode aus zwei aneinander an­ schließenden Geraden zusammengesetzt. In der jeweiligen Halteposition des Rotors kann noch eine zusätzliche Magnetkopplung durch einen vom Ankerband getrennten Halteanker zwischen diesem und dem Permanentmagneten auf dem Magnetträger vorgesehen sein.

Da bei einem gleichförmigen Ankerband sich der Rotor aus der Haltestellung in beiden Richtungen drehen kann, muß eine Vorsorge für eine Vorzugsrichtung getroffen werden. Diese Vorzugsrichtung kann durch positionsabhängige magne­ tische Kopplung zwischen dem Ankerband und dem Permanent­ magneten erreicht werden. Hierzu stehen mehrere Möglich­ keiten zur Verfügung, so z. B. eine Änderung der magneti­ schen Kopplung durch einen positionsabhängigen Luftspalt, d. h. im wesentlichen durch unterschiedliche Dicke des Ankerbandes, oder eine Änderung der magnetischen Kopplung durch positionsabhängige magnetische Wirkfläche, d. h. durch eine unterschiedliche Breite des Ankerbandes. Die letzte Lösung ist fertigungstechnisch einfacher.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet­ träger an einem Ende eines Hebelarmes eines in der Rotorebene um eine Welle verschwenkbaren zweiseitigen Hebels angeordnet. An dem anderen Hebelarm ist ein vorzugsweise elektrischer Antrieb für die radiale Hin- und Herbewegung des Magnetträgers vorgesehen. Dieser zweiar­ mige Hebel kann noch durch einen weiteren Hebelarm ergänzt werden, der an seinem Ende eine mechanische Arretiervor­ richtung für den Rotor aufweist, so z. B. eine Kugel, die in eine Kerbe am Umfang des Rotors bei jeder Ruheposition einläuft. Diese Ausbildung ist besonders erschütterungs­ frei und ermöglicht eine sehr hohe Positionsgenauigkeit.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung ist in zwei Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf einen Präzi­ sionsdrehantrieb gemäß der Erfindung mit einem Rotor, einem auf diesem angeordneten Ankerband sowie einem Magnetträger für eine Permanent­ magnetanordnung, der über einen Hebelantrieb betätigt wird;

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch den Rotor im Bereich des Magnetträgers;

Fig. 3 eine Teilansicht des Rotors und des Magnetträ­ gers in verschiedenen Positionen;

Fig. 4 eine Teilansicht eines Rotors mit einem modifizierten Ankerband.

In Fig. 1 ist ein Rotor 1 eines Präzisionsdrehantriebes dargestellt, der um eine Achse 2 in festen Winkelschritten mit jeweils dem Drehwinkel α verdrehbar ist. Der Rotor 1 dient als Meßrad und trägt verschiedene optische Elemente; ein optisches Element, hier ein Spiegel 3 ist in Fig. 2 dargestellt.

Längs des Umfanges des Rotors 1 verläuft in einem Ringbereich 4 ein Ankerband 5 in einem periodischen Dreieckmuster. Die einzelnen Geraden des Ankerbandes in diesem Dreieckmuster verlaufen jeweils von einem inneren Rand 6 zu einem äußeren Rand 7 des Ringbereiches 4. Jeweils ein Dreieck des Ankerbandes 5 liegt in einem Kreissektor mit dem Drehwinkel α.

Das Ankerband 5 ist aus Weicheisen, der Rotor 1 aus nichtmagnetischem Material.

Zum Antrieb des Rotors 1 ist ein Antriebsarm 8 vorgesehen, der um eine Welle 9 verschwenkbar ist. Mit dem Antriebsarm ist jenseits der Welle ein angetriebener Hebelarm 10 verbunden, der mit einem Antrieb 11 gekoppelt ist. Durch diesen Antrieb 11, z. B. einen bipolaren Elektromagnetan­ trieb, wird der Antriebsarm 8 periodisch hin- und hergeschwenkt.

Am Ende des Antriebsarmes 8 ist ein C-förmiger Magnet­ träger 12 aus magnetisch leitendem Material vorgesehen, auf dessen C-Enden sich jeweils ein in das Innere des C erstreckender Permanentmagnet 13 bzw. 14 montiert ist. Der C-förmige Magnetträger bildet den magnetischen Rückschluß zwischen dem Südpol des Permanentmagneten 13 und dem Nordpol des Permanentmagneten 14. Mit den Permanentmagne­ ten 13 und 14 sind jeweils kegelstumpfförmige Polschuhe 15 bzw. 16 verbunden, die sich direkt gegenüberliegen. In dem Luftspalt 17 zwischen den Polschuhen 15 und 16 läuft der Rotor 1, wobei sich das Ankerband 5 jeweils direkt zwischen den Polschuhen 15 und 16 befindet. Jeweils im Bereich der äußersten Spitzen des Dreiecksmusters des Ankerbandes 5 sind ebenfalls aus Weicheisen gefertigte Halteanker 18 gelegen, die einen Querschnitt entsprechend demjenigen der Polschuhe 15 und 16 haben. In der in Figur 1 gezeigten Ruheposition des Rotors 1 stehen die Polschuhe 15 und 16 direkt über einem solchen Halteanker 18. Gleichzeitig wird in dieser Ruheposition der Rotor 1 mechanisch arretiert. Dies erfolgt über einen Arretierarm 19, der mit dem Antriebsarm 8 verbunden und ebenfalls um die Welle 9 verschwenkbar ist. Am Ende dieses Arretier­ armes 19 ist ein Arretierzylinder 20 montiert, der in einer von mehreren Kerben 21 am Umfang des Rotors 1 eingreift und durch den mechanischen Kontakt Arretier­ arm/Rotor eine genaue Position des Rotors 1 gewährleistet. Die Kerben 21 sind längs des Umfanges des Rotors in regelmäßigen Abständen entsprechend den Drehschritten mit dem Drehwinkel α angeordnet.

In der in Fig. 1 gezeigten Ruheposition stehen demnach die Polschuhe 15 und 16 direkt über einem Halteanker 18, der Arretierzylinder 20 greift in eine Kerbe ein.

Zur Ausführung eines Drehschrittes wird der Antrieb 11 eingeschaltet, so daß der angetriebene Hebel in Fig. 1 gesehen, nach links bewegt wird. Die Polschuhe 15 und 16 bewegen sich hierdurch im wesentlichen radial in Richtung auf die am oberen Rand 7 des Ringbereiches 4 liegende Spitze des periodischen Ankerbandmusters. Gleichzeitig hebt sich der Arretierzylinder 20 aus der Kerbe 21, so daß der Rotor freigegeben ist. Treffen die Polschuhe auf das Ankerband 5, so wird dieses angezogen. Bei der weiteren gleichmäßigen Bewegung des Antriebsarmes 8 radial nach innen wird das Ankerband immer in die Mitte der beiden Polschuhe 15 und 16 gezogen. Durch den Winkel des Ankerbandes zwischen der axialen und tangentialen Rotor­ achse wirkt auf das Ankerband und damit auf den Rotor eine Kraft mit einer tangentialen Komponente, durch die der Rotor 1 gedreht wird. Die Amplitude der Bewegung des Antriebsarmes 8 ist so bemessen, daß sich die Polschuhe 15 und 16 bei der Umkehrbewegung des Antriebsarmes direkt oberhalb des Punktes auf dem Ankerband 5 befinden, der auf den inneren Rand 6 des Ringbereiches 4 liegt. Zu dieser Zeit beträgt der Drehwinkel α/2. Nach Umsteuerung des Antriebes 11 bewegt sich ab diesem Zeitpunkt der Antriebs­ arm 8 radial nach außen, wobei das Ankerband 5 durch die Magnetkopplung und damit auch der gesamte Rotor 1 mitgezogen wird.

Stehen die Polschuhe 15 und 16 direkt auf dem Punkt des Ankerbandes, der auf dem äußeren Rand 7 des Ringbereiches 4 liegt, dann steht der Arretierzylinder 20 direkt oberhalb der nächsten Kerbe 21 und wird bei der Weiterbe­ wegung des Antriebes 11 in diese Kerbe 21 hineingedrückt. Zu diesem Zeitpunkt stehen die Polschuhe 15 und 16 wiederum einem Halteanker direkt gegenüber. Damit ist ein Drehschritt des Rotors 1 abgeschlossen. Der Rotor ist mechanisch und magnetisch arretiert. Drei Stellungen des Antriebsarmes und des Arretierarmes sind in Fig. 3 gezeigt. In Stellung I ist der Rotor magnetisch und mechanisch arretiert. In der gestrichelt dargestellten Position II stehen die Polschuhe 15, 16 direkt an einer äußeren Spitze des Ankerbandes 5, der Rotor ist mechanisch entriegelt. In der strichpunktiert dargestellten Position III stehen die Polschuhe direkt über einer inneren Spitze des strichpunktiert dargestellten Ankerbandes; zwischen der Position II und III wurde der Rotor um einen halben Drehschritt angetrieben.

Es ist auch möglich, den Rotor 1 kontinuierlich über ein Vielfaches des Drehwinkels anzutreiben. In diesem Falle wird der Antriebsarm periodisch so hin- und herbewegt, daß dessen Polschuhe 15 und 16 sich zwischen dem inneren und äußeren Rand 6 bzw. 7 des Ringbereiches 4 bewegen. Erst wenn der Rotor 1 arretiert werden soll, wird der Antriebsarm 8 radial nach außen soweit bewegt, daß die Polschuhe 15, 16 über den äußeren Rand 7 des Ringbereiches 4 hinauslaufen und direkt gegenüber einem Halteanker 18 zum stehen kommen. Während des gesamten Antriebszustandes über einen oder mehrere Drehschritte berührt der Arretier­ zylinder 20 den Umfang des Rotors 1 nicht.

Jeweils an den Umkehrpunkten des Ankerbandes 5 innerhalb des periodischen Musters könnte sich der Rotor 1 im Prinzip in beide Richtungen drehen, wenn man Trägheitsbe­ wegungen außer acht läßt. Insbesondere ist beim Start der Drehbewegung nicht vorherzusagen, ob sich der Rotor nach links oder rechts dreht. Um eine definierte Richtung, d. h. eine Vorzugsrichtung vorzugehen, wird die magnetische Kopplung zwischen dem Ankerband 5 und den Polschuhen 15, 16 positionsabhängig gemacht. Hierzu wird gemäß Fig. 3 die Breite des Ankerbandes 5 in der Rotorebene verändert. Das Ankerband 5 ist aus einzelnen geraden, jedoch keilförmigen Ästen zusammengesetzt, deren Breite sich entgegen der Drehrichtung verringert. Die einzelnen Äste des Ankerbandes erstrecken sich jeweils zwischen dem inneren und äußeren Rand 6 bzw. 7 des Ringbereiches 4, sie sind so aneinander angeschlossen, daß jeweils ein dünnes Ende eines keilförmigen Astes mit dem dicken Ende des nachfolgenden Astes verbunden ist. Durch die hiermit bedingte Änderung der magnetischen Koppelung zwischen Ankerband und Magnetträger 12 dreht sich der Rotor in Fig. 3 gesehen, insgesamt nach links.

Der zeitliche Verlauf der Drehbewegung des Rotors 1 kann auf mehrfache Weise beeinflußt werden, so z. B. durch die Optimierung des Stromprofiles und der elektronischen Dämpfung des Antriebes 11 für den Antriebsarm 8. Eine weitere, gegebenenfalls zusätzliche Möglichkeit besteht darin, den Verlauf des Ankerbandes zu modifizieren. In Fig. 4 ist ein spitzbogenförmiger Verlauf 5′ für das Ankerband dargestellt. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Breite des Ankerbandes 5′ in Drehrichtung verändert, um eine Vorzugsrichtung bei der Drehbewegung des Rotors zu erhalten.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Präzisionsdrehantrieb, insbesondere Schrittantrieb, für einen Rotor, gekennzeichnet durch
einen Anker, der als geschlossenes Ankerband (5) ausgebildet und in einem äußeren ebenen Ringbereich (4) des Rotors (1) mit einem in Drehrichtung periodischen Muster gelegen ist, welches innerhalb jeder Periode von dem einen radial äußeren Rand (7) des Ringbereiches (4) in Richtung auf den anderen radial inneren Rand (6) abfällt und von dort wieder in Richtung auf den äußeren Rand (7) ansteigt,
einen Magnetträger (12) für zumindest einen Permanent­ magneten (13, 14) , der Teil eines den Rand des Rotors (1) umgreifenden C-förmigen Magnetkreises (12, 13, 15, 16, 14) mit einem das Ankerband (5) aufnehmenden Luftspalt (17) ist,
einen Antrieb (11) zur Hin- und Herbewegung des Magnetträgers in einer im wesentlichen radialen Rich­ tung in bezug zu dem Rotor mit zumindest einer der Ankerbandbreite entsprechenden Amplitude.

2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Muster des Ankerbandes (5) inner­ halb jeder Periode aus zwei aneinander anschließenden Geraden zusammengesetzt ist.

3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite des Ankerbandes an den Umkehrpunkten des periodischen Musters an den beiden Rändern (6, 7) sich in Antriebsrichtung in einer immer gleichen Vorzugsrichtung ändert.

4. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke des Ankerbandes (5) an den Umkehrpunkten des periodischen Musters an den beiden Rändern (6, 7) sich in Antriebsrichtung in einer immer gleichen Vorzugsrichtung ändert.

5. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetträger (12) an einem Ende eines Antriebsarmes (8) angeordnet ist, der um eine Welle (9) mit Hilfe eines Hebelantriebes (11) verschwenkbar ist.

6. Drehantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Antriebsarm (8) ein ebenfalls um die Welle (9) verschwenkbarer Arretierarm (19) verbunden ist, der an seinem freien Ende eine mechanische Arretiervorrich­ tung (20) für den Rotor (1) aufweist.

7. Drehantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) an seinem Umfang mit Kerben (21) versehen ist, in die die mechanische Arretiervorrich­ tung (20) am Ende des Arretierarmes (19) eingreift.

8. Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den C-Enden des Magnet­ trägers (12) jeweils ein Permanentmagnet (13, 14) mit jeweils einem Polschuh (15, 16) befestigt ist.