DE4205725A1 - Bewegungsmagnetgalvanometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingmotoren oder Galvanometer mit begrenzter Drehung und insbesondere auf die Klasse, die ein signifikantes Drehmoment liefern kann (manchmal als Drehmoment­ motoren bezeichnet).

Eine übliche Verwendung dieser Vorrichtungen ist es, optische Elemente, wie beispielsweise Spiegel, zu betätigen zu Zwecken der Führung von Lichtstrahlen. Diese Art von Vorrichtung wird oft Scanner genannt. Scanner haben einen weiten Drehwinkel von typischerweise mehr als 15 Grad.

Eines der Bedürfnisse der Industrie ist ein starker und genauer Hochfrequenzscanner zur Betätigung in verschiedenen elektro-op­ tischen Vorrichtungen, wie beispielsweise solche, die zum Gra­ vieren oder Laserbearbeiten von Präzisionswiderständen verwendet werden. Vorrichtungen mit höherer Frequenz gestatten schnellere und/oder präzisere Betätigung.

Es gibt eine Anzahl von Arten von bekannten Galvanometern. Übli­ che Arten umfassen die Drehspule oder sogenannte D′Arsonval-Gal­ vanometer, das Dreheisen-Galvanometer und das Drehmagnet-Galva­ nometer. Jedes hat seine eigenen Eigenschaften und Beschränkun­ gen. Die Erfindung bezieht sich auf die Dreh- oder Bewegungsma­ gnetbauart.

Drehmagnet-Drehmomentmotoren unterteilen sich in drei verschie­ dene Grundbauarten. Die erste ist eine Konstruktion mit einge­ betteter Spule mit Beispielen in den US-Patenten 43 02 720 und 34 34 082. Sie sind typischerweise Vorrichtungen mit Luftspalt und hoher Induktivität, die gut für ALNICO-Magneten geeignet sind. Die zweite Bauart umfaßt eine Ringspule, die auf einen Metall­ kern gewickelt ist. Typisch für diese Bauart sind die Drehmo­ mentmotoren von Aeroflex, Clifton and Harowe. Ihre Konstruktion beschränkt sie auf eine relativ geringe Beschleunigung. Typi­ scherweise können sie nicht effizient gewickelt werden, wenn ihre Länge einen Bruchteil des Durchmessers überschreitet. Die dritte Bauart,beispielsweise die Konstruktion des US-Patents 40 76 988, hat eine Drehmagnetvorrichtung, wobei die Spule fest ist und der das Feld definierende Anker sich dreht. Die Erfin­ dung bezieht sich auf diese letzte Klasse von Drehmomentmotoren.

Die Parameter, die die Leistung eines solchen Motors bestimmen, umfassen das Drehmoment-zu-Trägheit-Verhältnis, das die Be­ schleunigungsfähigkeit, die elektrische Zeitkonstante, die die Treiberelektronik belastet, und die erste unkontrollierbare Re­ sonanzfrequenz ausdrückt, welche die Stabilität eines den Motor einbeziehenden Servosystems begrenzt.

Frühere Konstruktionen von Drehmagnetgalvanometern verwendeten durchgehende Löcher durch das Magnetmaterial zum Klemmen der Wellen an den Magneten. Dies war notwendig, um ein starkes und festes Verhältnis der Wellen zu dem Magnetmaterial sicherzustel­ len, wenn der Magnet bewegt wird als ein Ergebnis davon, daß er einem sich ändernden Magentfeld ausgesetzt ist.

Gewisse wünschenswerte Magnetmaterialien, wie beispielsweise Neodymeisenbor, neigen zu thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die unterschiedlich sind entlang verschiedener Achsen des Mate­ rials. Deswegen und wegen der unterschiedlichen thermischen Um­ gebungen, denen diese Vorrichtungen oft ausgesetzt sind, kann sich ein Galvanometerrotormagnet aus dieser Art von Material si­ gnifikant in einer Richtung ausdehnen, während er sich sich si­ gnifikant in einer anderen Richtung zusammenzieht.

Zusammenfassung der Erfindung. Allgemein beschreibt die Erfin­ dung ein Galvanometer mit einem zylindrischen magnetischen Ro­ tor, angeordnet für Drehschwingungen um eine zentrale Achse und polarisiert in zwei im wesentlichen halb-zylindrische Pole auf gegenüberliegenden Seiten der Achse. Zwei Spulenteile sind auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet, wobei jeder Spulenteil definiert ist durch eine große Vielzahl von leitenden Schleifen und wobei jede Schleife aus leitenden Seitenschenkeln entlang der Länge des Rotors und leitenden Endteilen, verbunden mit den entsprechenden Seitenschenkeln der Schleife besteht. Die ersten und zweiten Seitenschenkel der Schleife sind zusammen­ gruppiert in entsprechenden ersten und zweiten Gruppen von lei­ tenden Schenkeln, wobei die Gruppen umfangssmäßig voneinander beabstandet sind. Es gibt eine Symmetrieebene durch die Achse zwischen den Spulenteilen. Die Schenkel jeder Gruppe von Schlei­ fen jeden Spulenteils sind in einer Verteilung angeordnet, die an einem Punkt beginnt, der der Radialoberfläche des Spulenkör­ pers entspricht, auf den der Spulenteil gewickelt ist und die sich kontinuierlich im wesentlichen über die Symmetrieebene er­ streckt, wobei die Pole des Rotors im wesentlichen mit der Ebene ausgerichtet sind in der Mitte des Bewegungsbereichs des Galva­ nometers.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Galvanome­ ter einen Magnetrotor zum Rotieren um eine Achse, sowie einen Ständer (Stator), der mit dem Rotor konzentrisch ist und eine Spule aufweist mit axialen Windungsteilen auf gegenüberliegenden Seiten der Achse und einer Symmetrieebene, die durch die Achse geht und die axialen Spulenteile trennt, wobei die Spule eine unterschiedliche Windungsdichtenverteilung hat, die in der Dichte an der Symmetrieebene geringer ist als mit Abstand davon.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Drehmoment­ motor einen Rotor auf mit einem Magneten mit zwei Enden und ei­ ner hinteren Welle und einer Abtriebswelle, die jeweils in an­ stoßender Verbindung mit einem der Magnetenden stehen. Der Dreh­ momentmotor umfaßt auch eine dünnwandige drehmomentaufnehmende Hülse, die zumindest einen Teil des Magneten umgibt und mit der Abtriebswelle und dem Magneten verbunden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Drehmagnets­ canner, der geeignet ist zum Betätigen eines optischen Elements, wie beispielsweise eines Spiegels, in einer drehenden Schwingbe­ wegung folgendes auf: Eine feste äußere Schale, einen Ständer, der mit strukturellem Füll- oder Bindematerial an einer Spule verbunden ist, die um einen innerhalb der Schale angeordneten Spulenkörper gewickelt ist, wobei der Ständer folgendes aufweist:
ein Verankerungsloch zu der Schale hin, ein starres Befesti­ gungselement, das in das Loch eingepaßt ist und sich zu der Schale hin erstreckt und den Ständer an der Schale verankert, um eine relative Drehbewegung dazwischen während der Beschleunigung des Scanners zu verhindern, während derer Reaktionskräfte an die Spule angelegt werden,
und wobei ferner ein Magnetrotor vorgesehen ist, der entlang seines Durchmessers polarisiert ist und drehbar in einer inneren konzentrischen Beziehung zu dem Ständer angeordnet ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Galvanometer einen Magnetrotor auf zum Drehen um eine Achse, wobei der Rotor folgendes aufweist: Eine Abtriebswelle und eine hintere Welle an entgegengesetzten Enden des Rotors, ein Abtriebslager zur Ver­ bindung an eine externe Last, wobei das Abtriebslager die Ab­ triebswelle drehbar lagert, ein hinteres Lager, das die hintere Welle drehbar lagert und an dem dem Abtriebslager entgegenge­ setzten Ende des Rotors angeordnet ist, und einen Lagewandler, der mit dem Rotor verbunden ist zum Erzeugen eines Rückkopp­ lungssignals infolge der Drehung des Rotors, wobei der Lagewand­ ler außerhalb des Raums zwischen den Lagern mit dem Rotor ver­ bunden ist, um die Entfernung zwischen den Lagern zu minimieren und infolgedessen die erste Resonanzfrequenz des Rotors günstig zu beeinflussen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Spulenkörper folgendes auf: Einen zylindrischen Teil mit inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen, zwei zylindrische Wickelabschnitte, die aus der Außenoberfläche auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Teils vorstehen und jeweils eine Außenoberfläche, radiale Längsflächen und erste und zweite Stirnflächen haben, wobei die Mittelachse der zylindrischen Abschnitte und die des zylindrischen Teils im wesentlichen kolinear sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat eine Wicklungsbe­ festigung zur Aufnahme eines Spulenkörpers einen zylindrischen Teil mit inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen, zwei zy­ lindrische Wicklungsabschnitte, die von der Außenoberfläche auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Teils vorstehen und jeweils eine Außenoberfläche, radiale Längsoberflächen und erste und zweite Stirnflächen hat, wobei die Mittelachse der zylindri­ schen Abschnitte und die des zylindrischen Teils im wesentlichen miteinander kolinear sind und wobei die zylindrischen Abschnitte ein Paar von Verankerungslöchern bilden zur Aufnahme eines Befe­ stigungsmittels, das den Spulenkörper in seiner Lage hält, wobei die (Wicklungs)-Befestigung ein Paar von teilzylindrischen Kör­ perteilen hat, wobei die Körperteile jeweils ein Paar von radia­ len Längsflächen, ersten und zweiten Endteilen mit gekrümmten Oberflächen und eine innere und äußere Oberfläche hat, die je­ weils ausgerichtete Anordnungslöcher aufweisen, wobei die Innen­ oberfläche der Körperteile bemessen ist, um die Außenoberfläche eines der zylindrischen Abschnitte des Spulenkörpers, ein Paar von Kugel- oder Projektilsteckern mit jeweils einer gekrümmten Nase und einem halbzylindrischen Teil zum Einführen in die Mitte des zylindrischen Teils des Spulenkörpers neben dem halbzylin­ drischen Teil des anderen Kugelsteckers, wobei der halbzylindri­ sche Teil ein Anordnungsloch aufweist, und ein Befestigungsmit­ tel zum Einführen durch die Anordnungslöcher in den Körpertei­ len, die Ankerlöcher in dem Spulenkörper und die Löcher in den Kugelsteckern zum Halten des Spulenkörpers in seiner Lage wäh­ rend des Wickelns.

In verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Rotor ein freidrehbarer Rotor; die Verteilung ist annäherungsweise eine reziproke Cosinusverteilung; die Verteilung wird bestimmt durch

wobei T die Drehmomentabgabe des Galvanometers ist,
Br ist die konstante Restinduktivität des magnetischen Rotors,
K ist eine dimensionslose Konstante,
L ist die Länge des magnetischen Rotors,
N ist die Anzahl von Schleifen (Windungen) in der Spule,
i ist der Strom, der durch die Spule fließt,
D ist der Basisdurchmesser, an dem die Leiter angeordnet sind,
α_O ist der Halbwinkel des Wicklungshohlraums, und
γ ist die Winkelposition des Rotors; die Veränderung der Windung oder Wicklung erstreckt sich über einen Bereich von +/-45° von der Ebene um die Achse und die Windung an der Symmetrieebene hat eine Dichte von ungefähr 70% bezüglich der an den äußeren Grenzen des Bereichs; eine Veränderung der Windungsdichtenverteilung ist ausgewählt, um die Leistung der Spule für eine gegebene Leistungsaufnahme der Spule zu optimieren; die Hülse und die Abtriebswelle sind ein integraler Teil; die Hülse hat eine Trägheit, die weniger als 10% von der des Magneten ist; die Hülse ist an der hinteren Welle befestigt; die Hülse und der Magnet sind mit einem halb-flexiblen Klebstoff verbunden; der halb-flexible Klebstoff ist ein Silikonbindemittel, der halb-flexible Klebstoff ist ein Epoxidharz; der Magnet ist polarisiert entlang seines Durchmessers; die Abtriebswelle umfaßt ein verdicktes Endstück und das verdickte Endstück ist an der Hülse befestigt; die Abtriebswelle und die hintere Welle umfassen verdickte Endstücke und die verdickten Endstücke sind an der Hülse befestigt; die Abtriebswelle ist an die Hülse geschweißt; die Hülse umgibt den Magneten vollständig; der Magnet ist aus Neodymeisenbor; der Magnet ist aus Samariumkobalt; die Hülse ist aus rostfreiem Stahl; die Hülse ist aus Titan; der Rotor hat eine Länge, die größer ist als sein Durchmesser; die Rotorlänge ist mindestens dreimal so groß wie der Rotordurchmesser oder länger; der Rotor hat einen Durchmesser von ungefähr einem halben Zoll (1,27 cm) oder kleiner; der Rotor hat einen Durchmesser von ungefähr 3/16 eines Zolls (0,48 cm) oder kleiner; die Befestigungsmittel sind ein sich axial erstreckendes Element in der Form eines Stifts oder Bolzens; der Lagewandler ist auf der hinteren Welle ange­ bracht; der Lagewandler ist auf der hinteren Welle angebracht über eine Schraube, die mit einem Gewinde der hinteren Welle in Eingriff steht; die zylindrischen Abschnitte bilden ein Paar von Ankerlöchern zur Aufnahme eines Befestigungsmittels, das den Spulenkörper in seiner Lage hält; die zylindrischen Windungsab­ schnitte umfassen im allgemeinen abgeschrägte Übergangsoberflä­ chen zwischen den radialen und den Stirnflächen; die zylindri­ schen Abschnitte umfassen jeweils des weiteren ringförmige Seg­ mentendglieder, die sich von den Windungsabschnitten an jedem Ende jedes Windungsabschnitts erstrecken.

Die Erfindung ist vorteilhaft, da sie einen Rotor vorsieht mit kleinem Durchmesser und geringer Trägheit, der schnell beschleu­ nigt werden kann. Dadurch kann der Drehmomentmotor bei hohen Frequenzen betrieben werden, beispielsweise beim optischen Scan­ nen. Ein großer Teil des Volumens innerhalb des Rotors kann aus magnetischem Material bestehen, was zu einem erhöhten Drehmoment bei einem gegebenen Volumen führt. Magnetmaterial mit unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entlang ver­ schiedener Achsen können aufgenommen werden. Da der erfindungs­ gemäße Spulenkörper fest in seiner Lage verankert ist, kann der Rotor schnell beschleunigen, ohne den Spulenkörper aus seiner Lage zubringen. Die Spule des Ständers hat ein Windungsdichten­ profil, das das durch den Motor gelieferte Drehmoment maximiert bei einer gegebenen elektrischen Leistung, da eine größere Menge Kupfer für eine gegebene Anzahl von Windungen verwendet werden kann. Der Spulenkörper kann wirksam auf einer Windungsmaschine gewickelt werden, und da keine Drähte um seine Innenseite gewic­ kelt werden müssen, kann die Spule einen kleinen Durchmesser ha­ ben. Da der Lagewandler außerhalb des Raums zwischen den Lagern mit dem Rotor verbunden ist, können die Lager näher beieinander angeordnet werden, wodurch die erste Resonanzfrequenz der Vor­ richtung erhöht wird.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines in einem Laserscanningsy­ stem verwendeten Galvanometers;

Fig. 2 einen Längsschnitt des Galvanometers und Lagewandlers von Fig. 1, wobei die zugehörigen Befestigungsmittel in einer entfernten Lage gezeigt sind;

Fig. 3 einen Längsschnitt des Galvanometers und Lagewandlers von Fig. 1 im rechten Winkel zu der Ansicht von Fig. 2, ent­ lang 3-3;

Fig. 4 eine auseinandergezogene Ansicht des Rotors des Galvano­ meters der Fig. 1-3, wobei der Magnet in der Mitte seines Bewegungsbereichs für die Galvanometerausrichtung von Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5 eine Endansicht des Galvanometers und Lagewandlers der Fig. 1-3, gesehen von 5-5 und ohne seine Stoppbolzen;

Fig. 6 einen Querschnitt des Galvanometers der Fig. 1-3 entlang 6-6;

Fig. 7 eine vertikale perspektivische Ansicht des Spulenkörpers des Drehmomentmotors der Fig. 1-3, wobei die erste Win­ dung jedes Spulenabschnitts schematisch gezeigt ist und seine Verankerungslöcher weggelassen wurden;

Fig. 8 eine teilweise vertikale perspektivische Ansicht der un­ teren Hälfte eines gewickelten Ständers des Drehmomentmo­ tors der Fig. 1-3. Die obere Hälfte des Spulenkörpers ist angedeutet und seine Verankerungslöcher wurden weggelas­ sen;

Fig. 9 eine vertikale Ansicht des Spulenkörpers des Drehmoment­ motors der Fig. 1-3, mit der unteren Hälfte seiner Wick­ lungen. Die Figur ist zweigeteilt durch eine Hauptsymme­ trieebene und Einzelheiten hinter der Ebene sind gestri­ chelt gezeigt. Die Verankerungslöcher des Spulenkörpers wurden weggelassen.

Fig. 10 eine horizontale perspektivische Ansicht des Spulenkör­ pers von Fig. 7 mit seinen Verankerungslöchern;

Fig. 11 eine horizontale perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Spulenkörpers von Fig. 10;

Fig. 12 eine Endansicht des Spulenkörpers von Fig. 11;

Fig. 13 eine isometrische schematische Ansicht einer Rotor- und Spulenanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 14 einen schematischen Aufriß des Endes der Anordnung von Fig. 13 mit den Flußlinien (Feldlinien) auf Grund des Ro­ tors;

Fig. 15 einen schematischen Aufriß des Endes der Anordnung von Fig. 13 mit den Flußlinien auf Grund der betätigten Spule und des versetzten Rotors;

Fig. 16 eine isometrische schematische Ansicht des Rotors und Ständers von Fig. 13;

Fig. 17 eine auseinandergezogene Ansicht einer Wicklungsbefesti­ gung gemäß der Erfindung;

Fig. 18 ein Endaufriß der Körperteile der Wicklungsbefestigung von Fig. 17;

Fig. 19 einen Seitenaufriß der Körperteile der Wicklungsbefesti­ gung von Fig. 17, wobei für beide Teile geltende Einzel­ heiten nur auf dem oberen Teil gezeigt sind;

Fig. 20 einen Seitenaufriß eines Kugelsteckerelements der Wick­ lungsbefestigung von Fig. 17;

Fig. 21 einen Endaufriß einer Kugelsteckerelements der Wicklungs­ befestigung von Fig. 17;

Fig. 22 eine Reihe von Magnetisierungskurven für Neodymeisenbor;

Fig. 23 eine Reihe von Magnetisierungskurven für Samariumkobalt.

Bezüglich Fig. 1 umfaßt ein Abtastsystem 10 einen Lagewandler 30, wie zum Beispiel einen Tachometer oder einen Lagefühler, und einen Drehmomentmotor 17. Der Drehmomentmotor 17 umfaßt eine Ab­ triebswelle 14, die an einem Spiegel 15 befestigt ist. Ein Sub­ straktionskreis 13 ist mit dem Rückkopplungsausgang des Lage­ wandlers sowie mit dem Eingang eines Verstärkerkreises 11 ver­ bunden. Der Verstärkerkreis 11 hat einen Ausgang, der mit dem Drehmomentmotor 17 verbunden ist. Ein Signal 19 kann an das Sub­ trahierglied 13 angelegt werden, welches es mit dem Rückkopp­ lungssignal vergleicht, das infolge der Drehbewegung gekoppelt mit dem Lagewandler erzeugt wird. Das sich ergebende Signal wird verarbeitet (z. B. verstärkt) und verwendet, um den Drehmoment­ motor zu treiben. Der Drehmomentmotor dreht dann den Spiegel 15 und veranlaßt diesen, in unterschiedliche Richtungen zu reflek­ tieren.

Bezüglich der Fig. 2, 3 und 6 umfaßt der Drehmomentmotor 17 ein magnetisch durchlässiges äußeres Gehäuse 28, das einen Ständer 51 hält. Der Ständer ist aus einer Spule 12 aufgebaut, die aus einer großen Vielzehl von Windungen (oder Wicklungen) 31 be­ steht, die um einen Spulenkörper 50 gewickelt sind. Ein Befesti­ gungsglied 37, wie zum Beispiel ein Stift oder Bolzen, sitzt in einem Paar von Löchern 60, 62 in dem Spulenkörper 50 (siehe auch Fig. 10) und entsprechenden Löchern 61, 63 in dem äußeren Ge­ häuse 28, um den Spulenkörper in seiner Lage zu verankern. Der Spulenkörper ist auch mit einem Kapsel- oder Bindematerial (z. B. einem Epoxidharz) gekapselt oder umgeben, das den Raum zwi­ schen dem Spulenkörper und dem Gehäuse ausfüllt, um einen Wärme­ leitpfad zum Ableiten der von der Spule erzeugten Wärme vorzuse­ hen.

Der Ständer umgibt einen Rotor 100, der drehbar auf hinteren und vorderen (oder Abtriebs-) Lagern 42, 40 befestigt ist, und zwar über seine hinteren bzw. vorderen (oder Abtriebs-) Wellen 16 bzw. 14. Die Lager sind durch eine Druckscheibe 44 vorbelastet, welche gegen die vorderen Anschläge 20 anliegt. Der Rotor und der Ständer sind durch einen relativ engen Spalt getrennt.

Bezüglich der Fig. 2, 3 und 5 umfaßt die Abtriebswelle 14 des Rotors 100 einen sich bewegenden Änschlag 18, der angeordnet ist, um mit den festen Anschlägen 20 in Eingriff zu kommen, um den Bereich der freien Drehung des Drehmomentmotors zu begren­ zen. Die festen Anschläge 20 werden durch Bolzen 22, 24 in ihrer Lage gehalten.

Bezüglich der Fig. 2 und 3 ist die hintere Welle 16 mit dem sich drehenden Teil 97 des Lagewandlers 30 verbunden, und zwar gegen­ über des Rotors mit Bezug auf das hintere Lager. Die hintere Welle und der sich drehende Teil können durch eine Schraube 99 miteinander verbunden werden, die mit einem Gewinde der hinteren Welle in Eingriff steht.

Der Drehmomentmotor 17 wird üblicherweise mittels seines Gehäu­ ses 28 eingebaut, wie durch die Schraffierung 23 angedeutet.

Dies gestattet Wärmeleitung weg von dem Gehäuse, welches typi­ scherweise aus Stahl ist. Der Bezugsanschlag 32 hilft bei diesem Einbau. Der Drehmomentmotor 17 und der Lagewandler 30 können als eine Einheit eingebaut werden.

Bezüglich Fig. 4 umfaßt der Rotor eine Hülse 26, die einen Ma­ gneten 27 in seiner Lage hält. Die Hülse und der Magnet sind durch ein halb-flexibles Klebemittel zusammengehalten, wie zum Beispiel ein Silikonbindemittel oder Epoxidharz. Halb-flexible Klebemittel neigen zum Fließen unter langsamen Drücken, aber sind starr unter hoher Kraft. Die Wellen 14, 16 sind in einem im wesentlichen anstoßenden Verhältnis mit der Hülse und dem Magne­ ten. Die End- oder Verdickungsteile 21, 25 der Wellen sind fest mit der Hülse verbunden (z. B. durch Punktschweißen, Nahtschwei­ ßen oder Laserschweißen).

Es sei bemerkt, daß es wichtiger ist, die Hülse fest mit der Ab­ triebswelle zu verbinden als sie an der hinteren Welle zu befe­ stigen, da mehr Drehmoment an der Abtriebsverbindung entwickelt wird. Es ist daher möglich, die Hülse und die Abtriebswelle aus einem einzigen Stück herzustellen und die hintere Welle auf eine andere Art zu befestigen. Es ist auch möglich, eine teilweise Hülse zu verwenden, die nicht die gesamte Oberfläche des Magne­ ten bedeckt.

Diese Rotorbauart mit einer dünnen Hülse hat mehrere Vorteile. Erstens erlaubt sie bei einem gegebenen Volumen innerhalb des Ständers eine große Menge von Magnetmaterial, da die Welle den Magneten nicht durchdringt. Dies ergibt ein stärkeres Feld, als wenn ein Teil desseleben Magnetvolumens von einer ebenso wirksa­ men nicht-magnetischen Welle eingenommen würde. Andersherum kann ein Rotor mit einer gegebenen Feldstärke durch diese Technik kleiner gebaut werden.

Es ist insbesondere vorteilhaft, Motoren mit kleineren und län­ geren Rotoren für einen gegebenen Leistungsbedarf herzustellen. Der Grund dafür liegt darin, daß ein Motor mit einem kleinen Durchmesser und einem Rotor von großer Länge ein höheres Drehmo­ ment-zu-Trägheitsmoment-Verhältnis hat als ein gleichwertiger Motor mit einem größeren Durchmesser. Daher kann der Rotor schneller beschleunigen und deshalb mit höheren Frequenzen be­ trieben werden.

Bezüglich Fig. 6 ist der Magnet 27 magnetisiert, um allgemein halb-zylindrische Nord- und Südpole aufzuweisen. Wenn der Rotor in der Mitte seines Bewegungsbereichs ist, wie in der Figur ge­ zeigt, sind die Magnetpole ungefähr entlang einer Hauptsymme­ trieebene 73 der Vorrichtung ausgerichtet, welche durch die Mit­ telachse 79 des Ständers geht. Diese Ebene 73 ist durch die Aus­ richtung des Magnetmaterials definiert.

Da der Magnet mit der Hülse über ein halb-flexibles Klebemittel verbunden ist, können ungleiche thermische Koeffizienten der ge­ wünschten Magnetmaterialien, wie etwa Neodymeisenbor, aufgenom­ men werden. Eine relativ große Fläche wird zur Verbindung ver­ wendet, da große Kräfte an dieser Verbindung vorhanden sind. Diese Belastungen können ziemlich niedrig gehalten werden, da sie über die gesamte Außenoberfläche des Magneten verteilt wer­ den im Gegensatz zu der kleineren verfügbaren Oberfläche, wenn der Magnet auf einer Achse angeordnet ist.

Die Hülse kann aus rostfreiem Stahl oder Titan sein und kann un­ gefähr 2 bis 10 Tausendstel eines Zolls (0,05 bis 0,25 mm) dick sein. Sie hat eine hohe Torsionssteifheit, während sie gleich­ zeitig einen geringen Teil (z. B. weniger als 10%) des Träg­ heitsmoments des Rotors darstellt. Lange Rotoren mit ziemlich kleinem Durchmesser können auf diese Weise hergestellt werden (z. B. bis zu 3/16 eines Zolls (4,76 mm), was eine Bandbreite von mehr als 4 kHz ergibt). Der Rotor des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels hat einen Durchmesser von 0,44 Zoll (11,2 mm) und eine Länge von 1,35 Zoll (34,3 mm), und seine Hülse ist 5 Tau­ sendstel eines Zolls (0,127 mm) dick. Der Rotor wird in einer Zusammenbauvorrichtung zusammengebaut.

Der Ständer 51 umgibt den Rotor 100 und umfaßt einen Spulenkör­ per 50, der zwei sich axial erstreckende Wicklungshohlräume 71 bildet, wovon jeder definiert ist durch die Innenoberfläche des Gehäuses 28, die äußere Wicklungsoberfläche 54 des Spulenkörpers 50 und die axialen Oberflächen 65 des Spulenkörpers. Jede aus einer Reihe von Windungen 31 ist durch jeden Wicklungshohlraum 71 geführt, um zwei Spulenteile 75 (siehe auch Fig. 7-9) auf dem Spulenkörper 50 zu bilden.

Bezüglich der Fig. 7-10 umfaßt ein für die Verwendung in der Er­ findung passender Spulenkörper einen inneren zylindrischen Teil 52 mit inneren und äußeren Oberflächen 54, 56. Zwei gegenüber­ liegende abgeschrägte zylindrische Wicklungssabschnitte 67 ragen aus der Außenoberfläche 54 des inneren zylindrischen Teils. Je­ der Wicklungsabschnitt 67 hat radiale Oberflächen 65, eine Au­ ßenoberfläche 57 und Stirnflächen 64. Allgemein abgeschrägte Übergangsoberflächen 69 trennen die Stirnflächen 64 und die ra­ dialen Oberflächen 65. Der Spulenkörper kann durch Spritzguß ei­ nes nicht-leitenden Kunststoffmaterials, wie Nylon, glasgefüll­ tes Nylon, ABS oder ähnlichem hergestellt werden.

Bezüglich der Fig. 6-10 sind die Spulen jeweils auf die Wick­ lungsabschnitte 67 des Spulenkörpers 50 gewickelt. Dies wird be­ werkstelligt durch Wickeln zuerst einer ersten Windung 33 um je­ den Wicklungsabschnitt 67, wie in Fig. 7 gezeigt. Jede dieser Windungen umfaßt ein Paar von umfangsmäßig beabstandeten Schen­ keln 93 und ein Paar von Endteilen 91 (siehe Fig. 7). Weitere ähnliche Windungen 31 werden um die erste Windung 33 gewickelt, um zwei Gruppen 95 von Schenkeln zu erhalten, die die Spulen­ teile 75 bilden (siehe Fig. 8).

Die sich ergebenden Spulenteile sind symmetrisch bezüglich einer Hauptsymmetrieebene 73, wie in Fig. 6 und 9 gezeigt. Die zwei Spulenteile können in demselben Vorgang unter Verwendung dessel­ ben Drahtes gewickelt werden, oder sie können aufeinanderfolgend gewickelt werden und in Serie verbunden werden. Die Orientierung dieser Spule und die relative magnetische Orientierung des Ro­ tors sind schematisch in Fig. 13 gezeigt.

Beim Betrieb wird Strom durch die Spule 50 geleitet, der ein Ma­ gnetfeld erzeugt, das mit dem Feld des Rotormagneten 27 zusam­ menwirkt und dadurch ein Drehmoment auf den Rotor ausübt. Die Feldlinien auf Grund des Rotors allein sind in Fig. 14 gezeigt, und die Feldlinien auf Grund der Wechselwirkung der Felder sind in Fig. 15 gezeigt.

Es wird unten gezeigt, daß ein Drehmoment erzeugt wird, wenn der Magnet und die Spule in einem in den Figuren gezeigten Verhält­ nis stehen. Diese Beziehung steht in einem 90°-Winkel bezüglich der Ausrichtung, die in dem Patent 40 76 998 gezeigt ist. Die Größe des auf den Rotor 100 ausgeübten Drehmoments wird abhängen von der Größe des durch die Spule erzeugten Feldes. Mehr Windun­ gen werden ein stärkeres Feld liefern und es ist daher vorteil­ haft, Wicklungen in der gesamten umfangsmäßigen Ausdehnung des Wicklungshohlraums 71 anzuordnen. Wie auch unten gezeigt wird, optimiert ein Vorsehen einer variablen radialen Wicklungsdichte, wie in Fig. 6, 8 und 9 gezeigt, weiter das Drehmoment für eine gegebene Hohlraumgeometrie.

Mit allgemeinem Bezug auf die Fig. 13-16 und 22-23 soll zuerst gezeigt werden, daß das Feld innerhalb des Spalts eines Perma­ nentmagneten aus weitgehend anisotropem Material und eine Schale aus weichmagnetischem Material bezüglich der Pole des Magneten einen Wert:

B = K B_r cos R (1)

hat, der von dem Winkel R zwischen der Achse der Magneten und dem Durchmesser, auf dem das Segment 47 liegt (d. h. 45°), ab­ hängt. B_r ist eine konstante Restinduktivität des Magneten 26, und K ist eine dimensionslose Kostante (typischerweise zwischen 0,5 und 1), die von der Geometrie und dem speziellen, ausgewähl­ ten magnetischen Material abhängt sowie auch von den Bedingungen der Schale (Gehäuse 28).

Bezüglich insbesondere der Fig. 16 und 22 ist die Herleitung von Gleichung (1) wie folgt: Die magnetischen Eigenschaften eines anisotropen Seltenerdmagne­ ten in einem typischen Betriebsbereich können angenähert werden durch

B_m = + H_m B_r/H_c + B_r (2)

wobei B_m die Induktion ist, H_m die Feldstärke, B_r die Restinduk­ tivität und Hc die Koerzertivkraft ist.

Die Anwendung von Ampere′s Gesetz, ∫H.dl = NI entlang des Pfades q-r-s-t von Fig. 16, ergibt unter der Annahme, daß keine Ströme vorhanden sind:

H_a 2 · g + H_m · d · cos R = 0 (3)

wobei H_a die magnetische Feldstärke in dem Luftspalt 59 ist, d der Durchmesser des Magneten 27 und g die Breite des Spalts 59 ist.

Gauss's Gesetz ∳ B · da=0 kann angewendet werden auf die elementare Axialoberfläche des Volumens, das durch die Punkte a, a′, p, p′, n, n′, e, e′ definiert wird, und zwar dort, wo das Material ausreichend anisotrop ist, daß das Feld nur die Grenzen der Oberfläche a a′ p p′ und der Oberfläche e e′ n n′ schneidet. Dies ergibt:

B_m · dA_m = B_a · dA_a (4)

wobei der Indes "a" beim Abschnitt n n′, p p′ sich auf den Luftspalt bezieht und der Index "m" sich auf das Magnetmaterial bezieht. Wegen dA_m=dA_a · cos R wird Gleichung (4) zu

B_m · cos R = B_a. (5)

In dem Luftspalt gilt

B_a = µH_a (6)

wobei µ die Permeabilität von Luft ist.

Gleichungen (2) und (5) ergeben zusammen:

B_a/cos R = B_r (1+H_m/H_c) (7)

und Gleichungen (3) und (6) ergeben zusammen

2g B_a/µ+Hm · dcos R = 0 (8)

Gleichungen (7) und (8) werden vereinfacht zu

B_a = B_r cos R/ (1+B_r/µH_c · 2 g/d) (9)

Die meisten Seltenerdmagneten haben B_r/µH_c = 1,1 und wenn g/d klein ist, typischerweise weniger als 0,3, vereinfacht sich Gleichung (9) zu

B_a = K · B_r cos R (10)

wobei 0,5 < K < 1, was das gleiche ist wie die Gleichung (1) (siehe auch US-Patent No. 49 59 568 mit dem Titel "Dynamically Tunable Resonant Device with Electric Control").

Es folgt die Herleitung des Drehmoments, das auf den Magnetrotor bezüglich des Schalen-Ständers ausgeübt wird.

Zum Zwecke der Bestimmung des Drehmoments sei angenommen, daß der Magnet und die Schale stationär sind, und das Drehmoment auf einen einzigen Leiter, wie in Fig. 13 gezeigt, wird berechnet.

Das Drehmoment ist gegeben durch die Lorentz-Gleichung

T = B L i D/2 (11)

wobei B das Magnetfeld ist an der Leiterstelle auf einem Basis­ durchmesser D. Die aktive Länge des Magneten ist L.

Zu jedem Drehmoment gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Gegenkraft. Wenn die Spule als Bezug benutzt wird, wirkt das gleiche Drehmoment auf die Magnet-Schalen-Kombination.

Da die Schale konzentrisch mit dem Magneten ist und sowohl unpo­ larisiert als auch isotrop, ist die winkelmäßige Lage des Ma­ gnetfelds allein durch den Magneten bestimmt. Alles Drehmoment wirkt zwischen der Spule und dem Magneten. Durch Anordnen der Spule an dem Gehäuse wirkt das Drehmoment zwischen dem Gehäuse und dem Magneten. Es ist notwendig, die Spule an der Schale richtig zu verankern und zu beachten, daß der Anker dem gesamten Drehmoment der Einrichtung ausgesetzt sein wird. Dieses feste Verankern wird durch die Befestigungsmittel 37 ausgeführt, die in den Löchern 60, 61, 62, 63 in dem Spulenkörper und dem Ge­ häuse angebracht sind.

Bei Betrachtung einer Spule mit gleichförmiger Dichte von Win­ dungen, ausgedrückt als N/2α_o, wobei N die Gesamtzahl der Windun­ gen und α_o der Halbwinkel des Wicklungshohlraums, wie in Fig. 15 gezeigt ist, wird das gesamte Drehmoment auf den Rotor als das Integral des Drehmoments auf jeden Leiter abgeleitet.

Unter Beachtung, daß das Feld B für jeden Leiter an der Stelle α eine Funktion von γ und R ist und daß für jede Winkelposition γ des Rotors die folgende Beziehung besteht;

R = α - γ (12)

wird das Drehmoment ausgedrückt als:

welche vereinfacht wird zu:

Es ist offensichtlich, daß sin α_o/α_o einen Maximalwert hat für ein kleines α_o. Leider bewirkt dies, daß der Widerstand propor­ tional für eine gegebene Anzahl von Windungen N ansteigt, da der Draht eine kleinere Abmessung haben muß, um in den kleinen Raum, der durch das kleine α_o definiert ist, zu passen. Praktischer­ weise muß daher α_o so groß wie möglich sein. Wenn α_o zu 90° ge­ macht wird, ist sin α_o/α_o = 0,82. Bei α_o = 60° ist sin α_o/α_o = 0,87.

Mit einer veränderbaren Spulendichte ist es möglich, den sin α_o/α_o Term zu beseitigen (sin α_o ist immer weniger als 1).

n sei die Windungsdichte und

2n = N/α₀ cos α. (15)

Gleichung 13 wird zu

was vereinfacht wird zu:

In der Praxis führt das dazu, eine Spule zu wickeln, bei der die Wicklungsdichte in der Mitte weniger ist als an den Rändern. Wenn sich die Windungen zwischen +/-45° erstrecken, sollte die Mitte eine Dichte von 71% der von den Rändern haben. Eine Kon­ struktion nach (17) mit α_o = 45° erzeugt ein Drehmoment, das un­ gefähr 40% größer ist als das einer Spule mit gleichförmiger Dichte für einen gegebenen Leistungsverbrauch.

Diese variierte Dichte ist schematisch in Fig. 6 und 9 gezeigt, wobei gesehen werden kann, daß weniger Drähte bei der Hauptsym­ metrieebene 73, die die zwei Spulenteile 75 trennt, vorhanden sind und mehr Drähte an den radialen Seitenoberflächen des Spu­ lenkörpers weg von dieser Ebene. Es sei bemerkt, daß die Vertei­ lung nicht (17) genau folgen muß, um in den Genuß der Vorteile der Erfindung zu kommen, aber eine bessere Annäherung wird zu besseren Ergebnissen führen.

Diese Art von Spule kann leicht auf den Spulenkörper 50 gewic­ kelt werden unter Verwendung einer Wickelmaschine, da die Drähte während des Wickelns nicht durch den langen, engen zylindrischen Teil geführt werden müssen. Daher können Motoren mit einem großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (z. B. weit über 1) wirk­ sam hergestellt werden.

Bezüglich der Fig. 17-21 umfaßt eine Wickelvorrichtung, die eine variable Wicklungsdichte erlaubt, ein Paar von Körperteilen 82, ein Paar von Kugelsteckern 84 und ein Vorrichtungsbefestigungs­ mittel 77, wie zum Beispiel einen Bolzen 86 und eine zugehörige Mutter 88 und Unterlegscheibe 87. Die Körperteile sind im we­ sentlichen Abschnitte eines Zylinders, und jedes hat gekrümmte Enden 90 und ein Loch 92. Die Kugelstecker 84 umfassen jeweils eine Nase 104 und einen halb-zylindrischen Abschnitt 106 mit ei­ nem Loch 108. Die Vorrichtungsbefestigungsmittel gestatten, daß die Innenoberflächen der Körperteile um den Spulenkörper ge­ klemmt werden und halten die Kugelstecker innerhalb des Spulen­ körpers in ihrer Lage.

Die gekrümmten Stirnflächen 90 des Körpers und die gekrümmte Nase 104 der Kugelstecker führen den Draht, während er durch die Wickelmaschine auf den Spulenkörper gewickelt wird, um die oben beschriebene inverse Cosinus-Verdrahtungsdichteverteilung zu er­ geben. Die tatsächlich erreichte Verteilung wird eine Funktion sein des Kugelsteckerdurchmessers 110, des Abstandes zwischen den Körperteilen und der Formen der Kurven auf diesen Teilen. Diese Parameter werden auch mit anderen Variablen, wie zum Bei­ spiel der Art der verwendeten Wickelmaschine, seiner Wicklungs­ geschwindigkeit und Spannung und der Größe des Drahtes zusammen­ wirken. Es ist wirksam, diese Parameter durch eine kurze Reihe von Versuch-und-Irrtum- (trial-and-error-) Experimenten für eine gegebene Wickelmaschine und Spulenkörperkonstruktion zu bestim­ men.

Fig. 11 und 12 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel des Spulenkörpers. In diesem Ausführungsbeispiel erstrecken sich ringförmige Segmentendglieder 58 von ihren Wicklungsabschnitten 55 an jedem Ende jedes Wicklungsabschnittes, und es sind keine allgemein abgeschrägten Übergangsoberflächen vorhanden. Alterna­ tiv kann der Spulenkörper aus zwei Teilen hergestellt werden, die separat gewickelt werden und zusammengebaut werden vor dem Einkapseln.

Das aufgezeigte Galvanometer besitzt somit einen fest gebauten Rotor mit geringem Durchmesser, der eine große Menge von Magnet­ material innerhalb seiner relativ dünnen Hülse umfaßt. Es hat auch eine Spule, die leicht zu wickeln ist und lang und schmal ist und ein optimiertes Dichteprofil besitzt. Des weiteren er­ laubt das Anordnen der Verbindung zu dem Lagewandler außerhalb des Raums zwischen den Lagern, daß die Lager näher beieinander gehalten werden können, was die erste Resonanzfrequenz erhöht. Diese Merkmale liefern eine beträchtliche Verbesserung beim ma­ ximalen Ausgangsdrehmoment und der Bandbreite der kompakten Ein­ richtung.

Wegen dieser großen Leistungsverbesserung ist es notwendig, den Spulenkörper mit einem Befestigungsmittel fest in seiner Lage zu verankern, um ihn an einer Bewegung zu hindern, wie oben be­ schrieben. Dieses Befestigungsmittelanordnungssystem sieht eine größere Stärke vor als Einkapseln allein, insbesondere für Spu­ lenkörper mit kleinen Durchmessern, wo es eine kleinere Fläche zu kapseln gibt. Dieses Befestigungssystem verhindert damit, daß die Spule von dem Gehäuse loskommt oder sich innerhalb des Ge­ häuses bewegt, wie es sein könnte, wenn sie hohen magnetischen Kräften ausgesetzt wird.

Ebenso ist es vorteilhaft, da die verbesserte Beschleunigung ge­ stattet, daß der Rotor stärker an die Anschläge auftrifft, daß die Verbindung zwischen der Abtriebswelle 14 und der Hülse 26 und zwischen der Hülse 26 und dem Magnet 27 stark ist.

Die vorliegende Gesamtkonstruktion ist vorteilhaft im Vergleich zu einer Dreheiseneinrichtung mit ähnlichen Eigenschaften. Eine Dreheiseneinrichtung wird das gleiche Drehmoment-zu-Trägheitsmo­ ment-Verhältnis haben, aber die Induktivität der Einrichtung wird um einen Faktor 10 geringer sein. Um eine Einrichtung von vergleichbarer Größe zu einer Dreheiseneinrichtung herzustellen, ist es notwendig, ein magnetisches Material zu verwenden, das eine magnetische Energie hat von ungefähr mindestens 25·10⁶ Gauss Oersted. Neodymeisenbor und Samariumkobalt besitzen diese Eigenschaften. Die elektrische Zeitkonstante und die erste un­ kontrollierbare Resonanzfrequenz werden auch günstig durch diese verminderte Induktivität beeinflußt.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den folgenden An­ sprüchen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor. Ein Galvano­ meter wird gezeigt, das einen zylindrischen magnetischen Rotor umfaßt, der in zwei im wesentlichen halb-zylindrische Pole auf gegenüberliegenden Seiten seiner Achse polarisiert ist. Zwei Spulenteile sind auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors ange­ ordnet, getrennt durch eine Symmetrieebene, die im wesentlichen mit den Polen des Rotors in der Mitte seines Bewegungsbereichs ausgerichtet ist. Die Schenkel jeder Gruppe von Windungen jedes Spulenteils sind angeordnet in einer Verteilung, beginnend an einem Punkt, der der radialen Oberfläche des Spulenkörpers, auf den der Spulenteil gewickelt wird, entspricht und sich durchge­ hend erstreckend im wesentlichen zu der Symmetrieebene. Die Ver­ teilung kann an der Symmetrieebene geringer in der Dichte sein als mit Abstand davon und kann einer inversen Cosinusverteilung angenähert sein. Ein Rotor ist gezeigt, der eine dünnwandige drehmomentaufnehmende Hülse umfaßt, die zumindest einen Teil des Magneten umgibt und mit der Abtriebswelle und dem Magneten ver­ bunden ist. Ein Befestigungsmittel verankert den Spulenkörper an der Schale, um eine relative Drehung dazwischen zu verhindern. Ein Lagewandler ist mit dem Rotor verbunden, und zwar außerhalb des Raums zwischen den Lagern, um die erste Resonanzfrequenz des Rotors günstig zu beeinflußen. Eine Wicklungsbefestigung ist ge­ zeigt, und das Verfahren der Herstellung der Spulen ist be­ schrieben.

Claims (44)

1. Galvanometer, das folgendes aufweist: einen zylindrischen magnetischen Rotor, der angebracht ist für drehende Schwingungen um eine Mittelachse und der polarisiert ist in zwei im wesentlichen halb-zylindrische Pole auf gegen­ überliegenden Seiten der Achse, zwei Spulenteile, die auf gegen­ überliegenden Seiten des Rotors angeordnet sind, wobei jedes der Spulenteile durch eine große Vielzahl von leitenden Windungen definiert ist, und wobei jede Windung aus leitenden Seitenschen­ keln, die sich entlang der Länge des Rotors erstrecken, und lei­ tenden Endteilen, die mit den entsprechenden Seitenschenkeln der Windung verbunden sind, besteht, wobei die ersten und zweiten Seitenschenkel der Windung zusammen gruppiert sind in entspre­ chende erste und zweite Gruppen von leitenden Schenkeln, wobei die Gruppen umfangsmäßig voneinander beabstandet sind, wobei es eine Symmetrieebene durch die Achse zwischen den Spu­ lenteilen gibt, wobei die Schenkel jeder Gruppe von Windungen jedes Spulenteils angeordnet sind in einer Verteilung, die an einem Punkt beginnt, der der radialen Oberfläche des Spulenkör­ pers, auf den der Spulenteil gewickelt ist, entspricht, und die sich durchgehend im wesentlichen zu der Symmetrieebene er­ streckt, wobei die Pole des Rotors im wesentlichen ausgerichtet sind mit der Ebene in der Mitte des Bewegungsbereichs des Galva­ nometers.

2. Galvanometer nach Anspruch 1, wobei der Rotor ein frei dreh­ barer Rotor ist.

3. Galvanometer nach Anspruch 1, wobei die Verteilung nähe­ rungsweise eine reziproke Cosinusverteilung ist.

4. Galvanometer nach Anspruch 3, wobei die Verteilung bestimmt ist durch wobei folgendes gilt:
T = die Drehmomentausgangsgröße des Galvanometers,
Br = die konstante Restinduktivität des magnetischen Rotors,
K = eine dimensionslose Konstante,
L = die magnetische Rotorlänge,
N = die Anzahl der Windungen in der Spule,
i = der Strom durch die Spule,
D = der Basisdurchmesser, an dem die Leiter angeordnet sind,
α_o = der Halbwinkel des Wicklungshohlraums, und
γ = die winkelmäßige Lage des Rotors.

5. Galvanometer nach Anspruch 3, wobei die Veränderung der Wicklung sich über einen Bereich von +/-45° von der Ebene um die Achse erstreckt und wobei die Wicklung an der Symmetrieebene eine Dichte hat von ungefähr 70% der an den äußeren Grenzen des Bereichs.

6. Galvanometer, das folgendes aufweist:
einen Magnetrotor, der geeignet ist zum Drehen um eine Achse,
und einen Ständer, der konzentrisch mit dem Rotor ist und eine Spule aufweist mit axialen Wicklungsabschnitten auf gegenüber­ liegenden Seiten der Achse und eine Symmetrieebene, die durch die Achse geht und die axialen Spulenteile trennt, wobei die Spule eine sich ändernde Wicklungsdichtenverteilung hat, die an der Symmetrieebene geringer in der Dichte ist als mit Abstand davon.

7. Galvanometer nach Anspruch 6, wobei die Veränderung in der Wicklungsdichteverteilung ausgewählt ist, um die Leistung der Spule für einen gegebenen Leistungsverbrauch (Verlustleistung) der Spule zu optimieren.

8. Galvanometer nach Anspruch 6, wobei die Veränderung der Win­ dungsdichtenverteilung annäherungsweise eine reziproke Cosinus­ verteilung ist.

9. Galvanometer nach Anspruch 8, wobei die Verteilung bestimmt ist durch wobei
T die Drehmomentausgabe des Galvanometers ist,
Br die konstante Restinduktivität des magnetischen Rotors ist,
K eine dimensionslose Konstante ist,
L die magnetische Rotorlänge ist,
N die Anzahl der Windungen in der Spule ist,
i der Strom durch die Spule ist,
D der Basisdurchmesser, an dem die Leiter angeordnet ist,
α_o die Halbwinkel des Wicklungshohlraums ist, und
γ die winkelmäßige Lage des Rotors ist.

10. Galvanometer nach Anspruch 6, wobei die Veränderung der Wicklung sich über einen Bereich von +/-45° von der Ebene um die Achse erstreckt und wobei die Wicklung an der Symmetrieebene eine Dichte hat von ungefähr 70% der an den äußeren Grenzen des Bereichs.

11. Drehmomentmotor, der folgendes aufweist:
einen Rotor mit einem Magneten, der zwei Enden hat, und
eine hintere Welle und eine Abtriebswelle, die jeweils in ansto­ ßender Beziehung zu einer der Magnetenden stehen, und
eine dünnwandige drehmomentaufnehmende Hülse, die zumindest einen Teil des Magneten umgibt und mit der Abtriebswelle und dem Magneten verbunden ist.

12. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse und die Abtriebs­ welle ein integraler Teil sind.

13. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse ein Trägheitsmoment hat, das weniger ist als 10% des Trägheitsmoments des Magneten.

14. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse an der hinteren Welle befestigt ist.

15. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse und der Magnet mit einem halb-flexiblen Klebstoff verbunden sind.

16. Motor nach Anspruch 15, wobei der halb-flexible Klebstoff ein Silikonbindemittel ist.

17. Motor nach Anspruch 15, wobei der halb-flexible Klebstoff ein Epoxidharz ist.

18. Motor nach Anspruch 11, wobei der Magnet entlang seines Durchmessers polarisiert ist.

19. Motor nach Anspruch 11, wobei die Abtriebswelle ein verbrei­ tertes Endstück umfaßt und das verbreiterte Endstück mit der Hülse verbunden ist.

20. Motor nach Anspruch 14, wobei die Abtriebswelle und die hin­ tere Welle Endstücke aufweisen und die Endstücke mit der Hülse verbunden sind.

21. Motor nach Anspruch 11, wobei die Abtriebswelle an die Hülse geschweißt ist.

22. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse den Magneten voll­ ständig umgibt.

23. Motor nach Anspruch 11, wobei der Magnet aus Neodymeisenbor ist.

24. Motor nach Anspruch 11, wobei der Magnet aus Samariumkobalt ist.

25. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse aus rostfreiem Stahl ist.

26. Motor nach Anspruch 11, wobei die Hülse aus Titan ist.

27. Motor nach Anspruch 11, wobei der Rotor eine Länge hat grö­ ßer als sein Durchmesser.

28. Motor nach Anspruch 27, wobei die Rotorlänge zumindest unge­ fähr dreimal so groß ist wie der Rotordurchmesser oder länger.

29. Motor nach Anspruch 11, wobei der Rotor einen Durchmesser von ungefähr einem halben Zoll (1,27 cm) oder kleiner hat.

30. Motor nach Anspruch 11, wobei der Rotor einen Durchmesser von ungefähr 3/16 eines Zolls (0,48 cm) oder kleiner ist.

31. Drehmagnetscanner geeignet zum Antreiben eines optischen Elements, wie eines Spiegels, in einer drehenden Schwingbewe­ gung, wobei der Scanner folgendes aufweist:
eine feststehende äußere Schale,
einen Ständer, der mit strukturellem Kapsel- oder Verbindungsma­ terial an eine Spule gekapselt ist, die um einen Spulenkörper gewickelt ist, der innerhalb der Schale angeordnet ist, wobei der Ständer aus einem Verankerungsloch besteht, das zu der Schale hin angeordnet ist,
ein starres Befestigungsmittelelement, das in das Loch eingepaßt ist und sich zu der Schale hin erstreckt, und den Ständer an der Schale verankert, um eine relative Drehbewegung dazwischen zu verhindern, und zwar während der Beschleunigung des Scanners während der Reaktivkräfte auf die Spule ausgeübt werden, und
einen Magnetrotor, der entlang seines Durchmessers polarisiert ist und drehbar angeordnet ist in einer inneren konzentrischen Beziehung zu dem Ständer.

32. Scanner nach Anspruch 31, wobei das Befestigungsmittel ein sich axial erstreckendes Element ist in der Form eines Stiftes oder Bolzens.

33. Scanner nach Anspruch 31, wobei der Rotor einen Durchmesser hat von ungefähr einem halben Zoll (1,27 cm) oder kleiner.

34. Scanner nach Anspruch 31, wobei der Rotor einen Durchmesser hat von ungefähr 3/16 eines Zolls (0,48 cm) oder kleiner.

35. Scanner nach Anspruch 31, wobei der Rotor eine Länge hat, die größer ist als sein Durchmesser.

36. Scanner nach Anspruch 31, wobei die Rotorlänge ungefähr 3mal so groß ist wie der Rotordurchmesser oder länger.

37. Galvanometer, das folgendes aufweist:
einen Magnetrotor, der geeignet ist, um eine Achse zu rotieren,
wobei der Rotor eine Abtriebswelle und eine hintere Welle an entgegengesetzten Enden des Rotors aufweist,
ein Abtriebslager zur Verbindung an eine äußere Last, wobei das Abtriebslager die Abtriebswelle drehbar hält,
ein hinteres Lager, das die hintere Welle drehbar hält, wobei das Lager an dem entgegengesetzten Ende des Rotors zu dem Ab­ triebslager angeordnet ist, und
einen Lagewandler, der mit dem Rotor verbunden ist zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals infolge der Drehung des Rotors, wobei der Lagewandler mit dem Rotor außerhalb des Raumes zwischen den Lagern verbunden ist, um die Entfernung zwischen den Lagern zu minimieren und folglich die erste Resonanzfrequenz des Rotors günstig zu beeinflussen.

38. Galvanometer nach Anspruch 37, wobei der Lagewandler auf der hinteren Welle angebracht ist.

39. Galvanometer nach Anspruch 38, wobei der Lagewandler auf der hinteren Welle angebracht ist durch eine Schraube, die mit einem Gewinde in der hinteren Welle in Eingriff steht.

40. Spulenkörper, der folgendes aufweist:
einen zylindrischen Teil mit inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen,
zwei zylindrische Wicklungsabschnitte, die aus der Außenoberflä­ che auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Teils ragen und jeweils eine äußere Oberfläche, radiale Längsoberflächen und
erste und zweite Stirnflächen haben, wobei die Mittelachse der zylindrischen Abschnitte und die des zylindrischen Teils im we­ sentlichen kolinear sind.

41. Galvanometer nach Anspruch 40, wobei die zylindrischen Ab­ schnitte ein Paar von Verankerungslöchern definieren zur Auf­ nahme eines Befestigungsmittels, das den Spulenkörper in seiner Lage hält.

42. Spulenkörper nach Anspruch 40, wobei die zylindrischen Wicklungsabschnitte des weiteren allgemein abgeschrägte Über­ gangsoberflächen zwischen den radialen und den Stirnflächen auf­ weisen.

43. Spulenkörper nach Anspruch 40, wobei die zylindrischen Ab­ schnitte jeweils des weiteren ringförmige Segmentendglieder auf­ weisen, die sich von den Wicklungsabschnitten an jedem Ende je­ des Wicklungsabschnittes aus erstrecken.

44. Wickelbefestigung zur Aufnahme eines Spulenkörpers, der fol­ gendes aufweist:
einen zylindrischen Teil mit inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen,
zwei zylindrische Wicklungsabschnitte, die aus der Außenoberflä­ che auf gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Teils ragen und jeweils eine äußere Oberfläche, radiale Längsoberflächen und erste und zweite Stirnflächen haben, wobei die Mittelachse der zylindrischen Abschnitte und die des zylindrischen Teils im we­ sentlichen kolinear sind, wobei die zylindrischen Abschnitte ein Paar von Verankerungslöchern definieren zur Aufnahme eines Befe­ stigungsmittels, das den Spulenkörper in seiner Lage hält, wobei die Befestigung folgendes aufweist:
ein Paar von zylindrischen Abschnittskörperteilen, wobei die Körperteile jeweils ein Paar von radialen Längsoberflächen, er­ sten und zweiten Endteilen mit gekrümmten Oberflächen und eine innere und äußere Oberfläche hat, die beide ausgerichtete Anord­ nungslöcher umfassen, wobei die Innenfläche der Körperteile di­ mensioniert ist, um die Außenoberfläche eines der zylindrischen Abschnitte des Spulenkörpers zu halten,
ein Paar von Kugelsteckern, die jeweills eine gekrümmte Nase ha­ ben und einen halb-zylindrischen Teil zum Einführen in die Mitte des zylindrischen Teils des Spulenkörpers neben dem halb-zylin­ drischen Teil des anderen Kugelsteckers, wobei der halb-zylin­ drische Teil ein Anordnungsloch aufweist, und
ein Vorrichtungsbefestigungsmittel zum Einführen durch die An­ ordnungslöcher in den Körperteilen, die Verankerungslöcher in dem Spulenkörper und die Löcher in den Kugelsteckern, um den Spulenkörper während des Wickelns in seiner Lage zu halten.