DE60010537T2

DE60010537T2 - Betätiger

Info

Publication number: DE60010537T2
Application number: DE60010537T
Authority: DE
Inventors: Sakae Iwata-gun Fujitani; Yuzuru Iwata-gun Suzuki; Masaki Iwata-gun Kagawa
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: DE60010537D1; JP2000224830A; EP1024503B1; EP1024503A2; JP3394922B2; US6331746B1; EP1024503A3

Description

1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Einphasenstruktur-Stellorgans und insbesondere auf eine Rotorstruktur eines Betätigers, die einfach zusammenzubauen ist, ein ausgewogenes Haltemoment und Restdrehmoment hat und eine stabile, sich wiederholende Rotationsbewegung.
2. Stand der Technik
Die Erfinder der vorliegenden Anwendung haben bereits eine Stellorgantechnologie für ein Stellorgan mit Einphasenstruktur und Klauenpolstruktur vorgeschlagen, wobei intern ein Sperrmechanismus vorhanden ist und ein Rotor durch die Versorgung einer Spule mit Strom in eine sich wiederholende Drehbewegung versetzt wird. Bei dieser Art von Betätiger ist es wünschenswert, den Rotationswinkel zu erhöhen und gleichzeitig das Restdrehmoment zu sichern.
Allerdings ist es, allgemein gesprochen, so, dass eine Erhöhung des Restdrehmoments eine Verringerung des Rotationswinkelbereichs zur Folge hat, weshalb das Restdrehmoment verringert werden muss, um den Rotationswinkelbereich zu vergrößern. Das heißt, Restdrehmoment und Rotationswinkelbereich verhalten sich reziprok zueinander. Diese Tendenz macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn ein gesinterter Hochleistungsmagnet aus einem seltenen Erdmetall (zum Beispiel ein Nd-Magnet oder ein Sm-Magnet) mit magnetischer Anisotropie (zum Beispiel polare Anisotropie) verwendet wird, um das Stellorgan zu verkleinern zu machen.
Als Technik, die auf den Rotormagneten angewandt wird, um Restdrehmoment und wachsenden Rotationswinkelbereich sicherzustellen, gibt es eine Methode, bei welcher – wenn der Rotormagnet zum Beispiel zweipolig ist – eine Kerbe oder ein Schlitz axial im polaren Mittelteil eines Polpaars (zum Beispiel nur Nordpol) hergestellt wird, um den Rotationswinkelbereich zu vergrößern, indem das magnetische Gleichgewicht zwischen dem Nord- und dem Südpol aufgehoben wird (siehe 5). Der Nachteil hierbei ist jedoch, dass zahlreiche Prozesse erforderlich sind, um die präzise Form des eingekerbten bzw. des geschlitzten Teils (insbesondere den mittleren Winkel a der Kerbe bzw. des Schlitzes) zu gewährleisten, was die Herstellung kompliziert. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Außenfläche – bei einem gesinterten Magneten – nach dem Sintern poliert wird. Gibt es auf der Außenfläche eine Kerbe bzw. einen Schlitz, ist es nicht nur unmöglich, die zylindrische Form sicherzustellen, sondern es ist auch sehr schwierig, eine stabile Form der Kerbe bzw. des Schlitzes aufrechtzuerhalten. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass eine maschinelle Bearbeitung der Kerbe bzw. des Schlitzes eine Erhöhung der Kosten nach sich zieht.
Unter Berücksichtigung der Magnetbearbeitung, der Aufrechterhaltung der Präzision und der Kosten ist es daher wünschenswert, dass die Form der Außenfläche eines Magneten die eines Zylinders ohne jegliche Kerben bzw. Schlitze ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Rotormagnetstruktur in einem Einphasenstruktur-Stellorgan zu liefern, die Merkmale aufweist, bei denen das Restdrehmoment vollständig sichergestellt ist und zudem ein großer Rotationswinkelbereich geboten wird.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist die vorliegende Erfindung auf ein Einphasenstruktur-Stellorgan gemäß Anspruch 1 ausgerichtet. Ein Rotormagnet ist durch einen sehr kleinen Spalt im Innern eines Ankers mit einer Spulenwindung um ein Ankerjoch drehbar angeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgenannte Rotormagnet aus mehreren Magnete aufgebaut ist, die in axialer Richtung verbunden sind, wobei deren Magnetpole jeweils in der Umfangsrichtung gegeneinander verschoben sind.
Weiterhin, in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Einphasenstruktur-Stellorgan vorgeschlagen, das den Anker umfasst, wobei der Anker besteht aus (a) einem Ankerjoch bestehend aus einem Paar von ringförmigen flachen Jochen aus einem weichmagnetischen Material, einem Polzahn, der in axialer Richtung von dem inneren Rand des flachen Jochs vorsteht und sich in der Umfangsrichtung erstreckt, und einem zylindrischen Ring, der sich in dieselbe Richtung wie der Polzahn am äußeren Rand des Jochs erstreckt, und (b) einer Spule , die aus einer Wicklung von isoliertem Draht besteht, die in einem ringförmigen konkaven Spulenhalterteil angeordnet ist, das durch die flachen Joche, Polzähne und den zylindrischen Ring des Statorjochs gebildet wird, und (c) Flanschen mit Lagern an beiden Endflächen des Ankers und dem Rotormagnet, der mit einem Feldmagnet versehen ist, der aus einem Dauermagnetrotor besteht, der so angeordnet ist, dass er den Polzähnen des Statorjochs durch einen sehr kleinen Spalt gegenüberliegt.
Weiterhin ist bei dem Stellorgan der äußere Durchmesser des Rotormagnets gleich oder weniger als 3 mm, und die äußeren Durchmesser der Magnete sind alle gleich.
Weiterhin ist bei dem Stellorgan die Länge jedes Magnets in axialer Richtung gleich.
Weiterhin ist bei dem Stellorgan jeder Magnet magnetisch anisotrop, und der Rotormagnet besteht aus zwei Magneten.
Weiterhin liegt bei dem Stellorgan der Betrag der Verschiebung in der Umfangsrichtung jedes Magnet-Gegenstücks innerhalb eines elektrischen Winkels von 10-60 Grad.
Weiterhin ist bei dem Stellorgan ein Abstandhalter an den Verbindungsbereichen der Magnete vorgesehen, dessen Durchmesser gleich oder kleiner als der äußerste Durchmesser des Rotormagnets ist.
Weiterhin sind bei dem Stellorgan ein oder mehrere Paare von Vorsprüngen und Vertiefungen zur Positionierung der Magnete in der Umfangsrichtung auf einer gegenüberliegenden Oberfläche jedes Magnets und des Abstandshalters vorgesehen.
Weiterhin ist bei dem Stellorgan eine Positionierungsausnehmung oder ein Positionierungsloch zum Positionieren in der Umfangsrichtung an jedem Rotormagnet auf der Endfläche jedes Magnets vorgesehen.
Weiterhin sind bei dem Stellorgan mehrere Magnete durch einen Abstandhalter verbunden und befestigt, wobei das Stellorgan mit einer Klebeausnehmung entweder in der Nähe eines mittigen Lochs in den Magneten oder an dem Abstandhalter oder an beiden versehen ist.
1 ist eine Explosionszeichnung eines Einphasenstruktur-Stellorgans mit Klauenpolstruktur, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wurde. 2A ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des Funktionsprinzips eines Einphasenstruktur-Stellorgans mit Klauenpolstruktur in Verbindung mit einem zweipoligen Antrieb mit Unifilarwicklung, und 2B ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des Funktionsprinzips der gleichen Struktur mit einem einpoligen Antrieb mit Bifilarwicklung.
3 zeigt Drehmoment-Kennlinien eines Einphasenstruktur-Stellorgans mit Klauenpolstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt Drehmoment-Kennlinien eines Einphasenstruktur-Stellorgans mit Klauenpolstruktur der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Rotormagneten, dessen Polteil in axialer Richtung aufgeschnitten wurde.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform eines zylindrischen Rotormagnets der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine dritte Ausführungsform eines zylindrischen Rotormagnets der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine vierte Ausführungsform eines zylindrischen Rotormagnets der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines zylindrischen Rotormagnets der vorliegenden Erfindung.
10A und 10B zeigen eine sechste Ausführungsform eines zylindrischen Rotormagnets der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Positionierung eines Rotormagnets in der Umfangsrichtung ohne Verwendung eines Abstandhalters realisiert wird.
12 ist eine Modifikation der in 11 dargestellten Ausführungsform.
13A und 13B zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung soll nun im Folgenden unter Verweis auf die beiliegenden Abbildungen erklärt werden.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Verweis auf 1 erklärt. 1 ist eine Explosionsansicht eines Einphasen-Stellorgans mit Klauenpolstruktur, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird. Bei den Ausführungsformen ist ein Rotormagnet bipolar und zwei Magnete werden in axialer Richtung verbunden. Bei dem dargestellten Stellorgan liegt ein Statorjoch vor, das gebildet wird aus einem ersten Statorjoch 2, das ein flaches Jochteil 23, ein Polzahnteil 25 und ein zylindrisches Ringteil 31 umfasst.
Das Stellorgan 10 wird im Einzelnen von vier Elementen gebildet: einem Rotor 1, einem Anker 9, oberen und unteren Flanschen 6 und 7 und Lagern. Weiterhin besteht der Anker aus 9 aus drei Elementen: einem ersten Statorjoch 2, einer Spulenanordnung 3 und einem zweiten Statorjoch 4.
Der Rotor 1 umfasst zwei Magnete 30a und 30b, von denen jeder in Umfangsrichtung in zwei Pole polarisiert ist, die in axialer Richtung direkt miteinander verbunden sind in einer Art und Weise, dass die Pole in Umfangsrichtung verschoben sind und konzentrisch über eine Muffe 22 auf einer Welle 21 befestigt sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Magnete 30a und 30b, die Muffe 22 und die Welle 21 mit Klebstoff befestigt.
Der Anker 9 besteht aus einem ersten Statorjoch 2, einer Spulenanordnung 3 und einem zweiten Statorjoch 4, wobei das erste Statorjoch 2 ein praktisch ringförmiges, flaches Joch 23 mit einem Polzahn 25 umfasst, der – bei dieser Ausführungsform – vom inneren Rand dieses Jochs in axialer Richtung vorsteht und sich in Umfangsrichtung erstreckt. Bei der Ausführungsform wird der Polzahn 25 des ersten Statorjochs 2 durch einen Pressprozess speziell hergestellt, das heißt, durch Schneiden mit einem Ziehstempel in der Form des Zahns, wobei der mittlere Teil einer Scheibe aus weichmagnetischem Stahlblech besteht und der Zahnteil in axialer Richtung gebogen wird. Weiterhin ist das flache Joch 23 mit einer Positionierungsnase 24 versehen, mit der die physische Position des flachen Jochs 23 in Bezug auf das zweite Statorjoch 4 in Umfangsrichtung bestimmt wird.
Die Spulenanordnung 3 ist eine Anordnung mit einer Spule 28, die um einen Kunstharz-Spulenträger 29 gewickelt ist (wobei es sich bei dem Kunstharz-Material z.B. um ein Flüssigkristall-Polymer handelt), wobei bei dieser Ausführungsform eine Anschlussplatte 26 mit einer Anschlussklemme 27 in das Kunstharz-Kragenteil des Spulenträgers 29 integriert ist. Weiterhin hat die Anschlussplatte 26 eine Form, die in eine Aussparung 10 im oberen Rand von Ring 31 des zweiten Statorjochs 4 passt.
Das zweite Statorjoch 4 ist insofern das gleiche wie das erste Statorjoch 2, als es ebenfalls aus einem praktisch ringförmigen, flachen Joch 23 und einem Polzahn 25 besteht, der in axialer Richtung vorsteht und sich vom inneren Rand des Jochs 23 in Umfangsrichtung erstreckt. Allerdings unterscheidet sich das zweite Statorjoch dadurch, dass ein Ring 31 per Tiefzieh-Verfahren in den Außenrand des flachen Jochs 23 parallel zum Polzahn 25 in axialer Richtung integriert ist. Weiterhin, wie hierin vorstehend erklärt, verfügt das zweite Statorjoch 4 über eine Positionierungsaussparung 10 im Ring 31, so dass der Polzahn 25 des ersten Statorjochs 2 und der Polzahn 25 des zweiten Statorjochs 4 in Umfangsrichtung ausgerichtet werden können, so dass eine Phasendifferenz in einem elektrischen Winkel von 180 Grad entsteht und die Anschlussplatte 26 der Spulenanordnung 3 von der Aussparung aufgenommen werden kann.
Der Rotor 1 wird in den Anker 9 eingesetzt, und die Lager 5 werden jeweils in die mittige Bohrung 32 des oberen und unteren Flansches 6 und 7 eingesetzt, so dass der Rotor 1 drehbar von den Lagern 5 gehalten wird. Eine Scheibe 8 dient der axialen Ausrichtung sowie der Einstellung des axialen Spiels der Magnete 30a und 30b des Rotors 1 und des Polzahns 25.
Bei der Ausführungsform sind die Lager 5 am oberen und unteren Flansch 6 und 7 befestigt, und der untere und obere Flansch 6 und 7 sind am ersten und zweiten Statorjoch 2 und 4 jeweils mit Klebstoff befestigt, hier kann aber auch mechanisches Verstemmen, Schweißen, integrales Kunststoffformen und so weiter eingesetzt werden.
Als nächstes soll das Funktionsprinzip eines Einphasen-Stellorgans mit Klauenpolstruktur sowie dessen Drehmoment-Kennlinien erklärt werden.
Die 2A und 2B zeigen das Funktionsprinzip des Stellorgans, und die 3 und 4 zeigen die Drehmoment-Kennlinien desselben. 2A zeigt ein Beispiel eines bipolaren Antriebs mit Bifilarwicklung. Da das Funktionsprinzip bei beiden Beispielen das gleiche ist, wird die Erklärung unter Verweis auf 2A gegeben.
2A zeigt eine Spule 28, welche den Statorteil darstellt, und einen Rotormagnet 30, welcher den Rotorteil darstellt. Die neutrale Stellung des Nord- und Südpols des Rotormagneten 30 stellt die synthetisierte Stellung der Magnete 30a und 30b dar, die in Umfangsrichtung verschoben sind.
Es gibt zwei Modi für die Spule 28; bei einem der Modi fließt ein Strom I₁ von Anschluss A, bei dem anderen fließt ein Strom I₂ von Anschluss B. Wird die Spule 28 durch den Strom I₁ erregt, so wird Anschluss B, der sich nahe des Rotormagneten 30 befindet, zum Nordpol magnetisiert. Folglich wird der Südpol des Rotormagneten 30 zum Spulenanschluss B gezogen mit dem Ergebnis, dass ein Drehmoment im Uhrzeigersinn wirkt und der Südpol des Rotormagneten 30 in einer Stellung gegenüber des Spulenanschlusses B zum Stehen kommt, wobei sich der Rotormagnet 30 in dieser Stellung um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht hat im Vergleich zu der in 2A dargestellten Stellung.
Umgekehrt, wenn die Spule 28 durch den Strom I₂ erregt wird, so wird Anschluss B, der sich nahe des Rotormagneten 30 befindet, zum Südpol magnetisiert. Folglich wird der Nordpol des Rotormagneten 30 zum Spulenanschluss 30 gezogen mit dem Ergebnis, dass ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn wirkt und der Nordpol des Rotormagneten 30 in einer Stellung gegenüber des Spulenanschlusses B zum Stehen kommt, wobei sich der Rotormagnet 30 in dieser Stellung um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat im Vergleich zu der in 2A dargestellten Stellung. Auf diese Weise, sofern keine Einrichtung zur Regulierung der Rotation des Rotormagneten 30 vorliegt, wird das Stellorgan 10, theoretisch, bei Erregung sich wiederholende Drehbewegungen von 180 Grad (± 90 Grad) durchführen.
Allerdings existiert bei Entregung durch die Klauenpolstruktur ein Haltemoment. Daher, ignoriert man der Reibungsmoment, ist das resultierende Drehmoment die Vektorsumme aus Haltemoment und Erregermoment (bei der vorliegenden Erfindung wird das durch Erregung eines Nennstroms erzeugte Drehmoment als „Nennmoment" und der maximale Wert desselben als Tnenn bezeichnet). Die 3 und 4 stellen die Beziehung zwischen diesen Momenten dar. 3 und 4 zeigen typische Moment-Kennlinien der ersten Ausführungsform, bei welcher das Haltemoment die Hälfte des Nennmoments beträgt, d.h. Td = Tnenn/2, unter der Annahme, dass beide Momente im wesentlichen sinusförmig sind und der maximale Wert des Haltemoments Td ist und der maximale Wert des Nennmoments Tnenn ist.
Die 3 und 4 zeigen den Wert des jeweiligen Moments (ausgedrückt als „Drehmoment" in Bezug auf die relative Winkeldifferenz θ zwischen dem Rotor und dem Stator ausgedrückt als „Winkel"). Per Festlegung wird positives Drehmoment als Drehbewegung im Uhrzeigersinn ausgedrückt, und negatives Drehmoment als Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn. Diese Richtungen entsprechen den Richtungen der Rotor-Drehbewegung, die in 2A dargestellt wird. In 3 stellt eine durchgezogene Linie eine Drehmoment-Kennlinie mit dem Strom I₁ mit Flussrichtung wie in den 2A und 2B gezeigt dar; eine punktierte Linie stellt einen Nennstrom-Kennlinie dar, wobei der Strom I₁ in der gleichen Richtung fließt; und eine strichpunktierte Linie stellt eine Haltemoment-Kennlinie dar. In 4 kommen zu den in 3 dargestellten Momenten Momente für die Stromrichtung I₂ hinzu. Anhand von 3 wird deutlich, dass wenn der Winkel θ ein Maß von 0-180 Grad (180-360 Grad) hat, wird das vom Strom I₁ erregte Drehmoment positiv (negativ), es entsteht ein Drehmoment im Uhrzeigersinn (gegen den Uhrzeigersinn), der Rotormagnet 30 dreht sich im Uhrzeigersinn (gegen den Uhrzeigersinn) und stoppt in der Stellung θ = 180 Grad (θ = 180 Grad), wo das Drehmoment 0 beträgt. Aus 4 wird ersichtlich, dass das resultierende Drehmoment, das von Strom I₂ erregt wird, für einen Winkel θ von 0-180 Grad (180-360 Grad) negativ (positiv) wird, es wird ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn (im Uhrzeigersinn) erzeugt, und der Rotormagnet 30 dreht sich gegen den Uhrzeigersinn (im Uhrzeigersinn) und stoppt in der Stellung θ = 0 Grad (θ = 360 Grad = 0 Grad) von Drehmoment 0. Dies stimmt mit der Erklärung der 2A und 2B überein.
Als nächstes soll die Beziehung zwischen dem Haltemoment, des sich wiederholenden Drehbereichs und den Anschlagelementen, die ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung sind, erklärt werden.
Die Beziehung zwischen dem Haltemoment, des sich wiederholenden Drehbereichs und den Anschlagelementen wir wiederum mit Verweis auf 4 erklärt. Unter der Annahme, dass ein Anschlagelement 1 und ein Anschlagelement 2 bei θ₁ und θ₂ angebracht sind, und dass der Rotor so eingestellt ist, dass er seine sich wiederholende Bewegung nur innerhalb des Bereichs θ₁ und θ₂ durchführt, funktioniert das Stellorgan in der folgenden Art und Weise.
Der Rotor stoppt und wird in Position θ ₁ (θ₂) von Anschlagelement 1 (2) durch ein Drehmoment im Uhrzeigersinn (gegen den Uhrzeigersinn) gehalten, da das Haltemoment positiv (negativ) wird, wenn der Rotor zwischen θ₃ – θ₁ (θ₂ – θ₃) steht und die Spule nicht erregt ist. In diesem Zustand, wenn der Strom I₂ (I₁) weiter fließt, überwindet der Rotor das positive Haltemoment und erzeugt ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn (im Uhrzeigersinn) und stoppt in Stellung θ₂ (θ₁) von Anschlagelement 2 (Anschlagelement 1). Ist die Erregungszeit für den Strom I₂ (I₁) kurz, und wird der Strom ausgeschaltet, bevor der Rotor θ₃ erreicht, kehrt der Rotor aufgrund des positiven (negativen) Haltemoments in die ursprüngliche Position θ₁ (θ₂) zurück.
Wenn der Strom I₂ (I₁) für eine entsprechend lange Zeit weiter fließt und die Erregung abgeschaltet wird, nachdem der Rotor bei θ₂ (θ₁) von Anschlagelement 2 (Anschlagelement 1) gestoppt hat, so wird der Rotor durch ein negatives Haltemoment in dieser Position gehalten. In diesem Zustand, wenn ein Strom auf den Strom I₁ (I₂) geschaltet wird, überwindet der Rotor das negative Haltemoment und erzeugt ein Drehmoment im Uhrzeigersinn (gegen den Uhrzeigersinn) und kehrt zurück und stoppt in Position θ₁ (θ₂) von Anschlagelement 1 (Anschlagelement 2).
Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor in sich wiederholender Weise innerhalb des Bereichs von θ₁ und θ₂ operiert, sobald die Spule erregt wird, und gleichzeitig ein Haltemoment nutzt, wodurch der Rotor in die Lage versetzt wird, in eine bestimmte festgelegte Richtung bewegt zu werden, selbst wenn die Spule nicht erregt wird. Wird die Erregungszeit der Spule ständig variiert, wie vorstehend beschrieben, wird die Funktionszeit des Rotors dementsprechend ebenfalls ständig abweichen.
Wendet man diese Funktion zum Beispiel auf den Antrieb einer Blende einer Kamera an, so wird die Blende normalerweise durch das Haltemoment geschlossen und durch die Erregung der Spule für die Zeit, die erforderlich ist, um ein Foto zu machen oder eine Belichtung durchzuführen, geöffnet und anschließend durch umgekehrte Erregung geschlossen. Danach wäre es aus Gründen der Energieersparnis äußerst vorteilhaft, wenn die Blende bei ausgeschalteter Erregung ständig geschlossen gehalten wird. Natürlich ist es vorteilhaft, dass die Filmbelichtungszeit durch eine Blendenöffnungs-/-schließzeit, die der Erregungs- und Umkehrerregungszeit des Stellorgans entspricht, frei eingestellt werden kann.
Es ist erforderlich, dass das Stellorgan so dimensioniert ist, dass es in den Objektivtubus einer Kamera eingebaut werden kann, und die äußeren Abmessungen desselben müssen gering sein. Bei der ersten Ausführungsform hat das Stellorgan eine geringe Größe mit 6 mm Durchmesser und 5,1 mm Länge, und der verwendete Rotormagnet hat einen Durchmesser von 2,5 mm und eine Länge von 3,4 mm (zwei Magnete). Um mehrere kleine Magnete wie diese präzise in axialer Richtung anzuordnen, werden ein Abstandhalter, der nachfolgend beschrieben wird, Positionierungsvorsprünge und -vertiefungen sowie eine Klebeausnehmung verwandt.
Die vorliegende Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass sie in ihrem Aufbau durch die Aneinanderreihung mehrerer zylindrischer Rotormagneten in axialer Richtung enthält. 6 zeigt, als zweite Ausführungsform, einen Rotor, der diesen Punkt klar werden lässt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Beispiel gezeigt, bei welchem drei Magnete 30a, 30b und 30c in axialer Richtung eng miteinander verbunden sind, wobei die jeweiligen Pole derselben leicht in Umfangsrichtung verschoben sind. Auf diese Weise ist es möglich, ein Gleichgewicht zwischen Haltemoment und Erregermoment in einem zylindrischen Magneten mit polarer Anisotropie aufrechtzuerhalten, und im Ergebnis ist es möglich, den gleichen Effekt wie in 5 zu erreichen.
7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform zeigt ein Beispiel, bei dem zwei zylindrische Magneten der gleichen Länge und mit der gleichen Durchmesser, beide zweipolig und mit polarer Anisotropie, in axialer Richtung verbunden sind. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verwendung einer geringeren Anzahl von Magneten den Aufbau des Rotors einfacher macht, als in 6 dargestellt, wo drei Magnete verbunden sind. Die Pole der beiden zylindrischen Magnete 30a und 30b sind in Umfangsrichtung um einen elektrischen Winkel von ε (Grad) verschoben. Da die Anzahl der Rotorpole zwei ist, entspricht der elektrische Winkel dem mechanischen Winkel. In 7 zeigen die Pfeile M₁ und M₂ die Richtungen der Achsen der Magnetisierung der Magnete 30a und 30b.
8 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ebenfalls von der Art, bei welcher zwei Magnete in axialer Richtung verbunden sind, weicht aber von der Ausführungsform gemäß 7 dadurch ab, dass ein Abstandhalter 100 im Verbindungsbereich der Magnete 30a und 30b angeordnet ist. Es ist wünschenswert, dass der Außendurchmesser des Abstandhalters 100 geringer ist als der des Magneten.
9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausführungsform der vierten Ausführungsform entspricht, bei der zwei Magnete in axialer Richtung verbunden sind, weicht aber vom vierten Aspekt der Ausführungsform dadurch ab, dass Vorsprünge 102 und 103 für die Positionierung der Magnete 30a und 30b in Umfangsrichtung und Buchsen 101a und 101b integral am Abstandhalter 100 geformt sind. Die Magnete 30a und 30b sind mit Bohrungen 104a und 104b versehen, die den vorstehend erwähnten Vorsprüngen 102 und 103 entsprechen, und durch die Kombination derselben werden die Magnete 30a und 30b so positioniert, dass sie in Umfangsrichtung verschoben werden und einen elektrischen Winkel von ε (Grad) bilden. In anderen Worten: Der Winkel, der durch die neutrale Stellung der Magnete 30a und 30b gebildet wird, und die Positionierungsbohrungen 104a und 104b können so eingestellt werden, dass sie ε/H (Grad) ergeben, wenn man den Winkel in einen mechanischen Winkel konvertiert. Hierbei steht H für die Anzahl der Pole von Magnet 30. Bei der Ausführungsform, bei welcher die Anzahl der Pole H gleich 2 ist, ist der Winkel daher ε/2 (Grad). Weiterhin ist es wünschenswert, dass die Länge L4 der Buchsen 101a und 101b geringer ist als die Länge L3 der Magnete 30a und 30b. Der Grund hierfür ist, dass – falls L3>L4 – sich der herausgedrückte Klebstoff in den Mittelbohrungen der Rotormagnete 30a und 30b sammelt, die somit a 1a Klebeausnehmung dienen können. Natürlich ist es wünschenswert, dass die Verbindung erst hergestellt wird, nachdem die Welle 21 (in 9 nicht dargestellt) durchgeschoben wurde, da die Bohrung des Magneten andernfalls durch den herausgedrückten Klebstoff verstopft würde, was eine Fehlfunktion zur Folge hätte.
Die 10A und 10B zeigen eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 zeigt einen Magneten mit einer Klebenausnehmung 40a an der Endfläche von Magnet 30a (linke Endfläche in der Abb.), und 10B zeigt eine Buchse ebenfalls mit einer Klebeausnehmung 40b an der Spitze der Buchse (linkes Ende in der Abb.). Durch die Klebeausnehmung kann nach der Positionierung des Magneten 30a in Umfangsrichtung (die Positionierung geschieht unter Zuhilfenahme der Vorsprünge 102 und 103 am Abstandhalter 100) eine ausreichend starke Klebeverbindung erreicht werden, indem man die Endfläche des Rotormagneten mit Klebstoff füllt, wobei es gleichzeitig möglich ist, überschüssigen Klebstoff zu beseitigen. Was die Form der Klebeausnehmung angeht, so kann auch eine recht große Kahle (C0,5-C1,5) anstelle der in den Zeichnungen dargestellten zylindrischen Form verwendet werden. Weiterhin kann auch eine Nute als Klebeausnehmung in der Nähe der Mittelbohrung des Magneten vorgesehen werden.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die Positionierung eines Magneten in Umfangsrichtung ohne Abstandhalter ermöglicht.
An der Endfläche jedes der Magneten 30a und 30b wird eine Positionierungsnut angebracht, und 11 zeigt einen Rotormagneten mit einer V-förmigen Nut, die an der Spitze einer neutralen Stellung an einem Ende des Rotormagneten geformt wird. Während die beiden Magneten mit Hilfe einer Klebevorrichtung konzentrisch angeordnet werden (nicht dargestellt), wird die absolute Position des Rotormagneten 30a in Umfangsrichtung durch Ausmachen der V-förmigen Nut 1000a aus einer Endfläche der Klebevorrichtung, und die absolute Position des Rotormagneten 30b in Umfangsrichtung durch Ausmachen der V-förmigen Nut 1000a aus der anderen Endfläche. Wird der Rotor in eine Magnetisierungsvorrichtung gesetzt, werden die Magnete 30a und 30b so eingesetzt, dass der hierdurch gebildete Winkel einen elektrischen Winkel von ε (Grad) ergibt. Dann wird Klebstoff in beide V-förmigen Nuten gespritzt, und die Magneten 30a und 30b und die Welle 21 werden miteinander verbunden. Die V-förmigen Nuten 1000a und 1000b fungieren auch als Klebeausnehmung. Die Herstellung der V-förmigen Nuten an den Magneten 30a und 30b macht es möglich, dass ein Rotormagnet mit der erforderlichen Präzision und Sicherheit hergestellt werden kann, ohne dass ein Abstandhalter verwendet werden muss.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei es sich um eine Modifikation der in 11 dargestellten Ausführungsform handelt.
Bei der Ausführungsform von 11 werden die V-förmigen Nuten 1000a und 1000b auf einander abgewandten Oberflächen des Rotors und auf der neutralen Achse der Magneten geformt. Bei der Ausführungsform gemäß 12 jedoch, werden die V-förmigen Nuten der beiden Magnete 30a und 30b auf identischen Oberflächen angebracht, die sich direkt gegenüberliegen, und die V-förmigen Nuten werden um einen elektrischen Winkel von ε/2 (Grad) von der neutralen Achse verschoben, und wenn die V-förmigen Nuten an der gleichen Achse ausgerichtet werden, wie in 12 gezeigt, muss die Verschiebung des Rotormagneten in Umfangsrichtung auf einen elektrischen Winkel von _ (Grad) gesetzt werden. Die Stifte 2000a und 2000b sind zur Positionierung gedacht, wobei diese in die entsprechende Oberfläche der V-förmigen Nuten eingesetzt werden und mit Klebstoff fixiert werden können, während die Nuten eingesetzt werden. Andernfalls können die Stifte nach der Positionierung entfernt werden, und können dann fixiert werden, indem Klebstoff in die Nuten gegeben wird. 12 zeigt ein Beispiel, bei dem die Magnete mit den Stiften miteinander verbunden und aneinander befestigt wurden.
Die 13A und 13B zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13A zeigt einen Rotormagneten in vollständig zusammengebauter Form, und 13B zeigt einen Einzelmagneten, der einen Rotormagneten ergibt. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Magneten der gleichen Form an den Verbindungsflächen, die einen Neigungswinkel von θ aufweisen, miteinander verbunden. Werden diese Magnete zusammengefügt und verbunden, so wird die Verschiebung zweier Achsen leichter Magnetisierung in Umfangsrichtung auf e gesetzt. In dem in 13B dargestellten Beispiel ist ein Einzelmagnet eine Kombination aus einem zylindrischen Teil 3000a und einem abgeschrägten Teil 3000b. In anderen Worten: Der Winkel, der von einer Linie gebildet wird, die einen Punkt X (unterer Teil) mit Punkt Y (oberer Teil) auf dem abgeschrägten Teil 3000b verbindet, und der Ausrichtungslinie M des Magneten kann auf ε/2 gesetzt werden. Dies ermöglicht es, eine stabile Verschiebung der beiden Rotormagneten in Umfangsrichtung zu erreichen, ohne dass der Rotormagnet mit einer speziellen Nut bzw. einem speziellen Schlitz versehen werden muss.
Als nächstes wird auf die Magnetisierung von Rotor 1 eingegangen. Nach der Magnetisierung können die jeweiligen Rotormagnete mit Klebstoff oder ähnlichem befestigt werden, wie dies z.B. in den 9, 10A, 10B, 11 und 12 dargestellt ist. Wird das Verkleben jedoch nach dem Magnetisieren durchgeführt, erschwert dies den Prozess des Zusammenfügens, da sich die jeweiligen Rotormagneten aufgrund der Pole an den Endflächen der Magnete gegenseitig abstoßen. In diesem Fall können die Magnete vor dem Magnetisieren zusammengefügt werden unter Anwendung der Methode, die unter Verweis auf die 9 bis 12 beschrieben wurde, und die Magnetisierung kann im zusammengefügten Zustand erfolgen. Insbesondere im Falle polar anisotroper Magnete ist es wünschenswert, dass ein Magnet in der Richtung der Achse der durchschnittlichen leichten Magnetisierung in eine Magnetisierungsvorrichtung eingesetzt wird, was durch Ausrichten des Magnetfeldes in der Richtung eines elektrischen Winkels von ε/2 bei der Magnetisierung und gleichzeitige Magnetisierung erreicht wird. Da die Tendenz besteht, dass der Wert der Verschiebung in Umfangsrichtung nach der Magnetisierung geringer als der gewünschte ε-Winkel ist, ist es in diesem Fall wünschenswert, dass die Verschiebung in Umfangsrichtung vor der Magnetisierung leicht höher liegt als der gewünschte Wert ε der Verschiebung (20-30% bei einem elektrischen Winkel).
Abschließend wird die Verschiebung der jeweiligen Magneten in Umfangsrichtung bei der Verbindung der Magnete in axialer Richtung erklärt.
Als Ergebnis unterschiedlicher Tests oder des Verschiebungsgrads der Magnete in Umfangsrichtung bei elektrischen Winkeln von ε (Grad) mit einer Polanzahl H von zwei hat sich herausgestellt, dass 10-60 (Grad) der geeignete Wert für ε als Magnetverschiebung ist. Ist die Verschiebung zu gering (unter 10 Grad), besteht kein Verschiebungseffekt, da das Haltemoment nicht ausreichend verringert wurde. Ist, im Gegenteil, die Verschiebung ε zu groß (mehr als 60 Grad), entsteht, zum Einen, der Nachteil, dass der Verringerung des magnetischen Flusses zwischen Nord- und Südpol an den aneinander stoßenden Endflächen der Magnete zu hoch ist, und, zum Anderen, der weitere Nachteil; dass der Magnet sich wie ein Magnet mit einer Anzahl von Polen von 2H (wobei H = 2, 4 Pole) verhält und die in Verbindung mit 2 beschriebene Operation nicht durchführt.
Weiterhin, in Fällen, in denen die Anzahl der verbundenen Magnete 2 überschreitet, ist es ebenfalls wünschenswert, dass die Magneten innerhalb eines Bereichs, in dem die maximale Verschiebung ε (Grad) zwischen den einzelnen Magneten einen elektrischen Winkel zwischen 10 und 60 (Grad) nicht überschreitet, verschoben werden.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen erklärt, wobei die Anzahl der Pole H eines Magneten zwei beträgt; dennoch ist die Anzahl der Rotorpole H bei der vorliegenden Erfindung nicht auf zwei beschränkt. Weiterhin ist bekannt, dass die Beziehung zwischen dem elektrischen Winkel θe (Grad) und dem mechanischen Winkel θm (Grad), wenn die Anzahl der Pole H ist, θm = 2θe/H (Grad) ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Stellorgan zu erstellen mit einer Ankerstruktur, die eine kostengünstige Einphasenstruktur hat, die ein Gleichgewicht zwischen Haltemoment und Erregungsmoment aufrechterhält und einen großen Rotationsbereich hat, indem man mehrere kostengünstig zu bearbeitende zylindrische Magnete verwendet, die in axialer Richtung miteinander verbunden werden.
Weiterhin ermöglicht die Verwendung eines Abstandhalters bei der Verbindung mehrerer Magnete in axialer Richtung und das Hinzufügen von Aussparungen am Rotor ein präzises und sicheres Zusammenfügen. Insbesondere wenn die Anzahl der der verbundenen Magnete zwei ist, so ermöglicht es eine Nut an der Endfläche eines Rotormagnets, die zur Positionierung in Umfangsrichtung verwendet wird, den Rotor präzise und einfach zusammenzufügen, ohne dass ein Abstandhalter verwendet werden muss.

Claims

Einphasenstruktur-Stellorgan (10) mit einem Rotormagnet (1), der durch einen sehr kleinen Spalt im Innern eines Ankers (9) mit einer Spulenwindung (28) um ein Ankerjoch (2, 4) drehbar angeordnet ist, gekennzeichnet durch: a) mehrere Magnete (30a, 30) in dem Rotormagnet (1), wobei diese Magnete (30a, 30b) in axialer Richtung verbunden sind, wobei deren Magnetpole jeweils in der Umfangsrichtung gegeneinander verschoben sind; b) einen Stoppermechanismus, der umfasst: einen ersten Stopper, der in einer ersten Winkelposition angeordnet ist, das heißt zwischen 0 und 90 Grad im Sinne eines elektrischen Winkels von einer Null-Moment-Position, und einen zweiten Stopper, der in einer zweiten Winkelposition angeordnet ist, das heißt zwischen 90 und 180 Grad im Sinne eines elektrischen Winkels von einer Null-Moment-Position.
Einphasenstruktur-Stellorgan nach Anspruch 1, wobei der Anker (9) besteht aus: a) einem Ankerjoch (2; 4), bestehend aus einem Paar von ringförmigen flachen Jochen (23) aus einem weichmagnetischen Material, einem Polzahn (25), der in axialer Richtung von dem inneren Rand des flachen Jochs (23) vorsteht und sich in der Umfangsrichtung erstreckt, und einem zylindrischen Ring (31), der sich in dieselbe Richtung wie der Polzahn (25) am äußeren Rand des Jochs (4) erstreckt, und b) einer Spule (28), die aus einer Wicklung von isoliertem Draht besteht, die in einem ringförmigen konkaven Spulenhalterteil angeordnet ist, der durch die flachen Joche (2, 4), Polzähne (25) und den zylindrischen Ring (31) des Statorjochs (4) gebildet wird, und c) Flanschen (6, 7) mit Lagern (5) an beiden Endflächen des Ankers (9) und dem Rotormagnet (1), der mit einem Feldmagnet versehen ist, der aus einem Dauermagnetrotor besteht, der so angeordnet ist, dass er den Polzähnen (25) des Statorjochs (2, 4) durch den sehr kleinen Spalt gegenüberliegt.
Stellorgan nach Anspruch 2, wobei der äußere Durchmesser des Rotormagnets (1) gleich oder weniger als 3 mm ist und die äußeren Durchmesser der Magnete (30a, 30b) alle gleich sind.
Stellorgan nach Anspruch 2, wobei die axiale Länge jedes Magnets gleich ist.
Stellorgan nach Anspruch 2, wobei jeder Magnet magnetisch anisotrop ist und der Rotormagnet (1) zwei Magnete (30a, 30b) umfasst.
Stellorgan nach Anspruch 5, wobei der Betrag der Verschiebung in der Umfangsrichtung jedes Magnets innerhalb eines elektrischen Winkels von 10 – 60 (Grad) liegt.
Stellorgan nach Anspruch 2, wobei ein Abstandhalter (100) an den Verbindungsbereichen der Magnete vorgesehen ist, dessen Durchmesser gleich oder kleiner als der äußerste Durchmesser des Rotormagnets ist.
Stellorgan nach Anspruch 7, wobei ein oder mehrere Paare von Vorsprüngen (102, 103) und Vertiefungen (104a, 104b) zur Positionierung der Magnete (30a, 30b) in der Umfangsrichtung auf einer gegenüberliegenden Oberfläche jedes Magnets (30a, 30b) und des Abstandhalters (100) vorgesehen sind.
Stellorgan nach Anspruch 5, wobei eine Positionierungsausnehmung oder ein Positionierungsloch (104a, 104b) zum Positionieren in der Umfangsrichtung an jedem Rotormagnet auf der Endfläche jedes Magnets (30a, 30b) vorgesehen ist.
Stellorgan nach Anspruch 1, wobei mehrere Magnete (30a, 30b) durch einen Abstandhalter (100) verbunden und befestigt sind, wobei das Stellorgan mit einer Klebeausnehmung (40a) entweder in der Nähe eines mittigen Lochs in den Magneten (30a, 30b) oder an dem Abstandhalter (100) oder an beiden versehen ist.