DE69220185T2

DE69220185T2 - Elektromagnetischer Motor mit begrenzter Drehung

Info

Publication number: DE69220185T2
Application number: DE69220185T
Authority: DE
Inventors: Akira Akahane; Yoshinori Ito; Toshiki Maruyama
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1991-11-21
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: US5369322A; EP0543105A1; EP0543105B1; JPH0548577U; JP2573859Y2; DE69220185D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Motor des Typs mit begrenzter Drehung zum exakten Verdrehen eines Lichtreflektors oder dergleichen zwischen vorbestimmten Winkelpositionen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektromagnetischen Motor des Typs mit begrenzter Drehung, der mit einem verbesserten Mechanismus zum Zurückführen des Rotors desselben in dessen ursprüngliche Winkelposition versehen ist. Noch genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen elektromagnetischen Motor des Typs mit begrenzter Drehung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei sie von der EP-A3-0 186 501 ausgeht.
Der elektromagnetische Motor des Typs mit begrenzter Drehung wird als Quelle einer Drehbewegung für drehbare Elemente häufig verwendet, die genau und mit hohem Ansprechen in eine vorgeschriebene Position verdreht werden müssen. Auf dem Gebiet der optischen Abtastung zum Beispiel wird diese Art von Motor zum Verdrehen eines Lichtreflektors zum Ablenken oder Abtasten eines Lichtstrahls verwendet. Diese Art von elektromagnetischem Motor ist z.B. in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. SHO 57-56304 offenbart. Typischerweise besitzt ein elektromagnetischer Motor des Typs mit begrenzter Drehung einen Stator, der einen Rotor umgibt, der aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, wobei der Stator mit einem Magnetfluß-Erzeugungsmechanismus versehen ist, der einen Magnetfluß zum Verdrehen des Rotors innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Winkelpositionen erzeugt. Der Magnetfluß-Erzeugungsmechanismus beinhaltet eine Mehrzahl von Magnetpolbereichen, um die jeweilige Spulenwicklungen herumgewickelt sind. Der elektromagnetische Motor des Typs mit begrenzter Drehung ist ferner mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Drehwinkelposition des Rotors ausgestattet. Bei der Erfassungseinrichtung handelt es sich typischerweise um eine des Kapazitäts-Positionswandler-Typs.
Der elektromagnetische Motor dieses Typs ist ferner mit einem Mechanismus versehen, der eine Kraft zum Zurückführen des Rotors in seine ursprüngliche Winkelposition ausübt. Da der Rotor nicht durch Erregung arbeitet, wenn er in die Position gelangt, in der seine Pole mit denen des Stators ausgefluchtet sind, muß er in eine vorbestimmte Winkelposition zurückgeführt werden, in der seine Pole von denen des Stators in einem vorbestimmten Ausmaß winkelmäßig versetzt sind. Der Mechanismus zum Zurückführen des Rotors in seine ursprüngliche Winkelposition ist zu diesem Zweck vorgesehen. Bei der vorstehend genannten Patentveröffentlichung ist ein Torsionsstab entlang der Drehachse des Rotors untergebracht, um eine Kraft zum Zurückführen des Rotors in seine ursprüngliche Winkelposition auszuüben, wenn dieser nicht erregt ist. Die Rotorrückstellmechanismen des Standes der Technik besitzen jedoch Mängel. Da sie aus vielen Elementen bestehen, die zusammengebaut werden müssen, besitzen sie eine komplizierte Konstruktion und sie sind anfällig für Fehlausrichtungen. Im Fall einer Fehlausrichtung des Rotorrückstellmechanismus kehrt der Rotor nicht exakt in seine Ausgangsposition zurück. Ferner kann der Rotor bei seiner Drehung radial verlagert werden.
Der Rotor eines elektromagnetischen Motors dieses Typs ist im allgemeinen an beiden Enden durch eine Lagereinrichtung drehbar gehaltert. Der Rotor ist durch die Lagereinrichtung wünschenswerterweise derart gehaltert, daß er bei seiner Drehung nicht radial verlagert wird. Auf Grund von Herstellungsungenauigkeiten, Fehlausrichtung oder dergleichen der Lagereinrichtung ist der Rotor jedoch unweigerlich in einem Zustand gehaltert, in dem er in Radialrichtung geringfügig verlagert werden kann. Der Rotor wird somit bei der Drehung radial verlagert. Die radiale Verlagerung bzw. Auslenkung des Rotors verschlechtert die Genauigkeit des Erfassungsmechanismus zum Erfassen der Drehwinkelposition des Rotors.
Aus dem Dokument EP-A3-0 186 501 ist ein Drehmomentmotor mit begrenztem Winkel bekanntgeworden, der hohe Steifigkeit und Eigenfrequenz aufweist. Dieser bekannte Motor beinhaltet einen Motorleistungsabschnitt mit einer Rotoranordnung, die einen oder mehrere Rotor-Dauermagneten aufweist, die in diametraler Richtung magnetisiert sind, sowie mit einer Statoranordnung, die die Rotoranordnung umschließt. Der Magnetfluß in dem Motorleistungsabschnitt erzeugt eine inhärente magnetische Zentrierfederrate mit der Tendenz, die Rotoranordnung am Mittelpunkt ihres Rotationsbereichs zu halten.
Aus dem Dokument GB-A-988 819 ist ein drehbares elektromagnetisches Betätigungsglied bekanntgeworden. Die Rotorwelle wird durch eine separate Rotorrückstelleinrichtung zurückgeführt, die ein Paar flacher, ringförmiger Dauermagneten aufweist, die im Preßsitz an Nabenelementen angebracht sein können.
Aus dem Dokument US-A-4 276 499 ist ein Drehbetätigungsglied bekanntgeworden, mit einem Stator, der einen zylindrischen Raum bildet und mit einem Paar einander diametral gegenüberliegender Hauptpole ausgebildet ist, die mit derselben Polarität magnetisiert werden können, mit einem Paar Antriebsspulen, die auf den Hauptpolen angeordnet sind, mit einer Antriebsschaltung zum Erregen der Antriebsspulen, sowie mit einem Rotor, der eine Mehrzahl von Paaren magnetisierter Zonen aufweist, die durch nicht-magnetisierte Zonen getrennt sind, wobei alle um den Umfang des Rotors herum angeordnet sind und einander benachbarte magnetisierte Zonen entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung eines elektromagnetischen Motors des Typs mit begrenzter Drehung, der einen verbesserten Rotorrückstellmechanismus aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines elektromagnetischen Motors des Typs mit begrenzter Drehung, der einen verbesserten Rotorrückstellmechanismus aufweist, der eine radiale Verlagerung des Rotors bei seiner Drehung verhindern kann.
Diese Ziele werden erfindungsgemäß gelöst durch einen elektromagnetischen Motor des Typs mit begrenzter Drehung, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Es wird ein elektromagnetischer Motor des Typs mit begrenzter Drehung geschaffen, der einen Rotor, einen Stator, der den Rotor umgebend vorgesehen ist und aus ferromagnetischem Material sowie Spulenwicklungen besteht, um dadurch eine Mehrzahl stationärer Elektromagnetpole zu bilden, sowie eine Lagereinrichtung zum rotationsmäßigen Haltern des Rotors wenigstens in einem vorbestimmten Winkelbereich aufweist. Der Rotor läßt sich in steuerbarer Weise in eine gewünschte winkelmäßige Position innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs verdrehen, indem der Magnetfluß zwischen den Polen des Rotors und den Elektromagnetpolen des Stators gesteuert wird. Der elektromagnetische Motor besitzt eine Rotorrückstelleinrichtung zum Ausüben einer Magnetkraft zum Zurückführen des Rotors in eine ursprüngliche Drehwinkelposition und zum Halten desselben in dieser Position, wenn sich der elektromagnetische Motor in einem nicht erregten Zustand befindet. Der Rotor weist einen Dauermagneten mit einer Mehrzahl von Magnetpolen auf. Die Rotorrückstelleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Dauermagneten auf, der an dem Stator feststehend angebracht ist, so daß er dem Dauermagneten des Rotors gegenüberliegt, so daß zwischen den Dauermagneten des Rotors und des Stators eine magnetische Anziehungskraft erzeugt wird. Der Rotor an sich ist vorzugsweise aus einem dauermagnetischen Material hergestellt.
Der elektromagnetische Motor des Typs mit begrenzter Drehung kann vorzugsweise mit einem Fotopotentiometer zum Erfassen der Drehwinkelposition des Rotors versehen sein. Das Fotopotentiometer kann aus einem lichtemittierenden, einem lichtempfangenden Element und einem drehbaren Element gebildet sein, das sich in integraler Weise mit dem Rotor dreht und einen Lichtweg von dem lichternittierenden Element zu dem lichtempfangenden Element bildet. Dieses drehbare Element zum Definieren des Lichtweges ist entweder mit einem Bereich ausgebildet, durch den Licht hindurchgelangen kann, oder mit einem lichtreflektierenden Bereich. Der lichtdurchlässige Bereich oder der lichtreflektierende Bereich ist derart konfiguriert, daß der durch den lichtdurchlässigen Bereich oder den lichtreflektierenden Bereich definierte Lichtweg sich nach Maßgabe der Drehwinkelposition des Rotors verändert. Bei dem lichtemittierenden Element handelt es sich vorzugsweise um eine Laserdiode.
Die Rotorrückstelleinrichtung kann anstatt aus dem an dem Stator angebrachten Dauermagneten aus einem ersten und einem zweiten ringförmigen Dauermagneten gebildet sein. Diese ringförmigen Dauermagneten sind an dem Rotor entlang der Axialrichtung des Rotors koaxial angebracht und besitzen jeweils ein Paar magnetischer Nordpole und Südpole. Die Magnetpole des ersten ringförmigen Dauermagneten sind in Umfangsrichtung von denen des zweiten ringförmigen Dauermagneten um einen Winkel im Bereich von 90 Grad bis 180 Grad versetzt. Durch diese Anordnung der ringförmigen Dauermagneten wird zwischen den ringförmigen Dauermagneten und dem Stator eine Magnetkraft erzeugt, die als Drehmoment zum Zurückführen des Rotors in Richtung auf die ursprüngliche Winkelposition wirkt.
Ferner wird ein elektromagnetischer Motor des Typs mit begrenzter Drehung geschaffen, mit einem Rotor mit 2n Dauermagnetpolen (wobei n eine ganze Zahl ist), einem Stator, der den Rotor umgebend vorgesehen ist und aus ferromagnetischem Material sowie Spulenwicklungen besteht, um dadurch n Paare von stationären Elektromagnetpolen zu bilden, und mit einer Lagereinrichtung zum rotationsmäßigen Haltern des Rotors wenigstens in einem vorbestimmten Winkelbereich, wobei der Rotor in steuerbarer Weise in eine gewünschte winkelmäßige Position innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs durch Steuern des Magnetflusses zwischen den Polen des Rotors und den Elektromagnetpolen des Stators verdrehbar ist. Der elektromagnetische Motor besitzt eine Rotorrückstelleinrichtung zum Ausüben einer magnetischen Kraft zum Zurückführen des Rotors in seine vorbestimmte Drehwinkelposition und zum Halten desselben in dieser Position in einem nicht erregten Zustand, wobei jeder der Magnetpole des Stators auf der dem Rotor zugewandten Oberfläche mit einer Nut ausgebildet ist, die von der Außenfläche des Rotors zurückgesetzt ist und sich in Axialrichtung erstreckt. Die Breite der Nuten ist größer als der Spalt zwischen den einander benachbarten Magnetpolen des Stators, um dadurch ein magnetisches Drehmoment zu erzeugen, das die Magnetpole des Rotors dazu zwingt, in einer Winkelposition von 90 Grad des elektrischen Winkels von den Magnetpolen des Stators beabstandet zu bleiben.
Die Rotorrückstelleinrichtung kann aus einer Mehrzahl von Zusatzpolen gebildet sein, die anstatt der an den Poloberflächen des Stators ausgebildeten Nuten an dem Stator vorgesehen sind. Genauer gesagt kann der Stator mit 2n Zusatzpolen versehen sein, die um 90 elektrische Grad in Umfangsrichtung in bezug auf die 2n Magnetpole des Stators versetzt angeordnet sind. Die Breite der Zusatzpole ist größer gewählt als die der Magnetpole des Stators, so daß in einem nicht erregten Zustand der Rotor mit einem magnetischen Drehmoment beauf schlagt wird, um die Magnetpole des Rotors in einer Winkelposition von 90 Grad des elektrischen Winkels von den Magnetpolen des Stators beabstandet zu halten.
Die vorstehenden sowie weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines ersten Typs des elektromagnetischen Motors;
Fig. 2 eine Längsschnittansicht des elektromagnetischen Motors der Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Motors entlang der Linie III-III der Fig. 2;
Fig. 4 eine drehbare Schlitzplatte des elektromagnetischen Motors der Fig. 1;
Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Veränderung der Ausgangsspannung gegenüber dem Drehwinkel eines Fotopotentiometers, das in dem elektromagnetischen Motor der Fig. 1 vorgesehen ist;
Fig. 6 eine Längsschnittansicht eines zweiten Typs eines elektromagnetischen Motors;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Motors der Fig. 6 entlang der Linie VII- VII;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Motors der Fig. 6 entlang der Linie VIII-VIII;
Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des elektrornagnetischen Motors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine Längsschnittansicht des elektromagnetischen Motors der Fig. 9 entlang der Linie X-X in Fig. 9;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Motors der Fig. 10 entlang der Linie XI- XI in Fig. 10;
Fig. 12 eine grafische Darstellung charakteristischer Kurven eines magnetischen Drehmoments, das auf den Rotor des elektrornagnetischen Motors der Fig. 9 einwirkt, und zwar aufgetragen gegenüber einem von der winkelmäßigen Ausgangsposition des Rotors gemessenen Drehwinkel;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines vierten Typs eines elektromagnetischen Motors; und
Fig. 14 eine grafische Darstellung charakteristischer Kurven eines magnetischen Drehmoments, das auf den Rotor des elektrornagnetischen Motors der Fig. 13 wirkt, und zwar aufgetragen gegenüber einem von der winkelrnäßigen Ausgangsposition des Rotors gemessenen Drehwinkel.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegenteil sollen alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente derselben rnitumfaßt sein, wie sie in der durch die beigefügten Ansprüche definierten, vorliegenden Erfindung beinhaltet sein können.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun ein elektromagnetischer Motor des Typs mit begrenzter Drehung beschrieben. Der elektromagnetische Motor 1 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 2, in dem ein Motorbereich und ein Positionssensor 4 koaxial aufgenommen sind. Der Motorbereich 3 weist einen in seiner Mitte positionierten Rotor 33 auf. Der Rotor 33 besteht aus einer Drehwelle 31 und einem rohrförmigen Dauermagneten 32, der in feststehender Weise um die Drehwelle 31 herum angebracht ist. Ein rohrförmiger Stator 34 umschließt den Dauermagneten 32 koaxial. Die Drehwelle 31 des Rotors 33 besitzt ein proximales und ein distales Ende, die von den axialen Enden des Dauermagneten 32 wegragen, wobei das proximale und das distale Ende an dem Gehäuse 2 über Kugellager 35 bzw. 36 gelagert sind, so daß die Drehwelle 31 um eine zentrale Achse 33a drehbar ist. Das proximale Ende der Drehachse 31 erstreckt sich durch das Kugellager 35 und das Zentrum des Positionssensors 4 hindurch und ragt aus einem vorderen Ende 21 des Gehäuses 2 heraus. Der wegragende Bereich der Drehwelle 31 dient als Ausgangswelle 31a.
Wie ferner unter Bezugnahme auf die Querschnittsansicht des Motors 1 in Fig. 3 zu sehen ist, besitzt der Dauermagnet 32 ein Paar Magnetpole 32N und 32S, die in Diametralrichtung des kreisförmigen Profils des Magneten angeordnet sind. Der Stator 34 ist auf seiner Innenfläche mit einem Paar Polbereiche 341 und 342 ausgebildet, die radial nach innen ragen. Diese Polbereiche 341 und 342 sind in Diarnetralrichtung angeordnet und besitzen eine axiale Länge zum Umschliessen des Dauermagneten 32 des Rotors 33. Die Polbereiche 341 und 342 besitzen Polflächen 341a und 342a, die der Außenfläche des Dauermagneten 32 zugewandt sind. Die Polflächen 341a und 342a sind bogenförmig ausgebildet, um dadurch einen konstanten Luftspalt zwischen sich und der Außenfläche des Magneten 32 zu bilden. Die Polbereiche 341 und 342 sind mit Feldwicklungen 343 und 344 versehen, die über eine Versorgungsleitung 37 und eine Magnetfluß-Steuerschaltung (nicht gezeigt) mit einer Energiequelle (nicht gezeigt) verbunden sind. Da es sich bei der Magnetfluß-Steuerschaltung um eine herkömmlichen Typs handeln kann, wird diese hier nicht beschrieben.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Dauermagnet 38 in einer winkelmäßig mittleren Position zwischen dem Paar der Polbereiche 341 und 342 in feststehender Weise an der Innenfläche des Stators 34 angebracht. Er besitzt eine axiale Länge, die den Dauermagneten 32 des Rotors 33 umschließt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der magnetische Nordpol 38N des Dauermagneten 38 der Rotorseite zugewandt angeordnet.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 wird nun der Positionssensor 4 beschrieben. Bei dem Positionssensor 4 des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich um ein Fotopotentiometer mit einer drehbaren Schlitzplatte 41, die an der Ausgangswelle 31a koaxial angebracht ist, einer Laserdiode 42 und einem Halbleiter-Positionserfassungselernent 43, die stationär angeordnet sind und einander über die drehbare Schlitzplatte 41 hinweg gegenüberliegen, sowie mit einer stationären Schlitzplatte 44, die zwischen der Laserdiode 42 und dem Halbleiter-Positionserfassungselernent 43 angeordnet ist.
Die drehbare Schlitzplatte 41 ist so konf iguriert, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, und ist mit einem Paar fächerförmiger Bereiche 411 und 412 in rotationssymmetrischer Weise ausgebildet, und zwar mit einer Erstreckung über einen Winkel 2 . Der Winkel 2 ist der maximale Bereich des Drehwinkels des Motors 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels Der fächerförmige Bereich 411 ist mit einem Lichtdurchlaßschlitz 413 ausgebildet, der die Form eines Spiralsegments besitzt und sich über den Winkel 2 erstreckt. Bei dem Schlitz 413 handelt es sich um ein Segment einer Spirale, deren Zentrum sich im Zentrum der drehbaren Schlitzplatte 41 befindet. Somit erfüllt der Radius r und der Drehwinkel θ der Schlitzplatte 41 die Beziehung r = a-(δ/2π) θ, wobei δ die Steigung der Spirale ist. Wenn sich die drehbare Schlitzplatte 41 dreht, dreht sich auch der Schlitz 43, so daß sich der der Laserdiode 42 gegenüberliegende Bereich des Schlitzes 413 radial bewegt. Als Ergebnis hiervon wird der Lichtempfangspunkt an dem Halbleiter-Positionserfassungselement 43 verschoben. Das Halbleiter-Positionserfassungselement 43 erzeugt somit ein elektrisches Signal entsprechend dem Drehwinkel der Schlitzplatte 41 (des Rotors 33). Ein Beispiel für das Ausgangssignal von dem Positionserfassungselement 43 ist in Fig. 5 veranschaulicht, aus dem erkennbar ist, daß die Ausgangsspannung von dem Positionserfassungselement 43 direkt proportional zu dem Drehwinkel des Rotors ist. Der maximale Drehwinkelbereich eines typischen elektromagnetischen Motors des Typs mit begrenzter Drehung beträgt im allgemeinen 20 bis 30 Grad. Es ist daher möglich, einen hohen Wert für δ/2π zu verwenden, um dadurch eine hohe Auflösung zu erzielen, um die Win kelpositionserfassung mit hoher Genauigkeit durchführen zu können.
Der Rotor 33 des elektrornagnetischen Motors 1 ist anfangs so positioniert, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Genauer gesagt entsteht eine magnetische Anziehungskraft zwischen dem Südpol 325 des auf der Rotorseite angeordneten Dauermagneten 32 und dem Nordpol 38N des auf der Statorseite angeordneten Dauermagneten 38. Die magnetische Anziehungskraft wirkt auf den Rotor 33, um diesen zurückzuführen und ihn in der ursprünglichen Winkelposition zu halten, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Ausgangszustand ist das Zentrum des Schlitzes 413 der drehbaren Schlitzplatte 41 der Laserdiode 42 und dem Halbleiter-Positionserfassungselement 43 gegenüberliegend angeordnet.
Wenn unter der Steuerung der Magnetfeld-Steuerschaltung (nicht gezeigt) eine Antriebsenergie auf die Feldwicklungen 343 und 344 aufgebracht wird, wird der Rotor 33 über einen Winkel verdreht, dessen Größe von der Größe des zwischen dem Stator und dem Rotor gebildetem Magnetfelds abhängig ist. Da der Mechanismus der Drehbetätigung des Rotors allgemein bekannt ist, erfolgt keine ausführliche Beschreibung desselben an dieser Stelle.
Bei der Drehung des Rotors 33 wird auch die in integraler Weise an dem Rotor 33 angebrachte drehbare Schlitzplatte 41 des Positionssensors 4 verdreht. Als Ergebnis hiervon wird der Lichtempfangspunkt auf dem Halbleiter-Positionserfassungselement 43 proportional zu dem Drehwinkel der Schlitzplatte 41 radial verlagert, so daß sich das Ausgangssignal des Elements 43 in der in Fig. 5 gezeigten Weise verändert. Die tatsächliche Drehwinkelposition des Rotors 33 wird auf Grund des Ausgangssignals des Elements 43 bestimmt. Die Magnetfeld-Steuerschaltung steuert die Antriebsenergie in Abhängigkeit von der auf diese Weise bestimmten tatsächlichen Position des Rotors 33, um diesen in exakter Weise in eine erwünschte Position zu drehen.
Auf Grund des Vorhandenseins des an dem Stator 31 angebrachten Dauermagneten 38 wird der Rotor 33 radial angezogen. Da der Rotor 33 somit konstant in Radialrichtung vorgespannt ist, läßt sich eine radiale Auslenkung desselben vermeiden. Wenn die Zufuhr von Energie zu den Feldwicklungen 343 und 344 beendet wird, kehrt der Rotor 33 unter der Anziehungskraft des Dauermagneten 38 in seine ursprüngliche Winkelposition zurück, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Wie vorstehend erläutert wurde, dient bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Dauermagnet 38 zum Zurückführen des Rotors 33 in seine ursprüngliche Position sowie zum Vorspannen des Rotors 33 in Radialrichtung, um eine radiale Auslenkung desselben zu verhindern.
In den Fig. 1 bis 5 ist die drehbare Schlitzplatte 411 mit dem Schlitz 413 ausgebildet. Anstatt des Schlitzes 413 kann die Schlitzplatte mit einem lichtdurchlässigen Bereich ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann die Platte mit einem lichtreflektierenden Bereich ausgebildet sein, um das von dem lichtemittierenden Element emittierte Licht zu dem lichtempfangenden Element zu reflektieren. Ferner ist die Formgebung des Schlitzes, des lichtdurchlässigen Bereichs oder des lichtreflektierenden Bereichs nicht auf eine Spiralkurve beschränkt, sondern es kann sich um jegliche Kurve handeln, solange sich der dadurch definierte Lichtweg nach Maßgabe des Rotors verändert.
Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen einen zweiten elektromagnetischen Motor. Da dieser zweite elektromagnetische Motor 6 allgemein dieselbe Konstruktion wie der elektromagnetische Motor 1 aufweist, sind in den Zeichnungen die entsprechenden Bereiche desselben mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 4 bezeichnet, und es erfolgt keine weitere Erläuterung davon. Der elektromagnetische Motor 6 besitzt einen Rotor 33, der mit einem ersten und einem zweiten ringförmigen Dauermagneten 61 und 62 ausgestattet ist. Diese Dauermagneten 61 und 62 sind koaxial sowie in Axialrichtung voneinander beabstandet an der Außenfläche der Drehwelle 31 angeordnet.
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht des elektromagnetischen Motors 6, wobei der Rotor 33 in der ursprünglichen Drehwinkelposition angeordnet ist, die durch einen Durchmesser L0 definiert ist. Wie in dieser Zeichnung zu sehen ist, besitzt der erste Dauermagnet 61 einen magnetischen Nordpol 61N und einen magnetischen Südpol 61S, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers L1 angeordnet sind. Der Durchmesser L1 ist im Uhrzeigersinn von dem Durchmesser L0 der Ausgangsposition des Rotors 31 um einen Winkel θ versetzt angeordnet. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, besitzt der zweite Dauermagnet 62 dagegen einen magnetischen Nordpol 62N und einen magnetischen Südpol 625, die auf gegenüberliegenden Seiten auf einem Durchmesser L2 angeordnet sind. Der Durchmesser L2 ist im Gegenuhr zeigersinn von dem Durchmesser L0 der Ausgangsposition um einen Winkel e versetzt angeordnet. Die Pole N und S des ersten Dauermagneten 61 sind somit um 2θ von denen des zweiten Dauermagneten 62 versetzt. Der Wert von θ ist zwischen 45 und 90 Grad gewählt. Die Versetzung zwischen den Polen des ersten und des zweiten Dauermagneten 61 und 62 beträgt somit zwischen 90 und 180 Grad.
In einem nicht erregten Zustand ist der Rotor 33 des elektromagnetischen Motors 6 in der ursprünglichen Drehwinkelposition angeordnet, die durch den Durchmesser L0 definiert ist, wie dies in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist. Da die Nordpole und die Südpole des ersten und des zweiten Dauermagneten 61 und 62 in einem Winkel 2θ voneinander versetzt sind, werden zwischen dem ersten Dauermagneten 61 und dem Stator 34 bzw. zwischen dem zweiten Dauermagneten 62 und dem Stator 34 erzeugte Magnetkräfte kombiniert, um dadurch ein Drehmoment zum Zurückführen des Rotors 33 in die ursprüngliche Winkelposition L0 zu schaffen. Wenn den Feldwicklungen 343 und 344 unter der Steuerung der Magnetfeld-Steuerschaltung (nicht gezeigt) Antriebsenergie zugeführt wird, wird der Rotor 33 in eine Winkelposition verdreht, die von der Größe des Magnetfelds zwischen dem Rotor 33 und dem Stator 34 abhängig ist.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. Der elektromagnetische Motor 11 besitzt eine allgemein säulenförmige Konfiguration und ist an seinem vorderen Ende mit einem rechteckigen Flansch 13a versehen. Eine Drehwelle 12 besitzt einen Ausgangswellenbereich 12a, der von dem vorderen Ende des Motors 11 wegragt und an dem ein angetriebenes Element 12b, wie z.B. ein Spiegel oder dergleichen, angebracht ist.
Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht des Motors 11 entlang der Linie X-X der Fig. 9. Wie in dieser Figur zu sehen ist, besitzt der Motor 11 ein vorderes Gehäuse 13, das mit dem Flansch 13a versehen ist, ein hinteres Gehäuse 14 sowie einen Motorstator 15, der zwischen den Gehäusen 13 und 14 eingefügt ist, wobei die genannten Elemente koaxial angeordnet sind. Die Drehwelle 12 des Motors 11 ist derart angeordnet, daß sie sich durch das Zentrum desselben hindurcherstreckt. Die Drehwelle 12 ist auf ihrer dem Stator 15 zugewandten Außenfläche mit einem ringförmigen Dauermagneten 16 versehen, um dadurch einen Rotor 17 zu bilden. Der ringformige Dauermagnet 16 ist mit einem Paar Pole N und 5 ausgebildet. Die Drehwelle 12 des Rotors 17 ist mittels Kugellagern 18 und 19 an dem vorderen und dem hinteren Gehäuse 13 und 14 drehbar angebracht. Die Drehwelle 12 besitzt ein hinteres Ende, das von dem Gehäuse 14 wegragt und von einem becherförmigen Gehäuse 14a umschlossen ist. Ein Drehgeschwindigkeitssensor 110 ist in dem hinteren Gehäuse 14 untergebracht, um eine Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 12 des Motors 11 zu erfassen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11 wird nun die Konstruktion des Stators 15 des Motors 11 beschrieben. Der Stator 15 besitzt einen ringförmigen Körperbereich 151, ein Paar Magnetpolbereiche 152 und 153, die von der Innenfläche des Körperbereichs 151 radial nach innen ragen, sowie Feldwicklungen 154 und 155, die um die Magnetpolbereiche 152 bzw. 153 gewickelt sind. Das Paar der Magnetpolbereiche 152 und 153 ist auf gegenüberliegenden Seiten auf einem Durchmesser L3 angeordnet sowie an vorderen Enden ausgebildet, die dem Dauermagneten 16 mit Magnetpolflächen 152a und 153a zugewandt sind, um dadurch einen konstanten Luftspalt zwischen diesen Flächen und dem Dauermagneten 16 zu bilden. Die Feldwicklungen 154 und 155 sind über Versorgungsleitungen und eine Magnetfluß-Steuerschaltung (nicht gezeigt) mit einer Energiequelle (ebenfalls nicht gezeigt) verbunden. Die Magnetfluß- Steuerschaltung steuert den den Feldwicklungen zugeführten Strom, so daß der Rotor 17 innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs von beispielsweise 30 Grad durch ein magnetisches Drehmoment verdreht wird, das zwischen dem Stator 15 und dem Rotor 17 erzeugt wird.
Bei der Magnetfluß-Steuerschaltung kann es sich um einen herkömmlichen Typs handeln.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Magnetpoloberfläche 152a in dem zentralen Bereich mit einer Nut 152b ausgebildet, die sich axial erstreckt. Auf Grund des Vorhandenseins der Nut 152b ist der Spalt zwischen der Magnetpoloberf läche 152a und dem Rotor 17 in dem zentralen Bereich desselben größer. Die Breite dieses größeren Spalts, d.h. der Nut 152b ist derart gewählt, daß a > b, wobei a die Breite der Nut 152b ist und b der Spalt zwischen den einander benachbarten Magnetpolbereichen 152 und 153 ist, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Gleichermaßen ist die andere Magnetpoloberf läche 152a mit einer Nut 153b ausgebildet. Die Breite a der Nut 153b ist ebenfalls so gewählt, daß a > b.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein magnetisches Drehmoment erzeugt, das den Rotor 17 dazu zwingt, sich rechtwinklig zu dem Durchmesser L3, auf dem die Magnetpolbereiche 152 und 153 des Stators angeordnet sind, in die ursprüngliche Winkelposition L4 zu verdrehen. In einem nicht erregten Zustand bleibt somit der Rotor 17 in der ursprünglichen Winkelposition L4, in der die Magnetpole des Rotors 17 mit L4 ausgefluchtet sind und um 90 Grad von den Magnetpolbereichen 152 und 153 des Stators 15 winkelmäßig versetzt sind. Die Breite, Tiefe und Form der Nuten 152b und 153b kann variiert werden, solange die Bedingung a > b erfüllt ist.
Fig. 12 zeigt eine grafische Darstellung charakteristischer Kurven des magnetischen Drehmoments T, das auf den Rotor 17 des Motors 11 wirkt, und zwar aufgetragen gegenüber einem Drehwinkel, der ausgehend von der ursprünglichen Winkelposition L4 des Rotors 17 gemessen ist. Die Kennlinienkurve 0A wurde bei nicht erregten Feldwicklungen 154 und 155 erzielt, und die Kurven 1A, 2A und 3A ergaben sich, als den Feldwicklungen 154 und 155 ein Strom von 1 A, 2 A bzw. 3 A zugeführt wurde. Wie aus der Kurve 0A zu sehen ist, dient das magnetische Drehmoment T zum Zurückführen des Rotors 17 in die ursprüngliche Winkelposition L4. Ferner hat man gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel festgestellt, daß der Motor 11 eine ausgezeichnete Charakteristik dahingehend zeigt, daß das erzeugte magnetische Drehmoment T in stabiler Weise aufrechterhalten wird, insbesondere im Bereich von 20 Grad in beiden Richtungen ausgehend von der ursprünglichen Winkelposition L4.
Als Mechanismus zum Zurückführen des Rotors 17 in die ursprüngliche Winkelposition L4 und zum Halten desselben in dieser Position in einem nicht erregten Zustand kann zwischen den Magnetpolen 152 und 153 anstatt der Ausbildung der vorstehend genannten Nuten 152b und 153b ein Paar Zusatzmagnetpole ausgebildet sein. Fig. 13 zeigt einen elektromagnetischen Motor, der mit einem solchen Mechanismus ausgestattet ist. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist der Stator 15 mit einem Paar Zusatzmagnetpolen 156 und 157 ausgebildet, die von den Hauptmagnetpolen 152 und 153 um 90 Grad versetzt sind. Die Zusatzmagnetpole 156 und 157 besitzen Polflächen 156a bzw. 157a, und die Breite dieser Polflächen ist größer gewählt als die der Polflächen 152a und 153a der Hauptmagnetpole 152 und 153. Das heißt, wenn b1 die Breite der Polflächen 156a und 157a ist und a1 die Breite der Polflächen 152a und 153a ist, ist b1 > a1.
Es wird ein magnetisches Drehmoment erzeugt, das den Rotor 17 dazu zwingt, sich rechtwinklig zu dem Durchmesser L3, auf dem die Magnetpolbereiche 152 und 153 positioniert sind, in die ursprüngliche Winkelposition L4 zu verdrehen. Im nicht erregten Zustand bleibt der Rotor 17 somit in der ursprünglichen Winkelposition L4, in der die Magnetpole des Rotors 17 mit L4 ausgefluchtet sind und von den Magnetpolbereichen 152 und 153 des Stators um 90 Grad versetzt sind. Die Größe der Zusatzpole 156 und 157 kann variiert werden, solange b1 > a1 bleibt.
Fig. 14 zeigt eine grafische Darstellung charakteristischer Kurven des magnetischen Drehmoments T, das auf den Rotor 17 des Motors 11 wirkt, und zwar aufgetragen gegenüber einem Drehwinkel, der ausgehend von der ursprünglichen Winkelposition L4 des Rotors 17 gemessen wird.

Claims

1. Elektromagnetischer Motor (1) des Typs mit begrenzter Drehung, mit:

a) einem Rotor (33) mit 2n Dauermagnetpolen, wobei n eine positive ganze Zahl ist,

b) einem Stator (34), der den Rotor (33) umgebend vorgesehen ist und aus ferromagnetischem Material sowie Spulenwicklungen (343, 344) besteht, um dadurch 2n stationäre Elektromagnetpole zu bilden,

c) einer Lagereinrichtung (18, 19) zum rotationsmäßigen Haltern des Rotors (33) wenigstens in einem vorbestimmten Winkelbereich, wobei der Rotor (33) in steuerbarer Weise in eine gewünschte winkelmäßige Position innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs durch Steuern eines Magnetflusses zwischen den Polen des Rotors (33) und den Elektromagnetpolen des Stators (34) verdrehbar ist, und mit

d) einer Rotorrückstelleinrichtung;

dadurch gekennzeichnet,

e) daß die Rotorrückstelleinrichtung eine Magnetkraft zum Zurückführen des Rotors (33) in eine ursprüngliche Drehwinkelposition und zum Halten desselben in dieser Position ausübt, wenn sich der elektromagnetische Motor (1) in einem nicht erregten Zustand befindet, und in einem erregten Zustand eine Magnetkraft zum Verdrehen des Rotors (33) in eine gewünschte Winkelposition innerhalb des genannten Bereichs ausübt;

f) daß jeder der Magnetpole des Stators (34) auf der dem Rotor (33) zugewandten Oberfläche mit einer Nut (152b) ausgebildet ist, die von der Außenfläche des Rotors (33) zurückgesetzt ist und sich in Axialrichtung erstreckt; und

g) daß die Breite der Nuten (152b) größer ist als der Spalt zwischen den einander benachbarten Magnetpolen des Stators (34), um dadurch ein magnetisches Drehmoment zu erzeugen, das die Magnetpole des Rotors (33) dazu zwingt, in einer Winkelposition von 90 Grad des elektrischen Winkels von den Polen des Stators (34) beabstandet zu bleiben.