DE69930555T2

DE69930555T2 - Bidirektionale betätigunsvorrichtungen

Info

Publication number: DE69930555T2
Application number: DE69930555T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gandel; Yann Buaillon
Original assignee: Moving Magnet Technologie SA
Current assignee: Moving Magnet Technologie SA
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: JP2002530879A; DE69930555D1; EP1135781B1; ATE321347T1; EP1135781A1; WO2000031758A1; FR2786311B1; FR2786311A1

Description

Vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der elektromagnetischen Stellglieder.
Man kennt unidirektionale Stellglieder, bei denen eine durch eine elektrische Spule erregte Statorstruktur eingesetzt wird und welche einen veränderlichen Magnetstrom bilden, der die Positionierung eines beweglichen Magneten gewährleistet; In Patent US4.918.987 beispielsweise wird ein solches Stellglied mit einem Stator beschrieben, der zwei Pole aufweist, die jeweils von einer Spule umgeben sind. Der bewegliche Magnet ist entsprechend dem von den Spulen erzeugten Strom einer linearen Kraft ausgesetzt.
Man kennt ferner das deutsche Patent DE3037648 , in dem ein zweidimensionales Stellglied beschrieben wird, dass entweder bewegliche Spulen oder bewegliche Magneten umfassen kann. Die Lösung mit den beweglichen Spulen ist nicht zufrieden stellend, da sie zu erhöhten Industrialisierungskosten führt. Die beschriebene Lösung mit den beweglichen Magneten setzt die Verwendung von 8 beweglichen Magneten voraus. Eine solche Architektur bedarf mehrfacher Befehlssignale und EDV-Verarbeitungen zur Steuerung der Position auf X und Y.
Man kennt ferner Patent US5062055 betreffend elektromagnetische Stellglieder, die gleichzeitig eine Dreh- und eine Fahrbewegung erzeugen. Ein solches, dem Stand der Technik entsprechendes Stellglied umfasst einen zylindrischen Magneten mit Magnetisierungsgrenzen in peripherer und in axialer Richtung, in dem eine Mehrpolmagnetisierunq in axialer Richtung besteht, und Joche, die Spulen tragen, welche magnetische Pole aufweisen, die gegenüber den Magnetisierungsgrenzen liegen. Ein solches Stellglied arbeitet mit einem Magneten, der mehrere Polpaare aufweist, wobei deren Magnetisierungsrichtungen senkrecht zueinander stehen.
Ziel dieser Erfindung ist das Vorschlagen eines Stellglieds, mit dem die Positionierung eines Organs gemäß zwei Freiheitsgraden möglich ist, z.B. auf einer Ebene gemäß zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen X und Y, oder gemäß einem Freiheitsgrad in Fahrbewegung und einem Freiheitsgrad in Drehbewegung oder in kreisender Drehbewegung mit einfachen Befehlssignalen.
Zu dieses Zweck betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form ein bidirektionales Stellglied, das mindestens eine Statorstruktur, die von einer elektrischen Spule erregt wird, und einen einzigen beweglichen Magneten mit einer einzigen Polung umfasst. Dieser Magnet befindet sich in einem Hauptluftspalt. Die Statorstruktur umfasst zwei Statorteile. Jedes der Statorteile hat mindestens einen sekundären Luftspalt und wird durch mindestens eine elektrische Spule erregt. Die Statorstruktur hat mindestens einen Luftspalt zum Verschieben des beweglichen Magneten in Bezug auf einen ersten Freiheitsgrad, und mindestens einen zweiten sekundären Luftspalt zum Verschieben des beweglichen Magneten in Bezug auf einen zweiten Freiheitsgrad.
Mach einer besonderen Herstellungsart ist der bewegliche Magnet mit dem Joch verbunden.
Nach einer ersten Variante besteht die Statorstruktur aus 4 Polen aus einem weichen magnetischen Material, wobei zwischen den Polen zwei Paar sekundäre Luftspalte definiert werden, die sich in einem Mittelpunkt kreuzen und dadurch gekennzeichnet sind, dass der Hauptluftspalt flach ist.
Die Statorpole bestehen vorzugsweise aus zwei Paaren rechteckiger Teile, wobei jedes Teilepaar durch mindestens eine elektrische Spule erregt wird und einen sekundären Zwischenspalt definiert.
Das Verhältnis L/E zwischen Dicke L des Magneten und Dicke E des Luftspalts beträgt zwischen 1 und 2.
Die Abmessungen der sekundären Luftspalte sind C1 + E und C2 + E, wobei C1 und C2 die Strecke des beweglichen Magneten gemäß den beiden Richtungen der sekundären Luftspalte bestimmen und dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Magneten C1 + d1 + E und C2 + d2 + E betragen, wobei d1 und d2 die Breiten der sekundären Luftspalte bezeichnen.
In einer besonderen Herstellungsart besteht die Statorstruktur aus zwei Statorteilen, die zu beiden Seiten des Magneten angeordnet sind, wobei jedes Statorteil ein Statorpolpaar aufweist und das Statorpolpaar eines der Teile senkrecht zu dem Statorpolpaar des anderen Statorteils gerichtet ist.
Mach einer zweiten Herstellungsvariante weist der Magnet eine röhrenförmige Form auf und kann gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden in Bezug auf eine Statorstruktur, die aus 4 zylinderförmigen Statorpolen besteht, mit einem ersten sekundären Luftspalt in der mittleren Längsebene, in der eine erste elektrische Spule positioniert ist, und einem zweiten sekundären Luftspalt in der Querebene, in dem eine zweite elektrische Spule positioniert ist. Jede dieser Spulen umgibt vorzugsweise einen ferromagnetischen Kern.
Nach einer Variante ist der Magnet röhrenförmig und kann gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben werden und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden in Bezug auf eine externe zylindrische Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen gebildet wird und eine konkave Fläche aufweist, die den Hauptluftspalt bestimmt mit dem zylindrischen Joch, das sich in dem Magneten befindet, wobei jeder der vier Statorpole von einer elektrischen Spule umgeben ist.
Nach einer weiteren Variante weist der Magnet eine röhrenförmige Form auf und kann gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben werden und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden in Bezug auf eine zylindrische Statorstruktur, die von einem ersten externen Statorteil gebildet wird für die Verschiebung gemäß einem ersten Freiheitsgrad, und einem zweiten internen Statorteil für die Verschiebung gemäß einem zweiten Freiheitsgrad, wobei jedes Statorteil mindestens eine elektrische Erregerspule aufweist.
Nach einer dritten Herstellungsvariante weist der Magnet eine kugelförmige Form auf kann sphärisch gedreht werden in Bezug eine Statorstruktur in Form einer Kugelkappe, die aus 4 Statorpolen in Form eines Kappenausschnitts gebildet wird und zwei Spulen umfasst, die in Umfangsnuten angeordnet sind, deren Mittelebenen senkrecht zueinander sind.
Der Magnet weist vorzugsweise eine kugelförmige Form auf und kann sphärisch gedreht werden in Bezug auf eine röhrenförmige Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen in Form einer Viertelröhre gebildet wird, die von einer elektrischen Spule umgeben werden.
Nach einer besonderen Variante eines solchen Stellglieds hat der Hauptluftspalt eine kugelförmige Form.
Nach einer weiteren besonderen Variante weist der Magnet eine kugelförmige Form auf, umgibt ein sphärisches Joch, und kann um eine kugelförmige oder halb kugelförmige Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen in Form einer Viertel- oder Achtelkugel besteht, herum sphärisch gedreht werden.
Nach einer besonderen Herstellungsart weist der Magnet eine kugelförmige Form auf und umgibt ein kugelförmiges Joch und kann um eine Statorstruktur, die aus zwei halbkugelförmigen Statorteilen besteht, herum sphärisch gedreht werden kann.
Die Erfindung wird mit nachfolgender Beschreibung, bei der auf uneingeschränkte Beispiele Bezug genommen und durch die im Anhang beigefügten Abbildungen veranschaulicht wird, besser verstanden:
1 und 2 zeigen schematische Ansichten im Querschnitt, und den Statorteil einer ersten Herstellungsvariante in Form eines linearen XY-Stellglieds.
Die 3a und 3b zeigen die Funktionsweise des Stellglieds;
die 4 und 5 zeigen Ansichten einer Herstellungsvariante eines XY-Stellglieds.
Die 6 und 7 zeigen schematische Ansichten im Querschnitt und den Statorteil einer ersten Herstellungsvariante in Form eines linearen XY-Stellglieds;
Die 8 und 9 zeigen die Variante eines zylindrischen Stellglieds x-θ, jeweils ohne und mit Magnet;
die 10 bis 12 zeigen perspektivische Ansichten eines linearen, drehbaren Stellglieds ohne und mit Magnet und im Querschnitt;
Die 13 bis 16 zeigen perspektivische Ansichten mit und ohne Magnet sowie im Querschnitt, und eine zweite Version eines linearen, drehbaren Stellglieds im Berstschema:
Die 17 bis 19 zeigen perspektivische Ansichten, jeweils ohne und mit Magnet, und den Statorteil einer dritten Version eines Stellglieds vom Typ "linear, drehbar";
Die 20 und 21 zeigen eine Herstellungsvariante eines Stellglieds vom Typ "linear, drehbar, extern";
Die 22 und 23 zeigen eine zweite Version eines Stellglieds vom Typ "linear, drehbar, extern";
Die 24 bis 25 zeigen eine dritte Version eines Stellglieds vom Typ "linear, drehbar, extern";
26 zeigt eine erste Version einer Variante vom Typ "linear intern, drehbar extern";
die 27 und 27b zeigen eine veränderte Form einer Variante des Typs "linear intern, drehbar extern";
die 28 und 29 in Dreiviertel-Vorderansicht und im Queransicht zeigen eine zweite Version einer Variante vom Typ "linear intern, drehbar extern";
Die 30 und 31 beschreiben ein Stellglied vom Typ "Linear extern, drehbar intern" jeweils in Dreiviertel-Vorderansicht und im Teilschnittbild;
32 zeigt in Dreiviertel-Vorderansicht den Stator einer Variante vom Typ "linear extern, drehbar intern";
Die 33 und 34 zeigen Ansichten eines sphärischen Stellglieds und des Stators eines solchen Stellglieds;
35 zeigt eine Ansicht einer zweiten Version eines sphärischen Stellglieds;
36 zeigt eine Ansicht einer dritten Version eines sphärischen Stellglieds;
Die 37 und 38 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten und Schnittbilder einer vierten Version eines sphärischen Stellglieds;
Die 39 und 40 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten einer fünften Version eines kugelförmigen Stellglieds;
Die 41 und 42 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten und Schnittbilder einer sechsten Version eines kugelförmigen Stellglieds;
Die 43 und 44 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten und Queransicht eines Stellglieds mit Positionsdetektor;
Die Erfindung betrifft eine neue Art von Stellglied, das das Verschieben eines beweglichen Teils gemäß zwei Freiheitsgraden ermöglicht.
Man strebt folgende Anwendungen an:

– EDV-Anwendungen: Maus, Joystick
– Industrieanwendungen: Pick and Place
– Anwendung in Fahrzeugen: Servoschaltung.

Die 1 und 2 zeigen die Ansichten eines ersten Herstellungsbeispiels für ein lineares XY-Stellglied.
Zweck ist es, in einer Ebene auf 2 Achsen einen beweglichen Teil zu verschieben, der an der Basis eine Struktur mit einem 4-poligen Stator, einem beweglichen Magneten und einem Joch aufweist, das feststehend sein kann oder sich mit dem Magneten bewegen kann.
Die erste in den 1 und 2 gezeigte Version betrifft ein Stellglied mit feststehendem Joch; in dieser Architektur ist nur der Magnet (14) beweglich.
Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– einem Flachmagneten (14) bestehend aus einem isotropen oder axial anisotropen Magneten. In letzterem Falls verläuft die Anisotropie senkrecht zur Fläche der Pole. Er wird in der gleichen Richtung magnetisiert.
– 1 Joch (5) aus hochdurchlässigem magnetischem Material
– 1 Stator bestehend aus einer flachen Basis (6) und 4 Polen (1 bis 4) mit rechteckigem Querschnitt. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt
– 4 Spulen (7 bis 10), von denen jede einen der Statorpole umgibt.

Eventuell einen Magnetträger, der den Magneten umgibt, um die Kraft – oder die Verschiebung – auf ein externes Teil zu übertragen.
Für letzteres ist jede Form vorstellbar.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann unter Bezugnahme auf die 3a und 3b wie folgt erläutert werden:
Gibt man ein und denselben Strom i1 in den Spulen (7) und (8) und einen Strom i2 in den Spulen (9) und (10) vor, entsteht ein Potentialunterschied auf Achse X: man bildet folglich eine Kraft Fx auf der Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man einen Strom i3 in den Spulen (7) und (9) vor und einen Strom i4 in den Spulen (8) und (10), erzeugt man eine Kraft Fy proportional zur magnetischen Potentialdifferenz, kolinear zu Achse Y.
Daraus ergibt sich, dass durch die Zusammensetzung der obigen Ströme nach dem Prinzip der Überlagerung jede beliebige Kraft erzeugt werden kann, deren Richtung auf der Ebene XY liegt.
Werden (7) und (8) durch einen Strom i1 und (9) und (10) durch einen Strom i2 gespeist, entsteht die Kraft Fx.
Werden (7) und (9) durch einen Strom i3 und (8) und (10) durch einen Strom i4 gespeist, entsteht die Kraft Fy.
Zur Speisung von (7) durch 11 + 13, von (6) durch i1 + i4, von (9) durch i2 + i3 und von (10) durch i2 + i4 entsteht eine Kraft Fx und Fy.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die Erzeugung einer Kraft mit einer auf der Ebene (XY) einstellbaren Stärke und Richtung.
L ist die Dicke des Magneten, E der Luftspalt, Cx und Cy die Strecke des Sensoren den beiden Abmessungen und dx und dy die Entfernung von Pol zu Pol auf den 2 Achsen.
Es wird ein Verhältnis L/E zwischen 1 und 2 empfohlen.
Nimmt man als Abmessungen des Magneten (Cx + E + dx) und (Cy + E + dy) und als Mindestabmessungen der Statorpole (Cx + E) und (Cy + E) auf der Ebene der Messung, ist die Linearität der Kraft entsprechend dem Strom auf beiden Achsen wirksam.
Eine weitere Architektur dieses Stellglieds kann nach der in 4 und 5 dargestellten Variante denkbar sein.
Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 rechteckiger Flachmagnet (14), bestehend aus einer isotropen oder axial isotropen Magnetgüte. In letzterem Fall verläuft die Richtung der Anisotropie senkrecht zur Fläche der Pole. Er wird in derselben Richtung magnetisiert.
– 1 Stator X (20) aus hochdurchlässigem magnetischem Material, bestehend aus einer flachen Basis (23) und 2 Polen (21, 22) mit rechteckigem Querschnitt.
– 1 Stator Y (28) bestehend aus einer flachen Basis (25) und 2 Polen (26, 27) mit Eigenschaften analog zu Stator X. Diese beiden Pole (26, 27) sind senkrecht zu den Polen (21, 22) des Stators X ausgerichtet.
– 2 Spulen X (31, 32), von denen jede einen der Pole (21, 22) von Stator X umgibt.

2 Spulen Y (36, 37), von denen jede einen der Pole (26, 27) von Stator Y umgibt.
Die Spulen sind flache Spulen, die die Statorpole umgeben.
Eventuell ein Magnetträger, der den Magneten umgibt, um die Kraft – oder die Verschiebung – auf ein externes Teil zu übertragen.
Stator X und Stator Y sind zu beiden Seiten des Hauptluftspaltes angeordnet, in den der Magnet (14) positioniert wurde. Die Pole (21, 22) von Stator X sind senkrecht zu den Polen (26, 27) von Stator Y ausgerichtet, um den beweglichen Magneten in die beiden senkrecht zueinander stehenden Richtungen zu bewegen und eine bidirektionale Verschiebung des Organs zu bewirken, mit dem er verbunden ist.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (31) einen Strom i1 und in Spule (32) einen Strom i2 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz Gibt man in Spule (36) einen Strom i3 vor und in Spule (37), einen Strom i4, erzeugt man eine Kraft Fy proportional zur magnetischen Potentialdifferenz, kolinear zu Achse Y.
Durch Zusammenlegung der Steuerung der Ströme in den Spulen (X) und in den Spulen (Y), die unabhängig voneinander sind, kann man eine Kraft erzeugen, deren Amplitude und Richtung auf Ebene XY regulierbar ist.
Die 6 und 7 zeigen schematische Ansichten im Queransicht und Ansichten des Statorteils einer ersten Herstellungsvariante in Form eines linearen XY-Stellglieds. Diese Stellgliedvariante hat den Vorteil, das pro Achse nur eine Spule erforderlich ist.
Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 Flachmagnet (14) bestehend aus einer isotropen oder axial isotropen Magnetgüte. In letzterem Fall verläuft die Anisotropie senkrecht zur Fläche der Pole. Er wird in der gleichen Richtung magnetisiert.
– 1 Joch (40) bestehend aus einer Platte aus hochdurchlässigem magnetischem Material.
– 1 Stator (41) bestehend aus 4 Polen (42 bis 45) mit rechteckigem Querschnitt, die mit Kernen verbunden sind, die von den Spulen (46, 47) umgeben sind. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material hergestellt. Er besteht im beschriebenen Beispiel zur Positionierung der Spulen aus einem parallelepipedischen Block mit senkrechten Mittelnuten, welche die Statorpole begrenzen (42 bis 45).
– 2 gekreuzte Spulen (46, 47), die den Stator (41) in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen umgeben.

Eventuell ein Magnetträger, der einen Magneten umgibt, um die Kraft oder die Verschiebung auf ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden: Gibt man in Spule (46) einen Strom 11 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz an Achse X und folglich eine Kraft Fx an Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz, und folglich zu Strom i1.
Gibt man in Spule (47) einen Strom i2 vor, erzeugt man eine Kraft Fy proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz und folglich zu Strom i2, kolinear zu Achse Y.
Man versteht also schnell, dass durch Zusammenlegen der Steuerung der Ströme in den Spulen (46) und in den Spulen (47), die jeweils unabhängig voneinander sind, eine Kraft erzeugt werden kann, deren Amplitude und Richtung auf der Ebene XY regulierbar ist.
Diese Variante kann ferner symmetrisch umgesetzt werden, d.h. indem das Joch durch eine Stator-Spulen-Einheit ersetzt wird. In diesem Fall wird die Amplitude der erzeugten Kraft erhöht.
Man kann den Stator ferner aus mehreren unterschiedlichen Teilen herstellen, indem man z.B. die Pole voneinander trennt. Man erhält in diesem Fall eine kernlose Version einer ferromagnetischen Spule oder eine Version mit unabhängigem Spulenkern, was das Wickeln erleichtern würde.
Diese Variante kann ebenfalls in symmetrischer Version hergestellt werden.
Die 8 und 9 zeigen eine Variante eines zylindrischen Stellglieds x-θ, jeweils ohne und mit Magnet. Es sind mehrere Versionen denkbar. Das Stellglied hat eine zylindrische Struktur, die folglich einen Bereich im Innern des Magneten und einen Bereich außerhalb desselben umfasst. Diese Struktur muss zwei Funktionen gewährleisten: die Funktion des drehbaren und die des linearen Stellglieds. Nachstehend beschriebene Lösungen werden durch die Lage ("intern" oder "extern") dieser Funktionen bestimmt. Generell umfasst das Stellglied eine Statorstruktur, die vier Pole (51 bis 54) in Form von Halbzylindern und einen röhrenförmigen Magneten (55) aufweist.
Nachstehende Beschreibung erläutert zunächst ein Stellglied vom Typ "linear, drehbar, intern".
Eine erste Lösung ist in den 10 bis 12 beschrieben: Sie besteht darin, einen internen zylindrischen Stator zu verwenden, der aus vier gleichen Polen besteht. Zwei Spulen umgeben jeden dieser Pole.
Das Stellglied besteht also aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (60) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann frei stehend oder an das Joch (61) geklebt sein.
– 1 Ringjoch (61) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (62 bis 65) mit zylindrischer Form außen, die durch Kerne (70, 71) miteinander verbunden sind, um welche die Spulen (66 bis 69) gewickelt sind. Er wird ferner aus hochdurchlässigen magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Präferenzen bei der Fertigung kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 4 Spulen (66 bis 69), die den Stator umgeben.

Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man den gleichen Strom i1 in den Spulen (66) und (67) und einen Strom i2 in den Spulen (6b) und (69) vor, erzeugt man einen Potentialunterschied auf der X-Achse und folglich eine Kraft Fx auf der X-Achse proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in den Spulen (66) und (68) einen Strom i3 und in den Spulen (67) und (69) einen Strom i4 vor, erzeugt man ein Drehmoment MX auf dem Magneten kolinear zur Achse x und proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Daraus ergibt sich, dass uns die Zusammensetzung besagter Ströme ermöglicht, mit dem Prinzip der Überlagerung "Kraft – Moment"-Einheiten mit kolinearer Ausrichtung zur Achse X zu erzeugen.
Durch Speisung von (66) und (67) mit einen Strom i1 und durch Speisung (68) und (69) mit einen Strom i2 erzeugt man eine Kraft Fx.
Durch Speisung von (66) und (68) mit einem Strom i3 und durch Speisung von (67) und (69) mit einem Strom i4 erzeugt man ein Moment MX.
Durch Speisung von (66) mit i1 + i3, und von (67) mit i1 + i4, von (68) mit i2 + i3 und von (69) mit i2 + i4 erzeugt man eine Kraft Fx und ein Moment Mx.
Dieses Stellglied ermöglicht somit die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit regulierbaren Stärken, wobei beide kolinear zur X-Achse verlaufen.
Die 13 bis 16 zeigen eine zweite Lösung für ein lineares, drehbares Stellglied.
Diese zweite Lösung besteht darin, 2 der 4 Spulen der vorhergehenden Lösung durch eine Spule zu ersetzen, die auf eine Hauptachse des Mechanismus montiert ist. Diese Spule, die (4L) genannt wird, gewährleistet den Teil "Axialkraft", und die beiden anderen erzeugen das Moment.
Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (60) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann frei stehend oder an das Joch (61) geklebt sein.
– 1 Ringjoch (61) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (62 bis 65) mit zylindrischer Form außen. Die Halbmonde, die einander radial gegenüber stehen, sind jeweils paarweise durch die Kerne (70, 71) miteinander verbunden, um welche die Spulen (4R) gewickelt sind. Die so gebildeten Einheiten werden durch einen axialen Kern (72), um den Spule (4L) gewickelt ist, miteinander verbunden. Die Pole bestehen ebenfalls aus hochdurchlässigen magnetischem Material. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden (siehe 16).
– 2 Längsspulen (4R)
– 1 Querspule (4L)

Eventuell ein Magnetträger, der den Magneten umgibt, um die Kraft oder die Verschiebung auf ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (4L) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (4R) einen Strom i2 vor, erzeugt man ein Drehmoment Mx auf einem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Die 17 bis 19 zeigen eine dritte Version eines linearen, drehbaren Stellglieds. Der Stator wird aus einem zylindrischen Teil gebildet, das 4 Pole (62 bis 65) in Form von Halbzylindern aufweist. Bei dieser Lösung ersetzt man die 2 vorher benutzten Spulen (4R) durch eine einzige Spule. Man hat also insgesamt 2 gekreuzte Spulen, wie auf den 17 bis 19 zu sehen ist.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (4L) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (4R) einen Strom i2 vor, erzeugt man ein Drehmoment Mx auf einem Magneten, kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Eine weitere Struktur kann erzielt werden, indem man die Spule (4L) in 3 oder 4 Spulen aufteilt, die zu beiden Seiten der axialen Pole montiert werden.
Die 20 und 21 zeigen eine Herstellungsvariante eines Stellglieds vom Typ "linear, drehbar, extern".
Alle in diesem Teil vorgestellten Versionen sind homologe Versionen der im vorhergehenden Teil vorgestellten Versionen. Es werden lediglich die internen und externen Teile ausgetauscht. Dennoch werden sie für ein gutes Verständnis vorgestellt.
In der in den 20 und 21 vorgestellten Version hat man vier externe Spulen, die jeweils einen Pol umgeben.
Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (80) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann frei stehend oder an das Joch geklebt sein.
– 1 zylindrisches Joch (81) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (82 bis 85) mit zylindrischer Form innen, die durch eine gemeinsame Basis miteinander verbunden sind. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigen magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 4 Spulen (86 bis 89), die jeweils Statorpole (82 bis 85) umgeben.

Eventuell eine Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Diese Version funktioniert ähnlich wie die in den 10 bis 12 gezeigte Version.
Durch Speisung von (86) mit i1 + i3, und von (87) mit i1 + i4, von (88) mit i2 + i3 und von (89) mit i2 + i4 erzeugt man eine Kraft Fx und ein Moment Mx.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Die 22 und 23 zeigen eine zweite Version eines Stellglieds vom Typ "linear – drehbar".
Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (90) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann frei stehend oder an das Joch geklebt sein.
– 1 zylindrisches Joch (95) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (91 bis 94) und einer gemeinsamen Struktur. Um die Pole (91, 92) sind die Spulen (4R) (97, 98) gewickelt. Spule (4L) wird zwischen die Pole positioniert, wie auf 22 zu sehen ist. Die Pole (91 bis 94) werden ebenfalls aus hochdurchlässigen magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann die Einheit in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 2 Spulen (4R)
– 1 Spule (4L).

Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (4L) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (4R) einen Strom i2 vor, erzeugt man ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich gleichzeitig die Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Die Spulen (4L) und (4R) sind hier in rechteckiger Form dargestellt, um die Zeichnung besser verstehen zu können, doch es versteht sich von selbst, dass sie beispielsweise auch eine zylindrische Form haben können.
Zur Erhöhung des Drehmoments kann man 4 Spulen (4R) anordnen und 2 davon auf den 2 nicht benutzten Statorpolen positionieren.
Auf den 24 und 25 ist eine dritte Version eines Stellglied vom Typ "linear – drehbar", welches 2 gekreuzte Spulen aufweist, abgebildet. Das Stellglied nach dieser dritten Version besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (90) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann frei stehend oder an das Joch geklebt sein.
– 1 zylindrisches Joch (95) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (91 bis 94) und einer gemeinsamen Struktur (96). Um zwei von ihnen wird die Spule (4R) gewickelt. Die Spule (4L) befindet sich zwischen den Polen (91 bis 94). Die Pole werden ebenfalls aus hochdurchlässigen magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 1 Spule (4R)
– 1 Spule (4L).

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (4L) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (4R) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Eine weitere Struktur kann erzielt werden, indem man die Spule (4L) in 3 oder 4 Spulen aufteilt, die zu beiden Seiten der axialen Pole montiert werden, oder, indem man eine zweite Spule (4R) symmetrisch zur ersten in Bezug auf die Achse hinzufügt.
Für jede dieser Versionen kann eine andere Struktur durch Vervielfachen der Statorstruktur durch Benutzung mehrerer Statoren gebildet werden. Man erhält somit eine Struktur mit mehr externen Polen, mit mehreren Magneten, die einen schwächeren Winkelstrecke, aber ein höheres Drehmoment ermöglicht. Es sind zahlreiche, Strukturen mit einem Streuwinkel um (360°/2N) mit (2N) radialen Polen und N Magneten denkbar.
26 zeigt eine erste Version einer Variante vom Typ "linear intern, drehbar extern". Das Stellglied besteht in diesem Fall auf folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (100) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er muss von den beiden Statoren getrennt sein.
– 1 zylindrischer Stator aus hochdurchlässigem magnetischem Material, bestehend aus zwei Polen (101, 102) gleichen Durchmessers. Die Spule (103) befindet sich zwischen diesen beiden Polen um einen ferromagnetischen Kern herum.
– 1 Stator bestehend aus 2 Polen (104, 105) und einer gemeinsamen Struktur (108). Sie sind mit den Spulen (106, 107) umwickelt. Diese Pole (104, 105) werden ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann dieser Stator in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 1 Spule (106)
– Spule (107).

Eventuell eine Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieser Version kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (103) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in den Spulen (106, 107) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich zum einen die Erzeugung einer Kraft und zum andern die Erzeugung eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Eine weitere Struktur kann erzielt werden, indem man die externe Statorstruktur gemäß 27 vervielfacht. Man erhält somit eine Struktur mit mehr externen Polen (110, 111, 112, 113), mit mehreren Magneten (115, 116), die eine schwächere Winkelstrecke, aber ein höheres Drehmoment ermöglicht. Es sind alle Strukturen mit (2N) radialen Polen denkbar. Dieses Prinzip der Vervielfachung kann auch auf jede in diesem Text beschriebene zylindrische Struktur angewendet werden.
Es kann eine weitere Struktur gebildet werden, indem man nur eine Spule für die Bildung eines Drehmoments verwendet. Die 28 und 29 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten und Schnittbild einer solchen Version. Diese besteht in einer neuen Gestaltung des äußeren Teils des Stellglieds, so dass nur 2 Spulen gebraucht werden. Das Stellglied besteht in diesem Fall aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (120), bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er muss von den beiden Statoren getrennt sein.
– 1 zylindrischer Stator aus hochdurchlässigem magnetischem Material, bestehend aus zwei Polen (121, 122) gleichen Durchmessers. Die Spule (125) umgibt diesen Stator zwischen den 2 Polen (121, 122).
– 1 Stator bestehend aus 2 Polen (123, 124) und einer gemeinsamen Struktur. Spule (126) umgibt diesen Stator zwischen den 2 Polen (123, 124). Diese Pole werden ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Fertigungspräferenzen kann dieser Stator in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 1 Spule (125)
– 1 Spule (126).

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (125) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in den Spulen (126) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Die 30 und 31 beschreiben ein Stellglied vom Typ "linear extern, drehbar intern".
Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (140) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er muss von den beiden Statoren getrennt sein.
– 1 zylindrischer Stator aus hochdurchlässigem magnetischem Material, bestehend aus zwei Polen (141, 142) gleichen Durchmessers. Die Spule (143) befindet sich zwischen den 2 Polen.
– 1 Stator (2R) bestehend aus 2 Polen (144, 145) und einem gemeinsamen Kern. Die Spule (146) liegt um diesen Kern zwischen den 2 Polen (123, 124). Diese Pole werden ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt.
– 1 Spule (143)
– 1 Spule (146).

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (143) einen Strom 11 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in den Spulen (146) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die gleichzeitige Erzeugung einer Kraft und eines Moments mit verstellbarer Stärke, wobei beide kolinear zu Achse X sind.
Hier ist anzumerken, dass bei Herstellung des Stators in Form von vier Zylindervierteln (150 bis 153), um welche 2 Spulen (154, 155) gewickelt sind (s. 32) man eine drehbare gepolte Version erhält, mit einer auf 90° beschränkten Winkelbreite, jedoch einem höheren Drehmoment.
Man hat also 2 Magnete mit einer Winkelbreite von 90°.
Die 33 und 34 zeigen Ansichten eines kugelförmigen Stellglieds α-β und seines Stators.
Es sind mehrere Versionen denkbar. Nachstehend beschriebene Lösungen werden durch die interne und externe Lage der beiden Funktionen (drehbar um 2 Achsen) des Stellglieds bestimmt.
Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (200) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann freistehend oder an das Joch geklebt sein, wie 33 zu entnehmen ist.
– 1 kugelförmiges hohles Joch (201) aus hochdurchlässigem magnetischem Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (202 bis 205) mit kugelförmiger Form außen, die über Kerne miteinander verbunden sind, und von den vier Spulen (206 bis 209) umgeben sind. Sie werden ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Präferenzen bei der Fertigung kann er in einem Stücke oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 4 Spulen (206 bis 209), die den Stator umgeben.

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (206) und (208) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz auf Achse X und folglich eine Kraft Fx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in den Spulen (207) und (209) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse X, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Die Zusammensetzung der obigen Ströme ermöglicht uns nach dem Prinzip der Überlagerung, ein beliebiges Moment zu erzeugen, dessen Achse auf dieser XY-Ebene liegt.
Werden (206) und (208) durch einen Strom i1 gespeist, entsteht ein Moment Mx.
Werden (207) und (209) durch einen Strom i2 gespeist, entsteht das Moment My.
Durch Speisen von (206) und (208) mit i1, (von 207) und (209) mit i2, erzeugt man ein Moment Mx und ein Moment My.
Dieses Stellglied ermöglicht folglich die Erzeugung von unabhängigen Drehmomenten auf zwei orthogonalen Achsen.
35 zeigt eine zweite Version eines sphärischen Stellglieds. Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Halbmagnetring (210) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Er kann freistehend oder an das Joch geklebt sein, wie 35 zu entnehmen ist.
– 1 kugelförmiges hohles Joch (211) aus hochdurchlässigem magnetischem Material.
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (212 bis 215) mit kugelförmiger Form außen, die über Kerne miteinander verbunden sind, welche von den Spulen (216, 217) umgeben sind. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Präferenzen bei der Fertigung kann er in einem Stücke oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 2 Spulen (21b) und (217), gekreuzt, die den Stator umgeben.

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (216) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz gemäß einer Drehung um Achse X und erzeugt folglich ein Moment Mx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (217) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse Y, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Die Zusammensetzung der obigen Ströme ermöglicht uns nach dem Prinzip der Überlagerung, ein beliebiges Moment zu erzeugen, dessen Achse auf dieser XY-Ebene liegt.
36 zeigt eine weitere Gestaltung dieses Systems, die industriell leichter umzusetzen ist, jedoch eine geringere Wegstrecke hat.
Die Statorteile werden in Form von Kugelvierteln hergestellt (220 bis 223). Sie sind von zwei Spulen (224, 225) umgeben.
Die 37 und 38 zeigen Ansichten eines kugelförmigen Stellglieds vom Typ "alles extern".
Das Prinzip dieser Lösung besteht darin, die Architektur des vorhergehenden Stellglieds umzukehren, in dem das Joch und der Magnet nach innen, und die Statorpole nach außen gelegt wird.
Die erste Version des Stellglieds bestehend aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Magnet in Form einer Kugelkappe (230) bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte.
– 1 sphärisches Joch (231) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material,
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (232 bis 235) mit Außenform in Zylindervierteln und mit sphärischer Innenform, die durch Kerne, die mit Spulen (236 bis 239) umwickelt sind, miteinander verbunden sind. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Präferenzen bei der Fertigung kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 4 Spulen (236) bis 239), die den Stator umgeben, 2 pro Drehachse.

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds ist in jeder Hinsicht die gleiche, wie sie in diesem Text für das erste kugelförmige Stellglied beschrieben wird.
Die 39 und 40 zeigen eine zweite Version eines sphärischen Stellglieds vom Typ "alles extern".
Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Magnet in Form einer Kugelkappe (250), bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte.
– 1 sphärisches Joch (251) aus einem hochdurchlässigen magnetischen Material,
– 1 Stator bestehend aus 4 Polen (252 bis 255) mit sphärischer Innenform, die durch Kerne miteinander verbunden sind, die mit Spulen (256, 257) umwickelt sind. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt. Entsprechend den Präferenzen bei der Fertigung kann er in einem Stück oder aus einer Verbindung ferromagnetischer Teile gefertigt werden.
– 2 Spulen (256, 257), die den Stator umgeben, 1 pro Drehachse.

Die Funktionsweise dieses Stellglieds ist in jeder Hinsicht die gleiche, wie sie für das sphärische Stellglied der 35 und 36 beschrieben wird.
Die 41 und 42 zeigen Dreiviertel-Vorderansichten und Teilschnitte eines Hybrid-Stellglieds (intern und extern).
Das Stellglied besteht aus folgenden Funktionsteilen:

– 1 radial magnetisierter Magnet in Form einer Kugelkappe (260), bestehend aus einer isotropen oder radial anisotropen Magnetgüte. Dieser muss von den beiden Statoren getrennt sein.
– 1 Innenstator mit sphärischen Aubenformen aus hochdurchlässigem Material. Er weist 2 Pole (261, 262) auf, die durch einen Kern miteinander verbunden sind, um welchen die Spule (265) gewickelt ist.
– 1 Außenstator mit 2 Polen (263, 264) mit kugelförmiger Innenform, die durch einen Kern miteinander verbunden sind, um den die Spule (266) gewickelt ist. Er wird ebenfalls aus hochdurchlässigem magnetischem Material gefertigt.
– 1 Spule (266), die um den Außenstator gewickelt ist,
– 1 Spule (265), die um den Innenstator gewickelt ist.

Eventuell ein Magnetträger um den Magneten, um die Kraft – oder die Verschiebung – an ein externes Teil zu übertragen.
Die Funktionsweise dieses Stellglieds kann wie folgt erläutert werden:
Gibt man in Spule (266) einen Strom i1 vor, erzeugt man eine Potentialdifferenz gemäß einer Drehung um Achse X und erzeugt folglich ein Moment Mx auf Achse X proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Gibt man in Spule (265) einen Strom i2 vor, erzeugt man diesmal ein Drehmoment Mx auf dem Magneten kolinear zu Achse Y, proportional zur erzeugten magnetischen Potentialdifferenz.
Die Zusammensetzung der obigen Ströme ermöglicht uns nach dem Prinzip der Überlagerung, ein beliebiges Moment zu erzeugen, dessen Achse auf dieser XY-Ebene liegt.
Jedes der oben beschriebenen elektromagnetischen Systeme kann mit kontaktlosen Dimensions-Stellungsgebern gekoppelt werden.
In diesem Fall erhält man eine "Stellungsgeber-Stellglied"-Einheit, die zwei Funktionen in eine und derselben Einheit und somit das Arbeiten in geschlossener Schleife ermöglicht.
Hierfür muss man die Eisenteile zwischen den Polen der Statoren (d.h., die Teile, um die die Spulen gewickelt werden, in diesem Patent allgemein "Kern" genannt) mittels eines Spalts voneinander trennen.
Man positioniert in besagten Spalt eine Element, das empfänglich ist für Magnetfelder (z.B. eine Sonde mit Hall-Effekt).
Die 43 und 44 veranschaulichen die Anwendung dieses Prinzips auf einem flachen Stellglied XY.
Der Stellungsgeber ermöglicht das Messen der erzeugten Schwankungen der Strömung, die durch einen beweglichen Magneten in einem Zwischenspalt erzeugt werden.
Der Stator besteht aus vier rechteckigen Teilen (300 bis 303), die von vier Spulen (310 bis 313) umgeben sind. Ein schmaler Magnet (305), der quer magnetisiert ist, wird in den Hauptluftspalt (307) positioniert, der zwischen Stator und Joch (305) gebildet wurde. Vier Hall-Sonden (320 bis 323) werden in die sekundären Luftspalte zwischen die Statorteile (300 und 303) positioniert.
In der beschriebenen Architektur messen die Sonden eine Schwankung der Strömung, die durch das Verschieben des Magneten und den in den Spulen zirkulierenden Strom erzeugt wird. Diese durch den Strom bewirkte Strömung ist folglich zu beseitigen. Dies kann auf zweierlei Art erfolgen:
Durch Messen des Stroms in den Spulen und durch Berechnung des durch den Strom induzierten Magnetstroms, um ihm vom gemessenen Wert zu substrahieren. Der Gesamtstrom ist die Summe der durch den Strom bewirkten Strömung und der durch den Magnet bewirkten Strömung (φt = φni + φa = A.ni + φa). Kennt man die Impedanz A des Magnetkreises und den Strom in den Spulen, kann man φa leicht berechnen. Die Stärke kann durch jedes vorstellbare Mittel gemessen werden (z.B. durch Ablesen des Spannungsabfalls an den Klemmen eines Widerstands eines Prüfkörpers, der von besagtem Strom durchströmt wird).
Durch den Wechsel der Funktionen "Sensor" und "Stellglied". Während eines gegebenen Zeitintervalls speist man die Spulen, um die gewünschte Kraft (oder das gewünschte Drehmoment) zu erzeugen, und während des darauf folgenden Intervalls kann man die Speisung der Spulen weg lassen, um nicht mehr die durch den Magneten bedingte Strömung zu messen. Man erhält somit eine intermittierende Kraft, die für Funktionen vom Typ Joystick verwendet werden können.

Claims

Bidirektionales Stellglied, das mindestens eine Statorstruktur aufweist, die durch mindestens eine elektrische Spule erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass er einen einzelnen beweglichen Magneten umfasst, der in einem Hauptluftspalt positioniert ist und dadurch, dass die Statorstruktur mindestens eine elektrische Spule umfasst und aus einem ersten Statorpolpaar (1, 2) besteht, wobei zwischen den beiden Polen ein erster sekundärer Luftspalt definiert wird für die Verschiebung des einzelnen beweglichen Magneten (14) in Bezug auf einen ersten Freiheitsgrad und einem zweiten Statorpolpaar (3, 4), wobei zwischen den beiden Polen ein zweiter sekundärer Luftspalt definiert wird für die Verschiebung des einzelnen beweglichen Magneten (14) in Bezug auf einen zweiten Freiheitsgrad.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Magnet fest mit einem Joch (25) verbunden ist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorstruktur aus 4 Polen aus einem weichen magnetischen Material besteht, wobei zwischen den Polen zwei Paar sekundäre Luftspalte definiert werden, die sich in einem Mittelpunkt kreuzen und dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftspalt (10) flach ist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorpole aus 4 rechteckigen Teilen bestehen, wobei jeder Teil von einer elektrischen Spule umgeben ist und zwischen den Teilen zwei senkrechte sekundäre Luftspaltpaare definiert werden.
Bidirektionales Stellglied gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis L/E zwischen der Dicke L des Magneten und der Dicke E des Luftspaltes zwischen 1 und 2 liegt.
Bidirektionales Stellglied gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der sekundären Luftspalte C₁ + E und C₂ + E betragen, wobei C₁ und C₂ die Strecke des beweglichen Magnetes gemäß den beiden Richtungen der sekundären Luftspalte bestimmen und dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Magneten C₁ + d₁ + E und C₂ + d₂ + E betragen, wobei d₁ und d₂ die Breiten der sekundären Luftspalte bestimmen.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorstruktur aus zwei Statorteilen besteht, die auf den beiden Seiten des Magneten angeordnet sind, wobei jedes Statorteil ein Statorpolpaar aufweist und das Statorpolpaar eines der Teile senkrecht zu dem Statorpolpaar des anderen Statorteils gerichtet ist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine röhrenförmige Form aufweist und gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben werden kann und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden kann in Bezug auf eine Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen mit Zylinderform besteht, mit einem ersten sekundären Luftspalt in der mittleren Längsebene, in der mindestens eine erste elektrische Spule positioniert ist, die mindestens einen ferromagnetischen Kern umgibt und ein zweiter sekundärer Luftspalt in der Querebene, in der eine zweite elektrische Spule positioniert ist, die einen ferromagnetischen Kern umgibt.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine röhrenförmige Form aufweist und gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben werden kann und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden kann in Bezug auf eine externe zylindrische Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen gebildet wird und eine konkave Fläche aufweist, die den Hauptluftspalt bestimmt mit dem zylindrischen Joch, das sich in dem Magneten befindet, wobei jeder der vier Statorpole von einer elektrischen Spule umgeben ist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine röhrenförmige Form aufweist und gemäß einem ersten Freiheitsgrad axial parallel verschoben werden kann und gemäß einem zweiten Freiheitsgrad axial gedreht werden kann in Bezug auf eine zylindrische Statorstruktur, die von einem ersten externen Statorteil gebildet wird für die Verschiebung gemäß einem ersten Freiheitsgrad und einem zweiten internen Statorteil für die Verschiebung gemäß einem Freiheitsgrad, wobei jedes Statorteil mindestens eine elektrische Erregerspule aufweist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine kugelförmige Form aufweist und sphärisch gedreht werden kann in Bezug auf eine Statorstruktur in Form einer Kugelkappe, die aus 4 Statorpolen in Form eines Kappenausschnitts gebildet wird und zwei Spulen umfasst, die in Umfangsnuten angeordnet sind, deren Mittelebenen senkrecht zueinander sind.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine kugelförmige Form aufweist und sphärisch gedreht werden kann in Bezug auf eine röhrenförmige Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen in Form einer Viertelröhre gebildet wird, die von einer elektrischen Spule umgeben werden.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftspalt eine kugelförmige Form aufweist.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine kugelförmige Form aufweist und von einem kugelförmigen Joch umgeben wird und um eine kugelförmige oder halb kugelförmige Statorstruktur, die aus 4 Statorpolen in Form einer Viertel- oder Achtelkugel besteht, herum sphärisch gedreht werden kann.
Bidirektionales Stellglied gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet eine kugelförmige Form aufweist und von einem Joch umgeben wird, das aus zwei Teilen in Form von Halb- oder Viertelkugeln gebildet wird und sphärisch um eine Statorstruktur, die aus zwei halbkugelförmigen Statorteilen besteht, herum sphärisch gedreht werden kann.