NL7906944A - Motor van het galvanometertype. - Google Patents

Description

* N.O. 28.2^4- -1-

Motor van het galvanometertype.

De uitvinding heeft betrekking op een motor van het.galvanometertype en heeft meer in het bijzonder betrekking op een motor voor het aandrijven van een optisch element teneinde te worden afgebogen met een hoge frequentie of teneinde op andere wijze een 5 daarop invallende bundel stralingsenergie te moduleren.

Diverse vormen van optische inrichtingen zijn reeds bekend voor het aftasten, zwaaien, periodiek onderbreken of op andere wijze afbuigen of moduleren van een bundel stralingsenergie. Derge-lijke optische inrichtingen worden toegepast in massaspectrometers, 10 bolometers, horizondetectoren en in andere instrumenten waarin nucleaire stralingsbundels, röntgen-stralingsbundels of laserbundels, of andere bundels van stralingsenergie in het zichtbare, ultraviolette of infrarode deel van het spectrum worden gebruikt of geanalyseerd. In de afgelopen jaren is er een behoefte ontstaan aan op-15 tische aftasters geschikt voor het zwaaien van een lichtbundel over binair gecodeerde streepjes of soortgelijke indicatoren voor het uitvoeren van diverse geautomatiseerde funkties.

Een bekende inrichting voor dit doel maakt gebruik vari een galvanomëter voor het afbuigen van het optische element, welke 20 galvanometer van het bewegend-ijzertype is waarin een week-ijzeren rotor of armatuur is voorgespannen door één of meer stationaire permanente magneten. De rotor wordt in trilling gebracht door het toevoeren van een wisselstroom aan ten minste één veldspoel behorend tot de statorstruktuur.

25 Het is tevens bekend om gebruik te maken van gelijkspan- ningsmomentmotoren voorzien van een rotor in de vorm van een permanente magneet en een aangepaste spoelwikkelingsconfiguratie voor het genereren van het gevraagde draaimoment. Het nadeel van een dergelijk type motor is dat de motor een relatief hoge massa bezit 30 en een ongunstige massa/draaimoment-verhouding, hetgeen, het nagenoeg onmogelijk maakt om de motor te bedrijven bij de hoge frequenties die in veel optische aftasttoepassingen worden gevraagd. Bovendien zorgt de complexe spoelconfiguratie die voor bq dergelijke momentmotoren nodig is voor het genereren van het gevraagde draai-35 moment voor aanzienlijke fabricageproblemen waardoor dergelijke motoren alleen tegen hoge kosten kunnen worden geproduceerd.

Teneinde de massa van de rotor in een optische aftaster van het galvanometertype te reduceren zijn er reeds motoren van het 7906944 <Γ ^ -2- galvanometertype bekend waarin een bundel afbuigspiegel gemonteerd is op een rotor welke rotor de vorm heeft van een kernloze spoel die kan draaien in een permanente magnetische stator. Niet alleen zijn dergelijke motoren echter magnetisch inefficiënt, maar de be-’ 5 krachtigingsstroom moet worden geleverd aan de bewegende rotorspoel en daartoe zijn geleidende torsie-veervezels nodig. Dergelijke vezels zijn relatief gevoelig en hebben een negatief effekt op de levensduur van de galvanometer.

Het is tevens bekend om een optische aftastmotor te ge-10 bruiken voorzien van een week ijzeren rotor gemonteerd op een tor-sieveer tussen symmetrisch gerangschikte stators met veldwikkelin-gen. Deze stators worden gevormd door twee paren week ijzeren pool-stukken op diametraal tegenover elkaar gelegen posities met betrekking tot de rotor, een paar permanente magneten samenwerkend met de 15 poolstukken teneinde de voorinstel- en stuurfluxwegen te definiëren.

Uitgaande van het bovenstaande heeft de uitvinding nu .ten doel een motor van het galvanometertype te verschaffen voor het efficient en betrouwbaar aandrijven van een optisch element of een ander element, welke motor voorzien is van een gunstige massa/moraent-20 verhouding waardoor de motor in staat is om te trillen bij een hoge frequentie of om andere bewegingen uit te voeren in overeenstemming met het ingangssignaal.

Meer in het bijzonder heeft de uitvinding ten doel een motor te verschaffen van het bovengenoemde type met een rotor in de 25 vorm van een permanente magneet en een week magnetische stator, waarbij het draaimoment wordt ontwikkeld door middel van één enkele statorveldspoel en het draaimoment lineair evenredig is met de stroom die door deze spoel loopt.

Tevens heeft de uitvinding ten doel een motor van het gal-50 vanometertype te verschaffen voorzien van een zeer eenvoudige constructie uitgaande van een relatief klein aantal componenten, waarbij de motor snel kan worden geassembleerd en tegen lage kosten kan worden vervaardigd.

Kort gezegd wordt aan deze doelstellingen voldaan met be-55 hulp van een motor voorzien van een rotor in de vorm van een permanente magneet en een week magnetische stator met een paar gesplitste poolstukken verlopend van een paar armen gekoppeld door middel van een brug die de kern voor de veldspoel vormt.

De gesplitste poolstukken van de rotor zijn symmetrisch JfO gepositioneerd aan beide tegenover elkaar gelegen zijden van de ro- 7906944 -3-

tC

tor waarvan de rotatieas ten opzichte daarvan gecentreerd verloopt.

De rotor wordt voor het uitvoeren van de beweging ondersteund door middel van een torsieveer die ervoor zorgt dat de rotor terugkeert naar een neutrale rustpositie, in welke positie de gesplitste polen 5 van elk poolstuk zich bevinden aan beide zijden van de eindpolen van de permanente magnetische rotor aan de betreffende zijde daarvan.

De aan de veldspoel geleverde stroom wordt gebruikt voor het polariseren van de gesplitste poolstukken van de stator waar-10 door de gesplitste polen van elk stuk een aantrekkende en afstotende relatie verkrijgen ten opzichte van de eindpolen van de rotor.

De resulterende magnetische krachten veroorzaken een draaimoment waardoor de rotor gaat draaien in een richting die afhangt van de stroomrichting. Door het aanbieden van een hoogfrequente wissel-15 stroom aan de veldspoel gaat de rotor op werkzame wijze oscilleren op dezelfde frequentie. Omdat de motor in staat is om een ingangs-stroom, die mag variëren vanaf gelijkstroom tot aan een hoogfrequente stroom, te volgen is de motor ook in staat om op instruktie naar een specifieke positie te bewegen.

20 Daartoe verschaft de uitvinding een motor van het galva- j nometertype voor het aandrijven van een optisch element voor het afbuigen of op andere wijze moduleren van een stralingsenergievorm, welke motor voorzien is van een gunstige massa/moment-verhouding en Voorzien is van een permanent magnetische rotor ondersteund voor 25 het uitvoeren van een rotatie rond de rotatieas, een stator van week magnetisch materiaal met een paar gesplitste poolstukken verlopend vanaf armen die samen komen in een brug welke de kern voor een veldspoel vormt, welke -gesplitste poolstukken aangebracht zijn aan beide tegenover elkaar gelegen zijden van de rotor waarvan de 30 rotatieas ten opzichte van de poolstukken gecentreerd is, middelen voor het doen terugkeren van de rotor naar een neutrale positie waarin de gesplitste polen van elk stuk zich bevinden aan beide zijden van de eindpolen van de rotor aan de betreffende zijde van de rotor, en middelen voor het leveren van stroom aan de veldspoel 35 teneinde de rotor dienovereenkomstig te doen bewegen.

De uitvinding zal in het volgende aan de hand van de in de figuren beschreven uitvoeringsvoorbeelden nader worden verklaard.

Fig. 1 illustreert schematisch een doorsnede door een motor van het galvanometertype volgens een voorkeurs-uitvoeringsvorm 4-0 van de uitvinding waarbij de rotor getoond is in geactueerde posi- 7906944 r -4- tie.

Fig. 2 toont schematisch een motor volgens de uitvinding waarbij de rotor in de neutrale positie is geplaatst.

Fig. 3 toont het rotor-draaimoment opgewekt in responsie 5 op een veldspoelstroom in de ene richting.

Fig. k toont schematisch het rotor-draaimoment opgewekt in responsie op een veldspoelstroom in de tegengestelde richting.

De puur natuurlijke ferromagnetische elementen zijn ijzer, nikkel, kobalt en sommige aardmetalen. Ferromagnetische materialen 10 die van belang zijn voor de industrie vanwege hun magnetische eigenschappen zijn nagenoeg zonder uitzondering legeringen van metallische ferromagnetische elementen met elkaar of met andere elementen.

Commerciële magnetische materialen kunnen worden verdeeld in twee hoofdgroepen; (1) magnetisch "weke” materialen, en (2) ..

15 "sterk" magnetische materialen. Het onderscheidende kenmerk van magnetisch "weke" materialen is de hoge permeabiliteit, deze materialen worden over het algemeen gebruikt als kernmateriaal in magnetische circuits of elektromagneten. Magnetisch "sterke" materialen worden gekenmerkt door een hoge maximum magnetisch energieprö-20 dukt (BH)max< Deze materialen worden gebruikt als permanente magneten voor het leveren van een constant magnetisch veld wanneer het * % ongemakkelijk of oneconomisch is om dit veld door middel van een elektromagneet op te wekken.

In deze beschrijving heeft de term "week magnetische sta-25 tor" betrekking op een stator gevormd uit een magnetisch week materiaal, en de term "permanent magnetische rotor" heeft betrekking op een rotor gevormd uit een sterk magnetisch materiaal.

In de fig. 1 en 2 is een oscillerende motor volgens de uitvinding getoond voorzien van een rotor in de vorm van een staaf-30 vormige permanente magneet 10 met eindpolen N en S, welke rotor wordt ondersteund voor het uitvoeren van de rotatie binnen een sta-torstruktuur, in zijn algemeenheid aangeduid met cijfer 11.

De rotor 10 is gemonteerd op een licht-gewicht as 12 nauwkeurig verlopend door het midden van de staafvormige magneet, 35 waarbij het bovenuiteinde van de as verloopt door een lager 13 aangebracht in het freem 14 van de motor. Het bovenuiteinde van de as 12 is gekoppeld met een optisch element 15* De aard van dit element en de relatie tot een daarop invallende bundel stralingsenergie maken op zichzelf geen deel uit van de uitvinding omdat de uitvinding ifO alleen betrekking heeft op een oscillerende motor die in staat is 7906944 -5- om de een of andere vorm van een optisch element of een equivalente inrichting met zeer hoge frequentie aan te drijven.

Het onderuiteinde van de rotoras 12 verloopt door een lager 1ÖA aangebracht in een_blok 16 bevestigd aan de binnenwand van 5 het motorfreem, waarbij iet uiteinde van de as via een soldeerver-binding of op andere wijze gekoppeld is met een torsieveer 17» welke geplaatst is binnen een koker 18 en daarin is verankerd.

De stator 11 is opgebouwd volgens een U-vormige struktuur uit week magnetisch materiaal en de stator wordt gedefinieerd door 10 een paar armen 19 en 20 die worden gekoppeld door middel van een brugelement 21, waarbij de armen een paar inwaarts gerichte gesplitste poolstukken P^-P^ en P^-P^ dragen. Deze stukken zijn symmetrisch gerangschikt aan beide zijden van de rotor 10 in zijn neutrale positie zoals getoond is in fig. 2, waarbij de rotatieas T 15 van de rotor 10 gecentreerd is met betrekking tot de gesplitste poolstukken. De week magnetische statorstruktuur gevormd door de gesplitste poolstukken, de armen 19 en 20 en de brug 21 wordt bij voorkeur opgebouwd uit opgestapelde plaatjes van een getempeerde nikkel-ijzer-legering met hoge permeabiliteit en lage hysteresis.

20 De noor- 'en zuidpooluiteinden (N respectievelijk S) van de rotormagneet 10 zijn afgerond en de vlakken tot en met F^ van de gesplitste poolstukken P^ - en P^ - P^ zijn op complementaire wijze concaaf gevormd. De cirkel (zie fig. 3) die de boogdelen, gedefinieerd door de afgeronde uiteinden van de rotor 10 bevat, ver-25 loopt concentrisch ten opzichte van de cirkel C^ van iets grotere diameter waarop de boogdelen gedefinieerd door de concave oppervlakken F.| tot en met F^ van de gesplitste poolstukken liggen, en deze cirkels verlopen coaxiaal met de centrale rotatieas van de rotor.

Ben kleine concentrische spleet wordt derhalve gevormd tussen de 30 gesplitste poolstukken van de stator en de gepolariseerde uiteinden van de permanent magnetische rotor.

Hond de brug 21 van de stator is een enkele veldspoel 22 aangebracht die aangesloten is op een bekrachtigingsstroombron 23.

De torsieveer 17 houdt de rotor 10 in een dusdanige neutrale posi-35 tie dat de longitudinale as X van de staafvormige rotor verloopt onder een rechte hoek ten opzichte van de as Z die loopt via een lijn midden tussen de gesplitste polen van elke statorpoolstuk, waarbij de rotatieas Y loodrecht staat zowel op de as X als op de as Z.

kO - De configuratie is zodanig dat de gesplitste polen 7906944 ^ -6- τ van het bovenste poolstuk in de neutrale positie_ van de rotor de afstand tussen de pooluiteinden N en S van de staafvorraige rotor aan één zijde daarvan overbruggen, en de gesplitste polen P^ -van het onderste poolstuk overbruggen op soortgelijke wijze de af-5 stand tussen de pooluiteinden N en S van de staafvormige rotor· aan de andere zijde daarvan. Zoals getoond is met de stippellijnen zullen de magnetische fluxlijnen uitgaande van de N en S pooluit-einden van de permanent magnetische rotor aan léxi zijde daarvan verlopen door de gesplitste polen P^ - P^ van het bovenste pool-10 stuk zodat eengesloten lus ontstaat terwijl de magnetische fluxlijnen vertegenwoordigd door uitgaande van de pooluiteinden aan de andere zijden van de rotor verlopen door de gesplitste polen P^ - P^ van het onderste poolstuk en eveneens een gesloten lus vormen zodat er gesloten werkzame magnetische circuits ontstaan.

15 Het verdient de voorkeur om gesplitste polen van een paar poolstukken toe te passen zodanig gerangschikt dat de afstand ertussen gelijk is aan of kleiner is dan de breedte van de permanent magnetische rotor. Daardoor wordt verzekerd dat.de rotormagneet 10 de in fig. 2 geïllustreerde centrale rustpositie aanneemt en dat de 20 magneet de werking van de terugkeerveer 17 niet zal voorspannen.

De keuze van het permanent magnetische materiaal is belangrijk en het verdient de voorkeur om een materiaal te gebruiken met hoge waarden voor de magnetische dichtheid en een hoge coërcitief-kracht, zoals bijvoorbeeld een zeldzaam aardmateriaal of een legering van 25 platina en kobalt.

Tijdens bedrijf loopt er een bekrachtigingsstroom vanuit de stroombron 25 in een bepaalde richting door de veldspoel 22 en worden de gesplitste polen P^ en P^ van het bovenste poolstuk gepolariseerd terwijl de gesplitste polen Pj en P^ van het onderste 50 poolstuk een tegengestelde polarisatie verkrijgen.

Er wordt verondersteld dat in fig. 5 de stroomrichting zodanig is dat de gesplitste polen P^ en P2 van het bovenste poolstuk een Noord-polarisatie verkrijgen terwijl de gesplitste polen P^ en P^ van het onderste poolstuk een Zuid-polarisatie verkrijgen. 55 Omdat, de gesplitste polen P^ en P^ aangrenzen aan de noord- (N) en zuid-(S) pooluiteinden van de permanent magnetische rotor 10 aan één zijde daarvan en de gesplitste polen P^ en P^ aangrenzend liggen aan deze pooluiteinden aan de andere zijde daarvan zal het pool-uiteinde N van de rotor worden aangetrokken door de pool P^ (s) en kO worden afgestoten door de pool P^ (N). Tegelijkertijd zal het pool- 7906944 -7- wf» uiteinde S van de rotor worden aangetrokken in de richting van de pool P2 (N) en worden afgestoten door de pool P^ (S).

Het resulterende magnetische krachtenkoppel levert een krachtig draaimoment op waardoor de rotor 10 in een richting tegen 5 de klokwijzers in gaat roteren zoals getoond is in fig. 3· Als de stroomrichting in de veldspoel wordt omgekeerd dan ontstaat er een omgekeerd krachtenkoppeld zoals geïllustreerd is in fig. k en als gevolg daarvan wórdt een draaimoment opgewekt waardoor de rotor in een richting met de wijzers van de klok mee gaat roteren.

10 Door dus een periodiek met hoge frequentie wisselende stroom toe te voeren aan de veldspoel kan de rotor in trilling geraken met dezelfde frequentie. Het door de stator-veldspoel opgewekte magnetische veld wordt geheel geconcentreerd in het gebied van de gesplitste poolstukken welke eveneens de flux van de perma-15 nente magneet geleiden. Deze configuratie resulteert in een veel hogere draaiboment/massa-verhouding dan bereikbaar is met conventionele galvanometerstrukturen.

In veel gevallen behoeft de motor van het galvanometer-type volgens de uitvinding niet te trillen maar moet andere bewe-20 gingen uitvoeren afhankelijk van de golfvorm van de ingangsstroora.

De rotor kan bijvoorbeeld bewegen op instruktie naar specifieke posities of in stappen met variabele amplitude bewegen. Op deze wijze wordt door middel van de beweging van een rotor met lage traagheid de golfvorm van het ingangssignaal gesimuleerd. Optische aftasters 25 worden dikwijls gebruikt voor het genereren van een zaagtandvormige beweging met snelle terugslag, en dit wordt mogelijk gemaakt met behulp van de rotor met lage traagheid volgens de uitvinding.

7906944

Claims (4)

1. Motor van het galvanometertype voor het aandrijven van een optisch element voor het afbuigen of op andere wijze moduleren van een stralingsenergievorm, welke motor een gunstige massa/draai- 5 moment-verhouding heeft en voorzien is van een permanent magnetische rotor ondersteund voor het uitvoeren van een rotatie rond een rotatieas, een stator van week magnetisch materiaal en middelen voor het toevoeren van een stroom aan een veldspoel op de stator teneinde de rotor dienovereenkomstig te doen bewegen» g e k e n-10 merkt door het feit dat de stator (11) voorzien is van een paar gesplitste poolstukken (P1, P2, P3* P*t·) verlopend van armen (19, 20) met elkaar gekoppeld door een brugelement (21) welke de kern van de veldspoel (22) vormt, waarbij de gesplitste poolstukken (P1, P2, P3, P^) zijn aangebracht aan beide zijden van de rotor 15 (10) waarvan de rotatieas gecentreerd is ten opzichte van de uit einden van de poolstukken (P1, P2, P3, P4) en middelen (17) voor het doen terugkeren van de rotor (10) naar een neutrale positie waarin de paren gesplitste poolstukken (P1, P2, P3» P*t·) zich telkens bevinden aan beide einden van de eindpolen van de rotor (1Q) 20 aan de betreffende zijde van deze rotor.

2. Motor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de rotor (10) bestaat uit een staafmagneet met afgeronde uiteinden volgens boogstralen die liggen op een cirkel, en de gesplitste polen van de poolstukken (P1,'P2, P3, P4) voorzien zijn 25 van concave oppervlakken (F1, F2, F3, F4) waarvan de boogcirkels liggen op een tweede cirkel met iets grotere diameter, welke cirkels coaxiaal verlopen ten opzichte van de rotor-rotatieas.

3. Motor volgens conclusie 1 of 2, met het.ken-merk, dat de stator (11) is gevormd uit opgestapelde plaatjes 30 van hoogpermeabel ijzer, dat een warmtebehandeling heeft ondergaan voor het bereiken van een minimale magnetische hysteresis, Motor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de permanent magnetische rotor (10) vervaardigd is uit een zeldzaam aardmetaal met hoge sterkte, 33 5· Motor volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de rotor (10) gemonteerd is op een as (12) ondersteund door lagers (13, 16a), waarbij één uiteinde van de as (12) is bevestigd aan een torsieveer (17) die dienst doet als terugkeermiddel. Xf0 6. Motor volgens één der voorgaande conclusies, met 7906944 % -9- het kenmerk, dat de aan de spoel {22) toegevoerde stroom wisselt met zeer hoge frequentie teneinde ervoor te zorgen dat de rotor (10) oscillert met dezelfde frequentie,

7. Motor volgens één der voorgaande conclusies, met 5 het kenmerk, dat de aan de spoel (22) toegevoerde stroom een zaagtandvorm heeft met een snelle terugslagtijd zodat de rotor (10) op soortgelijke wijze gaat bewegen en deze golfvorm simuleert, ****** % 7906944 «