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Die
Erfindung betrifft eine Schiebetür
mit einem magnetischen Trag- und/oder
Antriebssystem mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung
und einer Linear-Antriebseinheit mit mindestens einer Magnetreihe,
insbesondere für
eine automatische betriebene Tür.
Der Begriff der Magnetreihe umfasst auch längliche Einzelmagneten. Die
Magnetreihe kann ortsfest oder ortsveränderlich angeordnet sein.
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Aus
der
DE 40 16 948 A1 ist
eine Schiebetürführung bekannt,
bei der miteinander zusammenwirkende Magnete bei normaler Belastung
eine berührungsfreie
schwebende Führung
eines in einer Schiebeführung
gehaltenen Türflügels oder
dergleichen bewirken, wobei neben den stationär angeordneten Magneten der
Schiebeführung
ein Ständer
eines Linearmotors angeordnet ist, dessen Läufer an der Schiebetür angeordnet
ist. Durch die gewählte
V-förmige
Anordnung der Permanentmagnete der offenbarten permanent erregten
magnetischen Trageinrichtung kann keine seitlich stabile Führungsbahn
realisiert werden, weswegen eine relativ komplizierte Anordnung
und Ausgestaltung von Ständer
und Läufer
erforderlich ist. Diese Anordnung verteuert eine solche Schiebetürführung e-norm.
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Aus
der WO 00/50719 A1 ist ein kombiniertes Lager- und Antriebssystem
für eine
automatisch betriebene Tür
bekannt, bei der ein permanent erregtes magnetisches Tragsystem
symmetrisch aufgebaut ist und ortsfeste und ortsveränderbare
Magnetreihen aufweist, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind,
wobei sich das Tragsystem in einem labilen Gleichge wicht befindet,
und bei dem das Tragsystem symmetrisch angeordnete seitliche Führungselemente
aufweist, die rollenförmig
gelagert sein können.
Aufgrund der hierdurch erreichten seitlich stabilen Führungsbahn
ergibt sich eine einfache Ausgestaltung und Anordnung von Ständer und
Läufer
eines in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebrachten Linearmotors, nämlich
die Möglichkeit, Ständer und
Läufer
des Linearmotors in Bezug auf das Tragsystem beliebig anordnen zu
können
und hinsichtlich der Formgebung von Ständer und Läufer nicht durch das Tragsystem
beschränkt
zu sein.
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Diesen
beiden Lagersystemen gemeinsam ist, dass sie nach dem Prinzip der
abstoßenden
Kraftwirkung arbeiten, welches Wirkprinzip einen stabilen Schwebezustand
ohne aufwendige elektrische Regeleinrichtung ermöglicht. Nachteilig hieran ist
jedoch, dass sowohl mindestens eine ortsfeste als auch mindestens
eine ortsveränderbare
Magnetreihe vorhanden sein müssen,
d. h., über
den gesamten Weg der Schiebeführung bzw.
des Lagers der automatisch betriebenen Tür und an dem entlang dieser
Führung
beweglichen Tragschlitten für
die Tür
Magnete angeordnet sein müssen,
wodurch sich ein solches System, das sich aufgrund des Wegfalls
der mechanischen Reibung zum Tragen der Tür durch extreme Leichtgängigkeit
und geräuschlose Arbeitsweise
auszeichnet und nahezu verschleiß- und wartungsfrei ist, in
der Herstellung sehr teuer wird.
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Aus
der
DE 196 18 518
C1 ist weiter ein elektromagnetisches Antriebssystem für magnetische
Schwebe- und Tragsysteme bekannt, bei dem durch eine geeignete Anordnung
von Dauermagnet und ferromagnetischem Material ein stabiler Schwebe-
und Tragzustand erreicht wird. Hierzu versetzt der Dauermagnet das ferromagnetische
Material in den Zustand einer magnetischen Teilsättigung. Elektromagnete sind
so angeordnet, dass die Dauermagneten allein durch eine Änderung
der Sättigung
in der Tragschiene bewegt werden, und die Spulenkerne sind in die
dauermagnetische Teilsättigung,
die zum Schwebe- und Tragezustand führt, mit einbezogen.
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Weiter
zeigt die WO 94/13055 einen Ständerantrieb
für einen
elektrischen Linearantrieb und eine mit einem solchen Ständer versehene
Tür, die
mittels Magneten im Türsturz
eines Rahmens aufgehängt
ist. Hierfür
sind an der Türfüllung mehrere
Magnete oder Magnetgruppen angeordnet, deren magnetische Feldstärke so groß ist, dass
eine Anziehungskraft zu einer Führungsplatte
erreicht wird, die an der Unterseite des Türsturzes angeordnet ist, wobei
die Anziehungskraft ausreicht, um das Gewicht der Türfüllung anzuheben.
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Bei
allen diesen Systemen müssen
aufgrund der gewählten
Anordnungen der magnetischen Lagerung und/oder des magnetischen
Antriebes zum Anfahren größere Kräfte überwunden
werden, als aufgebracht werden müssen,
um die sich bewegende Tür
weiterzubewegen, und es besteht über
den Verfahrweg eine "Welligkeit" der zum Verfahren
benötigten
Kraft.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schiebetür mit einem
kombinierten magnetischen Trag- und/oder Antriebssystem mit einer
permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit
für mindestens
einen Türflügel mit
mindestens einer Magnetreihe so weiterzuentwickeln, dass die zuvor
genannten Vorteile bei geringen Herstellungskosten bestehen bleiben
und insbesondere die Leichtgängigkeit
verbessert wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruches
1 sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Schiebetür, mit einem
magnetischen Trag- und/oder Antriebssystem für mindestens einen Türflügel, weist
eine rastkraftreduzierte Linear-Antriebseinheit, die mindestens
eine in Antriebsrichtung angeordnete Reihe von weich- oder hartmagnetischen
Elementen und mindestens eine aus mehreren Einzelspulen bestehende
Spulenanordnung aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der
Einzelspulen eine Wechselwirkung mit der mindestens einen Reihe
von weich- oder hartmagnetischen Elementen bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft,
und/oder eine permanent erregte magnetische Trageinrichtung auf,
die mindestens eine rastkraftreduzierte Magnetreihe, mindestens
ein Anziehen der Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens
einen Magnetreihe stehendes weich- oder hartmagnetisches Tragelement
mit einem Führungselement
aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der
mindestens einen Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet,
wobei die mindestens eine Magnetreihe aus der mindestens einen in
Antriebsrichtung angeordneten Reihe von hartmagnetischen Elementen
gebildet sein kann. Dieses erfindungsgemäße magnetische Trag- und/oder
Antriebssystem weist gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass die Linear-Antriebseinheit
und/oder die Magnetreihe der magnetischen Trageinrichtung rastkraftreduziert ist.
Bei einer solchen Kombination kann durch eine Rastkraftreduzierung
der Magnetreihe sowohl die permanent erregte magnetische Trageinrichtung
als auch die Linear-Antriebseinheit rastkraftreduziert sein, wenn
die permanent erregte magnetische Trageinrichtung und die Linear-Antriebseinheit
integriert gebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung
der Rastkraft wird sowohl das Anfahren erleichtert als auch eine "Welligkeit" der zum Bewegen
der Trageinrichtung benötigten
Kraft vermindert.
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Hierzu
sind nach der Erfindung die weich- oder hartmagnetischen Elemente
vorzugsweise geschrägt. Alternativ
oder zusätzlich
können
die weich- oder
hartmagnetischen Elemente nach der Erfindung vorzugsweise eine Fase
oder eine gewölbte
Oberfläche
aufweisen. Durch diese physischen Ausgestaltungen der weich- oder
hartmagnetischen Elemente sind die Übergänge zwischen den jeweiligen
erzeugten Magnetfeldern bzw. zwischen den in diese eingeführten Elementen
und der umgebenden Luft kontinuierlicher gestaltet, da das jeweilige
Element an den Kanten weniger Material aufweist.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die weich- oder hartmagnetischen Elemente nach der Erfindung Mehrpolmagnete
mit vier oder mehr magnetischen Polen sein und/oder eine ungleichförmige Magnetisierung mit
einer Abschwächung
zu den Kanten aufweisen. Auch durch diese Ausgestaltungen werden
gemäß der zuvor
angesprochenen Abänderung
der Abmessungen der weich- oder hartmagnetischen Elemente kontinuierlichere Übergänge zwischen
einem jeweiligen Element und der dieses umgebenden Luft erzeugt.
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Als
weitere Alternative oder zusätzliche
Ausgestaltung zur Reduzierung der Rastkraft können mindestens zwei in Antriebsrichtung
angeordnete Reihen von weich- oder hartmagnetischen Elementen vorhanden sein,
die in Antriebsrichtung relativ zueinander verschoben sind. Hierdurch
wird insbesondere die durch die Verwendung von beabstandeten Einzelelementen
erzeugte "Welligkeit" der benötigten Kraft
zum Verschieben eines mit dem erfindungsgemäßen Trag- und/oder Antriebssystem
gelagerten Tragschlittens vermindert, wodurch ebenfalls der Effekt
von geringeren Rastkräften
erreicht wird.
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Ein ähnlicher
Effekt tritt auch bei der weiter alternativ oder zusätzlichen
erfindungsgemäßen Möglichkeit
auf, die weich- oder hartmagnetischen Elemente in Antriebsrichtung
ungleichmäßig voneinander
zu beabstanden.
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Alternativ
zu diesen Ausgestaltungen der weich- oder hartmagnetischen Elemente
können
nach der Erfindung auch ringförmige
oder seitliche Polschuhe an den Einzelschuhen vorgesehen werden,
die von den Einzelschuhen jeweils erzeugte elektromagnetische Felder
zu denen in einer Reihe angeordneten weich- oder hartmagnetischen
Elementen leiten, wobei eine zu den in einer Reihe angeordneten
weich- oder hartmagnetischen Elementen gerichtete Fläche der
Polschuhe gewölbt
oder mit einer Fase versehen ist.
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Es
kann alternativ oder zusätzlich
nach der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Einzelspulen Spulenkerne
aufweisen, wobei eine zu den in einer Reihe angeordneten weich-
oder hartmagnetischen Elementen gerichteten Fläche der Spulenkerne gewölbt oder
mit einer Fase versehen ist.
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Weiter
alternativ oder zusätzlich
können
zur Reduzierung der Rastkraft auch an zu den in einer Reihe angeordneten
weich- oder hartmagnetischen Elementen gerichteten Flächen der
Einzelspulen Flussleitstücke angebracht
werden, welche diese Flächen
verändern
bzw. vergrößern. Diese
Flussleitstücke
können
vorzugsweise geschrägt,
gerundet, gebogen oder mit einer Fase versehen sein.
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Auch
durch diese zuvor beschriebenen Maßnahmen, die durch die Einzelspulen
erzeugten Magnetfelder durch leichte Modifikationen der vorgegebenen
Spulenkerne in den Randbereichen abzuschwächen, wird die durch diese
erzeugte Rastkraft reduziert, wie auch die Rastkraft der Reihe hartmagnetischer
Elemente auf diese Spulenkerne, da diese an ihren Übergängen zu
der umgebenden Luft weniger Material aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann die
Rastkraft auch durch besondere Verhältnisse von Spulen zu Magneten vermindert
werden. Insbesondere ist es nach der Erfindung vorzuziehen, dass
auf einer gesamten Breite von x-Einzelspulen eine Anordnung mit
n-elektrischen Phasen y-Magnete mit p-magnetischen Polen gleichmäßig verteilt
sind, wobei gilt: n = x = 3 und p = y = 4 oder n = x = 5 und p =
y = 4, oder n = x = 5 und p = y = 6, oder n = x = 5 und p = y =
8, oder n = x = 6 und p = y = 4, oder n = x = 8 und p = y = 10.
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Weiter
alternativ oder zusätzlich
kann auch die Querschnittsfläche
der Spulenkerne der Einzelspulen besonders ausgestaltet sein, um
die Rastkraft zu reduzieren. Insbesondere können die Spulenkerne vorzugsweise
eine runde Querschnittsfläche
aufweisen, oder einen Durchmesser der Spulenkerne größer als
eine Höhe
der Elemente der mindestens einen in Antriebsrichtung angeordneten
Reihe von weich- oder hartmagnetischen Elementen ist. Alternativ
oder zusätzlich
können
die Spulenkerne eine rechteckige oder quadratische Querschnittsfläche aufweisen,
die vorzugsweise an den Kanten mit einer Rundung oder Fase versehen ist.
Weiter alternativ oder zusätzlich
können
die Einzelspulen Spulenkerne mit einer Querschnittsfläche aufweisen,
die aus einer rechteckigen, insbesondere quadratischen, Fläche und
zwei Halbkreise bzw. Rundungen zusammengesetzt sind. Auch können die
Einzelspulen nach der Erfindung Spulenkerne mit einer ovalen oder oval-ähnlichen
Querschnittsfläche
aufweisen, um die Rastkraft zu reduzieren.
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Das
erfindungsgemäß verwendete
magnetische Tragsystem oder kombinierte magnetische Trag- und Antriebssystem
mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung weist
gegenüber
dem beschriebenen Stand der Technik den Vorteil auf, dass das Tragelement
aufgrund der ausgenutzten anziehenden Kraftwirkung nicht notwendigerweise
hartmagnetisch sein muss. Da weiter ein Führungselement vorgesehen ist, wel ches
einen Abstand zwischen der mindestens einen Magnetreihe und dem
Tragelement gewährleistet, braucht
trotz Ausnutzung eines instabilen Gleichgewichtszustandes keine
elektrische oder elektronische Regeleinrichtung vorgesehen zu werden.
Weiter werden durch die Nutzung der mindestens einen Magnetreihe sowohl
zum Tragen als auch zum Vortrieb die Herstellungskosten gesenkt
und der benötigte
Bauraum verringert.
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Bei
dem erfindungsgemäß verwendeten
kombinierten magnetischen Trag- und/oder
Antriebssystem ist vorzugsweise die mindestens eine Magnetreihe
quer zur Tragrichtung und zur Antriebsrichtung magnetisiert, in
der ein von der Trageinrichtung getragenes Element, z. B. ein Schiebetürelement,
verfahren werden kann. Bei dieser vorzugsweisen Anordnung der Magnetisierung
der mindestens einen Magnetreihe quer zur Tragrichtung ergibt sich
eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung des Führungselementes,
da dieses in diesem Fall unabhängig
von einer Kraft geplant und ausgeführt werden kann, die von der
Trageinrichtung erzeugt werden muss, um das getragene Element in
einem Schwebezustand zu halten. Weiter ist auch eine einfache Ausführung der
Linear-Antriebseinheit möglich,
da diese ebenfalls unabhängig
von der von der Trageinrichtung zu erzeugenden Kraft geplant und
ausgeführt
werden kann.
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Erfindungsgemäß besteht
die mindestens eine Magnetreihe vorzugsweise aus einzelnen Dauermagneten,
da so durch die Aneinanderreihung einzelner kleinerer Magnete bei
der Materialbeschaffung und damit im Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Trageinrichtung
Kosten gespart werden können.
Weiter können
aufgrund dieser Ausgestaltung leichter Toleranzen ausgeglichen und
magnetische Eigenschaften besser ausgenutzt werden. Anstelle einer
Reihe von Magneten kann auch ein Einzelmagnet eingesetzt werden,
wodurch das relativ schwierige Montieren der Vielzahl von Einzelmagneten
entfällt.
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Nach
der Erfindung wechselt vorzugsweise die Magnetisierung der mindestens
einen Magnetreihe in einer Längsrichtung
der mindestens einen Magnetreihe in bestimmten Abständen das
Vorzeichen. Dieses Merkmal, das besonders einfach bei einer aus
einzelnen Dauermagneten bestehenden Magnetreihe verwirklicht werden
kann, bewirkt eine bessere magnetische Wirkung, da zusammen mit
der Trageinrichtung ein magnetischer Feldschluss der einzelnen Magnetisierungsbereiche,
d. h. zwischen den einzelnen Dauermagneten, erzeugt wird. Weiter
kann die Magnetreihe auf diese Weise in besonders einfacher Weise
in das erfindungsgemäße magnetische
Antriebssystem integriert werden, d. h. als Reihe von hartmagnetischen
Elementen dienen, mit denen die Einzelspulen bei entsprechender
Ansteuerung eine Wechselwirkung bewirken, die Vorschubkräfte hervorruft.
Weiter wird durch dieses Merkmal erreicht, dass das den spaltförmigen Abstand
gewährleistende
Führungselement
auch bei Toleranzen des beidseitig wirkenden Tragelements keine
großen Kräfte aufnehmen
muss, da sich die zwischen der mindestens einen Magnetreihe und
dem Tragelement in Magnetisierungsrichtung wirkenden Kräfte bestenfalls
aufheben. Dieser Effekt wird mit einer steigenden Anzahl abwechselnder
Polarisierungen stärker
unterstützt,
da damit sowohl Toleranzen in den Feldstärken einzelner Polarisierungsbereiche
besser ausgeglichen werden, als auch eine solche Überlagerung
der von den einzelnen Polarisierungsbereichen jeweils erzeugten
Kräften
erfolgt, dass ein Feld erzeugt wird, welches dem Aufbau von Querkräften entgegenwirkt.
Mindestens sollten drei aufeinander folgende Polarisierungsbereiche
vorgesehen sein, damit eine bei lediglich zwei Polarisierungsbereichen
der Magnetreihe mögliche
Verkantung der Magnetreihe nicht eintritt, die bereits große Querkräfte erzeugen
kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen magnetischen
Trag- und Antriebssystem ist vorzugsweise das Tragelement oder Teile
davon durch die in bestimmten Abständen unterbrochene Reihe von
weichmagnetischen Elementen ausgebildet. Hierdurch findet eine Integration
des magnetischen Tragsystemes mit dem erfindungsgemäßen magnetischen
Antriebssystem statt, wodurch eine Reduzierung des benötigten Bauraumes
erfolgt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen kombinierten
magnetischen Trag- und Antriebssystems weist das Tragelement vorzugsweise
mindestens eine Tragschiene auf, die mit einem ersten bestimmten
Abstand zu einer Seite einer der mindestens einen Magnetreihe angeordnet
ist, wobei die Spulenanordnung in einem zweiten bestimmten Abstand
zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite
der Magnetreihe angeordnet ist. Eine solche getrennte Zuordnung
der beiden Hauptfunktionen "Vorschub
erzeugen" und "magnetisch lagern" zu den sich gegenüberliegenden
Polflächen
der Magnete der Magnetreihe bewirkt trotz einer Integration dieser
Funktionen in die eine Magnetreihe eine weitgehende Funktionstrennung,
die eine Optimierung der Systemparameter dieser Hauptfunktionen
zulässt.
Weiter kann eine Kompensation von Querkräften erfolgen, indem die Tragprofile
und/oder Spulenkerne oder Polschuhe der Einzelspulen der Spulenanordnung
bzw. die Luftspalte so gestaltet werden, dass die an den Magneten
der Magnetreihe angreifenden, resultierenden magnetischen Querkräfte möglichst
klein sind oder sich aufheben. Durch die Anordnung der Antriebsspulen
der Spulenanordnung auf der einen Seite der mindestens einen Dauermagnetreihe
und des vorzugsweise weichmagnetischen Tragelementes auf der anderen
Seite der mindestens einen Dauermagnetreihe kann das Tragprofil
weiter die Aufgaben des magnetischen Schlusses der Spulen-Magnetfelder
sowie die Erzeugung von Tragkräften,
die das Gewicht der Traglast, z. B. eines Türflügels, teilweise oder vollständig aufnehmen, übernehmen.
Bei einer teilweisen Aufnahme des Gewichtes der Traglast durch das
Tragelement kann die Restlast z. B. von den Spulenkernen oder Polschuhen
der Einzelspulen der Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit
oder von einer weiteren magnetischen der mechanischen Trageinrichtung
getragen werden.
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Hierfür kann das
Tragelement auch vorzugsweise zwei Tragschienen aufweisen, von denen
die eine mit einem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite einer
mindestens einen Magnetreihe angeordnet ist, und die andere mit
dem gleichen bestimmten Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe
gegenüberliegenden
zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der
mindestens einen Magnetreihe angeordnet ist.
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Alternativ
kann das Tragelement hierfür
vorzugsweise eine U-förmige
Tragschiene mit einem Bodenbereich und zwei Seitenbereichen aufweisen,
wobei der Bodenbereich die beiden Seitenbereiche verbindet und wenigstens
eine Magnetreihe der mindestens einen Magnetreihe wenigstens teilweise
so innerhalb der U-förmigen
Tragschiene geführt
wird, dass wenigstens Teile einer Innenfläche des einen Seitenbereiches
mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite der Magnetreihe
angeordnet sind und wenigstens Teile einer Innenfläche des
anderen Seitenbereiches mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten
spaltförmigen Abstand
zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite
der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen
Magnetreihe angeordnet sind.
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Vorzugsweise
wird der Abstand zwischen Magnetreihe und Tragelement so klein wie
möglich
gehalten.
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Nach
der Erfindung sind das in der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen
Trageinrichtung verwendete mindestens eine Tragelement vorzugsweise
ortsfest und die mindestens eine Magnetreihe ortsveränderlich
angeordnet, d. h. im Fall einer Schiebetür ist diese an der mindestens
ei nen Magnetreihe aufgehängt, wohingegen
das mindestens eine Tragelement eine Führung für das Türelement oder die Türelemente
einer mehrflügeligen
Schiebetür
bildet. Natürlich
ist auch die Ausgestaltung des mindestens einen Tragelementes ortsveränderlich
und der mindestens einen Magnetreihe ortsfest, wie auch eine Kombination
dieser beiden Varianten möglich.
Die Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit ist natürlich immer
zusammen mit dem Tragelement der Trageinrichtung ortsfest bzw. ortsveränderlich
angeordnet. Hierdurch entstehen bei einem geringen Bewegungsweg,
wie er normalerweise bei dem Antrieb von Türflügeln vorliegt, keine übermäßigen erhöhten Kosten,
aber der Läufer
und damit das gesamtbewegliche Element des erfindungsgemäßen Antriebssystemes
oder kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes kann passiv
ausgelegt werden.
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Das
mindestens eine Tragelement ist nach der Erfindung vorzugsweise
weichmagnetisch, wodurch besonders niedrige Kosten hinsichtlich
dieses Elementes erreicht werden.
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Das
Führungselement
umfasst nach der Erfindung vorzugsweise Rollen, Wälz- und/oder
Gleitkörper.
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Nach
der Erfindung besteht die mindestens eine Magnetreihe vorzugsweise
aus einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenenerden-Hochleistungsmagneten,
weiter vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor
(NeFeB) bzw. Samarium-Cobalt (Sm2Co) oder
kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffen. Durch die Verwendung von
solchen Hochleistungsmagneten lassen sich wegen der höheren Remanenzinduktion
wesentlich höhere
Kraftdichten erzeugen als mit Ferrit-Magneten. Demzufolge lässt sich
das Magnetsystem bei gegebener Tragkraft mit Hochleistungsmagneten
geometrisch klein und damit platzsparend aufbauen.
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Die
gegenüber
Ferrit-Magneten höheren
Materialkosten der Hochleistungsmagnete werden durch das vergleichsweise
geringe Magnetvolumen zumindest kompensiert.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem
oder kombinierte Trag- und Antriebssystem wird zum Antrieb mindestens
eines Türflügels einer
Schiebetür
eingesetzt, die vorzugsweise als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet
ist. Es kann neben diesem Einsatz auch zum Antrieb von Torflügeln oder
in Zuführeinrichtungen,
Handlingseinrichtungen oder Transportsystemen eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1: Einen Querschnitt einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten
magnetischen Trageinrichtung in verschiedenen Belastungszuständen,
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2:
die Tragkraftkennlinie der magnetischen Trageinrichtung nach der
in 1 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsform,
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3:
den Querkraftverlauf der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
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4:
eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der magnetischen Trageinrichtung
nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsform,
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5: eine perspektivische Ansicht einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
eines Teiles des erfindungsgemäßen kombinierten
Trag- und Antriebssystemes mit drei quer zur Fahrtrichtung ausgerichteten
Spulen und U-förmiger
Blechhalterung sowie drei Kontaktierungs- und Befestigungsstiften
ohne und mit U-förmigem
Tragschienenelement,
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6:
eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der ersten bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen kombinierten
Trag- und Antriebssystemes,
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7:
eine elektrische Verschaltung der Spulen der Linear-Antriebseinheit des
in 6 gezeigten kombinierten Trag- und Antriebssystemes,
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8:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer ersten Möglichkeit
des Spannungsverlaufs an den wie in 7 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
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9:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer zweiten Möglichkeit
des Spannungsverlaufes an den wie in 7 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des ertindungsgemäßen Antriebssystemes,
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10:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer dritten Möglichkeit
des Spannungsverlaufs an den wie in 7 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
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11:
eine perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
eines Teiles des erfindungsgemäßen kombinierten
Trag- und Antriebssystemes mit drei in Fahrtrichtung ausgerichteten
Spulen, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind, wobei der
Kern und die gezeigten quadratischen Polschuhe ein kompaktes Drehteil
sein können,
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12:
in Reihe angeordnete Spulen gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
mit fluchtenden Achsen, denen einseitig Magnete gegenüber stehen,
oder an deren beiden Seiten Flussleitstücke angeordnet sind,
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13:
eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der zweiten bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen kombinierten
Antriebssystemes,
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14:
Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Polschuhe,
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15:
Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Einzelmagnete
der Magnetreihe(n),
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16:
weitere Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Einzelmagnete der
Magnetreihe(n),
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17:
eine weitere Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform erfindungsgemäßer Polschuhe und
eine Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform erfindungsgemäßer Spulenkerne,
und
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18:
eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen aus
einem Magneten bestehenden Magnetreihe.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten magnetischen Trageinrichtung im Querschnitt. Zur Erläuterung
ist ein Koordinatensystem eingezeichnet, bei dem eine x-Richtung
eine Fahrtrichtung eines an der erfindungsgemäßen Trageinrichtung aufgehängten Türflügels 5 darstellt.
Die Richtung der auf die magnetische Trageinrichtung wirkenden Querkräfte ist
die y-Richtung und die durch das Gewicht der aufgehängten Türflügel 5 bedingte
vertikale Magnetauslenkung nach unten ist in z-Richtung eingezeichnet.
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Eine
an einem Tragschlitten 4 befestigte Magnetreihe 1 wird
durch ein an dem Tragschlitten 4 vorgesehenes mechanisches
Führungselement 3,
das mit einem Gehäuse 6 der
Trageinrichtung zusammenwirkt, in horizontaler Richtung zentriert
zwischen weichmagnetischen Tragschienen 2a, 2b,
die das Tragelement 2 bilden, zwangsgeführt, während sie in vertikaler Richtung
und in Fahrtrichtung (x) des Türflügels 5 frei
verschiebbar ist. Durch die so erzwungene Symmetrie heben sich die
in y-Richtung an den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d angreifenden
Querkräfte
weitgehend auf. In vertikaler Richtung (z-Richtung) nehmen die Magnete 1a, 1b, 1c, 1d nur
im lastfreien Zustand, also ohne an dem Tragschlitten 4 befestigte
Last, wie in der 1a) gezeigt, eine symmetrische
Lage ein.
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Bei
Belastung der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d mit
einer Gewichtskraft Fg, z. B. durch den
an dem Tragschlitten 4 befestigten Türflügel 5, werden diese
in vertikaler Richtung aus der in 1a) gezeigten
symmetrischen Lage über
einen in 1b) gezeigten Zwischenzustand
in eine in 1c) gezeigte Gleichgewichtslage
bewegt, die durch die zu tragende Gewichtskraft Fg und
eine magnetische Rückstellkraft
zwischen den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe 1 und den Tragschienen 2a, 2b des
Tragelementes 2, im Folgenden auch als Tragkraft F(z) bezeichnet,
bestimmt ist. Die Ursache dieser Rückstellkraft sind die zwischen
den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe 1 und den Tragschienen 2a, 2b wirkenden
magnetischen Anziehungskräfte,
wobei nur der Teil der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d,
der zwischen den Tragschienen 2a, 2b nach unten
heraustritt, zu dieser magnetischen Tragkraft beiträgt. Da dieser
Teil mit größer werdender
vertikaler Auslenkung zunimmt, steigt die magnetische Tragkraft
dem Betrag nach kontinuierlich mit der Auslenkung an.
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2 zeigt
die Abhängigkeit
zwischen der vertikalen Auslenkung der Magnetreihe 1 und
der magnetischen Tragkraft in einer Kennlinie, d. h. die Tragkraftkennlinie
der Trageinrichtung gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform. Auf der Abszisse
ist die vertikale Auslenkung z nach unten, z. B. in mm, und auf
der Ordinate die korrespondierende erzeugte magnetische Tragkraft
F(z), z. B. in Newton, angegeben. Der Verlauf der Tragkraftkennlinie
ist durch einen oberen und einen unteren Abrisspunkt gekennzeichnet,
die jeweils erreicht werden, wenn die Magnete zwischen den Tragschienen
nach oben bzw. nach unten vollständig
heraustreten, wie es für
den Fall nach unten in 1e) gezeigt
ist. Wird diese kritische Auslenkung kraftbedingt überschritten,
so schwächen
sich die Rückstellkräfte durch
den zunehmenden Abstand zu den Tragschienen 2a, 2b ab,
wodurch in diesen Bereichen kein stabiler Gleichgewichtszustand
zwi schen der Tragkraft F(z) und der durch die Last bedingten Gewichtskraft
Fg erreicht werden kann.
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In
der Praxis kann ein solches Abreißen der Tragkraft F(z) durch
die Gewichtskraft Fg der Türflügelmasse
durch eine mechanische Begrenzung der möglichen Auslenkung der Magnetreihe 1 zuverlässig verhindert
werden, wie sie beispielhaft in 1d) gezeigt
ist. Hier umfasst das die Tragschienen 2a, 2b aufnehmende
und eine horizontale Führung
für das
Führungselement 3 bietende
Gehäuse 6 gleichzeitig
zwei jeweils an seinen unteren Enden angeordnete Vorsprünge 6a, 6b,
die eine mechanische Begrenzung der möglichen Auslenkung des Tragschlittens 4 und
somit der an diesem starr befestigten Magnetreihe 1 in
z-Richtung sind.
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Zwischen
dem oberen Abrisspunkt und dem unteren Abrisspunkt verläuft die
Tragkraftkennlinie nahezu linear, wobei bei einer positiven Auslenkung
der Magnetreihe 1, d. h. einer Auslenkung nach unten, die durch
den am Tragschlitten 4 befestigten Türflügel 5 erfolgt, von
dem Ursprung des Koordinatensystemes zwischen vertikaler Auslenkung
z der Magnetreihe 1 und magnetischer Tragkraft F(z) bis
zu dem unteren Abrisspunkt auf der Tragkraftkennlinie Betriebspunkte
mit negativer Steigung durchfahren werden, in denen sich eine jeweilige
stabile Lage der Magnetreihe 1 zwischen den Tragschienen 2a, 2b,
bedingt durch die auf die Magnetreihe 1 wirkende Gewichtskraft
Fg und der betragsgleichen, in entgegengesetzte
Richtung wirkende magnetische Tragkraft F(z) einstellen kann.
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Bei
strenger Symmetrie der beschriebenen magnetischen Trageinrichtung
um die vertikale Mittelachse (z-Achse), die sowohl von der Anordnung
der Trageinrichtung als auch dem mechanischen Führungselement 3 abhängt, heben
sich die horizontalen Magnetkraft-Komponenten in Querrichtung, d.
h. in y-Richtung, vollständig
auf. Verlässt
die Magnetreihe 1 toleranzbe dingt diese exakte Mittellage,
so stellt sich aufgrund unterschiedlich starker Anziehungskräfte zu den
beiden Tragschienen 2a, 2b eine auf die Magnetreihe 1 wirkende
Querkraft F(y) ein.
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Die 3 zeigt
für eine
Spaltbreite von z. B. –1
mm bis +1 mm einen Querkraftverlauf F(y) in Abhängigkeit von einer seitlichen
Verschiebung y der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d,
der über
den ganzen Verlauf eine positive Steigung hat. Das bedeutet, dass
im Null-Punkt des Koordinatensystems, der zur Mittellage der Magnetreihe 1 zwischen
den Tragschienen 2a, 2b korrespondiert, ein instabiles
Kräftegleichgewicht
vorliegt. In allen anderen Punkten des Koordinatensystems herrscht
eine resultierende Querkraft F(y).
-
Da
in der Mittellage nur ein instabiles Kräftegleichgewicht vorliegt,
muss das Führungselement 3 eine präzise mechanische
Lagerung bieten, die die Magnetreihe 1 während der
Fahrbewegung der Magnetreihe 1 in Bewegungsrichtung, d.
h. in x-Richtung, exakt mittig zwischen den Tragschienen 2a, 2b führt. Je
genauer diese Zentrierung realisiert werden kann, umso geringer
sind die resultierende Querkraft F(y) und hiermit verbundene Reibungskräfte der
mechanischen Lagerung.
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Um
die Trageigenschaften zu optimieren, sollte die Magnetbreite, d.
h. die Abmessungen der Magnetreihe 1 bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in
y-Richtung, möglichst
groß sein,
denn eine große Magnetbreite
bewirkt eine große
Feldstärke,
die zu großen
Tragkräften
führt.
Die Magnethöhe,
also die Abmessungen der Magnetreihe bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in
z-Richtung, sollte möglichst klein
sein, denn kleine Magnethöhen
erhöhen
die Steifigkeit des Tragkraftfeldes durch Bündelung des Feldes.
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Die
Höhe der
Tragschienen 2a, 2b sollte möglichst klein sein, günstig ist
eine Tragschienenhöhe
kleiner 1/2 der Magnethöhe,
denn die Feldlinien der Dauermagnete werden gebündelt und hierdurch die Steifigkeit des
magnetischen Tragsystems erhöht.
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Die
Anordnung sollte so gewählt
werden, dass die weichmagnetischen Tragschienen 2a, 2b im
Gleichgewichtszustand, in dem die magnetische Tragkraft F(z) betragsgleich
der durch Belastung der Magnetreihe 1 mit dem Türflügel 5 hervorgerufenen
Gewichtskraft Fg ist, vertikal unsymmetrisch
um die Magnetreihe 1 liegen und die Magnetreihe 1 sollte
möglichst
kontinuierlich sein, um Rastkräfte
in Bewegungsrichtung, d. h. in x-Richtung, zu vermeiden.
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In 4 ist
eine Schnittdarstellung einer Aufsicht der in 1a nach
einer Schnittlinie A-A gezeigten Trageinrichtung nach der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Magnetreihe 1 aus
Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d besteht,
die mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den beiden
seitlich angeordneten Tragschienen 2a, 2b angeordnet
sind, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen. In dieser
Ausführungsform,
in der die Tragschienen 2a, 2b den feststehenden Teil
der erfindungsgemäßen Trageinrichtung
bilden, sind die Einzelmagnete 1a, 1b, 1c, 1d zur
Bildung der Magnetreihe 1 an dem beweglichen Tragschlitten 4 befestigt
und können
zwischen den Schienen 2a, 2b in x- und z-Richtung
verschoben werden. Bei einer vertikalen Verschiebung, d. h. einer
Verschiebung in z-Richtung, um einen kleinen Weg, ca. 3–5 mm, aus
der Null-Lage, d. h. der geometrischen Symmetrielage, ergibt sich,
bedingt durch die Verwendung äußerst starker
Dauermagnete, z. B. aus Nd-Fe-B, eine erhebliche Rückstellkraft, die
zum Tragen eines Schiebetürflügels 5 mit
einem Gewicht von ca. 80 kg/m geeignet ist. In der in 4 gezeigten
Anordnung, bei der die Dau ermagnete 1a, 1b, 1c, 1d mit
abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den beiden Tragschienen 2a, 2b angeordnet
sind, wirkt sich der Feldschluss durch die Tragschienen 2a, 2b bei
wechselseitiger Magnetisierungsrichtung der nebeneinander angeordneten
Magnete positiv verstärkend
aus.
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Die 5 zeigt ein Antriebssegment einer ersten
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Antriebssegmentes
in einer perspektivischen Darstellung. Hier besteht ein als Statormodul
oder Läufermodul
zu verwendendes erfindungsgemäßes Spulenmodul
aus drei quer zur Fahrtrichtung ausgerichteten Spulen 7 mit
Spulenkernen 12, in einer U-förmigen Blechhalterung 21 angeordnet
sind, aus der drei Kontaktierungs- und Befestigungsstifte 22 elektrisch
isoliert herausragen. Über
diese Kontaktierungs- und Befestigungsstifte 22 kann das
Spulenmodul sowohl befestigt, als auch durch Bestromung der Einzelspulen
angesteuert werden. Als gemeinsame Masse kann z. B. die U-förmige Blechhalterung
dienen, in der die Spulen 7 z. B. mittels Widerstandspunktschweißen, Nieten
oder Verstemmen befestigt sind. Dieses in 5a) gezeigte erfindungsgemäße Spulenmodul
ist in 5b) in eine prinzipiell U-förmige Tragschiene 2d eingesetzt
gezeigt, wobei die Kontaktierungs- und Befestigungsstifte 22 durch
deren Bodenbereich 26 hervorstehen und zwischen die Spulenkerne 12 haltenden
Seitenwänden 27 der
U-förmigen
Blechhalterung 21 und Seitenwänden 28 der U-förmigen Tragschiene 2d jeweils
ein Luftspalt besteht, in dem jeweils eine Magnetreihe geführt werden
kann, die mit der Tragschiene 2d und den Spulen 7 der
Spulenanordnung in Wechselwirkung steht, um in dem Luftspalt gehalten
und in Fahrtrichtung bewegt zu werden.
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Die 6 zeigt
zwei Antriebssegmente der ersten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
hier als kombinier tes magnetisches Trag- und Antriebssystem, in
einer geschnittenen Aufsicht, bei der der erfindungsgemäß verwendete
magnetische Linearantrieb auf die Magnetreihen 1e, 1f wirkt,
die an einem nicht gezeigten Tragschlitten 4 befestigt
sind. Die beiden Magnetreihen 1e, 1f weisen jeweils
abwechselnd polarisierte Einzelmagnete auf, wobei die Polaritäten der
in Querrichtung versetzt angeordneten Einzelmagnete der beiden Magnetreihen 1e, 1f gleichgerichtet
sind. Zwischen den Magnetreihen 1e, 1f sind Spulen 7 so
angeordnet, dass sich der jeweilige Spulenkern 12 in Querrichtung,
d. h. y-Richtung, erstreckt. Auf der den Spulen 7 mit Spulenkernen 12 abgewandten
Seite der Magnetreihe 1 befindet sich jeweils ein Seitenbereich
der Tragschiene 2d.
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Um
einen kontinuierlichen Vorschub der Magnetreihe 1 zu gewährleisten,
sind die Stator-Spulen 7 mit ihren jeweiligen Spulenkernen 12 in
unterschiedlichen relativen Positionen zum Raster der Dauermagnete
angeordnet. Je mehr unterschiedliche Relativpositionen ausgebildet
werden, umso gleichmäßiger lässt sich
die Schubkraft über
den Verfahrweg realisieren. Da andererseits jede Relativposition
einer elektrischen Phase eines für
den Linearantrieb benötigten,
Ansteuersystemes zuzuordnen ist, sollten möglichst wenig elektrische Phasen
zum Einsatz kommen. Aufgrund des zur Verfügung stehenden dreiphasigen
Drehstromnetzes ist ein dreiphasiges System, wie es beispielhaft
in 7 gezeigt ist, sehr kostengünstig aufzubauen.
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Hierbei
besteht ein jeweiliges Antriebssegment und somit ein Spulenmodul
der Linear-Antriebseinheit aus drei Spulen 7a, 7b, 7c die
eine Ausdehnung von drei Längeneinheiten
in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, aufweisen, wobei also zwischen
den Mittelpunkten benachbarter Spulenkerne 12 ein Raster
RS = 1 Längeneinheit
liegt. Die Länge
eines Magneten der Magnetreihe 1 in Antriebsrichtung und
die Länge
der zwischen den Ein zelmagneten der Magnetreihe 1 liegenden
Lücke ist
hier so gewählt,
dass Länge
eines Magneten LMagnet + Länge einer
Lücke LLücke =
Magnetraster RM = 3/4 Längeneinheit (= 3/4 RS).
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7 zeigt
die Verschaltung der Spulen der in 6 gezeigten
beiden Antriebssegmente der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit.
Hier ist eine erste Spule 7a mit einem ersten Spulenkern 12a zwischen
eine erste Phase und eine zweite Phase eines aus drei Phasen bestehenden
Drehstromsystemes angeschlossen, dessen drei Phasen gleichmäßig verteilt
sind, also die zweite Phase bei 120° und eine dritte Phase bei 240° liegen,
wenn die erste Phase bei 0° liegt.
Die in positiver Antriebsrichtung, d. h. +x-Richtung, neben der
ersten Spule 7a mit dem Spulenkern 12a liegende
zweite Spule 7b mit Spulenkern 12b eines Antriebssegmentes
der Linear-Antriebseinheit ist zwischen die zweite Phase und die
dritte Phase geschaltet und die in positiver Antriebsrichtung, d.
h. +x-Richtung neben der zweiten Spule 7b mit dem Spulenkern 12b liegende
dritte Spule 7c mit Spulenkern 12c ist zwischen
die dritte Phase und die erste Phase geschaltet. Neben einem solchen
Antriebssegment der Linear-Antriebseinheit liegende Antriebssegmente
der Linear-Antriebseinheit sind in gleicher Weise an die drei Phasen
des Drehstromsystemes angeschlossen.
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Ordnet
man dem durch die Dauermagnete gebildeten Polraster, analog zur
Anordnung in einem zweipoligen Gleichstrommotor, Phasenwinkel zu,
so lassen sich die linearen Spulenanordnungen in einem kreisförmigen Phasendiagramm
abbilden. Da sich dieses sowohl magnetisch als Antriebswirkung auf
die Dauermagnete als auch elektrisch als Ansteuerung der Spulen
interpretieren lässt,
kann durch dieses Diagramm der Zusammenhang zwischen Schaltzuständen und
Antriebswirkung einheitlich beschrieben werden.
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Ein
solches kreisförmiges
Phasendiagramm mit eingezeichneten Spulen ist in 8 gezeigt.
Hier ist auf der Ordinate das elektrische Potential in V und auf
der Abszisse das magnetische Potential angegeben. Ein Kreis um den
Ursprung dieses Koordinatensystemes, der ein Nullpotential sowohl
für das
elektrische Potential als auch das magnetische Potential darstellt,
repräsentiert
die Phasenlagen der an den jeweiligen Spulen anliegenden Spannung,
wobei eine 0°-Phasenlage
bei dem Schnittpunkt des Kreises mit der positiven Ordinate gegeben
ist und sich die Phase im Uhrzeigersinn zu einer 90°-Phasenlage
in dem Schnittpunkt des Kreises mit der negativen Abszisse, der
das magnetische Potential des Südpols
darstellt, eine 180°-Phasenlage in
dem Schnittpunkt des Kreises mit der negativen Ordinate, der das
minimale Spannungspotential darstellt, einer 270°-Phasenlage in dem Schnittpunkt
des Kreises mit der positiven Abszisse, der das magnetische Potential
des Nordpols darstellt, bis zu einer 360°-Phasenlage, die gleich der
0°-Phasenlage
ist, in dem Schnittpunkt des Kreises mit der positiven Ordinate,
der das maximale Spannungspotential darstellt, ändert.
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Wie
in 7 gezeigt, ist eine Beziehung gegeben, bei der
die erste Spule 7a mit Magnetkern 12a zwischen
einer 0°-Phasenlage
und einer 120°-Phasenlage,
die zweite Spule 7b mit Magnetkern 12b zwischen
einer 120°-Phasenlage
und einer 240°-Phasenlage
und die dritte Spule 7c mit Magnetkern 12c zwischen
einer 240°-Phasenlage
und einer 360°-Phasenlage liegen.
Bei Drehstrombetrieb drehen sich nun die Zeiger dieser Spulen entsprechend
der Wechselfrequenz des Drehstroms im Gegenuhrzeigersinn, wobei
jeweils eine der elektrischen Potentialdifferenz zwischen den auf
die Ordinate projezierten Anfangs- und Endpunkten des Zeigers entsprechende
Spannung an den Spulen anliegt.
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Bei
der magnetischen Interpretation des Phasendiagramms entspricht ein
Phasendurchlauf von 180° einer
Verschiebung des Läufers
um den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Magnete, also
dem Magnetraster RM. Durch die abwechselnde
Polarisierung der Magnete im Läufer
wird bei einer Verschiebung um das Magnetraster RM ein
Polwechsel ausgeführt.
Nach einem 360°-Phasendurchlauf
beträgt
die Läuferverschiebung
zwei RM. Hierbei befinden sich die Magnete
relativ zum Raster RS der Statorspulen wieder in
Ausgangsposition, vergleichbar mit einer 360°-Umdrehung des Rotors eines
zweipoligen Gleichstrommotors.
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Für die elektrische
Interpretation des Phasendiagramms wird die Ordinate betrachtet,
auf der das anliegende elektrische Spannungspotential dargestellt
ist. Bei 0° liegt
das maximale Potential, bei 180°,
das minimale Potential und bei 90° bzw.
270° ein
mittleres Spannungspotential an. Wie zuvor erwähnt, werden die Spulen im Diagramm
durch Pfeile dargestellt, deren Anfangs- und Endpunkte die Kontaktierungen
darstellen. Die jeweils anliegende Spulenspannung kann durch Projektion
von Start- und Endpunkt der Pfeile auf der Potentialachse abgelesen
werden. Durch die Pfeilrichtung wird die Stromrichtung und hierdurch
die Magnetisierungsrichtung der Spule festgelegt.
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Anstelle
einer kontinuierlichen sinusförmigen
Spannungsquelle, die ein Phasendiagramm gemäß 8 aufweist,
kann aus Kostengründen
auch eine Steuerung mit Rechteck-Charakteristik eingesetzt werden. In
einem entsprechenden Phasendiagramm, das in 9 gezeigt
ist, ist die Rechteck-Charakteristik durch Schaltschwellen dargestellt.
Hierbei können
die Phasenanschlüsse
jeweils die drei Zustände
Pluspotential, Minuspotential und potentialfrei einnehmen. Dabei
liegt das Pluspotential z. B. in einem Bereich zwischen 300° und 60° und das
Minuspotential in einem Bereich von 120° bis 240° an und die Bereiche zwischen
60° und 120° sowie 240° und 300° stellen
den potentialfreien Zustand dar, in dem die Spulen nicht angeschlossen
sind. Bei der Rechteckspannung-Ansteuerung ist der im Vergleich
zur Sinus-Steuerung ungleichmäßigere Schub nachteilig.
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Es
lässt sich
natürlich
noch eine große
Zahl weiterer Spulenkonfigurationen und Potentialverteilungen aufbauen,
z. B. die in 10 gezeigte Potentialverteilung,
bei der ein minimales Potential von 0 V in einem Bereich zwischen
105° und
255°, ein
maximales Potential von 24 V in einem Bereich von 285° bis 75° und potentialfreie
Bereiche von 75° bis
105° und
von 255° bis
285° vorliegen.
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Die 11 zeigt
eine zweite bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Spulenmodules,
bei dem drei in Fahrtrichtung ausgerichtete Spulen 7 auf
einen gemeinsamen Spulenkern 12 gewickelt sind. Der Spulenkern
und die zwischen den Spulen 7 angeordnete quadratische
Polschuhe 19 sind ein kompaktes Drehteil. Zur Kontaktierung
und Befestigung sind für
jede Spule 7 zwei Kontaktierungs- und Befestigungsstifte 22 vorgesehen,
die aus den Polschuhen 19 isoliert hervorstehen.
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Die 12a) zeigt zwei Antriebssegmente, d. h.
sechs Einzelspulen 7, die in Reihe angeordnet sind und
deren Achsen 29 fluchten, wobei zwischen den Einzelspulen 7 Polschuhe 19 angeordnet
sind, deren einer Seite 30 Polflächen einer Magnetreihe 1 mit
einem bestimmten spaltförmigen
Abstand gegenüberliegen.
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Die 12b) zeigt eine zu der 12a)
korrespondierende Ansicht, bei der die Magnetreihe 1 nicht gezeigt
ist, dafür
aber Flussleitstücke 23,
die an zumindest der Seite 30 der Polschuhe 19 angeordnet
sind, der die Magnetreihe 1 mit dem bestimmten spaltförmigen Abstand
gegenübersteht,
wobei die Flussleitstücke 23 die
Spulen 7 an dieser Seite nahezu verdecken, d. h. die Fläche der
Polschuhe 19, die der Magnetreihe 1 gegenüberliegt,
vergrößert.
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Weiter
zeigt 13 zwei Antriebssegmente der
zweiten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
die hier durch zwei Spulenmodule mit jeweils 6 spulen ausgebildet
sind, hier als kombiniertes magnetisches Trag- und Antriebssystem
in einer geschnittenen Aufsicht, bei der der erfindungsgemäß verwendete
magnetische Linearantrieb eine dreiphasige Spulenanordnung aufweist,
wobei eine Magnetreihe 1 zwischen zwei Polschuhleisten 18a, 18b liegt,
die jeweils alle auf einer Seite der Magnetreihe 1 liegenden
Polschuhe 19 von Spulen der Linear-Antriebseinheit verbinden.
Die Polschuhe 19 sind hier jeweils mit dem jeweiligen sich
in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung erstreckenden Spulenkern 12 der
Spulen 7 als ein Drehteil ausgebildet und erstrecken sich
zu der jeweiligen Polschuhleiste 18a, 18b, um
einen besseren Magnetfeldschluss zu gewährleisten. Die auf den Polseiten
der Einzelmagnete der Magnetreihe 1 angeordneten Spulen
der beiden gezeigten Spulenmodule sind symmetrisch in gleicher Weise
angeschlossen, wie bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung. In
dieser Ausführungsform
ist das Magnetraster RM = 3/2 des Spulenrasters
RS gewählt.
Durch diese Merkmale sind die charakteristischen Eigenschaften,
dass jede Spule einen Phasenwinkel von 120° überbrückt und dass nach 360° (eine Umdrehung
= 2 RM) alle drei Spulen eines Antriebssegmentes
der Linear-Antriebseinheit durchlaufen sind, wobei – wie in
der obigen Ausführungsform – ein Antriebssegment
aus einer der elektrischen Phasen entsprechenden Anzahl von zusammen
angesteuerten Spulen bzw. Spulenpaaren besteht.
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Das
Phasendiagramm dieser Anordnung entspricht dem der zuvor beschriebenen
Anordnung, bei dem die im Phasendiagramm durch Pfeile dargestellten
Spulen ein Dreieck bilden, wobei die Ecken dieses Dreieckes jeweils
die Phasen der Ansteuerung darstellen. Hier durchlaufen die Ecken
des Dreieckes bei einer Drehung um 360°, was einer Translationsbewegung
des Läufers
um drei Spulenraster entspricht, drei Spannungspotentiale: plus,
minus und potentialfrei, wenn die in
9 gezeigte
Rechteckansteuerung gewählt
wird. Da jede Spule einen Phasenwinkel von 120° überbrückt, wird bei einer Drehung
um 60° das
Potential einer Phase geändert
und eine der drei Phasen ist immer potentialfrei. Trägt man das
Phasenpotential in Abhängigkeit
von der Anzahl der 60°-Drehungsschritte
in eine Tabelle ein, so ergibt sich das nachfolgende Phasenansteuerungs-Diagramm:
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Durch
eine Verschiebung der Schaltschwelle zu einem Minuspotential zwischen
105° und
255°, einem Pluspotential
zwischen 285° und
75° und
potentialfreien Zuständen
zwischen 75° und
105° und
255° und
285°, ähnlich des in
10 gezeigten
Zustandes, lässt
sich eine Ansteuerung mit einer Schrittweite von 30° realisieren.
Hierbei können
zwei Phasen das gleiche Potential haben, sodass an zugehöriger Spule
keine Spannungsdifferenz anliegt und kein Strom fließt. In jedem
zweiten 30°-Schritt
ist jeweils eine Phase potentialfrei. Das entsprechende 30°-Phasenansteuerungs-Diagramm
mit
12 Steuerschritten ergibt sich wie folgt:
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Um
die Vorschubeigenschaften zu optimieren, sollte die Magnetbreite,
d. h. die Abmessungen der Magnetreihe 1 bzw. von deren
Einzelmagneten in y-Richtung, möglichst
klein sein, denn die Dauermagnete wirken wie Luft dämpfend auf
den Magnetkreis der Spulen. Die Magnethöhe, also die Abmessungen der
Magnetreihe(n) 1, 1e, 1f bzw. von deren
Einzelmagneten in z-Richtung, sollte möglichst groß sein, denn eine große Magnethöhe führt zu einer
großen
Luftspaltfläche,
die den magnetischen Widerstand des Spulenkreises reduzieren hilft.
Gleichzeitig wird hierbei viel Magnetmaterial in den magnetischen
Spulenkreis eingebracht, ohne zu große, den Magnetkreis sättigende
Feldstärken
zu erzeugen. Die Höhe
der Polschuhe und/oder Spulenkerne 12 sollte möglichst
groß sein,
damit die Polschuhe bzw. Spulenkerne 12 mit den Magneten
eine möglichst große Überdeckung
erreichen, sodass sich eine große
Luftspaltfläche
mit hoher Wirkkraft und kleinem magnetischen Widerstand ergibt.
Die Anordnung dieser weichmagnetischen Bauelemente sollte eine möglichst große vertikale Überdeckung
zwischen Spulenkernen 12 bzw. Polschuhen 19 erreichen.
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Natürlich können die
erfindungsgemäßen Spulenmodule
auch in Systemen eingesetzt werden, in denen die lediglich vorzugsweise
magnetisch gelagerte Trageinrichtung von dem erfindungsgemäßen Antriebssystem
getrennt vorgesehen ist.
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Die 14 zeigt
verschiedene Ausgestaltungen erfindungsgemäßer rastkraftreduzierender
Flussleit-Polschuhe 24, die als Polschuhe direkt an den Spulenkernen 12 befestigt
sein können
bzw. den Spulenkern 12 als solches beinhalten, aber den
Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe direkt gegenüberstehen und
als Flussleitstücke
ausgebildet sind, wie es 14a in einer
geschnittenen Aufsicht zeigt. Die Flussleit-Polschuhe 24 sind
jeweils so ausgebildet, dass die den Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d zugewandte
Seite einen möglichst
kontinuierlichen Übergang
des von einer Einzelspule 7 erzeugten Magnetfeldes zu dem
einer benachbarten Einzelspule 7 realisiert. Natürlich können auch
die an den Polschuhen 19 ausgebildeten Flussleitstücke 23,
wie sie in der 12 gezeigt sind, eine entsprechende
Form aufweisen. An der den Einzelmagneten abgewandten Seite der
Spulenkerne 12 ist eine weichmagnetische Rückflussschiene 25 angebracht, durch
die ein besserer Schluss des magnetischen Feldes erreicht wird.
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In 14b) sind rautenförmige Flussleit-Polschuhe 24a in
einer Vorderansicht, d. h. von der Magnetreihe her gesehen, gezeigt.
Die über
die Stirnfläche 30 eines
z. B. rundstabförmigen
Spulenkernes 12 formschlüssig verbundenen rautenförmigen Flussleit-Polschuhe 24a sind
hier jeweils so ausgestaltet, dass benachbarte rautenförmige Flussleit-Polschuhe 24a einander
in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, gerade nicht überlappen.
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In 14c) sind sechseckige Flussleit-Polschuhe 24b in
einer Vorderansicht, d. h. von der Magnetreihe her gesehen, gezeigt.
Die über
die Stirnfläche 30 eines
z. B. rundstabförmigen
Spulenkernes 12 aufgesetzten sechseckigen Flussleit-Polschuhe 24b sind
hier jeweils so ausgestaltet, dass sich jeweilige zu einem benachbarten
Flussleit-Polschuh 24b zeigende Ecken nicht berühren. Die
sechseckigen Flussleit-Polschuhe 24b sind weiter so ausgestaltet,
dass sie in einer relativen Bewegungsrichtung der Magnetreihe 1a, 1b, 1c, 1d,
d. h. in x-Richtung, länger
sind, als in der senkrecht dazu verlaufenden Tragrichtung, d. h.
in z-Richtung.
-
Die 15 zeigt
verschiedene Ausgestaltungen erfindungsgemäßer rastkraftreduzierender
Einzelmagnete 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe. In 15a) sind einfache rechteckige
Einzelmagnete gezeigt, an denen keine besonderen rastkraftreduzierenden
Maßnahmen
verwirklicht sind. Die 15b)
zeigt geschrägte
Einzelmagnete, deren in Tragrichtung (z-Richtung) verlaufende Kanten zur Reduzierung
der Rastkraft mit einer Fase versehen sind, die so gewählt ist,
dass sich in der Aufsicht ein Sechseck ergibt. Die Fasen der Magnete
können gleichzeitig
zur formschlüssigen
Befestigung der Magnete genutzt werden. Die 15c)
zeigt gewölbte
Einzelmagnete, deren in Tragrichtung (z-Richtung) verlaufende Kanten
zur Reduzierung der Rastkraft so abgerundet sind, dass sich in der
Aufsicht ein gleichmäßiges Oval
ergibt. Die 15d) zeigt geschrägte Einzelmagnete,
deren in Tragrichtung (z-Richtung) verlaufende und zu den Spulenkernen 12 zeigende
Kanten zur Reduzierung der Rastkraft mit einer Fase gemäß 15b) versehen sind. Diese Form ist dann bevorzugt,
wenn sich die Spulenkerne 12 oder Flussleit-Polschuhe 24, 24a–c oder
Flussleitstücke 23 nur
auf einer Seite der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d befinden
und der Einzelmagnet auf der anderen Seite durch Kleben befestigt
werden soll oder sich dort eine Tragschiene 2a, 2b, 2d befindet.
Die 15e) zeigt geschrägte Einzelmagnete,
deren in Tragrichtung (z-Richtung)
verlaufende und zu den Spulenkernen zeigende Kanten zur Reduzierung
der Rastkraft abgerundet sind. Diese Form ist ebenfalls dann bevorzugt,
wenn sich die Spulenkerne 12 oder Flussleit-Polschuhe 24, 24a-c
oder Flussleitstücke 23 nur
auf einer Seite der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d befinden
und der Einzelmagnet auf der anderen Seite durch Kleben befestigt
werden soll oder sich dort eine Tragschiene 2a, 2b, 2d befindet.
-
Die 16 zeigt
weitere verschiedene Ausgestaltungen erfindungsgemäßer rastkraftreduzierender Einzelmagnete 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe. Im Unterschied zu den in 15 gezeigten
Formen sind zur Re duzierung der Rastkraft nicht lediglich in Tragrichtung,
d. h. z-Richtung, verlaufende Kanten geschrägt oder gerundet, sondern es
ist zusätzlich
eine zweite Raumrichtung der Einzelmagnete mit einer Fase oder Rundung versehen,
um die Rastkraft zu reduzieren. In 16a)
sind von den Spulenkernen 12 her gesehen sechseckige Einzelmagnete,
die hier jeweils so ausgestaltet sind, dass sich jeweilige zu einem
benachbarten Einzelmagneten zeigende Ecken berühren, weiter mit in Tragrichtung
(z-Richtung) verlaufenden
geschrägten
Kanten mit einer Fase versehen, die z. B. so gewählt ist, dass sich in der Aufsicht
ein Sechseck ergibt. In 16b) sind
von den Spulenkernen 12 her gesehen runde Einzelmagnete
weiter so gewölbt,
dass sich ein Rotationsellipsoid ergibt. In 16b)
sind von den Spulenkernen 12 her gesehen runde Einzelmagnete,
lediglich auf einer Polseite gemäß 16b) gewölbt.
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In 17a) ist eine Magnetreihe mit einfachen rechteckigen
Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d und
eine aus Einzelspulen 7 mit Spulenkernen 12 und
einer weichmagnetischen Rückflussschiene 25 bestehende
Spulenanordnung gezeigt, an denen keine besonderen rastkraftreduzierenden
Maßnahmen
verwirklicht sind.
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Die 17c) zeigt eine weitere Ausgestaltung erfindungsgemäßer rastkraftreduzierender
Flussleit-Polschuhe 24c, die als Polschuhe 19 direkt
den Spulenkern 12 darstellen, aber den Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe direkt gegenüberstehen
und als Flussleitstücke
ausgebildet sind, in einer geschnittenen Aufsicht. Die Flussleit-Polschuhe 24c weisen
zur Reduzierung der Rastkraft in Tragrichtung (z-Richtung) verlaufende
und zu der Magnetreihe zeigende abgerundete Kanten auf, wobei sich
die Rundung in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, über den
halben Flussleit-Polschuh 24c erstrecken
kann.
-
Die 17b) zeigt eine Ausführungsform mit Flussleit-Polschuhe,
bei der verlängerte
Spulenkerne 12d in Richtung der Magnetreihe 1a, 1b, 1c, 1d herausstehen,
wobei der herausstehende Teil jeweils so abgerundet ist, dass ein
kontinuierlicher Übergang
zu den Spulen 7 gebildet wird.
-
In 18 wird
eine Magnetreihe 1, die zur Reduzierung der Rastkraft aus
einem mehrfach polarisierten Magneten besteht, und eine aus Einzelspulen 7 mit
Spulenkernen 12 und einer weichmagnetischen Rückflussschiene 25 bestehende
Spulenanordnung gezeigt. Der Vorteil eines oder mehrerer mehrfach
polarisierten Einzelmagnete als Magnetreihe 1 liegt in
der einfacheren Montage und bei weicheren Übergängen zwischen den Einzelpolen,
wodurch eine bessere Reduzierung der Rastkräfte erfolgt.
-
Die
zuvor in Bezug auf die Figuren und bei der allgemeinen Beschreibung
der erfindungsgemäßen Lösung beschriebenen
rastkraftreduzierenden Maßnahmen
können
beliebig miteinander kombiniert werden.
-
- 1,
1e, 1f
- Magnetreihe
- 1a–d
- Magnet
- 2
- Tragelement
- 2a,
2b, 2d
- Tragschiene
- 3
- Führungselement
- 4
- Tragschlitten
- 5
- Türflügel
- 6
- Gehäuse
- 7,
7a–c
- Spule
- 12,
12a–d
- Spulenkern
- 18a,
18b
- Polschuhleiste
- 19
- Polschuhe
- 21
- Blechhalterung
- 22
- Kontaktierungs-
und Befestigungsstifte
- 23
- Flussleitstücke
- 24,
24a–c
- Flussleit-Polschuhe
- 25
- weichmagnetische
Rückflussschiene
- 26
- Bodenbereich
- 27
- Seitenwände
- 28
- Seitenwände
- 29
- Achsen
- 30
- Seite