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Die
Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem als Langstator ausgebildeten
Primärteil
und wenigstens einem Sekundärteil
sowie ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Linearmotors.
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Linearmotoren,
die nach dem Synchronprinzip arbeiten, weisen ein als Langstator
ausgebildetes Primärteil
auf, auf dem ein Sekundärteil
frei bewegbar angeordnet ist. Zur Fortbewegung des Sekundärteils wird
ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das das mit Magneten ausgebildete
Sekundärteil
durch magnetische Wechselwirkung mitbewegt.
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Die
Erzeugung des Wanderfeldes in den Statorwicklungen erfolgt durch
Einspeisung eines Drehstroms variabler Frequenz, die die Bewegungsgeschwindigkeit
bestimmt.
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Der
Langstator ist in einzelne Segmente unterteilt, die jeweils zusammenhängende Wicklungen aufweisen.
An den Verbindungsstellen der Segmente sind Bestromungseinrichtungen
angeordnet, die jeweils die angeschlossenen Segmente mit dem Strom beaufschlagen,
der zur Bewegung notwendig ist.
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Diese
Aufbauform erfordert eine aufwendige Gestaltung und Steuerung der
einzelnen Bestromungseinrichtungen.
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Beispielsweise
wird in der
DE 39 00
511 A1 ein Linearmotor mit einem Primärteil mit in Reihe angeordneten
Statorpolen und einem längs
des Primärteils
beweglichen Sekundärteil
offenbart.
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Die
Spulen des Langstators werden durch Stromrichter mit Strom beaufschlagt,
dessen Frequenz und Amplitude von einer elektronischen Steuerung
unter Berücksichtigung
des Aufenthaltortes des Sekundärteils
steuerbar ist, um das Sekundärteil auf
dem Primärteil
zu bewegen. Zur Fortbewegung werden Segmente des Primärteils von
der externen Steuereinrichtung bestromt, wobei sich alle Sekundärteile,
die sich zu diesem Zeitpunkt auf einem Segment des Primärteils befinden,
gleichförmig
fortbewegen.
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In
der
DE 199 22 441
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben
eines Magnetfahrzeugs mit einem synchronen Langstator-Linearmotor
beschrieben. Es wird eine aufwendige Steuerung offenbart, die die
Bestromung der einzelnen Wicklungsabschnitte und damit die Fortbewegung der
Sekundärteile
steuert. Sekundärteile,
die sich auf einem gleichartig gesteuerten Bereich befinden, der sich
auch aus mehreren Wicklungsabschnitten bzw. Segmenten zusammensetzen
kann, werden wiederum gleichförmig
fortbewegt.
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Insbesondere
wenn sich mehrere Sekundärteile
unabhängig
voneinander auf einem Langstator, der auch ein ausgedehntes Schienensystem
sein kann, bewegen sollen, ist die geeignete Bestromung der Spulen
bzw. Wicklungen des Stators mit großem Aufwand verbunden. Gegenläufige Fortbewegung von
Sekundärteilen
ist innerhalb eines Statorsegments im dargestellten Stand der Technik
nicht möglich.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, eine einfache Steuerung für die Strombeaufschlagung
der Statorwicklungen bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Linearmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie
ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßer Linearmotor,
der insbesondere nach dem Synchronprinzip arbeiten kann, weist ein
als Langstator ausgebildetes Primärteil und wenigstens ein bezüglich des
Primärteils
bewegbares Sekundärteil
auf, das Mittel zur Steuerung der Erzeugung eines seine (Fort-)Bewegung
verursachenden Magnetfeldes im Primärteil aufweist. Dadurch ist es
möglich,
aufwendige, dem Langstator zugeordnete Steuereinrichtungen für die Bestromung
der Statorwicklungen zu vermeiden. Zur Fortbewegung des Sekundärteils ist
ein räumlich
verteiltes magnetisches Wechselfeld erforderlich, das sich entlang
des Stators bewegt, das sog. Wanderfeld oder Antriebsfeld.
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Vorteilhafterweise
ist ein erfindungsgemäßer Linearmotor
mit einem eine Anzahl aneinandergereihter Einzelspulen aufweisenden
Primärteil
ausgestattet, wobei die Einzelspulen unabhängig voneinander mit Strom
zur Erzeugung eines Magnetfeldes beaufschlagbar sind, wobei das
die Bewegung des wenigstens einen Sekundärteils verursachende Magnetfeld
im Primärteil
mittels Strombeaufschlagung der Einzelspulen erzeugt wird. Diese
vorteilhafte Ausgestaltung erlaubt die Bestromung nur der Einzelspulen,
die sich in unmittelbarer Nähe
bzw. im Einflussbereich des wenigstens einen Sekundärteils befinden,
und damit eine unabhängige
Bewegung der Sekundärteile.
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Es
ist bevorzugt, wenn das wenigstens eine Sekundärteil eines erfindungsgemäßen Linearmotors
die Erzeugung des seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes im
Primärteil
mittels eines entlang der Fortbewegungsrichtung verteilten Steuerfeldes
steuert. Das Steuerfeld entspricht einem Sollwertfeld und kann entweder
von einer Steuervorrichtung bestimmt werden, die sich auf dem Sekundärteil befindet,
oder dem Sekundärteil
von außen zugeführt werden.
Es bildet vorzugsweise das zur Fortbewegung notwendige Antriebsfeld
räumlich
ab und ist deshalb ein Wechselfeld, insbesondere ein sinusförmiges Wechselfeld.
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Ebenso
bevorzugt ist es, wenn das von dem wenigstens einen Sekundärteil des
erfindungsgemäßen Linearmotors
bereitgestellte Steuerfeld einer Einzelspule zugeordnet lokal gemessen
wird und der Messwert als Stromsollwert für diese Einzelspule verwendet
wird. Im Falle eines magnetischen Steuerfeldes bietet es sich an,
den Einzelspulen Magnetfeldsensoren zuzuordnen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Linearmotors
stellt das wenigstens eine Sekundärteil ein Magnetfeld als Steuerfeld bereit.
Dieses bereitgestellte Magnetfeld kann auf einfache Weise durch
entlang des Primärteils
angeordnete Magnetfeldsensoren, z.B. Hall-Sensoren, detektiert werden. Die Stärke des
detektierten Magnetfeldes wird als Stromsollwert zur Beaufschlagung der
Einzelspule verwendet.
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Dieses
magnetische Steuerfeld kann vorteilhaft durch am Sekundärteil angeordnete
Sendespulen erzeugt werden. Durch entsprechende Gestaltung und geeignete
Anordnung der Sendespulen wird die Form (bspw. Sinusform) des Steuerfeldes bestimmt.
Die Vorschubkraft hängt
von der Stärke des
Antriebsfeldes ab, die durch die Amplitude des Steuerfeldes bestimmt
wird. Die Signalverarbeitung auf dem Sekundärteil muss in dieser vorteilhaften Ausgestaltung
nur einen eindimensionalen Sollstromwert bereitstellen und diesen
als Erregerstrom in die Sendespulen einprägen. Im Ergebnis erhält man ein
von den Einzelspulen des Stators erzeugtes Antriebsfeld im Einflussbereich
des Sekundärteils.
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Ebenso
bevorzugt ist es, wenn das wenigstens eine Sekundärteil eines
erfindungsgemäßen Linearmotors
ein elektrisches Feld als Steuerfeld bereitstellt. Ein elektrisches
Feld kann vorteilhafterweise verwendet werden, um eine Beeinflussung
der Detektion durch das magnetische Antriebsfeld auf einfache Weise
zu vermeiden.
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Bevorzugterweise
wird in einem erfindungsgemäßen Linearmotor
die Erzeugung des die Bewegung verursachenden Magnetfeldes im Primärteil mittels
elektromagnetischer Wellen, die insbesondere moduliert sind, gesteuert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lösung wird
die Wellenlänge und/oder
die Polarisation der elektromagnetischen Wellen zur Steuerung verwendet.
Dabei kann das Vorzeichen des Sollstromes insbesondere durch verschiedene
Wellenlängen
oder Polarisationsrichtungen dargestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zum Betreiben eines Linearmotors mit einem als Langstator
ausgebildeten Primärteil
und wenigstens einem bezüglich
des Primärteils
bewegbaren Sekundärteil vorgeschlagen,
wobei die Erzeugung eines seine Bewegung verursachenden Magnetfeldes
im Primärteil von
dem wenigstens einen Sekundärteil
gesteuert wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird bevorzugt ein erfindungsgemäßer Linearmotor
verwendet. Zur Steuerung sind insbesondere die Möglichkeiten vorteilhafterweise
zu verwenden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor
offenbart sind.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenbeschreibung
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Im
Folgenden sollen die Erfindung und insbesondere deren Vorteile anhand
eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es
zeigt
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1 eine
schematische Ansicht von oben einer bevorzugten Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Linearmotors;
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2 eine
schematische Seitenansicht im Querschnitt entlang der Mittelachse
aus 1; und
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3 eine
schematische Seitenansicht des Linearmotors aus 1.
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Ausführliche
Figurenbeschreibung
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Die
in 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearmotors
weist ein Primärteil 100 und
ein Sekundärteil 200 auf.
Das Primärteil 100 weist
zwei im wesentlichen gleich ausgebildete Antriebsschienen 101 und 102 auf.
Auf der Mittelachse des Primärteils
sind Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. angeordnet.
Es versteht sich, dass die konkret dargestellte Anordnung nur als
Beispiel zu sehen ist.
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Die
Antriebsschiene 101 weist Einzelspulen 110a, 110b usw.,
die Antriebsschiene 102 weist Einzelspulen 111a, 111b usw.
auf. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die sich gegenüberliegenden Einzelspulen, 110a und 111a, 110b und 111b,
usw., mittig bzgl. der Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw. ausgerichtet,
wobei daneben auch andere Anordnungen gewählt werden können. Es
versteht sich, dass die Antriebsschienen je nach Länge eine
Vielzahl Einzelspulen und Magnetfeldsensoren über die gezeigte Anzahl hinaus
aufweisen können.
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Jeder
einzelne Magnetfeldsensor 120a, 120b usw. ist
für die
Steuerung der Strombeaufschlagung jeweils eines Einzelspulenpaars 110a und 111a, 110b und 111b usw.
zuständig.
Beispielsweise steuert der Magnetfeldsensor 120a die Strombeaufschlagung
der Einzelspulen 110a und 111a, usw. Zur Strombeaufschlagung
sind noch weitere Mittel, wie z.B. Verstärkerschaltungen, Stromquellen
usw., vorgesehen, die aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Einzelnen
gezeigt sind.
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Das
Sekundärteil 200 weist
den Antriebsschienen 101 und 102 zugeordnete Fahrschienen 201 und 202 auf.
Daneben weist das Sekundärteil Steuerungsspulen 220a bis 220d auf,
die über
ein erzeugtes Steuerfeld mit den Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw.
in Wirkverbindung treten.
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Die
Fahrschienen 201 und 202 weisen einzelne permanent
magnetische Abschnitte 210a bis 210e und 211a bis 211e auf.
Das Sekundärteil 200 ist auf
dem Primärteil 100 entlang
der Antriebsschienen 101 und 102 frei bewegbar.
Die magnetische Wirkverbindung der Antriebsschienen 101, 102 mit
den Fahrschienen 201, 202 stellt die Vorschubfunktionalität des Linearmotors
bereit. Die Lagerung und Führung
des Sekundärteils 200 auf
dem Primärteil 100 ist nicht
näher dargestellt.
Sie kann beispielsweise durch weitere magnetische Schienen oder
Rollen bewerkstelligt werden.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht des oben beschriebenen Linearmotors entlang
dessen Mittelachse. Das Primärteil 100 ist
unter dem Sekundärteil 200 angeordnet.
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Auf
dem Primärteil 100 sind
in regelmäßigen Abständen die
Magnetfeldsensoren 120a bis 120i angeordnet. An
dem Primärteil 200 sind
in regelmäßigen Abschnitten
die Steuerspulen 220a bis 220d angeordnet. Die
regelmäßige Beabstandung
der Steuerspulen entspricht in dieser Ausführungsform nicht der regelmäßigen Beabstandung
der Magnetfeldsensoren.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Unterteilungen der permanent magnetischen
Abschnitte 210a bis 210e und 211a bis 211e (1 und 3)
entlang der Mittelpunkte der Steuerspulen 220a bis 220d ausgerichtet
sind.
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Das
Sekundärteil 200 weist
eine Steuereinrichtung 230 auf, die über eine Verbindung 240,
insbesondere ein Kabel, mit den Steuerspulen 220a bis 220d verbunden
ist und die Steuerspulen mit Strom beaufschlagen kann.
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In
der dargestellten Abbildung werden die Steuerspulen mit Strom beaufschlagt,
dessen Richtung sowohl durch den Pfeil im Steuergerät 230 als auch
durch den Pfeil auf der Verbindung 240 angedeutet ist.
In dieser Stromrichtung bilden die Steuerspulen 220a und 220c einen
magnetischen Nordpol an ihrer Unterseite, die Steuerspulen 220b und 220d einen
magnetischen Südpol
an ihrer Unterseite.
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Zwischen
den Steuerspulen 220a bis 220e entsteht ein magnetisches
Wechselfeld, das als Steuerfeld 250 bezeichnet ist. Die
räumliche
Verteilung des Steuerfeldes 250 wird durch die Geometrie und
die Anordnung der Steuerspulen 220a bis 220d vorgegeben.
Die Amplitude des magnetischen Steuerfeldes 250 wird durch
die Amplitude des Stroms, mit dem die Steuerspulen beaufschlagt
sind, vorgegeben. Das Steuergerät
regelt die Amplitude des Stroms durch die Steuerspulen.
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Das
Steuerfeld 250, das in der Abbildung durch die Feldlinien
dargestellt ist, tritt mit den Magnetfeldsensoren 120a, 120b usw.
in Wirkverbindung. Die Intensität
des in den Magnetfeldsensoren erfassten Magnetfeldes ist vom Abstand
der Magnetfeldsensoren von den Steuerspulen 220a bis 220d abhängig.
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In
diesem Beispiel werden die Magnetfeldsensoren 120c und 120f von
starken magnetischen Feldern im wesentlichen senkrecht von oben nach
unten durchsetzt, wohingegen die Magnetfeldsensoren 120d, 120e, 120g und 120h von
schwächeren
magnetischen Feldern schräg
von unten nach oben durchsetzt werden. Die jeweilig erfasste Magnetfeldstärke in senkrechter
Richtung (bzw. die senkrechte Komponente des Feldes)wird zur Steuerung der
Strombeaufschlagung der zugeordneten Einzelspulen 110a, 110b usw.
sowie 111a, 111b usw. verwendet. Durch die sinusförmige Ausgestaltung
des Steuerfeldes wird eine entsprechende sinusförmige Ausgestaltung des Antriebsfeldes
erreicht.
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3 zeigt
eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform. Die Fahrschiene 201 des
Sekundärteils 200 liegt
benachbart zu der Antriebsschiene 101 des Primärteils 100.
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Die
Antriebsschiene 101 weist die Einzelspulen 110a bis 110h auf,
deren jeweilige Strombeaufschlagung durch die Magnetfeldsensoren 120a bis 120h (in 3 nicht
gezeigt) gesteuert wird. Die Fahrschiene 201 besteht aus
den permanent magnetischen Abschnitten 210a bis 210e.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Abschnitte 210a, 210c und 210e eine
identische magnetische Polarität aufweisen,
die der Polarität
der Abschnitte 210b und 210e entgegengesetzt ist.
In dem dargestellten Beispiel weisen die Abschnitte 210a, 210c, 210e einen magnetischen
Nordpol auf, wohingegen die Abschnitte 210b und 210d einen
magnetischen Südpol aufweisen.
Das magnetischen Feld, das von den Abschnitten 210a bis 210e ausgeht,
wird hier als Permanentfeld bezeichnet.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Linearmotors
wird die Strombeaufschlagung der Einzelspulen 110a bis 110h von
den Magnetfeldsensoren 120a bis 120h gemäß der in 2 dargestellten
und beschriebenen Weise gesteuert. Demnach werden die Einzelspulen 110a bis 110h derart
mit Strom beaufschlagt, dass die Spulen 110c, 110f ein
magnetisches Nordpolfeld und die Spulen 110b, 110d, 110e, 110h ein
magnetisches Südpolfeld
unterschiedlicher Stärke
ausbilden und in der Gesamtheit ein im wesentliches sinusförmiges magnetisches
Antriebsfeld bzw. Wanderfeld entsteht.
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Die
Wirkverbindung des magnetischen Antriebsfeldes mit dem Permanentfeld
versetzt das Sekundärteil 200 gegenüber dem
Primärteil 110 in
die durch den Pfeil A angedeutete Bewegung. Das Steuerfeld wird
mit dem Sekundärteil
mitbewegt. Die Bewegung des Steuerfeldes führt zu einer Fortbewegung des
Antriebsfeldes ebenfalls entlang der Richtung A, wodurch wiederum
das Sekundärteil
weiterbewegt wird.
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Die
Vorschubkraft (Beschleunigung) des Sekundärteils ist von der Stärke des
Antriebsfeldes abhängig,
welche von der Stärke
des Stromes, mit dem die Einzelspulen 110a bis 110h beaufschlagt
werden, vorgegeben wird. Diese Stromstärke ist wie erläutert durch
die Stärke
des Steuerfeldes vorgegeben, das vom Strom abhängig ist, der von der Steuereinrichtung 230 an
die Steuerspulen 220a bis 220d abgegeben wird.
Eine Änderung
der Bewegungsgeschwindigkeit ist somit durch Änderung des Stromes, der vom
Steuergerät 230 ausgegeben
wird, auf einfache Weise bereitzustellen.
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Eine Änderung
der Bewegungsrichtung ist auf dieselbe Weise durch eine einfache Änderung der
Stromrichtung durch die Steuerspulen 220a bis 220d bereitzustellen.
Mit einer derartigen Änderung der
Stromrichtung kehrt sich die Polarität des Steuerfeldes und damit
die Polarität
des Antriebsfeldes um. Da die Polarität des Permanentfeldes erhalten
bleibt, kommt es zu einer Änderung
der Bewegungsrichtung.
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Es
versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur eine besonders
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt
ist. Daneben ist jede andere Ausführungsform, insbesondere durch
eine andere Anordnung der Antriebsschienen, Anordnung der Einzelspulen, Anordnung
der Fahrschienen, Aufbau der Fahrschienen, Aufbau und Anordnung
der Steuerungsspulen, Anordnung der Magnetfeldsensoren usw. denkbar, ohne
den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.