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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten
Kraft
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In
der Technik gibt es Bedarf an Vorrichtungen, welche auf einen beweglichen
Körper über eine begrenzte
Hubstrecke eine Kraft ausüben,
die den Körper
beispielsweise in eine bestimmte Richtung bzw. Lage drängt. Als
eine solche Vorrichtung finden Federn (Spiralfeder, Gasdruckfedern)
und Pneumatikzylinder Anwendung.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
27 25 855 A1 ist ein magnetischer Energiespeicher zur Aufnahme
stoßartiger
Impulse bekannt, bei dem die Speicherwirkung durch Bewegung von
Magneten oder magnetisierten Körpern
erreicht wird. Diese sind in Führungen
linear beweglich angeordnet, derart, dass sie einander abstoßen. Der
Impuls wird dadurch gedämpft.
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Die
Patentschrift
DD 13 185
C zeigt ein Federelement, welches aus zwei konzentrisch
ineinander angeordneten, axial gegeneinander verschiebbaren Umdrehungskörpern aus
nicht-metallischem, dauermagnetischem
Werkstoff bestehen, die in achsparalleler Richtung magnetisiert
sind. Aus einer Verschiebung der beiden Körper gegeneinander resultiert
in Abhängigkeit
der geometrischen Verhältnisse
eine definierte Gegenkraft.
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Aus
den Druckschriften
FR 1 207 334 ,
WO 03/076 804 A1 ,
US 2006/0 056 993 A1 ,
JP 2006-207 662 A sowie
JP 01-079 437 A sind
weitere magnetische Federelemente bekannt, welche auf eine Verschiebung
einer Komponente des Federelements mit einer magnetischen Gegenkraft
reagieren, welche die betreffende Komponente wieder in die Ausgangslage
zurückdrängt.
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Federn
weisen jedoch den Nachteil auf, dass mit ihnen nur eine progressive
Kraftkennlinie darstellbar ist, d.h., dass sich die von ihnen erzeugte
Kraft proportional zum Federweg ändert.
Pneumatikzylinder weisen hingegen konstante Kraftkennlinien auf, bedürfen jedoch
einer externen Energiezufuhr, wie beispielsweise eines Kompressors.
Ferner sind Federn und Pneumatikzylinder nicht wartungsfrei, sondern
unterliegen dem Verschleiß durch
Alterung und Reibung. Bei Pneumatikzylindern tritt aufgrund der Reibung
auch noch das Problem einer Hysterese in der Kraftkennlinie auf.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine langzeitstabile
Vorrichtung zu liefern, mit der ohne externe Energiezufuhr eine
definierte Kraftkennlinie erzeugbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten Kraft gemäß Anspruch
1 umfasst einen Permanentmagneten und eine Rückschlusseinrichtung, welche
derart ausgestaltet ist bzw. derart mit dem Permanentmagneten zusammenwirkt,
dass sich ein magnetischer Rückschluss
bildet. Der Permanentmagnet ist in einer Verschieberichtung relativ
zur Rückschlusseinrichtung
um eine begrenzte Hubstrecke verschiebbar gelagert und quer zur
Verschieberichtung magnetisiert. Die Rückschlusseinrichtung weist
in Verschieberichtung zumindest zwei Abschnitte mit unterschiedlichem
magnetischem Widerstand auf und ist derart ausgebildet, dass der
Permanentmagnet beim Verschieben über zumindest einen Teil der
Hubstrecke gleichzeitig zumindest zwei der Abschnitte der Rückschlusseinrichtung überlappt.
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Aufgrund
der Überlappung
des Permanentmagneten mit den Abschnitten wirkt auf den Permanentmagneten
eine definierte Kraft, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet
ist und ihn in eine Vorzugslage entlang der Hubstrecke drängt. Der
Permanentmagnet ist nämlich
immer bestrebt, entlang der Hubstrecke eine Vorzugslage relativ
zum Rückschlusselement
einzunehmen, in der der magnetische Widerstand minimal bzw. der
magnetische Fluss maximal ist. Wird der Permanentmagnet zwangsweise
aus dieser Lage wegbewegt, so bewegt er sich im freien Zustand selbsttätig zurück in diese
Vorzugslage. Je nach Ausbildung der Rückschlusseinrichtung wirkt
dabei auf den Permanentmagneten eine definierte Kraft, welche ihn
in die Vorzugslage drängt.
Diese Kraft ist auf einen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelten
Körper übertragbar.
Die Krafterzeugung ist berührungslos, verschleißfrei, langzeitstabil
und hysteresefrei. Ferner kann die Kraftweglinie entlang der Hubstrecke
je nach Ausbildung der Rückschlusseinrichtung
sehr variabel eingestellt werden. Eine Hilfsenergie, wie sie beispielsweise
bei Pneumatikzylindern notwendig ist, ist nicht erforderlich.
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In
einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 2 wird der unterschiedliche
magnetische Widerstand der Abschnitte durch Verwendung von Materialien
mit unterschiedlichem magnetischem Widerstand realisiert. Beispielsweise
kann einer der Abschnitte Edelstahl und der andere Abschnitt Eisen aufwei sen.
Dabei weist Edelstahl einen erheblich größeren magnetischen Widerstand
bzw. einen geringeren magnetischen Fluss auf als Eisen, sodass sich
der Permanentmagnet im freien Zustand immer in Richtung des Abschnitts
aus Eisen bewegen würde.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 3 wird
der unterschiedliche magnetische Widerstand der Abschnitte dadurch
realisiert, dass die Abschnitte von dem Permanentmagneten unterschiedlich
weit beabstandet sind. Dadurch sind die Luftspalte zwischen dem
Permanentmagnet und den Abschnitten der Rückschlusseinrichtung unterschiedlich
weit, so dass sich alleine dadurch die unterschiedlichen magnetischen
Widerstände
ergeben. Bei dieser Ausgestaltung können die Abschnitte aus dem
gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.
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In
den Ausgestaltungen gemäß der Ansprüche 4 und
5 können
die Abschnitte derart ausgebildet sein, dass auf dem Permanentmagneten
bei Verschieben über
die Hubstrecke entweder eine konstante oder eine über die
Hubstrecke variable Kraft wirkt, welche parallel zur Verschieberichtung
gerichtet ist. Anhand dieser Ausgestaltungen wird deutlich, dass
die von der Vorrichtung auf einen mit ihr gekoppelten Körper wirkende
Kraft je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung individuell
darstellbar ist.
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In
einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 6 sind der Permanentmagnet
quaderförmig und
die Rückschlusseinrichtung
als Hohlquader ausgebildet, welche den Permanentmagneten peripher umgibt.
In dieser Ausgestaltung kann der Permanentmagnet innerhalb der Rückschlusseinrichtung,
in Verschieberichtung bewegt werden, ist jedoch drehfest innerhalb
der Rückschlusseinrichtung
angeordnet.
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In
einer Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 7 ist der Permanentmagnet
zylinderförmig ausgebildet,
und die Rückschlusseinrichtung
weist die Form eines Hohlzylinders auf, welcher den Permanentmagneten
radial umschließt.
Bei dieser Ausgestaltung kann der Permanentmagnet innerhalb der Rückschlusseinrichtung
gleichzeitig in Verschieberichtung bewegt und um seine Längsachse
rotiert werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn der mit der Vorrichtung
gekoppelte Körper
nicht nur linear verschiebbar sondern auch rotierbar gelagert ist.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Vorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In
den Figuren sind:
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1A und 1B schematische
Querschnittsansichten eines ersten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung;
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2A und 2B schematische
Querschnittsansichten eines zweiten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung;
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3A und 3B Querschnittsansichten entlang
der Schnittlinie X-X in 1A;
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4 bis 6 schematische
Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung sowie der zugehörigen
Kraftkennlinien.
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In
den 1A und 1B ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung einer definierten Kraft
im Querschnitt dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein
als lang gestreckter Hohlkörper
ausgebildetes Gehäuse 2,
sowie einen in dem Gehäuse 2 angeordneten
Permanentmagneten 3. Der Permanentmagnet 3 ist
in einer Verschieberichtung (Pfeil A) relativ zum Gehäuse 2 um
eine Hubstrecke ΔZ
verschiebbar gelagert. Der Permanentmagnet 3 ist quer zur
Verschieberichtung magnetisiert, d.h. er weist mindestens einen
Nordpol (mit N gekennzeichnet) und einen Südpol (mit S gekennzeichnet)
auf, welche quer zur Verschieberichtung orientiert sind. Das Gehäuse 2 weist
zwei Abschlusselemente 4 auf, welche das Gehäuse 2 an
beiden Enden abschließen
und die Hubstrecke ΔZ
be grenzen. Die Abschlusselemente 4 weisen zwei Öffnungen 5 auf, welche
von am Permanentmagnet 3 befestigten Führungsstangen 6 durchdrungen
werden. Dadurch wird der Permanentmagnet 3 beim Verschieben
geführt. An
einer Führungsstange 6 kann
ein Körper 7 befestigt
sein, auf welchen die Bewegung des Permanentmagneten 3 übertragen
werden soll.
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Das
Gehäuse 2 weist
eine Rückschlusseinrichtung 8 auf,
welche sich in Verschieberichtung erstreckt und den Permanentmagneten 3 in
Verschieberichtung umgibt, und welche derart mit dem Permanentmagneten 3 zusammenwirkt
und derart angeordnet ist, dass sich ein magnetischer Rückschluss zwischen
dem Nordpol und dem Südpol
ausbildet. Die Rückschlusseinrichtung 8 weist
in Verschieberichtung zwei Abschnitte 9 mit unterschiedlichem
magnetischen Widerstand auf. Der unterschiedliche magnetische Widerstand
ist hier dadurch realisiert, dass die Abschnitte 9 unterschiedliche
Materialien aufweisen. So ist beispielsweise ein Abschnitt 9 aus
Edelstahl gefertigt und der andere Abschnitt 9 aus Eisen, welches
einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist als Edelstahl.
Der Permanentmagnet 3 und die Rückschlusseinrichtung 8 sind
derart dimensioniert, dass der Permanentmagnet 3 beim Verschieben über die
gesamte Hubstrecke ΔZ
gleichzeitig beide Abschnitte 9 der Rückschlusseinrichtung 8 zumindest
teilweise überlappt.
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In
dem in den 1A und 1B dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Abschnitt 9 mit dem höheren magnetischen Widerstand
im linken Teil der Vorrichtung 1 vorgesehen. Ferner ist
die Hubstrecke ΔZ
durch die Abschlusselemente 4 auf beiden Seiten derart
begrenzt, dass der Permanentmagnet 3 am rechten und linken
Anschlag der Hubstrecke ΔZ
jeweils zumindest teilweise beide Abschnitte 9 überlappt.
Durch die unterschiedlichen magnetischen Widerstände der Abschnitte 9 wirkt
auf den Permanentmagneten 3 über die gesamte Hubstrecke ΔZ eine definierte
Kraft F, welche parallel zur Verschieberichtung gerichtet ist und
dem Permanentmagneten 3 in Richtung des Abschnittes mit
dem geringeren magnetischen Widerstand bzw. mit dem höheren magnetischen
Fluss drängt.
Im Ausführungsbeispiel
der 1A und 1B ist
dies der rechte Abschnitt 9. Wird der Permanentmagnet 3,
wie in 1B dargestellt, zwangsweise
in den Abschnitt 9 mit dem größeren magnetischen Widerstand
(im Ausführungsbeispiel
der linke Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8)
gedrängt,
so bewegt er sich im freien Zustand aufgrund der wirkenden Kraft
F selbsttätig
wieder in Richtung des rechten Abschnitts 9 mit geringerem
magnetischen Widerstand zurück,
wie es in 1A dargestellt ist.
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In
den 2A und 2B ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1 als Querschnittsansicht dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel
entspricht prinzipiell dem Aufbau des in 1A und 1B dargestellten
ersten Ausführungsbeispiels.
Jedoch wird der unterschiedliche magnetische Widerstand in den beiden
Abschnitten 9 der Rückschlusseinrichtung 8 im
zweiten Ausführungsbeispiel
dadurch realisiert, dass die Abstände D1 und D2 zwischen dem
Permanentmagnet 3 und den beiden Abschnitten senkrecht
zur Verschieberichtung unterschiedlich groß ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel
ist der Luftspalt D1 zwischen dem Permanentmagneten 3 und
dem rechten Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8 deutlich
geringer als der Luftspalt D2 zwischen dem Permanentmagneten 3 und
dem linken Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8.
Somit ist der magnetische Widerstand im rechten Abschnitt 9 geringer
als im linken Abschnitt 9. Dadurch wirkt auch in diesem
Ausführungsbeispiel auf
den Permanentmagneten 3 eine definierte Kraft F, welche
ihn im freien Zustand in Richtung des rechten Abschnitts 9 drängt. Auch
hier sind die Rückschlusseinrichtung 8 und
der Permanentmagnet 3 derart dimensioniert, dass der Permanentmagnet 3 bei
Erreichen der Abschlusselemente 4 jeweils beide Abschnitte 9 überlappt.
Durch diese Überlappung wird
sichergestellt, dass auf den Permanentmagneten 3 über die
gesamte Hubstrecke ΔZ
die definierte Kraft F wirkt. Würde
der Permanentmagnet 3 vollständig in einen Abschnitt 9 eintauchen,
ohne den anderen Abschnitt 9 noch zu überlappen, wäre die auf
ihn wirkende Kraft F in Verschieberichtung gleich Null.
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In
den 3A und 3B sind
zwei Ausführungsbeispiele
für Querschnittsansichten
entlang der Schnittlinie X-X in 1A dargestellt.
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Gemäß der 3A kann
die Rückschlusseinrichtung 8 als
Hohlkörper
mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet sein,
wobei der Permanentmagnet 3 als lang gestreckter Quader ausgeführt ist.
Die Rückschlusseinrichtung 8 umgibt den
Permanentmagneten 3 peripher. Diese Ausführung der
Vorrichtung erlaubt lediglich eine lineare Verschiebung des Permanentmagneten 3 über die Hubstrecke ΔZ, wogegen
eine Rotation des Permanentmagneten 3 innerhalb der Rückschlusseinrichtung 8 nicht
möglich
ist. Es ist jedoch auch möglich, dass
die Rückschlusseinrichtung 8 U-förmig ausgebildet
ist und den quaderförmigen
Permanentmagneten 3 nur teilweise umgibt. Diese Ausgestaltung zeichnet
sich durch eine hohe Energiedichte und eine preiswerte Herstellung
aus.
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Dagegen
kann der Permanentmagnet 3 bei dem in 3B dargestellten
Ausführungsbeispiel, bei
dem die Rückschlusseinrichtung 8 bzw.
das Gehäuse 2 als
Hohlzylinder und der Permanentmagnet 3 als lang gestreckter
Vollzylinder ausgebildet sind, sowohl eine lineare Verschiebung
entlang der Verschieberichtung sowie eine Rotation innerhalb der Rückschlusseinrichtung 8 ausführen. Dies
ist dann von Vorteil, wenn der mit der Vorrichtung 1 gekoppelte
Körper 7 sowohl
eine lineare Verschiebung als auch eine Rotation durchführen soll.
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Anhand
der 4 bis 6 sollen weitere Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung 1 erläutert werden.
Dabei soll deutlich werden, wie durch geeignete geometrische Ausgestaltung
der Abschnitte 9 individuelle Kraftkennlinien entlang der
Hubstrecke ΔZ
realisiert werden können.
Zur weiteren Erläuterung
sind in den 4 bis 6 jeweils
zugehörigen Kraft kennlinien
schematisch dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass in den Diagrammen
eine positive Kraft F eine Kraftrichtung von Links nach Rechts und eine
negative Kraft F eine Kraftrichtung von Rechts nach Links bedeutet.
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In
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
Rückschlusseinrichtung 8 zwei Abschnitte 9.
Der rechte und linke Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8 bestehen
aus dem gleichen Material. Jedoch ist der Abstand zwischen dem linken
Abschnitt 9 und dem Permanentmagneten 3 größer als
der Abstand zwischen dem rechten Abschnitt 9 und dem Permanentmagneten 3.
Die beiden Abschnitte 9 sind daher durch eine Stufe getrennt.
Innerhalb der Abschnitte 9 ist der Abstand zum Permanentmagneten 3 jedoch
konstant. Der Permanentmagnet 3 und die Abschnitte 9 sind
dabei so ausgebildet, dass der Permanentmagnet 3 nur über einen
Teil der Hubstrecke ΔZ
beide Abschnitte 9 überlappt.
Wie in der Kraftkennlinie dargestellt ist, wirkt auf den Permanentmagneten 3 in
dem Bereich der Hubstrecke ΔZ,
in dem der Permanentmagnet 3 bei Abschnitte 9 überlappt,
ein konstante Kraft F, welche den Permanentmagneten 3 in
Richtung des rechten Abschnitts 9 drängt. In den Bereichen der Hubstrecke ΔZ, in denen
der Permanentmagnet 3 nur einen Abschnitt 9 überlappt,
ist die Kraft F gleich Null.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß der 5 weist
die Rückschlusseinrichtung 8 in
Verschieberichtung drei Abschnitte 9 auf, welche jeweils
einen unterschiedlichen magnetischen Widerstand aufweisen. Auch
in diesem Ausführungsbeispiel
wird dies durch unterschiedlich große Abstände des Permanentmagneten 3 zu
den jeweiligen Abschnitten 9 der Rückschlusseinrichtung 8 realisiert.
Dabei ist der Abstand beim linken und rechten Abschnitt 9 größer als der
Abstand beim mittleren Abschnitt 9. Der Permanentmagnet 3 ist
dabei so bemessen, dass er über die
gesamte Hubstrecke ΔZ
zumindest zwei der drei Abschnitte 9 überlappt. Dadurch ergibt sich
der in 5 dargestellte Kraftverlauf. Befindet sich der
Permanentmagnet 3 am linken Ende der Hubstrecke ΔZ, so überlappt
er den linken und den mittleren Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8.
In diesem Zustand wirkt auf den Permanentmagneten 3 eine
nahezu konstante Kraft F, welche ihn aufgrund des dort herrschenden
höheren
magnetischen Flusses bzw. des geringeren magnetischen Widerstands
in Richtung des mittleren Abschnitts 9 drängt. Beim
weiteren Verschieben überlappt
der Permanentmagnet 3 drei Abschnitte 9, wobei
die auf dem Permanentmagneten 3 wirkende Kraft F gegen
Null absinkt und danach einen Vorzeichenwechsel erfährt. Dies
bedeutet, dass der Permanentmagnet 3 in die entgegengesetzte
Richtung gedrängt
wird. Dies geschieht aufgrund des größeren magnetischen Flusses
bzw. des geringeren magnetischen Widerstands im mittleren Abschnitt 9 im
Vergleich zum rechten Abschnitt 9 der Rückschlusseinrichtung 8.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 6 umfasst die Rückschlusseinrichtung 8 zwei
Abschnitte 9, wobei der in 6 dargestellte
linke Abschnitt 9 einen konstanten Abstand D1 zum Permanentmagneten 3 aufweist
und der in 6 dargestellte rechte Abschnitt 9 einen
von Links nach Rechts linear zunehmenden Abstand zum Permanentmagneten 3 aufweist.
Anhand der Kraftkennlinie wird deutlich, dass die auf den Permanentmagneten 3 wirkende Kraft
F bei einer Verschiebung des Permanentmagneten 3 vom linken
Ende zum rechten Ende der Hubstrecke ΔZ abnimmt. Dies ist dadurch
zu erklären, dass
im rechten Abschnitt 9 mit zunehmendem Abstand der magnetische
Fluss abnimmt und der magnetische Widerstand zunimmt.
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In
den Ausführungsbeispielen
ist der Körper 7 über die
Führungsstangen 6 mit
dem Permanentmagneten 3 verbunden, sodass die Kraft F bzw.
die Bewegung des Permanentmagneten 3 auf den Körper 7 übertragen
wird. Im Falle, dass das Gehäuse 2 mit
der Rückschlusseinrichtung 8 der
bewegte Teil ist und der Permanentmagnet 3 örtlich fixiert
ist, kann der Körper 7 auch
mit dem Gehäuse 2 fest
verbunden sein. In den Ausführungsbeispielen
ist der Permanentmagnet 3 mit nur einem Polpaar mag netisiert, jedoch
kann er auch mit mehreren Poolpaaren magnetisiert sein.
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Anhand
der obigen Ausführungsbeispiele wird
deutlich, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
je nach Ausgestaltung der Abschnitte 9 der Rückflusseinrichtung,
verschiedene Kraftkennlinien erzeugbar sind. Die Kraft F entsteht
durch den unterschiedlichen magnetischen Widerstand und den unterschiedlichen
magnetischen Fluss der Abschnitte 9 des speziell aufgebauten
magnetischen Rückschlusskreises.
Dadurch kann die Vorrichtung 1 an jede Anwendung individuell
angepasst werden, so dass für
jede Anwendung eine reproduzierbare, exakte und definierte Kraftkennlinie
darstellbar ist. Gegenüber
Pneumatikzylindern und Federn bietet die Vorrichtung 1 den
Vorteil, dass sie verschleißfrei, langzeitstabil
und hysteresefrei ist. Wogegen bei Pneumatikzylindern im Allgemeinen
nur Kennlinien mit konstanter Federkraft und bei Federn im Allgemeinen
nur progressive Kennlinien erzeugt werden können, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 möglich, beliebige
Kraftkennlinien darzustellen. Ferner ist zur Erzeugung der Kraft
keinerlei Hilfsenergie nötig.
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Als
Anwendungsgebiete kommen alle technischen Gebiete vor, in denen
definierte Kräfte
auf Körper 7,
wie beispielsweise Bauteile, Aktuatoren, Funktionselemente wirken
sollen. Insbesondere findet die Vorrichtung 1 überall dort
Anwendung, wo auch Federn oder Pneumatikzylinder Verwendung finden.