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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer
hin und hergehenden Antriebsbewegung, wie beispielsweise zum Antrieb
einer Presse oder einer sonstigen Maschine, die eines hin und her
gehenden Antriebs bedarf.
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Zum
Antrieb des Stößels einer Presse werden in herkömmlicher
Weise Exzenterantriebe vorgesehen, die entweder über Zahnräder
oder auch durch einen Servomotor angetrieben sind, wie es beispielsweise
aus der
DE 41 09 796
C2 bekannt ist.
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Es
ist auch bekannt, einen Pressenexzenter über mehrere Servomotoren
anzutreiben, die an ihrer Abtriebswelle jeweils ein Ritzel tragen,
das mit der Außenverzahnung eines Exzenters kämmt.
Dazu wird auf die
DE
10 2004 009 256 B4 verwiesen.
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Die
Anordnung eines Zahnradgetriebes zwischen den Servomotoren und dem
Pressenexzenter stellt einen spürbaren technischen Aufwand
dar. Bei Richtungsumkehr der Bewegungsrichtung des Exzenters wird
das Zahnflankenspiel durchlaufen. Außerdem laufen die Servomotoren
mit erheblich höheren Drehzahlen als der Exzenter, so dass
das Schwungmoment der Servomotoren spürbar in Erscheinung
treten kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Antriebseinrichtung
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit der Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eignet sich
sowohl zum Antrieb von Pressenstößeln, wobei ein
solcher Pressenstößel von einer einzigen solchen
Antriebseinrichtung oder auch von mehreren gemeinsam angetrieben
sein kann. Auch andere Maschinen können von der erfindungsgemäßen
Antriebseinrichtung eine hin und hergehende Antriebsbewegung erhalten.
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Die
Antriebseinrichtung weist eine elektrische Maschine mit einem Stator
und einem Rotor auf, der um eine Drehachse hin und her drehbar gelagert
ist. In dem Stator ist wenigstens eine Kammer vorgesehen, die einen
Exzenter beherbergt. Auf diesem sitzt ein Pleuel, das den Abtrieb
der Antriebseinrichtung bildet. Die Kammer ist in Axialrichtung
von zwei Wänden und in Radialrichtung durch einen Verbindungsabschnitt
begrenzt, der die beiden Wände untereinander verbindet
und einen Kammerboden bildet. Die Kammer ermöglicht eine
begrenzte Schwenkbewegung des Pleuels um den Exzenter herum. Die
Schwenkbewegung kann auf einen bestimmten Winkel begrenzt sein.
Dieser Winkel kann ein spitzer, ein rechter, ein stumpfer oder ein überstumpfer
Winkel sein. Jedenfalls aber ist er kleiner als 360°.
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Dieses
Grundkonzept gestattet die Ausbildung sehr kompakter Antriebe, bei
denen das Pleuel gewissermaßen aus dem Statorgehäuse
herausragt. Ist der Rotor beispielsweise beidseits, d. h. bei seinen beiden
Stirnseiten gelagert, wird die von dem Pleuel ausgeübte
Kraft zwischen den beiden Lagern in den Rotor eingeleitet. Auf diese
Weise können die von großen Pleuelkräften
verursachten Lagerreaktionskräfte von den entsprechenden
Rotorlagern sicher und technisch einfach aufgefangen werden. Dies
gilt sowohl bei Antriebseinrichtungen mit nur einem, beispielsweise
mittig angeordneten Pleuel, wie auch bei Antriebseinrichtungen,
die mehrere, zum Beispiel zwei Pleuel aufweisen.
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Vorzugsweise
ist das Pleuel außerhalb der Drehachse des Rotors angeordnet.
Der Pleuelfuß umfasst somit die Drehachse des Rotors nicht.
Dies schafft die Möglichkeit, eine durchgehende gerade, insbesondere
ungekröpfte Rotorachse vorzusehen.
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Der
Rotor weist vorzugsweise eine zylindrische Außenfläche
auf, die von wenigstens einem Fenster durchbrochen ist. Dieses Fenster
schafft Zugang zu der in dem Rotor vorgesehenen Kammer. Das Pleuel
ragt durch das Fenster und kann im Rahmen der Umfangserstreckung
des Fensters eine Schwenkbewegung um den Exzenter ausführen.
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Vorzugsweise
trägt der Rotor an seiner Außenumfangsfläche
Permanentmagnete, während der Stator mit zugeordneten Wicklungen
und Flussleiteinrichtungen versehen ist. Die Permanentmagnete können
entlang des gesamten Umfangs des Rotors oder auch nur über
einen Teil desselben angeordnet sein. Ebenso kann sich der Stator
um den gesamten Außenumfang des Rotors herum erstrecken
und ringförmig geschlossen sein oder sich auch nur um einen
Teil des Rotors bogenförmig herum erstrecken. Es ist im
letzteren Fall möglich, die Länge des Stators und
des Rotors in Umfangsrichtung unterschiedlich groß zu bemessen.
Beispielsweise kann der Rotor im Rahmen seiner hin und her schwenkenden
Bewegung mit dem Stator eine konstante Luftspaltfläche festlegen.
Es ist auch möglich, den Rotor an den Enden des Stators
aus dem Statorbereich herauslaufen zu lassen. Durch die Schwenkbewegung
des Rotors kann es dadurch zu wechselnden, insbesondere in den Endlagen
der Schwenkbewegung abnehmenden Luftspaltflächen kommen.
Letzteres ist insbesondere dann sinnvoll, wenn in den entsprechenden
Endbereichen nur geringe Kräfte bzw. Antriebsmomente gefordert
werden.
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Wenn
die Permanentmagnete nur einen Teil des Umfangs des Rotors besetzen,
ist es möglich, die Umfangsbereiche des Rotors, an denen
das oder die Fenster vorgesehen sind, von Magneten vollkommen freizuhalten.
Zur Erzielung größerer Antriebsmomente ist es
jedoch auch möglich, in Nachbarschaft des Fensters, beispielsweise
zu beiden Seiten eines zentral angeordneten Fensters oder, wenn zwei
Fenster vorgesehen sind, zwischen diesen, ebenfalls Permanentmagnete
anzuordnen. Diese Permanentmagnete enden an den Fenstern oder halten
einen Abstand zu diesen ein. In diesem Fall kann es zweckmäßig
sein, die Permanentmagnete bzw. die von ihnen ausgebildeten Magnetpole
in Axialrichtung der Antriebseinrichtung kürzer auszubilden
als die Magnetpole, die außerhalb des Fensterbereichs ausgebildet
sind. Dadurch kann nahezu die gesamte Rotoraußenfläche
als aktiver magnetischer Antrieb genutzt werden.
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Es
wird bevorzugt, den Stator an dem Rotor reitend zu lagern. Dies
kann beispielsweise durch ein sowohl den Stator als auch den Rotor
einhausendes Gehäuse erfolgen, das durch geeignete Lager,
beispielsweise Wälzlager auf der Rotorwelle gelagert ist.
Das Statorgehäuse wird im Rahmen der fliegenden Lagerung
von dem Rotor oder der Rotorwelle getragen. Zur Ableitung des Antriebsdrehmoments
ist das Statorgehäuse über ein geeignetes Mittel,
wie beispielsweise eine gelenkig angebundene Zug- und Druckstange,
an einer ortsfesten Stelle, beispielsweise einem Pressengestell,
einem Pressenkopfstück oder dergleichen befestigt. Dadurch
wird lediglich die Drehbewegung des Stators verhindert. Alle anderen Bewegungen
werden zugelassen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist die reitende Lagerung
des Stators an dem Rotor unmittelbar an dem Rotoraußenumfang
angeordnet. Die Außenumfangsfläche trägt
dazu eine Lagereinrichtung. Zur Aufnahme der Lagereinrichtung kann
in der Außenumfangsfläche eine beispielsweise
ringförmige Vertiefung vorgesehen sein, die beispielsweise an
dem Rand der Außenumfangsfläche angeordnet ist.
Die dort angeordneten Lager sind beispielsweise Wälzlager.
Sie können an beiden stirnseitigen Rändern der
Außenumfangsfläche angeordnet sein. Vorzugsweise
ist der Rotor in Radialrichtung steifer als der Stator, so dass
der Stator vermittels der Lagerung seine Steifigkeit aus der Steifigkeit
des Rotors bezieht. Verformungen des Rotors bzw. Stators, die aus magnetischer
oder mechanischer Belastung herrühren können,
führen nicht zu einer schädlichen Veränderung
der Luftspaltweite. Deshalb kann die erfindungsgemäße
Antriebseinrichtung mit sehr engen Luftspalten arbeiten, was zu
einer Verminderung des Materialaufwands, insbesondere bei den Permanentmagneten
führt.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus der Zeichnung, aus der Beschreibung oder aus Ansprüchen.
Die Beschreibung ist auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger
Gegebenheiten beschränkt. Die Zeichnung offenbart weitere
Details und kann ergänzend herangezogen werden. Es zeigen:
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1 eine
Presse mit zwei erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen,
in schematisierter Vorderansicht,
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2 eine
Antriebseinrichtung der Presse nach 1, im Vertikalschnitt,
senkrecht zu der Drehachse der Antriebseinrichtung und
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform der Antriebseinrichtung, in
einem zu der Rotordrehachse parallelen Vertikalschnitt.
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In 1 ist
stellvertretend für eine mechanische Maschine, die eine
hin und her gehende Antriebsbewegung erfordert, eine Presse 1 schematisch
veranschaulicht. Zu der Presse 1 gehört ein Pressengestell
mit Ständern 2, 3, einem Pressentisch 4 und
einem Presskopfstück 5. Zwischen dem Pressentisch 4 und
dem Pressenkopfstück ist ein Stößel 6 angeordnet,
der über Linearführungen 7, 8 vertikal
verfahrbar angeordnet ist. In Gebrauch trägt der Pressentisch 4 ein
Unterwerkzeug und der Stößel 6 ein Oberwerkzeug,
die zu einem nicht weiter veranschaulichten Werkzeug gehören.
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Zum
Antrieb des Stößels 6 ist mindestens eine
Antriebseinrichtung 9 und gegebenenfalls eine weitere Antriebseinrichtung 10 vorgesehen.
Die beiden Antriebseinrichtungen 9, 10 können
untereinander vollkommen gleich oder auch spiegelsymmetrisch zueinander
aufgebaut sein. Die nachfolgende Beschreibung der Antriebseinrichtung
gilt somit gleichermaßen für die Antriebseinrichtung 10.
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Die
Antriebseinrichtung 9 ist in dem Pressenkopfstück 5 gehalten.
Sie ist mit dem Stößel 6 über mindestens
einem Pleuel 11 verbunden. Dieses ist an seinem unteren
Ende 12 über eine geeignete Gelenkverbindung 13 an
dem Stößel 65 angeschlossen. Das obere
Ende 14 des Pleuels 11 endet in der Antriebseinrichtung 9 wie
sich genauer aus 2 ergibt. Die dort dargestellte
Antreibseinrichtung 9 weist einen Rotor 15 auf,
der zum Beispiel als Gussteil mit einem Durchmesser bis zu mehreren
Metern ausgebildet sein kann. Bei einer Ausführungsform
weist der Rotor 15 eine zentrale mit einer Bohrung versehene Nabe 16 auf,
durch die sich eine nicht drehende Achse 17 erstreckt auf
der der Rotor 15 hin und her drehbar gelagert ist. In einer
anderen Ausführungsform ist die Achse 17 als Welle
ausgebildet und drehfest mit der Nabe 16 verbunden oder
einstückiger Bestandteil derselben. In diesem Fall sind
dann beide stirnseitig aus den Rotor 15 herausragende Enden
der Achse bzw. Welle 17 in entsprechenden Lagern, bspw. Wälzlagern
drehbar gelagert.
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Von
der Nabe 16 ausgehend können sich Stegwände 18 bis 24 zu
einer hohlzylindrischen Umfangswand 25 erstrecken. Die
Stegwände 18 bis 24 sind dabei zumindest
vorzugsweise parallel zu einer von der Achse 17 definierten
Drehachse 26 orientiert.
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Die
Stegwände 18 bis 24 nehmen nur einen Teil
des von dem Rotor festgelegten Kreises ein. Ein anderer Teil, der
im vorliegenden Ausführungsbeispiel fast 180° beträgt,
wird frei gelassen. Im Bereich der Stegwände 178 bis 24 weist
der Rotor mindestens eine, möglicherweise auch mehrere
Zwischenwände 27 auf, die sich rechtwinklig zu
den Stegwänden 18 bis 24 erstrecken und
auf der bzw. denen die Drehachse 26 senkrecht steht. Außerhalb
der Stegwände 18 bis 24 weist der Rotor 15 mindestens
zwei Wände 28 auf, die parallel zu der Zwischenwand 27 orientiert
sind und zwischen einander einen Exzenter 29 halten. Von
den Wänden 28 ist aufgrund der Schnittdarstellung
in 2 nur eine sichtbar. Zwischen der in 2 weg
geschnittenen und der verbliebenen Wand 28 ist eine Kammer
begrenzt, deren Boden von den Stegwänden 18, 24 gebildet
wird. Das Pleuel 11 erstreckt sich in diese Kammer hinein. Die
Kammer 30 öffnet sich dazu durch ein längliches in
Umfangsrichtung verlaufendes Fenster 31.
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Vorzugsweise
ist der Rotor 15 zumindest außerhalb des Fensters 31 mit
Permanentmagneten 32a besetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstrecken
sich die Permanentmagnete 32a lediglich über die
Hälfte des Umgangs der Umfangswand 25.
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Zu
der Antriebseinrichtung 9 gehört außerdem
ein Stator 33 mit einem ringförmigen Gehäuse 34.
Wenigstens ein Teil des Innenumfangs des Gehäuses 34 enthält
Spulen und Flussleiteinrichtungen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
erstrecken sich diese Spulen und Flusseinrichtungen über
die gleiche Bogenlänge wie die Permanentmagnete 32a,
d. h. um 180°.
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Der
Stator 33 bzw. das Statorgehäuse 34 ist zumindest
vorzugsweise an dem Rotor 15 fliegend gelagert. Es wird über
eine geeignete Lagereinrichtung, beispielsweise Wälzlager,
an dem Rotor 15 abgestützt. Dazu sind die entsprechenden
in 2 nicht veranschaulichten Lager zwischen der Umfangswand 25 des
Rotors 15 und entsprechenden radial nach innen gerichteten
Flanschen des Gehäuses 34 angeordnet. Auf diese
Weise können sich der Stator 33 und das Statorgehäuse 34 unter
Last an Verformungen des Rotors 15 anpassen.
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Vorzugsweise
ist das Statorgehäuse 34 mit einem Fenster 35 versehen,
das im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 180° des
Umfangs des Gehäuses 34 einnimmt. Das Pleuel 11 erstreckt
sich durch dieses längliche schlitzartige Fenster 35.
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Der
von dem Rotor 15 getragene Stator 33 ist durch
eine Drehmomentstütze 36 drehfest gesichert. Die
Drehmomentstütze 36 wird beispielsweise durch
eine Zug- und Druckstrebe gebildet, die an einem Ende 37 gelenkig
mit dem Rotorgehäuse 34 und an ihren anderem Ende 38 zum
Beispiel an dem Maschinengestell bzw. dem Pressenkopfstück
gelenkig gelagert ist.
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Die
insoweit beschriebene Presse 1 und die Antriebseinrichtung 9 (bzw. 10)
arbeiten wie folgt:
Im Betrieb soll der Stößel 6 eine
auf und nieder gehende Bewegung vollführen. Dazu steuert
eine nicht weiter veranschaulichte elektrische Steuereinrichtung
den Stator 33 bzw. die ihm zugehörigen nicht weiter
veranschaulichten Spulen derart an, dass der Rotor 35 wie
gewünscht in einer bestimmten Richtung verdreht wird. Der
gegen die Drehachse 26 versetzte Exzenter 29 bewegt
sich dabei auf einer kreisbogenförmigen Bahn um die Drehachse 26,
wodurch das untere Ende 12 des Pleuels 11 den
Stößel 6 entsprechend hebt oder senkt.
Ist der gewünschte obere Umkehrpunkt der Bewegung des Stößels
erreicht, dreht der Rotor 15 seine Drehrichtung um. Die
Steuereinrichtung steuert dazu die Statorspulen entsprechend an.
Der obere Totpunkt kann durch entsprechende Programmierung eingestellt
werden und ist somit variabel.
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Der
Rotor 15 dreht nun in Gegenrichtung, wodurch sich der Stößel 6 nach
unten bewegt. Durch die Drehung des Rotors 15 erreicht
der Exzenter 29 seinen tiefsten Punkt, bei dem die Drehachse 26,
der Exzenter 29 und der Mittelpunkt 39 des unteren
Pleuelauges auf einer gemeinsamen Linie 40 liegen. Der Stößel 6 erreicht
in genau diesem Punkt seinen unteren (natürlichen, d. h.
mechanisch vorgegebenen) Totpunkt. Während der Rotor 15 in
gleicher Richtung weiter dreht, kehrt der Stößel 6 seine
Bewegungsrichtung um und läuft wieder nach oben. Ist der
gewünschte obere Endpunkt der Bahnbewegung des Stößels 6 erreicht,
kehrt der Rotor 15 seine Bewegung wieder um. Der untere
Totpunkt des Stößels wird somit abwechselnd durch
eine Vorwärtsdrehung und eine Rückwärtsdrehung
des Rotors 15 durchlaufen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform ist die Gelenkverbindung 13 vertikal
unterhalb der Drehachse 26 angeordnet. Für die
Vorwärtsdrehung und Rückwärtsdrehung
des Rotors 15 ergeben sich dadurch symmetrische Antriebsverhältnisse.
Der Begriff „vertikal” bezeichnet dabei eine mit
der Bewegungsrichtung des Stößels 6 übereinstimmende Richtung
V (siehe 1).
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Es
wird darauf hingewiesen, dass beim Antrieb anderer Maschinen ein
Reversieren des Rotors 15 sowohl im oberen wie auch im
unteren Totpunkt genutzt werden kann.
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In 3 ist
eine Antriebseinrichtung 9' veranschaulicht, die auf der
Antriebseinrichtung nach 2 beruht, jedoch zwei Pleuel 11a, 11b aufweist. Anhand
der Antriebseinrichtung 9' nach 3 lassen sich
die zuvor schon beschriebenen, ebenso ausgebildeten Statorlager
hier als Lager 41, 42 erkennen, die das Gehäuse 34 des
Stators 33 an der Außenumfangsfläche 43 der
Umfangswand 25 abstützen. Die Lager 41, 42 können
dabei in entsprechenden Ringnuten 44, 45 der Umfangswand 25 untergebracht sein.
Die zentrale Achse 17 kann in einem Gestell oder Gerüst 46 abgestützt
sein, das die Antriebseinrichtung 9' teilweise einhaust
oder auch Teil des Maschinengestelles ist.
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Die
beiden Pleuel 11a, 11b sitzen jeweils in Kammern 30a, 30b,
des Rotors 15'. Die Kammern 30a, 30b sind
zu beiden Seiten der Zwischenwand 27 angeordnet. Die entsprechenden
Exzenter 29a, 29b weisen vorzugsweise zueinander
konzentrische bzw. miteinander fluchtende Exzenterachsen 47a, 47b auf.
Die Kammern 30a, 30b sind jeweils zwischen zwei
Wänden 28a bzw. zwei Wänden 28b gebildet.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Außenumfangsfläche 43 entlang
des gesamten Umfangs mit Permanentmagneten 32a, 32b besetzt. Dies
gilt sowohl für den aus Sicht der Exzenter 29a, 29b jenseits
der Drehachse 26 liegenden oberen Teil 43a der
Umfangsfläche 43 wie auch für den zwischen den
Fenstern 30a, 30b liegenden Bereich 43bder Außenumfangsfläche 43.
Jedoch sind die zwischen den Fenstern 30a, 30b angeordneten
Permanentmagnete 32b bzw. die in Axialrichtung (in Richtung
der Drehachse 26) gemessene Länge x1 der ausgebildeten
Magnetpole kürzer als die Länge x2 der Magnetpole
der oberen Permanentmagnete 32a. Entsprechend ist auch
der Stator 33 angepasst. Es weist ein Segment 33a mit
größerer axialer Länge und ein Segment 33b mit
geringerer axialer Länge auf.
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Das
Statorgehäuse 34 umschließt den Rotor 15 ganz.
Um den Durchtritt der Pleuel 11a, 11b zu gestatten,
weist das Statorgehäuse 34 Fenster 35a, 35b auf.
Zwischen den Fenstern 35a, 35b hat der Stator 33 eine
geringe axiale Länge. Außerhalb der Fenster 35a, 35b hat
der Stator 33 eine vergleichsweise größere
axiale Länge.
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Die
Antriebseinrichtungen 9' nach 3 arbeitet
entsprechend der Funktionsbeschreibung der Antriebseinrichtung 9.
Die unteren Enden 12a, 12b der Pleuel 11a, 11b treiben
wiederum einen Stößel 6 oder ein ähnliches
Maschinenteil an. Der Rotor 15 vollführt, wie
beschrieben, keine vollständige Drehbewegung, sondern eine
hin und her pendelnde Drehbewegung gleicher oder wechselnder Amplitude und
Geschwindigkeit. Die axial kurzen unteren zwischen den Fenstern 30a, 30b gelegenen
Permanentmagnete 32 können dabei in den Bereich
des Stators mit längeren Statorabschnitten einlaufen und
aus diesen auslaufen. In Strecklage, wie sie entsprechend in 2 veranschaulicht
ist, stimmen die Überdeckungen der Permanentmagnete 32 mit
dem Stator 33 überein.
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Die
vorgestellte Antriebseinrichtung 9 ist ein elektrischer
Direktantrieb zur Erzeugung einer hin und her gehenden Schwenkbewegung.
Es ergibt sich eine günstige Anordnung der Lagerung und
der Antriebselemente, eine gute Ableitung auftretender asymmetrischer
Magnetkräfte und eine kompakte, robuste und Raum sparende
Bauform.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Presse
- 2,
3
- Ständer
- 4
- Pressentisch
- 5
- Pressenkopfstück
- 6
- Stößel
- 7,
8
- Linearführungen
- 9,
10, 9'
- Antriebseinrichtung
- 11
- Pleuel
- 12
- unteres
Ende des Pleuels 11
- 13
- Gelenkverbindung
- 14
- oberes
Ende des Pleuels 11
- 15,
15'
- Rotor
- 16
- Nabe
- 17
- Achse
- 18–24
- Stegwände
- 25
- Umfangswand
- 26
- Drehachse
- 27
- Zwischenwand
- 28
- Wand
- 29
- Exzenter
- 30
- Kammer
- 31
- Fenster
- 32,
32a, 32b
- Permanentmagnete
- 33
- Stator
- 33a,
33b
- Segment
- 34
- Gehäuse
- 35
- Fenster
- 36
- Drehmomentstütze
- 37,
38
- Enden
- 39
- Mittelpunkt
des unteren Pleuelauges
- 40
- Linie
- 41,
42
- Lager
- 43
- Außenumfangsfläche
- 44,
45
- Nut
- 46
- Gestell
- 47a,
47b
- Exzenterachsen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4109796
C2 [0002]
- - DE 102004009256 B4 [0003]
