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Die Erfindung betrifft eine Presse.
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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 Presse mit einer vereinfachten Antriebseinrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit der Presse nach Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Presse eignet sich zum Antrieb von Pressenstößeln, wobei ein solcher Pressenstößel von einer einzigen solchen Antriebseinrichtung oder auch von mehreren gemeinsam angetrieben sein kann.
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Die Antriebseinrichtung der Presse 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 eine Presse 1 schematisch veranschaulicht. Zu der Presse 1 gehört ein Pressengestell mit Ständern 2, 3, einem Pressentisch 4 und einem Pressenkopfstück 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 6 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 18 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 15 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 43b der Außenumfangsfläche 43. Jedoch sind die zwischen den Fenstern 30a, 30b angeordneten Permanentmagnete 32b bzw. die in Axialrichtung (in Richtung der Drehachse 26) gemessene Länge ×1 der ausgebildeten Magnetpole kürzer als die Länge ×2 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 Antriebseinrichtung 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