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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurzhubaktor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Stand der Technik sind Aktoren in Form von Linearmotoren, sog. Wanderfeldmaschinen, bekannt. Ein Linearmotor versetzt z. B. ein Objekt mittels eines wandernden Magnetfelds in eine geradlinige Bewegung. Ferner sind Aktoren bekannt, welche nach demselben Prinzip arbeiten, um einen rotatorischen Antrieb zu erzielen.
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Auf dem Gebiet der Linearmotoren sind auch sogenannte Kurzhubaktoren bekannt, welche vorrangig in Bereichen eingesetzt werden, in denen eine hohe Dynamik bei kurzen Verfahrwegen nötig ist. Ein solcher, speziell auf hohe Dynamik ausgelegter, Kurzhubaktor ist z. B. der Druckschrift
DE 10 2006 061 136 A1 zu entnehmen. Die bekannten Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass kostenintensive Permanentmagnete verbaut werden müssen, die Ansteuerung aufwändig ist oder die Aktoren kompliziert aufgebaut sind.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, vorstehend geschilderte Nachteile zu überwinden und einen kostengünstigen, einfach zu betreibenden Kurzhubaktor vorzuschlagen, welcher eine hohe Leistungsdichte erreicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Kurzhubaktor, insbesondere ein Kurzhublinearmotor, enthaltend ein Primärteil mit einem ersten Rückschlusselement sowie ein Sekundärteil mit einem zweiten Rückschlusselement, wobei das Sekundärteil zur Hin- und Herbewegung in einer Bewegungsrichtung relativ zum Primärteil durch einen Luftspalt von diesem beabstandet angeordnet ist, wobei vom Primärteil erste Polelemente in einer ersten Kammstruktur benachbart zueinander hin zum Sekundärteil ragen, wobei jeweils zwei benachbarte erste Polelemente zur Ausbildung entgegen gesetzter Magnetpole infolge einer Bestromung ausgebildet sind, und wobei vom Sekundärteil zweite Polelemente in einer zweiten Kammstruktur hin zum Primärteil ragen, wobei die erste und die zweite Kammstruktur mittels der Polelemente in Bewegungsrichtung relativ zueinander beweglich ineinander greifen, derart, dass zwischen zwei benachbarten ersten Polelementen jeweils ein zweites Polelement angeordnet ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors sind am Sekundärteil jeweils zwei benachbarte zweite Polelemente zur Ausbildung entgegen gesetzter Magnetpole infolge Bestromung ausgebildet.
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Bei noch einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors, weist die erste und die zweite Kammstruktur eine gleiche Anzahl an Polelementen auf.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors weisen die ersten Polelemente der ersten Kammstruktur zueinander einen Abstand auf, welcher dem Abstand der zweiten Polelemente der zweiten Kammstruktur entspricht und/oder die Zähne der Polelemente der ersten Kammstruktur zueinander einen Abstand aufweisen, welcher dem Abstand der Zähne der Polelemente der zweiten Kammstruktur entspricht.
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Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors weisen die ersten und/oder zweiten Polelemente jeweils genau einen Zahn und/oder genau eine Zahnspule zur Ausbildung der Magnetpole auf.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Kurzhubaktor vorgeschlagen, wobei jede Zahnspule jeweils genau einen Wicklungsstrang aufweist.
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Bei einem Aspekt des erfindungsgemäßen Kurzhubaktors weisen zwei benachbarte erste oder zweite Polelemente Zahnspulen zueinander entgegen gesetzten Wicklungssinns auf.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch ein Kurzhubaktor, wobei ein Polelement als Zahnspule eine Ringspule aufweist, insbesondere eine Ringspule mit genau einem Strompfad. Dabei ist auch vorgesehen, dass alle Polelemente je eine Ringspule aufweisen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors überlappen sich die ersten und zweiten Polelemente in Bewegungsrichtung außerhalb ihrer Zahnspulen.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kurzhubaktors ist durch je zwei erste und je zwei zweite Polelemente sowie durch erstes und zweites Rückschlusselement ein geschlossener Magnetkreis bildbar.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß weiterhin ein Kurzhubaktor, wobei die ersten Polelemente jeweils identisch gebildete Zahnspulen und Zähne aufweisen und/oder die zweiten Polelemente identisch gebildete Zahnspulen und/oder Zähne aufweisen.
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Bei einem Aspekt eines erfindungsgemäßen Kurzhubaktors ist der Abstand zwischen zwei ersten Polelementen im Überlappungsbereich jeweils größer als jeweils die Breite eines zweiten Polelements im Überlappungsbereich, insbesondere eines zwischen zwei ersten Polelementen angeordneten zweiten Polelements.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 exemplarisch einen Kurzhubaktor gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Kurzhubaktor 1 mit einem Primärteil 2 und einem Schlittenelement bzw. einem Sekundärteil 3. Der Kurzhubaktor 1 (ein Aktor ist ein Element zur Umwandlung einer Eingangsgröße in eine andersartige Ausgangsgröße, um eine gewünschte Aktion oder einen Effekt zu erzielen, englisch: actuator) erzeugt vorliegend mittels elektrischer Energie eine magnetische Anziehungs- und Abstoßungskraft und insofern eine Bewegung des Sekundärteils 3 relativ zum Primärteil 2. Der Kurzhubaktor 1 ist z. B. dazu ausgebildet, Stellaufgaben mit geringem Bewegungsumfang bzw. sehr kleinen Hub-Bewegungen (Kurzhub) zu erledigen, bei welchen hohe Kräfte erforderlich sind. Der Kurzhubaktor 1 kann dabei als Linearmotor bzw. Linearaktor oder als Drehaktor zur Bewegung um eine Drehachse ausgebildet sein.
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Das Primärteil 2 ist z. B. ortsfest angeordnet. Das Sekundärteil 3 ist dazu beabstandet mit einem Luftspalt 4a angeordnet derart, dass das Sekundärteil 3 relativ zu dem Primärteil 2 in einer Bewegungsrichtung (z. B. in Längsrichtung parallel zu Primär- und Sekundärteil, Pfeil 5) hin- und her bewegbar ist (z. B. in 1 von rechts nach links oder umgekehrt). Das Primärteil 2 als auch das Sekundärteil 3 weisen jeweils ein Rückschlusselement 6, 7 auf, nachfolgend erstes 6 und zweites 7 Rückschlusselement, welches jeweils der Aufnahme und Führung eines zu führenden magnetischen Flusses 8 in dem Kurzhubaktor 1 dient. Ein Rückschlusselement 6, 7 ist zum Beispiel jeweils integral mit dem Primär- oder Sekundärteil 2 bzw. 3 gebildet, und besteht aus magnetisch leitfähigem Material.
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An dem Primärteil 2 sind benachbart zueinander zwei oder mehrere Polelemente 9, z. B. drei Polelemente 9, angeordnet, deren distale Enden 9a in Richtung zum gegenüberliegenden Sekundärteil 3 weisen, dieses jedoch nicht kontaktieren. Erfindungsgemäß sind jeweils zwei benachbarte Polelemente 9 des Primärteils 2, nachfolgend als erste Polelemente 9 bezeichnet, dazu ausgebildet, benachbart zueinander entgegen gesetzte Magnetpole auszubilden, i. e. ein erstes Polelement 9 bildet Magnetpole (Nordpol N bzw. Südpol S) aus, deren Anordnung bzw. Ausrichtung am Polelement 9 (z. B. N-S), insbesondere z. B. über dessen Länge L, entgegen gesetzt zu der des benachbarten ersten Polelements 9 (z. B. S-N) ist. Die ersten Polelemente 9 ragen, insbesondere über ihre Länge L, parallel zueinander von dem Rückschlusselement 6 bzw. dem Primärteil 2 im Wesentlichen senkrecht weg in Richtung Sekundärteil 3 und bilden somit eine erste Kammstruktur. Dabei sind die Polelemente 9 in Bewegungsrichtung 5 vorzugsweise gleichbeabstandet angeordnet.
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Die Ausbildung entgegen gesetzter Magnetpole zweier benachbarter erster Polelemente 9 erfolgt durch Bestromung, z. B. derart, dass ein Polelement 9 in einer ersten Richtung und ein benachbartes Polelement 9 in einer entgegen gesetzten Richtung mit elektrischem Strom versorgt wird (1: X/•). Dies kann z. B., bei einer einzelnen Ansteuerung der Polelemente 9 durch geeignete Bestromung mit entsprechend unterschiedlicher Stromrichtung erreicht werden, oder bei elektrischer Reihenschaltung gleichartiger Polelemente 9 z. B. dadurch, dass die Eingangs- und Ausgangspinbelegung eines Polelements 9 gegenüber dem benachbarten gleichartigen Polelement 9 invertiert ist. Alternativ könnten Polelemente 9 vorgesehen sein, die Spulen mit entgegen gesetztem Wicklungssinn bei gleicher Stromrichtung aufweisen.
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Die ersten Polelemente 9 sind z. B. ummagnetisierbar, z. B. durch Umsteuerung der Stromrichtung ummagnetisierbar (von z. B. N-S nach S-N über ihre Länge L), derart dass jeweils benachbarte Polelemente 9 nach Ummagnetisierung wiederum entgegen gesetzte Polarität aufweisen. Durch Ummagnetisierung kann z. B. eine Hin- und Herbewegung des Sekundärteils 3 relativ zum Primärteil 2 erzeugt werden.
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Die Polelemente 9 des ersten Rückschlusselements 6 sind z. B. als einzelne Elektromagnete ausgeführt, wobei jedes erste Polelement 9 z. B. eine, insbesondere genau eine, Zahnspule 10 aufweist, welche z. B. einen Zahn 11 bzw. Kern aus magnetisch leitfähigem Material, insbesondere an dessen dem Rückschlusselement 6 zugewandten Ende, umfasst, welcher im Inneren der Spule 5a angeordnet ist. Bei Bestromung des Polelements 9 wird durch die Zahnspule 10, z. B. eine herkömmliche Ringspule auf bekannte Weise ein Magnetfeld erzeugt, derart, dass sich im Zahn 11 Magnetpole entlang der Länge des Polelements 9 bzw. der Länge L des Zahns 11 ausbilden, i. e. magnetisch Nord (Feldlinien treten aus) bzw. Süd (Feldlinien treten ein). Die Zahnspule 10 weist z. B. genau einen Wicklungsstrang auf, jedes Polelement 9 z. B. genau einen Zahn 11.
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Die ersten Polelemente 9 sind in Bewegungsrichtung 5 benachbart zueinander angeordnet, wobei ein Luftspalt 4b zwischen den ersten Polelementen 9 in Bewegungsrichtung 5 gebildet ist. Die ersten Polelemente 9 führen zusammen mit dem ersten Rückschlusselement 6 bei Ausbildung ihrer jeweils paarweise entgegen gesetzten Pole den magnetischen Fluss 8 im Primärteil 2.
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An dem Sekundärteil 3 sind in gleicher Weise benachbart zueinander zwei oder mehrere Polelemente 12, z. B. wie vorliegend drei Polelemente 12, angeordnet, deren distale Enden 12a in Richtung zum gegenüberliegenden Primärteil 2 weisen, dieses jedoch nicht kontaktieren. Erfindungsgemäß sind jeweils, zwei benachbarte Polelemente 12 des Sekundärteils 3, nachfolgend zweite Polelemente 12, angeordnet, benachbart zueinander entgegen gesetzte Magnetpole auszubilden, i. e. ein zweites Polelement 12 kann Magnetpole (Nordpol N bzw. Südpol S) ausbilden, deren Anordnung bzw. Ausrichtung am Polelement 12 (z. B. N-S), z. B. über dessen Länge L, entgegen gesetzt zu der des benachbarten zweiten Polelements (z. B. S-N) ist.
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Die zweiten Polelemente 12 ragen, insbesondere über ihre Länge L, parallel zueinander von dem Rückschlusselement 7 bzw. dem Sekundarteil 3 im Wesentlichen senkrecht weg in Richtung Primärteil 2 und bilden somit ebenfalls eine Kammstruktur (zweite Kammstruktur). Dabei sind die zweiten Polelemente 12 in Bewegungsrichtung 5 vorzugsweise gleichbeabstandet angeordnet, vorzugsweise mit einem Abstand, welcher dem Abstand der ersten Polelemente 9 des Primärteils entspricht. Die Polelemente 12 am Sekundärteil 3 können dabei zur Ausbildung von entgegen gesetzten Magnetpolen infolge Bestromung ausgebildet sein, wie dies für die ersten Polelemente 9 oben erläutert wurde, können jedoch auch zur ausschließlich passiven Magnetisierung vorgesehen sein, z. B. durch benachbart angeordnete erste Polelemente 9.
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Die zweiten Polelemente 12 am zweiten Rückschlusselement 7 bzw. des Sekundärteils 3 sind z. B. identisch zu den ersten Polelementen 9 wie oben beschrieben gebildet, z. B. ebenfalls als einzelne, z. B. eigenständige, Elektromagnete ausgeführt, wobei jedes zweite Polelement 12 z. B. eine, insbesondere genau eine, Zahnspule 10 aufweist, welche z. B. einen Zahn 11 aus magnetisch leitfähigem Material, insbesondere an dessen dem zweiten Rückschlusselement 7 zugewandten Ende, umfasst, welcher im Inneren der Spule 10 angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Polelemente 12 ohne Zahnspule 10 auszubilden, wobei eine Magnetisierung eines einzelnen zweiten Polelements 12 infolge dessen Bestromung z. B. nicht vorgesehen ist.
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Die zweiten Polelemente 12 sind in Bewegungsrichtung 5 ebenfalls benachbart zueinander angeordnet, wobei wiederum ein Luftspalt 4b zwischen den Polelementen 12 in Bewegungsrichtung 5 gebildet ist. Die zweiten Polelemente 12 führen zusammen mit dem zweiten Rückschlusselement 7 bei Ausbildung ihrer jeweils paarweise entgegen gesetzten Pole den magnetischen Fluss 8 im Sekundärteil 7.
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An dem zweiten Rückschlusselement 7 bzw. dem Sekundärteil 3 sind erfindungsgemäß Polelemente 12 vorzugsweise in gleicher Anzahl und in gleichem Abstand zueinander angeordnet wie am Primärteil 2. Die Polelemente 12 des Sekundärteils 3 können auf gleiche Weise gebildet sein wie die des Primärteils 2. Die Polelemente 12 weisen z. B. gleiche Länge L auf wie die des Primärteils 2 oder z. B. gleiche Luftspaltbreite zwischen benachbarten Zähnen 11. Die Rückschlusselemente 6, 7 von Primärteil 2 und Sekundärteil 3 sind vorzugsweise ebenfalls identisch gebildet. Die erste und zweite Kammstruktur weisen insofern z. B. identische strukturelle Merkmale auf. Durch jeweils identische Erhöhung der Anzahl der ersten 9 und zweiten 12 Polelemente und Verlängerung der Rückschlusselemente 6, 7 kann die vom Kurzhubaktor 1 ausübbare Kraft in gewünschter Weise erhöht werden.
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Erfindungsgemäß greifen die erste und die zweite Kammstruktur ineinander, insbesondere mittels ihrer jeweiligen Polelemente 9 bzw. 12. Infolge des Ineinandergreifens ist zwischen je zwei (benachbarten) ersten Polelementen 9 ein, insbesondere genau ein, zweites Polelement 12 angeordnet. Dabei werden z. B. die ersten Polelemente 9 in Bewegungsrichtung 5 benachbart zu den zweiten Polelementen 12 angeordnet, derart, dass sich eine Überlappung von ersten 9 und zweiten 12 Polelementen in Bewegungsrichtung 5 ergibt (Überlappungsbereich). Dabei sind die Polelemente 12 relativ zu den Polelementen 9 in Bewegungsrichtung 5 hin- und herbeweglich bzw. bewegbar angeordnet. Durch das Ineinandergreifen der ersten und zweiten Kammstrukturen bzw. deren Überlappung wird der Bewegungsumfang (Hub) einer möglichen Relativbewegung von ersten 9 und zweiten 12 Polelementen zueinander jedoch beschränkt. Erste Polelemente 9 bilden z. B. einen Anschlag für zweite Polelemente 12 in Bewegungsrichtung 5 oder umgekehrt. Vorzugsweise überlappen sich die ersten 9 und zweiten 12 Polelemente außerhalb ihrer Zahnspulen 10 (in Richtung zum distalen Ende 9a bzw. 12a hin außerhalb), i. e. lediglich mittels ihrer z. B. Zähne, so dass die im Vergleich zu den Zähnen 11 größeren Zahnspulen 10 den Hubbewegungsumfang nicht beeinträchtigen.
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Um eine Relativbewegung zu ermöglichen, weisen z. B. die ersten Polelemente 9 im Überlappungsbereich Ü einen Abstand A (in z. B. Form oben erwähnten Luftspalts 4b) voneinander in Bewegungsrichtung 5 auf, der größer ist als die Breite B eines z. B. dazwischen zu bewegenden zweiten Polelements 12 im Überlappungsbereich Ü. In gleicher Weise weisen z. B. die zweiten Polelemente 12 im Überlappungsbereich Ü einen Abstand A (in z. B. Form oben erwähnten Luftspalts 4b) voneinander in Bewegungsrichtung 5 auf, der größer ist als die Breite Beines ersten Polelements 12 im Überlappungsbereich Ü. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass sämtliche ersten Polelemente 9 gleichen Abstand A voneinander aufweisen, als auch sämtliche zweiten Polelemente 12 gleichen Abstand A voneinander aufweisen, vorzugsweise einen Abstand A identisch dem der ersten Polelemente 9. Ferner ist vorgesehen, dass die ersten 9 und zweiten 12 Polelemente im Überlappungsbereich Ü jeweils die gleiche Breite B aufweisen. Somit lässt sich eine zur ersten Kammstruktur symmetrisch gebildete und in der ersten Kammstruktur in Bewegungsrichtung 5 hin- und herbewegbare zweite Kammstruktur ausbilden.
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Zur Erzeugung einer Bewegung des Sekundärteils 3 in Bewegungsrichtung 5 relativ zum Primärteil 2, bildet z. B. ein erstes Polelement 9 im Überlappungsbereich Ü bzw. dem Luftspalt 4a zwischen Primärteil 2 und Sekundärteil 3 infolge Bestromung einen magnetischen Nordpol N und ein benachbartes erstes Polelement 9 infolge Bestromung einen magnetischen Südpol S benachbart dazu aus. Bildet ein infolge des Ineinandergreifens der ersten und zweiten Kammstruktur benachbart zu diesen ersten Polelementen 9 im Überlappungsbereich Ü angeordnetes zweites Polelement 12 ebenfalls einen Südpol S aus, z. B. zwischen den ersten Polelementen 9, bewegt sich der Schlitten bzw. das Sekundärteil 3 infolge der Abstoßung der Südpole S und der Anziehung von Nordpol N und Südpol S in der ersten Bewegungsrichtung 5a hin zu dem Nordpol N.
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Durch Ummagnetisierung, z. B. infolge Bestromung in umgekehrter Stromrichtung, beispielsweise der ersten Polelemente 9 bilden diese nunmehr entgegen gesetzt polarisierte Magnetpole. Die Polelemente 9, 12, die sich aufeinander zu bewegt haben, weisen nunmehr Magnetpole mit gleicher Polarität auf (Süd), so dass sie sich folglich magnetisch abstoßen. Gleichzeitig wird eine magnetische Anziehungskraft auf das zweite Polelement 12 durch das entfernte erste Polelement 9 ausgeübt, welches infolge der Ummagnetisierung nun einen Nordpol N ausbildet. Eine Bewegung des Sekundärteils 3 entgegen gesetzt zur ersten Bewegungsrichtung 5a erfolgt. Durch kontinuierliche magnetische Umpolung infolge z. B. elektrischer Umpolung kann somit eine andauernde Hin- und Herbewegung erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kurzhubaktor 1 kann der Magnetkreis dahingehend gestaltet werden, dass die magnetischen Feldlinien in Richtung der benachbarten Magnetpole zeigen, so dass der gesamte magnetische Fluss 8 zur Krafterzeugung verwendet wird und keine vektoriellen Komponenten verloren gehen, d. h. Fluss und Kraft verlaufen in der Hubrichtung, d. h. der Bewegungsrichtung 5, im gezeigten Beispiel der ersten Bewegungsrichtung 5a.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung bewegt sich das Sekundärteil 3 mit dem zweiten Rückschlusselement 7 und den daran angeordneten Polelementen 12 bei z. B. mit erstem Rückschlusselement 6 ortsfest angeordnetem Primärteil 2 z. B. nach links, wobei z. B. der Abstand zwischen den ersten 9 und zweiten Polelementen 12 verringert wird, ein dortiger Luftspalt z. B. abnimmt. Die Bewegung wird z. B. durch Anschlag bzw. zur Anlage gelangen eines zweiten 12 an einem ersten 9 Polelement gestoppt, der Bewegungsumfang (Hub) somit begrenzt. Der magnetische Fluss 8 kann in einem geschlossenen Magnetkreis 13 geführt werden, i. e. mittels erstem 6 und zweitem 7 Rückschlusselement, sowie jeweils benachbarten Polelementen 9 bzw. 12 von erstem 6 und zweitem 7 Rückschlusselement.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurzhubaktor
- 2
- Primärteil
- 3
- Sekundärteil
- 4a
- Luftspalt Primärteil-Sekundärteil
- 4b
- Luftspalt Polelement-Polelement
- 5
- Bewegungsrichtung
- 5a
- erste Bewegungsrichtung
- 6
- erstes Rückschlusselement
- 7
- zweites Rückschlusselement
- 8
- magnetischer Fluss
- 9
- erstes Polelement
- 9a
- distales Ende erstes Polelement
- 10
- Zahnspule
- 11
- Zahn
- 12
- zweites Polelement
- 12a
- distales Ende zweites Polelement
- 13
- geschlossener Magnetkreis
- A
- Abstand
- L
- Länge
- B
- Breite
- Ü
- Überlappungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006061136 A1 [0003]
