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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearmotor mit einem Primärteil, das zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet ist, und bei dem mehrere Wicklungen, welche jeweils einer von mehreren Phasen zugeordnet sind, axial hintereinander angeordnet sind, sowie mit einem Sekundärteil.
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Permanenterregte Linearmotoren weisen in der Regel eine gewisse Kraftwelligkeit auf. Für die Ausbildung dieser störenden Kraftwelligkeit sind unter anderem die Reluktanzkräfte zwischen den Permanentmagneten und den Zähnen des Primärteils sowie die Wechselwirkung von Sekundär- und Primärmagnetfeldern im Luftspalt verantwortlich. Wünschenswert ist jedoch, dass Linearmotoren und insbesondere auch zylindrische Linearmotoren, im zulässigen axialen Verfahrbereich mit gleichem Strom gleiche Kräfte erzeugen. Erst wenn bei gleichem Strom über dem Verfahrbereich kaum mehr Kraftschwankungen auftreten, ist die Kraftwelligkeit entsprechend gering.
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Zur Reduzierung der Kraftwelligkeit sind zahlreiche Maßnahmen bekannt. Bei einem Beispiel ist das Sekundärteil länger als das Primärteil des Linearmotors, wobei zusätzlich weichmagnetische Endscheiben an dem Primärteil angebracht werden.
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Darüber hinaus ist aus der Druckschrift
EP 2 073 351 A1 ein Sekundärteil eines Linearantriebs, insbesondere eines zylindrischen oder ebenen Linearantriebs bekannt, das auf einem weichmagnetischen Träger Permanentmagnete aufweist. Die Permanentmagnete sind senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Linearantriebs angeordnet und zumindest auf der einen dem Primärteil zugewandten Seite gekrümmt. Außerdem bedecken die Permanentmagnete jeweils nur einen vorgebbaren Teil eines magnetischen Pols, und sie weisen eine zu ihrer äußeren Oberfläche gerichtete radiale Magnetisierungsrichtung auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Kraftwelligkeit eines zylinderförmigen oder quaderförmigen Linearmotors zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Linearmotor mit einem Primärteil, das zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet ist, und bei dem zusammen mehreren Wicklungen, welche jeweils einer von mehreren Phasen (U, V, W) zugeordnet sind, axial hintereinander angeordnet sind, sowie einem Sekundärteil, das eine Sekundärteillänge aufweist, wobei das Primärteil in axialer Richtung in einen ersten Abschnitt (A) und einen zweiten Abschnitt (B) zweigeteilt ist, die axiale Länge des ersten Abschnitts (A) der Sekundärteillänge entspricht, die Wicklungen des Primärteils in axialer Richtung in Gruppen gleicher Anzahl von Wicklungen unterteilt sind, die Reihenfolge der Zuordnung der Wicklungen zu den Phasen in mindestens einer der Gruppen in der axialen Richtung in Kombination mit dem Wickelsinn der Wicklungen sich unterscheidet von der Reihenfolge der Zuordnung in Kombination mit dem Wickelsinn jeder der anderen Gruppen innerhalb des ersten Abschnitts (A) des Primärteils n, in dem zweiten Abschnitt (B) die Anzahl der Wicklungen, die jeder der Phasen zugeordnet ist, gleich ist und die Reihenfolge der Zuordnung der Wicklungen zu den Phasen in Kombination mit dem Wickelsinn in dem zweiten Abschnitt (B) der Reihenfolge der Zuordnung in Kombination mit dem Wickelsinn in einem Teilabschnitt (A') des ersten Abschnitts (A) entspricht, der die axiale Länge des zweiten Abschnitts (B) aufweist und an dem dem zweiten Abschnitt (B) gegenüberliegenden Ende des ersten Abschnitts (A) angeordnet ist.
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Dadurch, dass sich die Reihenfolge der den einzelnen Phasen zugeordneten Wicklungen in Kombination mit dem Wickelsinn entlang der Bewegungsrichtung des Linearmotors nicht wiederholt, treten auch nicht gleiche Kraftkonstellationen in einer dem Sekundärteil entsprechenden Länge des Primärteils auf. Damit ergeben sich unabhängig von der Position des Sekundärteils bei gleichem Strom annähernd immer gleiche Kräfte.
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Vorzugsweise sind die Wicklungen für einen Drei-Phasen-Betrieb ausgebildet. Damit kann für den üblichen Drehstrom ein zylinderförmiger oder quaderförmiger Linearmotor mit geringer Kraftwelligkeit realisiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn das Primärteil eine Nutzahl N und eine Polpaarzahl p aufweist, und es gilt:
kgV (N, 2p) ≥ N·p. Ein derartiges hohes kleinstes gemeinsames Vielfaches von Nutzahl und Polzahl führt zusätzlich zu einer verminderten Kraftwelligkeit.
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Darüber hinaus kann der erste Abschnitt axial in eine erste Hälfte und eine zweite Hälfte unterteilt sein, und die Wicklungen besitzen in der ersten Hälfte einen anderen Wickelsinn als in der zweiten Hälfte.
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Der maximale Hub des Linearmotors sollte kleiner oder gleich der axialen Länge des zweiten Abschnitts des Primärteils sein. Das Sekundärteil sollte im Betrieb also immer innerhalb des Sekundärteils sein, so dass Kraft gleichmäßig auf sämtliche Abschnitte des Sekundärteils wirkt.
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Ferner sollten alle Wicklungen jeweils jeder der mehreren Phasen in Reihe geschaltet sein. Hierdurch lässt sich die speziell gewählte Reihenfolge der Zuordnung der Wicklungen zu den Phasen optimal ausnützen.
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Ebenfalls bevorzugt ist, wenn das Sekundärteil Permanentmagnete aufweist, die auf der dem Primärteil zugewandten Seite gekrümmt ausgeführt sind, die nur einen vorbestimmten Teil der axialen Erstreckung eines magnetischen Pols τp bedecken und die eine zu ihrer äußeren Oberfläche gerichtete im Wesentlichen radiale Magnetisierungsrichtung aufweisen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Permanentmagnete quer zur Bewegungsrichtung des Sekundärteils eine D-förmige Kontur aufweisen. Durch die gegenüber dem Primärteil gekrümmten Permanentmagnete in Verbindung mit einer Teilpolkrümmung dieser Permanentmagnete und vor allem mit einer bezüglich der äußeren Oberfläche der Permanentmagnete im Wesentlichen radial gerichteten Magnetisierungsrichtung werden die Kraftpendelungen und damit die Kraftwelligkeit deutlich reduziert.
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In einer bevorzugten Anwendung ist ein Kombinationsantrieb mit einem der oben beschriebenen Linearmotoren vorgesehen, dessen Sekundärteil hohl ist, wobei in dem Sekundärteil ein Rotationsmotor angeordnet ist. Damit kann also auch ein Kombinationsantrieb mit einer verminderten Linearkraftwelligkeit bereitgestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Kombinationsantrieb mit einem erfindungsgemäßen Linearmotor;
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2 einen Ausschnitt des Linearmotors von 1;
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3 eine Zuordnung der Wicklungen in den Nuten des Primärteils des Linearmotors von 1 zu den Phasen und
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4 eine schematische Ansicht der Permanentmagnete des Sekundärteils des Linearmotors von 1.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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In 1 ist ein zylindrischer Kombinationsantrieb dargestellt, wie er beispielsweise für Fräsmaschinen, Roboter, Spritzgussmaschinen und dergleichen verwendet werden kann. Er besteht aus einem zylindrischen Linearmotor 1 und einem Rotationsmotor 2. Der Linearmotor 1 weist ein Primärteil 3 auf, welches hohlzylindrische Form besitzt. Innerhalb des Primärteils 3 befindet sich ein ebenfalls hohlzylindrisches Sekundärteil 4. Dieses Sekundärteil 4 ist koaxial mit dem Primärteil 3 angeordnet und in diesem linear verschiebbar, wobei sich eine Bewegungsrichtung des Sekundärteils 4 gegenüber dem Primärteil 3 gemäß Pfeil 5 ergibt. Die Bewegungsrichtung 5 verläuft parallel zur Längsachse des zylindrischen Linearmotors bzw. des Primärteils 3 oder des Sekundärteils 4.
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Das Primärteil 3 weist zahlreiche Innennuten auf (vgl. 2), in die Wicklungen 6 eingelegt sind. Die Nuten und damit auch die Wicklungen 6 verlaufen in Umfangsrichtung des zylindrischen Primärteils 3. Alternativ kann der Linearmotor und somit das Primärteil mit dem Sekundärteil auch quaderförmig gestaltet sein, d. h. der Linearmotor besitzt rechteckigen Querschnitt. Dabei sind die Nuten im Inneren des Primärteils ebenfalls umlaufend.
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Das zylinderförmige Sekundärteil 4 besitzt im Wesentlichen hülsenförmige Gestalt und an seiner nach außen gerichteten Oberfläche sind Permanentmagnete 7 angeordnet. Diese Permanentmagnete 7 treten in bekannter Weise mit den dynamisch erzeugten Magnetpolen des Primärteils 3 in Wechselwirkung, um das Sekundärteil 4 gegenüber dem Primärteil 3 axial zu bewegen.
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Der Rotationsmotor 2 ist hier in das hohle Sekundärteil 4 eingebaut. Er wird entsprechend der Bewegung des Sekundärteils 4 linear mitbewegt.
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2 zeigt einen Teilschnitt durch die Aktivteile des Linearmotors 1. Insbesondere ist ein Längsschnitt durch den oberen Teil jeweils von Primärteil 3 und Sekundärteil 4 des Linearmotors von 1 zu erkennen. Anders als in 1 sind in 2 keine Wicklungen eingezeichnet, so dass vielmehr die zahlreichen Nuten 8 im Primärteil 3 zu erkennen sind, die in axialer Richtung, d. h. in Bewegungsrichtung 5 voneinander getrennt sind. Unterhalb bzw. innerhalb des Primärteils 3 befindet sich das mit Permanentmagneten 7 bestückte Sekundärteil 4.
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Das Primärteil 3 besitzt in Axial- bzw. Bewegungsrichtung 5 eine Primärteillänge. Ebenso besitzt das Sekundärteil 4 in Bewegungsrichtung 5 eine Sekundärteillänge. Die Sekundärteillänge ist etwas geringer als die Primärteillänge. Die Differenz zwischen der Primärteillänge und der Sekundärteillänge entspricht dem maximalen Hub des Linearmotors. Damit soll gewährleistet werden, dass sich das Sekundärteil 4 bei der Bewegung des Linearmotors stets vollständig innerhalb des Primärteils 3 befindet.
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Das Primärteil ist in zwei Abschnitte A und B geteilt. Der erste Abschnitt A erstreckt sich von einem Ende bzw. einer Stirnseite aus mit einer Länge, die der Sekundärteillänge entspricht. Demnach besitzt der Abschnitt A eine Anzahl von N Nuten 8. Der zweite Abschnitt B schließt sich unmittelbar an den ersten Abschnitt A an und erstreckt sich bis zum gegenüberliegenden Ende bzw. der gegenüberliegenden Stirnseite des Primärteils 3. Der zweite Abschnitt B besitzt demnach eine axiale Länge, die der Differenz zwischen der Primärteillänge und der Sekundärteillänge entspricht. In dem Abschnitt B befinden sich M Nuten. Die Nutteilung in beiden Abschnitten A und B ist in axialer Richtung gleich. Das gesamte Primärteil besitzt demnach in axialer Richtung M + N Nuten 8.
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Innerhalb des ersten Abschnitts A lässt sich an der dem zweiten Abschnitt B gegenüberliegenden Seite des Primärteils 3 ein Teilabschnitt A' definieren, welcher die gleiche axiale Länge besitzt wie der zweite Abschnitt B und an der Stirnseite beginnt. Der Teilabschnitt A' besitzt ebenso viele Nuten 8 wie der zweite Abschnitt B. Bei der Bewegung des Sekundärteils 4 gegenüber dem Primärteil 3 fährt das Sekundärteil so weit in den zweiten Abschnitt B, wie es andererseits aus dem Teilabschnitt A' herausfährt.
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Das kleinste gemeinsame Vielfache kgV von Nutzahl N und Polzahl p soll hoch sein. Insbesondere soll gelten:
kgV (N, 2p) ≥ N·p. Dies gilt hier für den Abschnitt A. Der Abschnitt B entspricht, wie oben dargestellt wurde, lediglich einer geometrischen Fortsetzung des ersten Abschnitts A. Dabei ist der Abschnitt B kürzer als der Abschnitt A.
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In 3 ist ein Zuordnungsschema dargestellt, gemäß dem in einem Ausführungsbeispiel Wicklungen 6 in den Nuten 8 des Primärteils 3 den drei Phasen U, V und W eines Drei-Phasen-Stroms zugeordnet sind. Das Primärteil 3 besitzt hier insgesamt 66 Nuten, in die jeweils eine Wicklung eingelegt ist. Die Nuten bzw. Wicklungen sind somit axial hintereinander angeordnet und lassen sich entsprechend dem Beispiel von 2 in zwei Abschnitte A und B einteilen. Die Nuten bzw. Wicklungen mit den Nutnummern 1 bis 60 gehören zum Bereich A und die Nuten bzw. Wicklungen mit den Nutnummern 61 bis 66 gehören zum Bereich B. Jeder einzelner Nut bzw. Wicklung ist gemäß dem Schema von 3 eine der Phasen U, V, W zugeordnet. Außerdem ist jeder Wicklung ein erster Wickelsinn + oder ein entgegengesetzter zweiter Wickelsinn – zugeordnet. In axialer Richtung des Linearmotors betrachtet ist der erste Wicklungssinn beispielsweise im Uhrzeigersinn und der zweite Wicklungssinn entgegen den Uhrzeigersinn gerichtet.
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Im vorliegenden Fall ist der Linearmotor für drei Phasen ausgelegt. Die Anzahl der Nuten bzw. Wicklungen in dem ersten Abschnitt A ist ein Vielfaches von drei, hier sechzig. Die Anzahl der Nuten bzw. Wicklungen in dem zweiten Abschnitt B ist ebenfalls ein Vielfaches von drei, nämlich sechs. Erfindungsgemäß soll nun eine Unsymmetrie der Phasenzuordnung in Kombination mit dem Wickelsinn gegeben sein. Vorzugsweise soll diese Unsymmetrie möglichst groß sein, um eine möglichst geringe Kraftwelligkeit zu erreichen.
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Erfindungsgemäß werden die Wicklungen des Primärteils in axialer Richtung in Gruppen gleicher Anzahl von Wicklungen unterteilt. Dabei soll sich die Reihenfolge der Zuordnung der Wicklungen zu den Phasen in mindestens einer der Gruppen in der axialen Richtung in Kombination mit dem Wickelsinn der Wicklungen von der Reihenfolge der Zuordnung in Kombination mit dem Wickelsinn jeder der anderen Gruppen innerhalb des ersten Abschnitts des Primärteils unterscheiden. In dem Beispiel von 3 sind die Wicklungen bzw. Nuten exemplarisch in Dreiergruppen unterteilt. Die 1. Gruppe setzt sich hier aus den Nuten bzw. Wicklungen 1 bis 3, die 2. Gruppe aus den Wicklungen 4 bis 6, die 3. Gruppe aus den Wicklungen 7 bis 9, ... und die 20. Gruppe aus den Wicklungen 58 bis 60 im Abschnitt A zusammen. Innerhalb der 1. Gruppe sind die Wicklungen den Phasen U, V, W jeweils mit dem ersten Wickelsinn + zugeordnet. Innerhalb der 2. Gruppe sind die Wicklungen den Phasen in der Reihenfolge W, U, V jeweils mit dem zweiten Wickelsinn – zugeordnet. Den drei Wicklungen 31 bis 33 innerhalb der 11. Gruppe sind wie in der ersten Gruppe die Phasen U, V, W jedoch der zweite Wickelsinn – zugeordnet. Ebenso sind innerhalb der 12. Gruppe den Wicklungen 34 bis 36 wie in der 2. Gruppe die Phasen W, U und V aber jeweils mit dem ersten Wickelsinn + zugeordnet. Der 10. Gruppe mit den Wicklungen 28 bis 30 ist die Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination V+, W+, W– zugeordnet und der 20. Gruppe mit den Wicklungen 58 bis 60 ist die Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination V–, W–, W+ zugeordnet. Die weiteren Zuordnungen ergeben sich aus 3. In dem Abschnitt B sind zwei Wicklungsgruppen vorgesehen, nämlich die Wicklungen 61 bis 63 einerseits und die Wicklungen 64 bis 66 andererseits. Die erste dieser beiden Gruppen besitzt die gleiche Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination U+, V+, W+ wie die 1. Wicklungsgruppe in dem Abschnitt A. Desgleichen besitzt die zweite der beiden Wicklungsgruppen mit den Wicklungen 64 bis 66 im Abschnitt B die gleiche Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination W–, U–, V– wie die 2. Gruppe im Abschnitt A.
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Es ist aus 3 zu erkennen, dass sich in der ersten Hälfte des Abschnitts A die Reihenfolge der Phasenzuordnung W, U, V der 2. Gruppe nicht wiederholt. Der Wickelsinn innerhalb der 2. Gruppe beträgt –. Da im vorliegenden Beispiel die Phasenzuordnung in der zweiten Hälfte identisch wie in der ersten Hälfte ist, aber der Wickelsinn umgekehrt ist, liegt in der 12. Gruppe mit den Wicklungen 34 bis 36 wieder die Phasenfolge W, U, V vor, aber mit dem entgegengesetzten Wickelsinn +. Folglich wiederholt sich die Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination W–, U–, V– der Wicklungen 4 bis 6 im gesamten ersten Abschnitt A des Primärteils nicht. Dies gilt sinngemäß auch beispielsweise für die dritte und fünfte Gruppe des Abschnitts A.
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Die Wicklungen des Primärteils können auch in Gruppen anderer Wicklungsanzahl unterteilt werden. Beispielsweise kann das Primärteil auch in Zweier-, Vierer-, Fünfer-, Sechser-Gruppen usw. unterteilt werden. Gegebenenfalls muss dann eine andere Phasenzuordnung-Wickelsinn-Kombination der einzelnen Wicklungen als in 3 gewählt werden.
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Bei der Festlegung der Zuordnungsreihenfolge der Wicklungen zu den Phasen sollte weiter beachtet werden, dass im Abschnitt B die Anzahl der Wicklungen, die den drei Phasen U, V und W zugeordnet werden, gleich sind. Damit ergibt sich beim Verfahren des Sekundärteils eine geringe Kraftwelligkeit, was ohne weiteres beispielsweise aus 3 ersichtlich ist. Die Reihenfolge der den Phasen U, V und W zugeordneten Wicklungen im Abschnitt B entspricht dabei dem am Anfang von Abschnitt A gelegenen Teilabschnitt A'.
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Alle Wicklungen einer Phase U, V oder W sind in Reihe geschaltet. Dies gilt unabhängig vom Wicklungssinn der Wicklungen.
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Weiterhin kann die Kraftwelligkeit dadurch reduziert werden, dass die Magnete
7 des Sekundärteils
4 eine Kontur erhalten, wie sie in der Druckschrift
EP 2 073 351 A1 beschrieben ist. Eine derartige Kontur ist schematisch in
4 dargestellt. Die Skizze zeigt das Sekundärteil
4 eines quaderförmigen Linearantriebs bzw. ein abgerolltes (d. h. in eine Ebene projiziertes) zylindrisches Sekundärteil
4. Das Sekundärteil
4 weist einen weichmagnetischen Träger
9 zum magnetischen Rückschluss auf. Auf dem Träger befinden sich Permanentmagnete
7, die sich mit ihrer Längsrichtung quer zur Bewegungsrichtung
5 des Linearantriebs erstrecken. Die Permanentmagnete
7 sind beispielsweise auf den Träger
9 aufgeklebt. Die gekrümmte Fläche der Permanentmagnete
7 zeigt nach oben, d. h. von dem Träger
9 weg. An der Stirnseite jedes Permanentmagneten ist die Krümmung
10 zu erkennen. Die Magnetisierungsrichtung
11 entspricht der Normalrichtung eines jeden Oberflächenelements des Permanentmagneten
7. D. h. die Permanentmagnete weisen eine bezogen auf die zum Primärteil gerichtete Oberfläche im Wesentlichen radiale Magnetisierungsrichtung auf. In
4 sind die Permanentmagnete
7 beispielhaft mit Nordpol N und Südpol S bezeichnet. Diese Bezeichnung bezieht sich auf denjenigen Magnetpol des Permanentmagneten, der dem Luftspalt zugewandt ist. Der entsprechende Gegenpol befindet sich an der dem Träger
9 zugewandten Seite
12 jedes Permanentmagneten
7.
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Die Permanentmagnete 7 bedecken bezogen auf die Bewegungseinrichtung nur einen Teil XB des gesamten magnetischen Pols τp. Diese Teilpolbedeckung XB liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5·τp bis 0,9·τp.
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Durch die Ausgestaltung der Permanentmagnete mit Divergenz der Feldlinien, also einer quasi radialen Anisitropie (Ausrichtung) und/oder Permanentmagnete, die in Richtung Polkante einen größeren Luftspalt aufweisen, reduziert sich die Kraftwelligkeit erheblich.
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Durch die oben beschriebenen konstruktiven Maßnahmen und Zuordnungen der Wicklungen zu den verschiedenen Phasen werden, wie oben bereits erwähnt wurde, ebenfalls beträchtliche Beiträge zur Verminderung der Kraftwelligkeit geleistet. So sind bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel die Impedanzen der drei Phasen nahezu identisch. Damit ist eine gleichmäßige Erwärmung der drei Phasen sowie eine einfache Stromregelung möglich. Die notwendige Reglerverstärkung kann reduziert werden, so dass die Stromoberschwingungsverluste im Betrieb geringer ausfallen, was letztlich zu einer kälteren Maschine führt.
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Das mit Magneten bestückte Sekundärteil ist um den maximalen Hub kürzer als das Primärteil. Damit ist die Kraftwelligkeit aus den Randeffekten (Magnetpole an Eisenkanten), wie sie bei einer Variante mit längerem Sekundärteil als Primärteil in Erscheinung tritt, nicht relevant. Zusätzlich zum hohen kgV (N, 2p) wirkt die Randabsenkung der Magnete der Kraftwelligkeit durch das genutete Primärteil entgegen. Insgesamt kann so mit den oben angeführten Merkmalen ein Linearmotor erzielt werden, dessen Kraftwelligkeiten deutlich unter 1 der Nennkraft liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2073351 A1 [0004, 0037]
