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Die Erfindung betrifft ein Statorsegment für eine Hybridreluktanzmaschine, mit einem Grundkörper und wenigstens einem am Grundkörper festgelegten Dipolstrang, der zur Bereitstellung eines Magnetfelds ausgebildet ist und der quer zu einer Bewegungsachse ausgerichtete, magnetisch leitfähige Zähne aufweist, die jeweils derart zu Zahngruppen zusammengefasst sind, dass die Zähne innerhalb einer jeweiligen Zahngruppe längs der Bewegungsachse äquidistant angeordnet sind, sowie mit dem Dipolstrang zugeordneten ersten Magnetmitteln für die Bereitstellung eines ersten, konstanten Magnetfelds an jeweils zugeordnete Zahngruppen und mit dem Dipolstrang zugeordneten zweiten Magnetmitteln für die Bereitstellung eines zweiten, einstellbaren Magnetfelds an die jeweils zugeordneten Zahngruppen. Ferner betrifft die Erfindung eine aus wenigstens zwei Statorsegmenten gebildete Statoranordnung.
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Aus der
DE 10 2004 045 992 A1 ist eine elektrische Synchronmaschine bekannt, welche ein Primärteil und ein Sekundärteil aufweist, wobei das Primärteil ein erstes Mittel zur Erzeugung eines ersten magnetischen Feldes sowie zumindest ein weiteres Mittel zur Erzeugung eines weiteren magnetischen Feldes aufweist. Das Sekundärteil weist ein Mittel zur Führung des magnetischen Feldes auf. Das erste Mittel zur Erzeugung des ersten magnetischen Feldes ist derart zu den weiteren Mitteln zur Erzeugung des weiteren magnetischen Feldes angeordnet, dass eine Überlagerung des ersten magnetischen Feldes mit dem weiteren magnetischen Feld ermöglicht ist. Eine derartige elektrische Maschine, bei der wenigstens zwei unterschiedliche Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Felds im Primärteil angeordnet sind, wird auch Hybridreluktanzmaschine genannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Statorsegment für eine Hybridreluktanzmaschine bereitzustellen, das eine vereinfachte Aufbauweise und einen verbesserten elektrischen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird für ein Statorsegment der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass beidseitig am Grundkörper längs der Bewegungsachse erstreckte, jeweils separat ausgebildete Seitenwangen, die Führungsmittel zur Längsführung eines Läufers aufweisen, festgelegt sind. Die Hauptfunktion der Seitenwangen besteht darin, eine Kraftübertragung zwischen dem Läufer und dem jeweiligen Statorsegment zu gewährleisten. Bei einer Beaufschlagung der Spulen im Statorsegment kommt es zu einer teilweisen Verdrängung des statischen Magnetfelds der ersten Magnetmittel aufgrund des von den zweiten Magnetmitteln bereitgestellten Magnetfelds. Hierbei bilden sich Zonen mit erhöhter magnetischer Flussdichte und Zonen mit reduzierter magnetischer Flussdichte aus, die jeweils auf den Läufer einwirken und zu einer resultierenden Magnetkraft auf den Läufer führen. Diese Magnetkraft weist sowohl eine Komponente parallel zur Bewegungsrichtung als auch eine Komponente senkrecht zur Bewegungsrichtung auf. Üblicherweise ist die Komponente senkrecht zur Bewegungsachse erheblich größer als die Komponente längs der Bewegungsachse. Zusätzlich wirkt üblicherweise die Gewichtskraft des Läufers und eines vom Läufer zu transportierenden Werkstücks ebenfalls in die gleiche Richtung wie die Magnetkraftkomponente senkrecht zur Bewegungsachse. Diese Kräfte werden vom Läufer auf die Seitenwangen und von dort auf den Grundkörper des Statorsegments übertragen, so dass ein geschlossener Kraftfluss vorliegt. Für eine vorteilhafte magnetische Effizienz der Hybridreluktanzmaschine wird üblicherweise ein möglichst kleiner und längs der Erstreckung des Statorsegments möglichst konstanter Luftspalt zwischen Läufer und Statorsegment angestrebt. Dieser Luftspalt kann für eine Luftlagerung genutzt werden, wodurch besonders hohe Genauigkeitsanforderungen an die einander gegenüberliegenden Oberflächen von Statorsegment und Läufer erfüllt werden müssen. Alternativ und kostengünstiger kann eine Gleit- oder Wälzlagerung des Läufers gegenüber dem Statorsegment vorgesehen werden, so dass ein konstanter Luftspalt primär der magnetischen Effizienz der Hybridreluktanzmaschine dient. Für eine Gleit- oder Wälzlagerung des Läufers gegenüber dem Statorsegment ist an jeder der Seitenwangen ein Führungsmittel zur Längsführung des Läufers vorgesehen, wobei das Führungsmittel eine vorzugsweise parallel zur Oberfläche des Statorsegments ausgebildete Führungsfläche aufweist. Auf dieser Führungsfläche gleitet der Läufer mit einer Gleitführung oder wälzt eine Wälzlagerung des Läufers ab.
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Vorteilhafte Weitebildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Seitenwangen quer zur Bewegungsachse verstellbar am Grundkörper angeordnet sind und mit Befestigungsmitteln am Grundkörper festlegbar sind. Dadurch kann eine vorteilhafte Ausrichtung der an den Seitenwangen ausgebildeten Führungsflächen der Führungsmittel gegenüber der Oberfläche des Statorsegments erzielt werden. Die Befestigungsmittel, bei denen es sich beispielsweise um Schrauben handeln kann, ermöglichen eine Festlegung der Seitenwangen in derjenigen Position, in der eine vorteilhafte Ausrichtung und Beabstandung der Führungsflächen gegenüber der Oberfläche des Statorsegments vorliegt. Vorzugsweise sind an den Seitenwangen ebene Seitenflächen vorgesehen, die zur Anlage an ebenfalls ebenen Seitenflächen des Statorsegments vorgesehen sind, wobei die Seitenflächen des Statorsegments parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche des Statorsegments ausgerichtet sind. Dadurch ergibt sich bei der Festlegung der Seitenwangen unmittelbar eine vorteilhafte Ausrichtung gegenüber der Oberfläche des Statorsegments. Die Seitenwangen können vorzugsweise in einer Raumrichtung senkrecht zur Bewegungsachse und parallel zur Seitenfläche des Statorsegments verschoben werden, um eine korrekte Beabstandung und Ausrichtung der Führungsflächen von der Oberfläche des Statorsegments zu gewährleisten.
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Bevorzugt weist die, insbesondere als Aluminium-Strangpressprofil ausgebildete, Seitenwange eine längs der Bewegungsachse erstreckte nutförmige Ausnehmung auf, in der ein langgestrecktes, vorzugsweise rohrförmiges, besonders bevorzugt hohlzylindrisches, insbesondere aus einem nichtmagnetischen Material hergestelltes, Führungsmittel zumindest über einen Teil seines Querschnitts aufgenommen und festgelegt ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Seitenwange geradlinig längs der Bewegungsachse. Dabei weist die Seitenwange in jeder normal zur Bewegungsachse ausgerichteten Querschnittsebene stets den gleichen Querschnitt auf. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass die Seitenwange als Strangpressprofil ausgebildet ist. Die nutförmige Ausnehmung in der Seitenwange dient zur Aufnahme des Führungsmittels, das zur Gewährleisung eines möglichst konstanten Luftspalts zwischen Läufer und Statorsegment ebenfalls geradlinig und mit konstantem Querschnitt längs der Bewegungsachse erstreckt ist. Das Führungsmittel wird in die Ausnehmung eingelegt oder eingeschoben und ist dort kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig aufgenommen. Vorzugsweise ist das Führungsmittel zylindrisch, insbesondere rohrförmig, ausgebildet und kann somit zur Abstützung von Reaktionskräften in einer oder in zwei Raumrichtungen genutzt werden. Die Kraftübertragung zwischen Führungsmittel und Läufer hängt bei einem zylindrischen Führungsmittel davon ab, wie das entsprechende Gleitstück oder der Wälzkörper am Läufer ausgebildet ist.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Führungsmittel von einer längs der Bewegungsachse erstreckten Ausnehmung durchsetzt ist und in der Ausnehmung ein Wegmesssystem, insbesondere ein magnetostriktives Wegmesssystem, zur Erfassung einer Läuferposition aufgenommen ist. Somit weist das Führungsmittel eine Doppelfunktion auf, es dient zur Lagerung des Läufers gegenüber dem Statorsegment und es bildet ein geschütztes Raumvolumen für das Wegmesssystem. Mit Hilfe des Wegmesssystems kann die Position des Läufers längs des Statorsegments ermittelt werden, beispielsweise um die Läuferpostition mittels einer Steuereinrichtung zu beeinflussen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Vorzugsweise umfasst der Dipolstrang wenigstens zwei quer zur Bewegungsachse ausgerichtete, beabstandet zueinander angeordnete Spulenträger, die an einer Oberfläche mit einer Zahnung versehen sind, um Zähne einer Zahngruppe zu bilden und die jeweils eine quer zur Bewegungsachse verlaufende schlitzförmige Ausnehmung zur Aufnahme eines Spulenabschnitts aufweisen. Die Aufgabe der Spulenträger besteht zum Einen in der mechanischen Fixierung der Spulenwindungen und zum Anderen in der effizienten Aus- und Einkopplung des von der Spule des Dipolstrangs bei Bestromung abgegebenen Magnetfelds. Bevorzugt entspricht die Breite der schlitzförmigen Ausnehmung im jeweiligen Spulenträger zumindest im Wesentlichen der Drahtstärke der Spule, wodurch ein zumindest nahezu vollständiges Umschließen des Spulenabschnitts durch den Spulenträger gewährleistet ist. Die Zahngruppen des Spulenträgers sind beidseitig der schlitzförmigen Ausnehmung angeordnet, die Zähne verlaufen parallel zur schlitzförmigen Ausnehmung. Die durch die schlitzförmige Ausnehmung getrennten und mit den jeweiligen Zahngruppen versehenen Oberflächenbereiche des Spulenträger werden auch als magnetische Arme bezeichnet, die zur Aus- und Einkopplung der in Flussdichte und Ausrichtung unterschiedlichen Magnetfelder zum bzw. vom Läufer ausgebildet sind. Die auf den unterschiedlichen magnetischen Armen ausgebildeten Zahngruppen weisen einen Phasenversatz auf.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Spulenträger aus quer zur Bewegungsachse geschichtet angeordneten, insbesondere stoffschlüssig miteinander verbundenen, Blechelementen aufgebaut ist. Der Aufbau des Spulenträgers aus Blechelementen wird zur Vermeidung von Wirbelströmen bei Bestromung der Spule vorgesehen. Die Blechelemente können beispielsweise durch eine zwischen benachbarten Spulenträgern angeordnete Permanentmagnetanordnung zusammengehalten werden. Vorzugsweise werden die Blechelemente durch eine aushärtbare Vergußmasse, die zur Festlegung der Dipolstränge am Grundkörper eingesetzt wird, zueinander fixiert. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die die Blechelemente mit einer oder mehreren, vorzugsweise quer zur Bewegungsachse ausgerichteten, Schweißnähten stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Statorsegments mit den nachfolgenden Schritten: Aufsetzen von Dipolsträngen, die jeweils wenigstens zwei quer zur Bewegungsachse ausgerichtete, beabstandet zueinander angeordnete Spulenträger sowie eine bereichsweise in den Spulenträgern aufgenommene Spuleneinrichtung sowie eine Permanentmagnetanordnung umfassen, in Ausnehmungen auf einer Oberfläche eines Grundkörpers, stoffschlüssiges Festlegen der Dipolstränge mittels einer gestaltlosen, aushärtbaren Masse, Strukturieren von Zähnen an den Spulenträgern, Vergießen von Zahnlücken zwischen den Zähnen mittels einer gestaltlosen, aushärtbaren Masse, Planbearbeiten der mit Zähnen versehenen Oberfläche der Spulenträger. Die Dipolstränge können als Baugruppen vormontiert werden und werden in die Ausnehmungen im Grundkörper eingesetzt. Die Ausnehmungen des Grundkörpers sind derart angeordnet, dass der gewünschte Phasenversatz zwischen Zahngruppen benachbart angeordneter Dipolstränge bei der nachfolgend vorgesehenen Strukturierung der Zähne, beispielsweise einem Fräsen der Zähne, korrekt eingehalten werden kann. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Dipolstränge durch Vergießen mit einer aushärtbaren Masse, vorzugsweise einer Kunstharzmasse, stoffschlüssig am Grundkörper festgelegt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Oberfläche des Statorsegments im Wesentlichen eben ausgebildet, die Spulenträger weisen noch keine Zähne auf. Diese werden in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt, beispielsweise in einem Fräsvorgang strukturiert, wobei eine Stirnfläche des Statorsegments als Bezugskante für die Ausbildung der Zähne herangezogen wird. Anschließend erfolgt ein Vergießen der Zahnlücken, um dann in einem abschließenden Arbeitsgang die Oberfläche des Statorsegments und gegebenenfalls auch die Seitenflächen plan zu bearbeiten, beispielsweise durch einen Schleifvorgang. Besonders bevorzugt wird bei der Planbearbeitung der Oberfläche und der Seitenflächen sichergestellt, dass diese jeweils rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, um bei der nachfolgenden Montage der Seitenwangen eine vorteilhafte Ausrichtung der Führungsflächen zu erreichen.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass an einander entgegengesetzten, längs der Bewegungsachse erstreckten Seitenflächen des Statorsegments jeweils Seitenwangen, die Führungsmittel zur Längsführung eines Läufers aufweisen, derart angebracht, ausgerichtet und festgelegt werden, dass eine Berührebene auf die Führungsmittel parallel zu der mit Zähnen versehenen Oberfläche der Spulenträger ausgerichtet ist. Die Berührebene wird von den im Wesentlichen parallel verlaufenden, beidseitig des Statorsegments angeordneten Führungsmitteln derart aufgespannt, dass die Führungsflächen jeweils Teil der Berührebene sind oder die Berührebene tangieren. Diese Berührebene soll parallel zur Oberfläche des Statorsegments, insbesondere der mit Zähnen versehenen Spulenträger ausgerichtet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zunächst das Statorsegment mit seiner Oberseite auf planparallele Platten aufgelegt wird, die ihrerseits auf einer ebenen Montageplatte aufliegen, um dadurch eine parallele Ausrichtung der Oberseite des Statorsegments zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Montageplatte zu gewährleisten. Anschließend werden die beiden Seitenwangen derart an dem Statorsegment angebracht, jedoch noch nicht fixiert, dass die Führungsflächen der Führungsmittel ebenfalls auf der Montageplatte zu liegen kommen. somit bildet die Oberfläche der Montageplatte die Berührebene, wobei über die Planparallelplatten sichergestellt ist, dass die Oberseite des Statorsegments parallel zur dieser Berührebene ausgerichtet ist. In einem anschließenden Bearbeitungsschritt werden die Seitenwangen mit Hilfe der Befestigungsmittel an den Seitenflächen des Statorsegments festgelegt. Hierzu sind in den Seitenwangen beispielsweise Durchgangsbohrungen vorgesehen, im Statorsegment können Gewindebohrungen ausgebildet sein. Die Durchgangsbohrungen sind mit einem Durchmesser ausgebildet, der eine Verschiebung der Seitenwange parallel zur Seitenwand des Statorsegments erlaubt, um die vorstehend beschriebene Ausrichtung zu ermöglichen.
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Als Phasenversatz wird bei einer Hybridreluktanzmaschine eine Beabstandung zwischen benachbarten Zahngruppen des Statorsegments verstanden, die derart gewählt ist, dass ein Teilungsraster der Zähne der nachfolgenden Zahngruppe nicht in Überdeckung mit dem Teilungsraster der Zähne der vorausgehenden Zahngruppen angeordnet ist. Exemplarisch können die benachbarten Zahngruppen jeweils die gleiche Zahnteilung aufweisen. Die Zähne der nachfolgenden Zahngruppe sind trotz der gleichen Zahnteilung nicht im Teilungsraster der vorausgehenden Zahngruppe angeordnet, vielmehr entspricht ein Abstand zwischen gleichsinnig ausgerichteten Zahnflanken der Zähne der beiden benachbarten Zahngruppen nicht einem ganzzahligen Vielfachen (1 bis n) der Teilung. Hierdurch wird bei Beaufschlagung der beiden benachbarten Zahngruppen mit den Magnetfeldern der ersten und zweiten Magnetmittel für einen dem Statorsegment gegenüberliegend angeordneten Läufer, der Zähne in gleicher Teilung aufweist und der vorzugsweise frei von Magnetmitteln ist und lediglich als Magnetfeldleiter dient, eine längs der Bewegungsachse wirkende Vortriebskraft bewirkt. Diese Vortriebskraft kann eine Relativbewegung zwischen Statorsegment und Läufer bewirken. Durch den Phasenversatz der Zahngruppen innerhalb eines Dipolstrangs kann der Läufer besonders einfach aufgebaut werden und das Statorsegment weist ebenfalls einen einfachen Aufbau auf.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Dipolstrang jeweils wenigstens vier benachbart längs der Bewegungsachse angeordnete Zahngruppen umfasst und dass einander benachbarte Zahngruppen des Dipolstrangs bezogen auf ihre Anordnung längs der Bewegungsachse jeweils um 180 Grad phasenversetzt angeordnet sind. Hierdurch kann eine kompakte Aufbauweise des Dipolstrangs und eine effiziente Aus- und Einkopplung der örtlich unterschiedlichen Magnetfelder an das gegenüberliegend anzuordnende Läufersegment erreicht werden. Während bei einer zweisträngigen Verschaltung der Dipolstränge ein Phasenversatz von 180 Grad zwischen den Zahngruppen des Dipolstrangs bevorzugt wird, ist bei einer dreisträngigen Verschaltung der Dipolstränge ein Phasenversatz von 120 Grad vorteilhaft, bei einer viersträngigen Verschaltung hingegen ein Phasenversatz von 90 Grad.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Zahngruppen eine einheitliche Zahnteilung aufweisen und/oder wenn Zahnlücken zwischen benachbarten Zähnen in der jeweiligen Zahngruppe mit einer Zahnlückenteilung ausgebildet sind, die der Zahnteilung der Zähne der Zahngruppe entspricht. Hierdurch werden unerwünschte Inhomogenitäten in der Verteilung der von den Dipolsträngen abgegebenen Magnetfelder zumindest weitestgehend vermieden. Dies ermöglicht die Bereitstellung von Magnetfeldern, durch die eine kontinuierliche und zumindest nahezu ruckfreie Bewegung des Läufers längs der Bewegungsachse ermöglicht wird.
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Bevorzugt sind einander gegenüberliegende Zahnflanken von am Spulenträger ausgebildeten, benachbart angeordneten Zahngruppen des Dipolstrangs und/oder von Zahngruppen benachbart angeordneter Spulenträger des Dipolstrangs um ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung voneinander beabstandet, um den Phasenversatz von 180 Grad zu gewährleisten. Dafür ist bei identischer Zahnteilung der beiden benachbarten Zahngruppen und bei gleicher Teilung von Zähnen und Zahnlücken ein Versatz zwischen den beiderseits der schlitzförmigen Ausnehmung angeordneten Zahngruppen um eine Zahnteilung oder ein ganzzahliges Vielfaches einer Zahnteilung jeweils zuzüglich einer halben Zahnteilung vorzusehen. Dementsprechend sind die gegenüberliegenden Zahnflanken um ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung zueinander beabstandet.
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Zweckmäßig ist es, wenn einander gegenüberliegende Zahnflanken einander benachbarter Zahngruppen benachbart angeordneter Dipolstränge um ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung zuzüglich oder abzüglich einer viertel Zahnteilung voneinander beabstandet sind, um einen Phasenversatz von 90 Grad zu gewährleisten. Für eine gleichmäßige Linearbewegung des Läufers längs des Statorsegments ist es bei einem zweisträngigen Aufbau des Statorsegments vorteilhaft, wenn die einander benachbart angeordneten Zahngruppen benachbarter Dipolstränge um 90 Grad zueinander phasenversetzt angeordnet sind. Bei einem zweisträngigen Aufbau des Statorsegments ist jeder zweite Dipolstrang elektrisch mit der gleichen Spannungsquelle gekoppelt.
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Bei einem dreisträngigen Aufbau des Statorsegments ist jeder dritte Dipolstrang elektrisch mit der gleichen Spannungsquelle gekoppelt. Hier ist zwischen den Zahngruppen der einander benachbarten Dipolstränge ein Phasenversatz von 60 Grad einzuhalten. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Magnetmittel als permanentmagnetische Leiste oder Anordnung von Permanentmagneten ausgebildet und zwischen den zwei benachbarten Spulenträgern des Dipolstrangs angeordnet sind, wobei die ersten Magnetmittel an einander gegenüberliegenden Oberflächen der Spulenträger anliegen, insbesondere magnetisch anhaften. Die Funktionsweise eines Hybridreluktanzmotors beruht unter Anderem darauf, dass ein erstes Magnetfeld, welches die Zahngruppen des Dipolstrangs durchsetzt, mit Hilfe eines zweiten Magnetfelds zumindest teilweise verdrängt wird, um die gewünschten Antriebskräfte auf das Läufersegment bereitstellen zu können. Vorzugsweise wird das erste Magnetfeld durch einen oder mehrere Permanentmagnete bereitgestellt, die zwischen zwei benachbart angeordneten Spulenträgern eingesetzt werden. Der oder die Permanentmagnete weisen exemplarisch eine quaderförmige Hüllkurve auf und erstrecken sich zumindest nahezu über die gesamte Breite der Spulenträger. Besonders bevorzugt ist die Dicke oder lineare Erstreckung der Permanentmagnete längs der Bewegungsachse derart gewählt, dass die Permanentmagnete auch den exakten Abstand zwischen den beiden Spulenträgern des entsprechenden Dipolstrangs definiert.
- – Bevorzugt ist bei einem zweisträngig verschalteten Statorsegment ein Abstand zwischen einer normal zur Bewegungsachse ausgerichteten ersten Stirnfläche des Grundkörpers und einer benachbarten ersten Zahnflanke sowie ein Abstand zwischen einer normal zur Bewegungsachse ausgerichteten zweiten Stirnfläche des Grundkörpers und einer benachbarten letzten Zahnflanke derart gewählt ist, dass bei einer Aneinanderreihung gleichartig ausgebildeter Statorsegmente ein 90-Grad Phasenversatz zwischen dem letzten Zahn des vorausgehenden Statorsegments und dem ersten Zahn des nachfolgenden Statorsegments gewährleistet ist. Dadurch wird bei linearer Kopplung zweier oder mehrerer zweisträngig ausgebildeter Statorsegmente, bei der sich jeweils die zweite Stirnfläche des vorausgehenden Statorsegments und die erste Stirnfläche des nachfolgenden Statorsegments gegenüberliegen, zwischen den jeweils benachbarten Statorsegmenten ein Abstand eingestellt, der exemplarisch einem Phasenversatz von 90 Grad zwischen den Zahngruppen der jeweils endseitig und benachbart an gegenüberliegenden Statorsegmenten angeordneten Dipolstränge entspricht. Exemplarisch sind die einander gegenüberliegenden Zahnflanken der benachbarten Statorsegmente um die 1,75-fache Zahnteilung voneinander beabstandet, so dass gleichsinnig ausgerichtete Zahnflanken dieser Zähne um das 2.25-fache der Zahnteilung voneinander beabstandet sind, was bei zweisträngiger Verschaltung dem gewünschten Phasenversatz von 90 Grad entspricht. Bei einem dreisträngig verschalteten Statorsegment ist der Abstand zwischen der letzten Zahnflanke der letzten Zahngruppe und der Stirnfläche derart gewählt, dass sich ein Phasenversatz von 60 Grad zwischen den benachbarten Zähnen der aneinandergereihten Statorsegmente vorliegt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind am Grundkörper mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Dipolsträngen vorgesehen und zwischen benachbarten Ausnehmungen sind, insbesondere einstückig angeformte, Stege ausgebildet, um eine Beabstandung benachbarter Dipolstränge gemäß der Zahnteilung zu gewährleisten. Die Ausnehmungen am Grundkörper sind vorzugsweise alle in die gleiche Oberfläche des Grundkörpers eingebracht, beispielsweise durch ein spanendes Fertigungsverfahren wie Fräsen. Die Aufgabe der Ausnehmungen besteht darin, die Dipolstränge aufzunehmen und eine vorgebebene Anordnung der Dipolstränge sicherzustellen. Bevorzugt sind zur Sicherstellung der gewünschten Beabstandung der benachbarten Dipolstränge Stege zwischen den Ausnehmungen angeordnet, deren Dicke den Phasenversatz zwischen den benachbarten Zahngruppen bestimmt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf ein Statorsegment mit mehreren jeweils benachbart angeordneten Dipolsträngen,
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2 eine seitliche Schnittdarstellung des Statorsegments gemäß 1,
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3 eine Detaildarstellung aus der 2 und
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4 eine Vorderansicht des mit Seitenwangen und Führungsmitteln ausgerüsteten Statorsegments.
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In der 1 ist ein Statorsegment 1 für eine nicht näher dargestellte Statoranordnung gezeigt. Das Statorsegment 1 umfasst mehrere längs einer Bewegungsachse 2 aneinander gereihte Dipolstränge 3, die exemplarisch in zweisträngiger elektrischer Verschaltung angeordnet sind, weshalb die einzelnen Dipolstränge mit 3a und 3b bezeichnet sind. Bei der zweisträngigen Beschaltung der Dipolstränge 3 wird also jeder zweite Dipolstrang 3a/3b mit der jeweils gleichen, nicht dargestellten elektrischen Quelle verbunden, so dass insgesamt zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Dipolstranggruppen vorliegen. Die Bewegungsachse 2 repräsentiert den linearen Freiheitsgrad eines nicht dargestellten Läufers, auf den mittels des Statorsegments 1 bei entsprechender Bestromung der Dipolstränge 3 eine Vortriebskraft aufgeprägt werden kann, so dass der Läufer sich längs der Bewegungsachse relativ zum Statorsegment 1 bewegen kann.
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Das Statorsegment 1 umfasst neben den Dipolsträngen 3 einen exemplarisch einstückig ausgebildeten Grundkörper 4, der vorzugsweise aus einem magnetisch und elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Metall, insbesondere Aluminium hergestellt ist. Die Dipolstränge 3 sind in Ausnehmungen 5 aufgenommen, die in den 2 und 3 näher dargestellt sind. Die Dipolstränge 3 sind in den Ausnehmungen 5 mittels einer nicht näher dargestellten Vergußmasse stoffschlüssig festgelegt, die beispielsweise als aushärtbare Kunststoffmasse ausgebildet sein kann. Zur korrekten Beabstandung der Dipolstränge 3 längs der Bewegungsachse sind am Grundkörper 4 Stege 6 ausgebildet, deren Haupterstreckungsrichtung quer zur Bewegungsachse 2 verläuft. Vorzugsweise sind die Stege 6 einstückig mit dem Grundkörper 4 ausgebildet. Hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Stege 6 und/oder der Dipolstränge 3 sind zumindest dann nicht erforderlich, wenn die nachstehend näher beschriebenen Zahngruppen 8 der Dipolstränge 3 in einem Fertigungsschritt nach der Festlegung der Dipolstränge 3 am Grundkörper 4 hergestellt werden.
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Die Dipolstränge 3 sind als eigenständige Baugruppen ausgebildet und können abseits des Grundkörpers 4 vormontiert werden. Der Dipolstrang 3 umfasst jeweils zwei parallel zueinander ausgerichtete Spulenträger 7, deren Haupterstreckungsrichtung quer zur Bewegungsachse 2 verläuft. Der Spulenträger 7 kann exemplarisch aus Blechelementen aufgebaut sein, die insbesondere als Stanzteile ausgebildet sind und die eine Geometrie aufweisen, die der Schnittdarstellung der Spulenträger 7 in den 2 und 3 entspricht. Durch Aneinanderreihen der Blechelemente quer zur Bewegungsachse 2 wird der jeweilige Spulenträger 7 gebildet. An einer in der 1 sichtbaren Oberseite der Spulenträger 7 sind jeweils Zahngruppen 8 ausgebildet, die ihrerseits Zähne 10 umfassen, deren größte Oberflächen normal zur Bewegungsachse 2 ausgerichtet sind.
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Zwischen den jeweils zwei Spulenträgern 7 eines Dipolstrangs 3 ist jeweils eine Permanentmagnetanordnung 11 angeordnet. Vorzugsweise liegen normal zur Bewegungsachse 2 ausgerichtete größte Oberflächen der Permanentmagnetanordnung 11 flächig an gegenüberliegenden Seitenflächen der jeweiligen Spulenträger 7 an, wie dies beispielsweise aus der 3 hervorgeht. Die Permanentmagnetanordnung 11 kann als einstückige Leiste oder als Gruppe von quaderförmigen Permanentmagneten ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Spulenträger 7 und die an diesen Seitenflächen anliegende Permanentmagnetanordnung 11 derart ausgebildet, dass hierdurch eine korrekte Beabstandung der Spulenträger 7 gewährleistet ist. Diese Beabstandung muss zumindest dann keine besonders hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit erfüllen, wenn die Zähne 10 der Zahngruppen 8 an den Spulenträgern 7 erst nach Montage und Festlegung der Dipolstränge 3 an den Grundkörper 4, beispielsweise durch einen Fräsvorgang, strukturiert werden.
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In den Spulenträgern 7 ist jeweils eine quer zur Bewegungsachse 2 verlaufende, schlitzförmige Ausnehmung 12 vorgesehen, durch die nicht näher dargestellte Drahtwindungen einer Spule 9 in eine parallel zur Ausnehmung 12 verlaufende, exemplarisch mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildete, Spulenkammer 15 im Inneren des Spulenträgers 7 eingelegt werden können. Die Spule 9 koppelt jeweils zwei Spulenträger 7 zu einem Dipolstrang 3 und verfügt über nicht näher dargestellte Versorgungsleitungen, die zum Anschluss an eine ebenfalls nicht dargestellte Steuereinrichtung vorgesehen sind. Die Steuereinrichtung stellt die elektrische Energie zur Beaufschlagung der jeweiligen Spulen 9 zur Verfügung, um die gewünschten Magnetkräfte zur linearen Bewegung des nicht dargestellten Läufers bereitzustellen.
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Die Zähne 10 an den Spulenträgern 7 sind exemplarisch nach der Montage der Dipolstränge 3 an den Grundkörper 4, insbesondere durch einen Fräsvorgang, strukturiert. Dabei sind die Zähne 10 an den jeweiligen Spulenträgern 7 als Zahngruppen 8 ausgebildet. Innerhalb der Zahngruppen 8 sind die Zähne 10 jeweils mit konstanter Zahnteilung t, also einem für alle Zähne 10 der jeweiligen Zahngruppe 8 konstanten Abstand von zwei jeweils in gleicher Richtung ausgerichteten Zahnflanken 16 ausgebildet. An einem Spulenträger 7 ausgebildete, benachbarte Zahngruppen 8 sind jeweils um 180 Grad phasenversetzt angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass die einander zugewandten Zahnflanken 18, 19 der gegenüberliegenden Zähne 10 der beiden Zahngruppen 8 um ein ganzzahliges Vielfaches s der Zahnteilung t zueinander versetzt sind (s = n·t mit n = 1, 2, 3, ...). Zahngruppen 8 benachbarter Spulenträger 7 eines Dipolstrangs 3 sind in gleicher Weise um 180 Grad phasenversetzt. Die entsprechenden Zahngruppen eines Dipolstrangs 3 sind in der 1 exemplarisch mit 8a bis 8d bezeichnet.
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Zwischen zwei benachbarten Dipolsträngen 3 sind die Zähne hingegen um 90 oder 270 Grad phasenversetzt, was dadurch erreicht wird, dass die einander zugewandten Zahnflanken 20, 21 der gegenüberliegenden Zähne 10 der beiden Zahngruppen 8 mit einem Abstand u voneinander beabstandet sind, der ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung t abzüglich oder zuzüglich einer viertel Zahnteilung beträgt (u = n·t +/– 0,25·t mit n = 1, 2, 3, ...), wie dies in der 3 dargestellt ist.
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Um eine Aneinanderreihung mehrerer Statorsegmente 1 längs der Bewegungsachse 2 zu einer nicht dargestellten Statoranordnung zu erleichtern, sind die jeweils ersten und letzten Dipolstränge 3 derart an dem Grundkörper 4 angeordnet, dass einander gegenüberliegende Zähne 29, 30 benachbart anzuordnender Statorsegmente 1 bei dem exemplarisch beschriebenen zweisträngig ausgebildeten Statorsegment 1 hinsichtlich der einander gegenüberliegenden Zahnflanken 16, 28 derart beabstandet sind, dass die einander gegenüberliegenden Zähne 29, 30 der beiden Statorsegmente 1 einen Phasenversatz von 90 Grad zueinander aufweisen. Dies wird exemplarisch wie in der 2 dargestellt dadurch erreicht, dass ein Abstand der ersten Zahnflanke 16 zur einer ersten Stirnfläche 22 mit der Zahnteilung t gewählt wird und ein Abstand einer letzten Zahnflanke 28 zu einer zweiten Stirnfläche 25 mit 1,25·t gewählt wird. Dadurch ergibt sich bei Aneinanderreihung von gleichartig gestalteten Statorsegmenten 1 ein Abstand von 2,25·t zwischen den sich gegenüberliegenden Zahnflanken 16 und 28 und somit ein Abstand von 2,75·t zwischen gleichsinnigen Zahnflanken des letzten Zahns 30 eines nicht dargestellten vorhergehenden Statorsegments 1 und des ersten Zahns 29 eines daran angereihten, ebenfalls nicht dargestellten nachfolgenden Statorsegments 1. Bei einer nicht dargestellten dreisträngigen Ausführungsform des Statorsegments sind die Zähne längs der Bewegungsachse 2 aneinandergereihter Statorsegmente mit einem Phasenversatz von 60 Grad zueinander angeordnet. Bei viersträngigen Statorsegmenten ist ein Phasenversatz von 45 Grad vorzusehen, bei fünfsträngigen Statorsegmenten ein Phasenversatz von 36 Grad.
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In der 4 ist das Statorsegment 1 in einer Vorderansicht dargestellt und beidseitig mit Seitenwangen 40 ergänzt. Die Seitenwangen 40 sind exemplarisch als Aluminium-Strangpressteile ausgebildet und weisen den in der 4 erkennbaren Querschnitt über ihre gesamte Erstreckung längs der Bewegungsachse 2, die normal zur Darstellungsebene der 4 ausgerichtet ist, auf. Die Seitenwangen 40 sind jeweils mit Befestigungsmitteln 41 an dem Grundkörper 4 festgelegt, exemplarisch sind als Befestigungsmittel Zylinderschrauben vorgesehen. In den Seitenwangen 40 sind jeweils Ausnehmungen 42 ausgebildet, die für eine Durchführung des jeweiligen Befestigungsmittels 41 dienen und die zumindest längs einer Achse normal zur Oberfläche 23 des Statorsegments 1 eine größere Ausdehnung als der bolzenförmige Abschnitt des Befestigungsmittels aufweisen, an dem exemplarisch ein Gewinde zum Einschrauben in den Grundkörper 4 ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Verschiebbarkeit der Seitenwangen 40 relativ zum Grundkörper 4 gewährleistet, die für die Ausrichtung der Seitenwangen 40 gegenüber der Oberfläche 23 vorteilhaft ist.
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An den Seitenwangen 40 sind jeweils Führungsmittel 43 angebracht, die exemplarisch zylinderhülsenförmig ausgebildet sind. In dem vom jeweiligen Führungsmittel 43 umschlossenen Raumvolumen kann ein schematisch dargestelltes Wegmesssystem 44 angeordnet sein, das zur Ermittlung einer Position eines schematisch angedeuteten Läufers 45 gegenüber dem Statorsegment 1 ausgebildet ist. Die Führungsmittel 43 sind in Nuten 46 der Seitenwangen 40 aufgenommen und dort in nicht näher dargestellter Weise kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig festgelegt. Eine Berührebene 47, die die beiden parallel zueinander ausgerichteten Führungsmittel 43 tangiert, ist parallel zur exemplarisch eben ausgeführten Oberfläche 23 des Statorsegments 1 ausgerichtet. Hierdurch ist über die gesamte Erstreckung des Statorsegments 1 längs der Bewegungsachse 2 ein konstanter Luftspalt 48 zwischen der Oberfläche 23 des Statorsegments 1 und dem Läufer 45 gewährleistet.
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Um dies zu gewährleisten, wird bei der Montage der Seitenwangen 40 ein Bezug zwischen der Berührebene 47 und der Oberfläche 23 mittels einer ebenen Bezugsfläche, beispielsweise einer Oberfläche einer ebenen Messplatte, hergestellt. Um die gewünschte Beabstandung von Berührebene 47 und Oberfläche 23 zu gewährleisten, können zwischen die Bezugsfläche und die Oberfläche 23 des Statorsegments 1 geeignete Abstandskörper, beispielsweise Endmaße oder Zylinderstifte, angeordnet werden. Erst wenn die Führungsmittel 43 und die Oberfläche 23 unmittelbar bzw. aufgrund der Abstandskörper mittelbar auf der Bezugsfläche aufliegen, werden die Befestigungsmittel 41 angezogen und die Position der Seitenwangen 40 gegenüber dem Grundkörper 4 fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004045992 A1 [0002]
