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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Lineardirektantrieb, der zusammen mit wenigstens einem Transportmittel, das für eine lineare Relativbewegung gegenüber dem Stator ausgebildet ist, ein elektrodynamisches Antriebssystem bildet, wobei eine Antriebskraft auf das Transportmittel mit Hilfe einer magnetischen Wechselwirkung zwischen Stator und Transportmittel hervorgerufen wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stators.
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Aus der
DE 10 2010 047 296 A1 ist ein Statorsegment bekannt, das einen Grundkörper und wenigstens einen am Grundkörper festgelegten Dipolstrang umfasst, wobei der Grundkörper 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. Ferner umfasst das Statorsegment dem Dipolstrang zugeordnete erste Magnetmittel für die Bereitstellung eines ersten, konstanten Magnetfelds an jeweils zugeordneten Zahngruppen und dem Dipolstrang zugeordnete zweite Magnetmittel für die Bereitstellung eines zweiten, einstellbaren Magnetfelds an die jeweils zugeordneten Zahngruppen, wobei beidseitig am Grundkörper längs der Bewegungsachse erstreckte, jeweils separat ausgebildete Seitenwangen, die Führungsmittel zur Längsführung eines Läufers aufweisen, festgelegt sind.
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Aus der
DE 199 53 118 A1 ist ein drehbar luftgelagerter Rundtisch zur Aufnahme und zur Positionierung von zu bearbeitenden Werkstücken in eine vorgebbare Position in einer Werkzeugmaschine bekannt, der mit einem Elektroantrieb ausgerüstet ist, der einen Stator, einen Rotor und eine dazwischen angeordnete Luftlagereinheit umfasst. Um ein geringes Bauvolumen des Rundtisches und eine hohe Stabilität und Steifigkeit der Luftlagerung zu erzielen, sind im Stator Spulen so angeordnet, dass Zwischenräume gebildet werden, in denen Luftdüsen zum Ausblasen von Druckluft vorgesehen sind, um ein Luftlager für den Rotor zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Spulen so geformt sein, dass in ihrem Innern ein Freiraum gebildet wird, in dem Luftdüsen angeordnet sind, um ein Luftlager für den Rotor zu erzeugen. Das Antriebsmodul kann als Rotationsantrieb oder Linearantrieb ausgeführt sein.
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Die
DE 10 2006 042 707 A1 offenbart betrifft einen elektrischen Antrieb mit einer ersten Antriebskomponente und einer zweiten Antriebskomponente, die relativ zueinander beweglich sind, wobei die erste Antriebskomponente eine zweidimensionale Polmatrix aufweist, bei der jeweils mindestens eine Spule enthaltende Polbereiche in einer ersten Achsrichtung und zweiten Achsrichtung matrixartig angeordnet sind, wobei mit den Spulen ein magnetisches Erregerfeld, durch das die erste Antriebskomponente und die zweite, mindestens zwei magnetische Polbereiche aufweisende Antriebskomponente in der ersten Achsrichtung und der zweiten Achsrichtung relativ zueinander positionierbar sind, erzeugbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stator für einen Lineardirektantrieb und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators bereitzustellen, um einen einfachen Aufbau des Stators zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt mit einem Stator gelöst, wie er im Anspruch 1 angegeben ist. Der Stator umfasst eine magnetisierbare Trägerplatte, die eine Auflagefläche zur Anordnung von Magnetspulen aufweist, sowie Magnetspulen, die als Anordnung einer Vielzahl von Windungen eines elektrischen Leiters ausgebildet sind, wobei die Windungen jeweils Windungsebenen bestimmen, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Auflagefläche ausgerichtet sind, wobei die Magnetspulen zueinander benachbart auf der Auflagefläche angeordnet sind und wobei ein an die Auflagefläche der Trägerplatte angrenzendes und die Magnetspulen umfassendes erstes Raumvolumen eine zur Auflagefläche beabstandete Grenzfläche aufweist und zumindest nahezu vollständig mit einem ersten Fluidleitkörper ausgefüllt ist, der aus einer porösen, zunächst gestaltlosen und anschließend gestaltfest ausgehärteten Vergussmasse ausgebildet ist.
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Durch die Aufbauweise des ersten Fluidleitkörpers wird eine zuverlässige und mechanisch belastbare Einbettung der Magnetspulen gewährleistet. Ferner wird durch die poröse Struktur des Fluidleitkörpers eine möglichst homogene Durchflutung einer der Trägerplatte abgewandten und als Gleitfläche für ein Transportmittel dienenden Oberfläche des Fluidleitkörpers mit einem bereitzustellenden Fluid, insbesondere Druckluft, gewährleistet, die zur Ausbildung eines Fluidfilms zwischen der Oberfläche des Fluidleitkörpers und dem Transportmittel dient und eine nahezu reibungsfreie Lagerung des Transportmittels gegenüber dem Fluidleitkörper ermöglicht. Vorzugsweise ist das Raumvolumen von einer quaderförmigen Hüllgeometrie berandet, so dass die der Trägerplatte abgewandte Oberfläche des Fluidleitkörpers parallel zur Auflagefläche ausgerichtet ist. Bei der Vergussmasse kann es sich um eine Mischung aus einer aushärtbaren Matrix und einer pulverförmigen Füllung handeln, wobei die aushärtbare Matrix die Pulverpartikel während eines, insbesondere thermischen, Aushärtevorgangs stoffschlüssig miteinander verbindet. Bei der Matrix kann es sich insbesondere um ein Kunstharz handeln, das mit dem Pulver vermischt wird und sich derart an den Pulverpartikeln anlagert, dass diese aneinander haften können. Dabei ist die Größe der Pulverpartikel derart auf die Matrix abgestimmt, dass zwischen den von der Matrix umgebenen Pulverpartikeln Hohlräume offenbleiben, die nach der Aushärtung der Vergussmasse als Fluidkanäle dienen können. Vorzugsweise handelt es sich bei der pulverförmigen Füllung um eine Aluminiumhydroxid-Pulvermischung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn in der Trägerplatte und/oder im Fluidleitkörper wenigstens ein, vorzugsweise parallel zur längsten Kante der Trägerplatte ausgerichteter, Fluidkanal ausgebildet ist, um eine Durchflutung des Fluidleitkörpers mit Fluid zu ermöglichen. Bei einer Ausbildung des Fluidkanals in der Trägerplatte ist der Fluidkanal vorzugsweise als Nut in die Auflagefläche der Trägerplatte eingebracht. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Fluidkanal die Trägerplatte, insbesondere als Bohrung, durchsetzt und Ausnehmungen aufweist, die die Auflagefläche durchsetzen, so dass ein Fluidstrom in Richtung des ersten Fluidleitkörpers ermöglicht wird. Die Trägerplatte kann auch mit mehreren, fluidisch voneinander getrennten Fluidkanälen versehen sein, wodurch eine gezielte bereichsweise Bereitstellung und Abschaltung von Fluid ermöglicht wird, um einen Fluidverbrauch gegebenenfalls minimieren zu können. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, dass der Fluidleitkörper mit einem Fluidkanal ausgestattet ist. Dieser Fluidkanal kann vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Außenkonturen der Spulen verlaufen, wodurch sich eine mäanderartige Geometrie für den Fluidkanal ergibt. Vorzugsweise wird der Fluidkanal bei der Herstellung des Fluidleitkörpers durch einen entfernbaren Kern freigehalten. Beispielsweise kann vorgesehen werden, den Kern aus einem niedrigschmelzenden Metall herzustellen, dessen Schmelztemperatur geringfügig über einer Aushärtetemperatur für die Vergussmasse liegt. Somit kann nach Auflegen der Magnetspulen und des Kerns und Einfüllen der Vergussmasse in das erste Raumvolumen zunächst durch Erwärmen auf die Aushärtetemperatur eine Verfestigung der Vergussmasse bewirkt werden. In einem nachfolgenden Schritt kann dann durch weitere, vorzugsweise geringfügige, Temperaturerhöhung der Kern ausgeschmolzen werden, wodurch der Fluidkanal im Fluidleitkörper freigegeben wird. Ergänzend oder alternativ kann auch eine Kombination von Fluidleiterabschnitten im Fluidleitkörper und in der Trägerplatte vorgesehen werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn an das erste Raumvolumen ein zweites, zumindest nahezu vollständig mit einem zweiten gestaltfesten und porösen Fluidleitkörper gefülltes Raumvolumen angrenzt, wobei der zweite Fluidleitkörper fluidleitend mit dem ersten Fluidleitkörper gekoppelt ist. Der zweite Fluidleitkörper kann somit unabhängig vom ersten Fluidleitkörper hergestellt und bearbeitet werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Oberflächenbearbeitung für den zweiten Fluidleitkörper von Vorteil, da hierbei keine Rücksicht auf die gegebenenfalls empfindlichen Magnetspulen genommen werden muss. Eine Kopplung zwischen dem ersten Fluidleitkörper und dem zweiten Fluidleitkörper kann exemplarisch durch geeignete Verbindungsmittel und/oder durch eine lokale oder flächige stoffschlüssige Verbindung der beiden Fluidleitkörper erzielt werden. Ferner kann vorgesehen werden, dass an einer dem zweiten Fluidleitkörper zugewandten Oberfläche des ersten Fluidleitkörpers und/oder an einer dem ersten Fluidleitkörper zugewandten Oberfläche des zweiten Fluidleitkörpers eine Anordnung von nutartig ausgebildeten Fluidkanälen vorgesehen ist, um eine möglichst homogene Einspeisung des Fluids vom ersten Fluidleitkörper in den zweiten Fluidleitkörper zu ermöglichen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Fluidleitkörper aus einer zunächst gestaltlosen und anschließend gestaltfest ausgehärteten Vergussmasse gebildet ist.
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Bevorzugt weist der erste Fluidleitkörper eine erste mittlere Porengröße auf, die von einer zweiten mittleren Porengröße des zweiten Fluidleitkörpers um wenigstens 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens 20 Prozent, bevorzugt wenigstens 50 Prozent, insbesondere wenigstens 100 Prozent, abweicht. Vorzugsweise ist die mittlere Porengröße im ersten Fluidleitkörper größer als die mittlere Porengröße im zweiten Fluidleitkörper, so dass der erste Fluidleitkörper eine möglichst verlustarme und dennoch homogen verteilte Bereitstellung des Fluids an den zweiten Fluidleitkörper ermöglicht. Der zweite Fluidleitkörper stellt für das Fluid aufgrund der geringeren mittleren Porengröße einen höheren Strömungswiderstand bereit, gewährleistet jedoch eine weitere Homogenisierung des aus der Oberfläche des zweiten Fluidleitkörpers. Beispielsweise kann dadurch angestrebt werden, dass das aus der Oberfläche des zweiten Fluidleitkörpers austretende Fluid zumindest in vorgebbaren Bereichen dieser Oberfläche eine im wesentlichen gleiche Austrittsgeschwindigkeit bei im Wesentlichen gleichem Volumenstrom pro Flächeneinheit aufweist. Die mittlere Porengröße kann insbesondere mittels der Quecksilberporosimetrie oder mittels eines Schliffbilds ermittelt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist wenigstens ein Fluidleitkörper in einer Normalenrichtung quer zur Auflagefläche einen, vorzugsweise konstanten, Gradienten für die mittlere Porengröße, auf. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mittlere Porengröße mit zunehmendem Abstand von der Trägerplatte abnimmt und somit an der Oberfläche des Fluidleitkörpers, die der Trägerplatte abgewandt ist, minimal ist. Ein Fluidleitkörper mit einem derartigen Gradienten für die mittlere Porengröße kann beispielsweise mit einem Verfahren erzeugt werden, bei dem nacheinander dünne Schichten der Vergussmasse mit jeweils abnehmender Partikelgröße auf die Trägerplatte gegossen werden und gegebenenfalls am Ende des Gießvorgangs durch Vibration eine gewisse lokale Vermischung der Schichten erzeugt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Fluidleitkörper eine konstante mittlere Porengröße aufweist, während der zweite Fluidleitkörper eine proportional mit zunehmendem Abstand von der Trägerplatte abnehmende mittlere Porengröße aufweist. Alternativ kann auch ein zumindest abschnittsweise sprunghafter oder nichtlinearer Verlauf des Gradienten für die mittlere Porengröße vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine der Trägerplatte abgewandte Oberfläche eines Fluidleitkörpers als bereichsweise ebene, profilierte Gleitfläche für ein längs der Trägerplatte bewegliches Transportmittel ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die profilierte Oberfläche des Fluidleitkörpers neben einem, insbesondere mittig angeordneten, ebenen Gleitbereich für das Transportmittel wenigstens ein den ebenen Gleitbereich in einer von der Trägerplatte abweisenden Richtung abragendes Führungsprofil, das für eine Führung des Transportmittels quer zu einer längsten Kante der Trägerplatte ausgebildet ist und mit dem unerwünschte seitliche Bewegungen des Transportmittels quer zur längsten Kante der Trägerplatte vermieden werden können. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Fluidleitkörpers ist vorgesehen, dass zumindest ein nach innen weisender Bereich des wenigstens einen Führungsprofils offenporig und somit für eine Durchflutung mit dem Fluid ausgebildet ist. Dadurch kann ein Fluidstrom für die seitliche Führung des Transportmittels zur Verfügung gestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein nach außen weisender Bereich des Führungsprofils und/oder wenigstens eine an den Gleitbereich angrenzende, nach außen weisende Seitfläche des Fluidleitkörpers eine geschlossene, insbesondere fluiddicht beschichtete Oberfläche aufweist, so dass an diesen Flächenbereichen kein Fluiddurchsatz stattfindet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass Seitenflächen des Fluidleitkörpers, die an die Gleitfläche angrenzen, luftdicht ausgebildet sind.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Gleitfläche mit einer, insbesondere durch Aufpritzen oder Aufsintern aufgebrachten, porösen Gleitschicht, insbesondere einer Kunststoffschicht, versehen ist. Die poröse Gleitschicht weist vorzugsweise gegenüber dem Transportmittel einen Reibungskoeffizienten auf, der kleiner als ein Reibungskoeffizient zwischen dem Fluidleitkörper und dem Transportmittel ist. Damit wird eine reibungsarme Bewegung des Transportmittels relativ zum Fluidleitkörper exemplarisch auch für den Fall gewährleistet, dass eine kurze Unterbrechung der Fluidversorgung vorliegt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt durch ein Verfahren zur Herstellung eines gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausgebildeten Stators gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass das erste Raumvolumen mit einer gestaltlosen Vergussmasse gefüllt wird, die in einem nachfolgenden Schritt gestaltfest ausgehärtet wird, um einen porösen ersten Fluidleitkörper zu bilden, wobei die Vergussmasse durch Mischen einer aushärtbaren Matrix, insbesondere einer Polymermatrix, und eines pulverförmigen Füllstoffs, insbesondere einer Aluminiumhydroxid-Pulvermischung, hergestellt wird. Bei der Matrix handelt es sich vorzugsweise um eine thermisch aushärtbare Polymermatrix. Alternativ kann auch eine chemische Aushärtung mit einem 2-Komponentensystem oder durch Energieeintrag, insbesondere mit ultravioletter Strahlung, vorgesehen werden. Der Füllstoff umfasst eine Vielzahl von Partikeln, die zumindest überwiegend eine Partikelgröße aufweisen, die innerhalb eines vorgebbaren Intervalls liegt, so dass nach einer Mischung mit der Matrix die Ausbildung von Poren während des Aushärtungsvorgangs gewährleistet werden kann.
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Vorzugsweise sind die Magnetspulen mit einer Hauptachse quer zu einer längsten Kante der Trägerplatte, die eine Bewegungsachse bestimmt, auf der Auflagefläche angeordnet. Ferner kann vorgesehen werden, dass Windungsenden der Magnetspulen mit wenigstens einer gedruckten Schaltung, insbesondere einer Leiterplatte verbunden sind, die Leiterbahnen für eine selektive elektrische Versorgung mehrerer Magnetspulen aufweist.
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Der Stator kann insbesondere für ein elektrodynamisches Antriebskonzept ausgelegt sein, bei dem eine Wechselwirkung von dynamischen Magnetfeldern der Magnetspulen mit statischen Magnetfeldern einer am Transportmittel angeordneten Permanentmagnetanordnung vorgesehen ist. Aufgrund dieses elektrodynamischen Antriebskonzepts kann ein erheblich größerer und weniger streng zu tolerierender Luftspalt zwischen den Magnetspulen und der Permanentmagnetanordnung zugelassen werden, als dies beim eingangs genannten Stand der Technik der Fall ist. Ferner kann bei diesem Antriebskonzept auf Flußleitmittel und/oder Permanentmagnete im Inneren der Magnetspulen verzichtet werden, so dass diese auf die an der Trägerplatte ausgebildete Auflagefläche aufgelegt werden können, ohne hierbei die Windungen der Magnetspulen in aufwendiger Fertigungstechnik in Nuten einlegen zu müssen. Vorzugsweise werden die Magnetspulen in einem zeitlich vorgelagerten Wickelprozess, insbesondere aus einem lackierten Kupferdraht, hergestellt und nach dem Wickelprozess einer Stabilisierungsbehandlung unterzogen, durch die sichergestellt werden soll, dass die Windungen ihre vorgegebene Position nicht mehr verlassen. Eine solche Stabilisierungswirkung kann beispielsweise durch Verbacken der Kupferlackdrähte und/oder durch Einbringen einer Lack- oder Klebeschicht zwischen die Windungen erreicht werden, so dass die Magnetspulen auch als eigenstabil oder selbsttragend bezeichnet werden können. Die zur elektrischen Kontaktierung der Magnetspulen dienenden Windungsenden werden mit wenigstens einer gedruckten Schaltung, insbesondere einer formstabilen Leiterplatte, für eine selektive elektrische Versorgung mehrerer Magnetspulen verbunden. Hierbei kann vorgesehen werden, dass einzelne Magnetspulen oder Gruppen von Magnetspulen bereits vor der Montage auf die Trägerplatte elektrisch mit der gedruckten Schaltung verbunden werden. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Magnetspulen zunächst auf die Trägerplatte aufgelegt werden und anschließend die Windungsenden elektrisch mit der gedruckten Schaltung verbunden werden. In jedem Fall ist eine selektive Versorgung der einzelnen Magnetspulen mit elektrischer Energie vorgesehen, die beispielsweise von einer Steuereinrichtung bereitgestellt wird, um ein wanderndes Magnetfeld für das jeweils anzutreibende Transportmittel bereitstellen zu können. Auf der gedruckten Schaltung, die beispielsweise als Flexleiter aus einem Polyimidmaterial oder als formstabile Einschicht- oder Mehrschicht-Leiterplatte aus Materialien wie FR4 hergestellt ist, können lediglich Leiterbahnen vorgesehen sein, die eine räumlich kompakte und einfach zu montierende elektrische Versorgung einer oder mehrerer Magnetspulen gewährleisten. Alternativ kann vorgesehen sein, dass auf der gedruckten Schaltung elektrische und/oder elektromechanische und/oder elektronische Bauelemente angeordnet sind, die eine Beeinflussung und/oder Überwachung der an die Magnetspulen bereitzustellenden elektrischen Energie ermöglichen.
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Zweckmäßig ist es, wenn die wenigstens eine gedruckte Schaltung parallel zur längsten Kante der Trägerplatte ausgerichtet ist und/oder wenn eine Leiterbahnebene der gedruckten Schaltung parallel zur Auflagefläche der Trägerplatte ausgerichtet ist. Bei einer Ausrichtung der gedruckten Schaltung parallel zu einer längsten Kante der Trägerplatte wird eine kompakte Gestaltung des Stators sichergestellt. Die längste Kante der Trägerplatte ist parallel zur Bewegungsachse für das längs des Stators zu bewege Transportmittel ausgerichtet, so dass bei einer Ausrichtung der gedruckten Schaltung parallel zu dieser Kante in einfacher Weise mehrere oder gegebenenfalls alle Windungsenden der Magnetspulen des Stators elektrisch kontaktiert werden können. Für einen vorteilhaften Verlauf der Windungsenden ausgehend von den Windungen der Magnetspulen ist die Leiterbahnebene der gedruckten Schaltung vorzugsweise parallel zur Auflagefläche der Trägerplatte ausgerichtet. Hierdurch kann die gedruckte Schaltung beispielsweise unterhalb der Magnetspulen angeordnet werden, so dass eine Breite des Stators quer zur Bewegungsachse zumindest im Wesentlichen nur von der Ausdehnung der Magnetspulen beeinflusst wird, während die gedruckte Schaltung bzw. die gedruckten Schaltungen hierauf keinen oder nur einen geringen Einfluss haben.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Windungen der Magnetspulen eine langgestreckte, nutförmige Ausnehmung umschließen, wobei zwei geradlinig ausgebildete, längste Magnetspulenabschnitte parallel zueinander und parallel zur Hauptachse der Magnetspule ausgerichtet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Magnetspulen trotz geringer Breite ein vorteilhaftes Magnetfeld ausbilden können. Vorzugsweise sind die Magnetspulen derart an der Trägerplatte angeordnet, dass die Hauptachsen der Magnetspulen parallel zueinander und quer zur Bewegungsachse ausgerichtet sind. Damit kann längs der Bewegungsachse eine kompakte Anordnung einer Vielzahl von Magnetspulen erreicht werden. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die nutförmige Ausnehmungen in den Magnetspulen mit dem Fluidleitkörper gefüllt sind, so dass auch im Bereich der Magnetspulen eine möglichst homogene Fluid-Durchflutung des Fluidleitkörpers und somit eine vorteilhafte Fluidlagerung eines Transportmittels gegenüber dem Stator erzielt werden kann.
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Bevorzugt ist zwischen der Trägerplatte und den Magnetspulen eine Isolierschicht, insbesondere eine Isolierfolie, angeordnet. Die Aufgabe der Isolierschicht besteht darin, eine elektrische Isolation zwischen den Magnetspulen und der Trägerplatte zu gewährleisten. Diese elektrische Isolation entspricht den für einen Betrieb des Stators mit üblichen elektrischen Spannungen anzuwendenden gesetzlichen Vorschriften. Vorzugsweise ist die Isolierschicht als Isolierfolie, vorzugsweise als vorgeschnittene Isolierfolie, insbesondere als einseitig selbstklebend beschichtete Isolierfolie, ausgebildet, wodurch eine einfache Aufbringung der Isolierfolie auf die Trägerplatte beim Montageprozess des Stators gewährleistet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der Isolierschicht und in der Trägerplatte Ausnehmungen zur Aufnahme der Zentrierelemente ausgebildet. Diese Ausnehmungen können beispielsweise bereits bei der Fertigung der Trägerplatte in einem spanabhebenden Verfahren, beispielsweise während eines Fräsvorgangs und/oder bei dem Zuschnitt der Isolierfolie, beispielsweise durch Stanzen oder Laserschneiden, in einfacher Weise mit großer Genauigkeit eingebracht werden. Anschließend werden die Zentrierelemente in die Ausnehmungen gesteckt, wobei vorzugsweise eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Trägerplatte und Zentrierelement angestrebt wird. Beispielsweise sind die Ausnehmung und das in der Ausnehmung aufzunehmende Zentrierelement für eine Presspassung gestaltet und/oder die Ausnehmung in der Trägerplatte weist einen Hinterschnitt auf, in den eine Rastnase am Zentrierelement eingreift.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zentrierelemente aus einem elektrischen isolierenden Material hergestellt sind und einen umlaufenden Bund zur Überdeckung eines an die Ausnehmung angrenzenden, umlaufenden Randbereichs der Isolierschicht aufweisen. Mittels des umlaufenden Bundes wird eine Verlängerung der Isolationsstrecke zwischen den Windungen der Magnetspule, die abschnittsweise an den Zentrierelementen anliegen, und der Trägerplatte erreicht. Dabei ist der umlaufende Bund derart auf die Ausnehmung in der Isolierschicht angepasst, dass stets eine vorgebbare Mindestüberdeckung gewährleistet ist, auch wenn beispielsweise die als Isolierfolie ausgebildete Isolierschicht nicht exakt auf die Trägerplatte aufgebracht wird. Ferner dient der umlaufende Bund in Kombination mit der Isolierschicht dazu, eine formschlüssige Festlegung der Zentrierelemente unabhängig von der Ausgestaltung der Ausnehmung in der Trägerplatte zu gewährleisten. Hierzu überdeckt die Isolationsfolie den Bund des jeweiligen Zentrierelements.
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Vorteilhaft ist es, wenn an einander entgegengesetzten Schmalseiten der Trägerplatte entlang der längsten Kante der Trägerplatte jeweils langgestreckte Führungsmittel angebracht sind, die jeweils wenigstens eine längs der Schmalseite der Trägerplatte erstreckte, insbesondere parallel zur Auflagefläche ausgerichtete, Führungsfläche aufweisen. Die Führungsmittel dienen zur Bereitstellung der Führungsflächen, auf denen das Transportmittel gleiten oder abrollen kann. Prinzipiell könnten die Führungsmittel auch an der Trägerplatte ausgebildet sein, allerdings wird durch die separate Ausbildung der Führungsmittel eine Anpassung an unterschiedliche Transportmittel erleichtert wird, zudem wird eine einfachere Herstellung der Trägerplatte gewährleistet.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf einen elektrodynamischen Teil eines Stators eines elektrodynamischen Antriebssystems,
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2 eine Seitenansicht von rechts auf den elektrodynamischen Teil,
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3 eine Schnittansicht des elektrodynamischen Teils mit Darstellung des zugehörigen Fluidleitkörpers,
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4 eine teilweise geschnittene Darstellung zweier miteinander gekoppelter elektrodynamischer Teile,
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5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Stators mit einem profiliert ausgebildeten Fluidleitkörper.
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Eine in den 1 bis 4 näher dargestellte erste Ausführungsform eines elektrodynamischen Stators 1 umfasst diejenigen Komponenten, die unmittelbar zur Erzeugung der dynamischen Magnetkräfte erforderlich sind, die zur Einwirkung auf ein nicht näher dargestelltes Transportmittel vorgesehen sind, um eine Relativbewegung des Transportmittels gegenüber dem Stator 1 zu erzielen. In den 3 und 4 ist der dem Stator 1 zugehörige Fluidleitkörper dargestellt, in den 1 und 2 wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung des Fluidleitkörpers verzichtet.
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Der Stator 1 umfasst eine aus magnetisierbarem Material, insbesondere ferromagnetischem Stahl, hergestellte Trägerplatte 4, die sich längs einer Bewegungsachse 5 mit einem zumindest im Wesentlichen konstanten Querschnitt erstreckt. Dabei bestimmt die Trägerplatte 4 eine Auflagefläche 6, die exemplarisch eben ausgebildet ist und die die Bewegungsachse 5 umfasst.
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In die Auflagefläche 6 sind längs der Bewegungsachse 5 in gleichmäßiger Magnetspulenteilung t1 jeweils zweireihig Ausnehmungen 7 eingebracht, in denen jeweils exemplarisch zylindrisch ausgebildete zapfenförmige Zentrierelemente 8 aufgenommen sind. Die Zentrierelemente 8 weisen einen umlaufenden Bund 9 auf, der beispielsweise kreisringförmig ausgebildet ist. Die Ausnehmungen 7 sind als Stufenbohrungen ausgeführt und somit zur oberflächenbündigen Aufnahme des Bunds 9 des jeweiligen Zentrierelements 8 angepasst.
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Auf die Auflagefläche 6 ist eine Isolierfolie 10 aufgebracht, die nicht näher dargestellte Ausnehmungen für die Zentrierelemente 8 aufweist und somit flächig auf die Auflagefläche 6 aufgelegt werden kann. Die Zentrierelemente 8 durchsetzen die Ausnehmungen in der Isolierfolie 10, ragen über die Auflagefläche 6 hinaus und sind dazu vorgesehen, in nutartige Ausnehmungen 11 von Magnetspulen 12 einzugreifen. Der Bund 9 der Zentrierelemente 8 wird zumindest im Wesentlichen vollständig von der Isolierfolie 10 überdeckt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Zentrierelemente 8 formschlüssig zwischen Trägerplatte 4 und Isolierfolie 10 aufgenommen sind.
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Die Magnetspulen 12 sind jeweils aus einer Vielzahl von nicht näher dargestellten Windungen eines isolierten elektrischen Leiters ausgebildet. Dabei sind die Windungen in Windungsebenen 13 angeordnet, die zumindest im Wesentlichen parallel zur Auflagefläche 6 ausgerichtet sind und die schematisch in der 2 dargestellt sind. Eine Beabstandung der Windungsebenen 13 wird durch einen Drahtdurchmesser der Windungen des elektrischen Leiters bestimmt. Windungsenden 15 der Magnetspulen 12, die auch als Abzapfungen bezeichnet werden, ragen an Schmalseiten der Magnetspulen 12 ab und sind für eine elektrische Verbindung mit einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung vorgesehen, von der elektrische Energie an die Magnetspulen 12 bereitgestellt werden kann. Die Magnetspulen 12 weisen exemplarisch zwei geradlinig ausgebildete, längste Magnetspulenabschnitte 16, 17 auf, die parallel zueinander und parallel zu einer Hauptachse 18 der jeweiligen Magnetspule 12 ausgerichtet sind. Hierdurch wird eine kompakte Anordnung der Magnet-spulen 12 längs der Bewegungsachse 5 erreicht, wobei die Hauptachsen 18 der Magnetspulen 12 quer zur Bewegungsachse 5 ausgerichtet sind. Exemplarisch spannen die Bewegungsachse 5 und die Hauptachse 18 die als Ebene ausgebildete Auflagefläche 6 auf.
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Vorzugsweise werden die Magnetspulen 12 abseits der Trägerplatte 4 mittels einer nicht dargestellten Wickelmaschine hergestellt und anschließend unter Verwendung der Zentrierelemente 8 an der Trägerplatte 4 angeordnet. Vorzugsweise ist die Ausdehnung b der Auflagefläche 6 quer zur Bewegungsachse 5 bzw. in Richtung der Hauptachse 18 der Magnetspule 12 so gewählt, dass sie der Ausdehnung der Magnetspulenabschnitte 16, 17 entspricht, da hierdurch ein vorteilhafter Kompromiss zwischen den Eigenschaften der Trägerplatte 4 als magnetischer Rückschluss für die Magnetspulen 12 einerseits und der Ausdehnung der Trägerplatte 4 sowie im Hinblick auf das Gewicht des fertigen Stators 2 andererseits erreicht werden kann.
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Die Windungsenden 15 der Magnetspulen 12 sind exemplarisch bogenförmig abgewinkelt und durchsetzen vorzugsweise beidseitig an Schmalseiten der Trägerplatte 4 angeordnete, beispielhaft als formstabile Leiterplatten 19, 20 ausgebildete gedruckte Schaltungen. Die Leiterplatten 19, 20 erstrecken sich mit ihrer längsten Kante zumindest im Wesentlichen parallel zu einer längsten Kante der Trägerplatte 4, wobei die längsten Kanten jeweils zumindest im Wesentlichen parallel zur Bewegungsachse 5 ausgerichtet sind. Die Leiterplatten 19, 20 weisen jeweils wenigstens eine Leiterplattenebene 21, 22 auf, die zumindest nahezu parallel zur Auflagefläche 6 ausgerichtet sind und auf denen jeweils nicht näher dargestellte elektrische Leiterbahnen ausgebildet sind. Für eine ortsfeste Anbringung der Leiterplatten 19, 20 an der Trägerplatte 4 kann diese mit seitlichen Vorsprüngen 23, 24 versehen sein, auf denen Distanzstücke 25 angebracht sind, die für eine Beabstandung der Leiterplatten 19, 20 von den Vorsprüngen 23, 24 ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Distanzstücke aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt.
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Nach der Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Windungsenden 15 der Magnetspulen 12 und den Leiterplatten 19, 20 wird der Verbund aus Trägerplatte 4, Isolierfolie 10, Magnetspulen 12 und Leiterplatten 19, 20 in eine nicht näher dargestellte Form eingelegt, die randseitig abdichtend an der Trägerplatte 4 anliegt und ein in etwa quaderförmiges Raumvolumen 2 begrenzt, das als Hüllvolumen für die Magnetspulen 12 dient und an einer der Auflagefläche 6 abgewandten Oberfläche eine, vorzugsweise ebene, Grenzfläche 3 gegenüber der Umgebung bildet. Vorzugsweise ist die Form als offene Kastenform derart beschaffen, dass sie eine Aufbringung einer Vergussmasse auf die der Trägerplatte 4 abgewandten Oberflächen der Magnetspulen 12 ermöglicht. Die fließfähige Vergussmasse, bei der es sich vorzugsweise um eine Mischung einer aushärtbaren Matrix, insbesondere einer Polymermatrix, und eines pulverförmigen Füllstoffs, insbesondere einer Aluminiumhydroxid-Pulvermischung, handelt, wird in die Form eingegossen. Anschließend findet eine Aushärtung der Vergussmasse, insbesondere durch Erwärmung, statt. Im Zuge dieses Aushärtungsvorgangs wird, insbesondere durch thermisch angeregte Polymerisation der Matrix, ein poröser, insbesondere monolithischer, Fluidleitkörper 14 gebildet, der die Magnetspulen 12 zumindest nahezu vollständig umschließt, vorzugsweise vollständig überdeckt. Besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke für den Fluidleitkörper 14 oberhalb der Magnetspulen 12 derart gewählt, dass eine zumindest weitgehend homogene Verteilung von den Fluidleitkörper 14 durchströmendem Fluid an der Grenzfläche 3 gewährleistet werden kann. Besonders bevorzugt ist die Grenzfläche 3 eben ausgebildet, insbesondere durch einen nach dem Vergussvorgang folgenden, spanabhebenden Bearbeitungsvorgang wie Fräsen, Schleifen oder Läppen.
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Um eine vorteilhafte Fluidzufuhr in den Fluidleitkörper 14 zu ermöglichen, ist in der Trägerplatte 4 eine parallel zur Bewegungsachse 5 erstreckte Längsnut 33 ausgebildet. Ferner sind in der Isolierfolie 10 entlang der Längsnut 33 aufgereihte Ausnehmungen 34 ausgebildet. Um ein unerwünschtes Verschließen der Längsnut 33 während des Vergussvorgangs zu vermeiden, kann ein nicht dargestellter Dorn in die Längsnut 33 eingeschoben werden, der nach dem Aushärten der Vergussmasse entfernt wird. Die Ausnehmungen 34 in der Isolierfolie 10 werden während des Vergussvorgangs mit der Vergussmasse ausgefüllt, dies ist jedoch für die spätere Funktion des Fluidleitkörpers 14 ohne Bedeutung, da auch diese Bereiche porös und damit fluidleitend sind. Exemplarisch erstreckt sich die Längsnut 33 über die gesamte Länge der Trägerplatte 4. Bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform eines Stators kann vorgesehen sein, dass mehrere Längsnuten in der Trägerplatte vorgesehen sind, die fluidisch nicht in unmittelbarer Verbindung stehen, so dass einzelne Bereiche des Fluidleitkörpers selektiv von Fluid durchströmt werden können.
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Stirnseitig weisen die Trägerplatten 4 jeweils eine Verbindungsfläche 28 auf, die vorzugsweise eben und orthogonal zur Auflagefläche 6 ausgerichtet sind. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungsflächen für einen gegenseitigen, insbesondere formschlüssigen, Eingriff beispielsweise mit einer Verzahnung versehen.
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An den Verbindungsflächen 28 sind jeweils Ausnehmungen 29 eingebracht, in denen beispielsweise an einer parallel zur Auflagefläche 6 ausgerichteten Oberfläche entsprechend der vergrößerten Darstellung der 4 je zwei beabstandet zueinander angeordnete Zentrierhülsen 30 angeordnet sind. Die Zentrierhülsen 30 sind, vorzugsweise formschlüssig, in der Trägerplatte 4 festgelegt und weisen beispielsweise eine präzise vorgegebene Außengeometrie auf. Auf diese Außengeometrie der Zentrierhülsen 30, die insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein kann, referenziert sowohl eine Bohrung in der Trägerplatte 4 als auch eine Bohrung in einem vorzugsweise plattenförmig ausgebildeten Koppelelement 31. Das Koppelelement 31 ist exemplarisch für eine Kopplung von Zentrierhülsen 30 benachbarter Trägerplatten 4 ausgebildet und stellt sicher, dass sich die Trägerplatten 4 in einem vorgebbaren Abstand und in einer vorgebbaren Ausrichtung zueinander befinden. Vorzugsweise wird das Koppelelement 31 mittels Schrauben 32 an den benachbart angeordneten Trägerplatten 4 gesichert. Dabei sind die Anordnung der Magnetspulen 12 auf den Trägerplatten 4 sowie die Lage der Verbindungsflächen 28 gegenüber den jeweils letzten Magnetspulen 12 derart ausgewählt, dass Magnetspulen 12 benachbarter Trägerplatten 4 in der gleichen Magnetspulenteilung t1 angeordnet sind, wie dies auch für die jeweils benachbarten Magnetspulen 12 auf den jeweiligen Trägerplatten 4 der Fall ist.
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In der 5 ist eine zweite Ausführungsform eines Stators 51 dargestellt, der eine Weiterbildung des in den 1 bis 4 dargestellten Stators 1 darstellt. Der Stator 51 unterscheidet sich vom Stator 1 dadurch, dass auf den Fluidleitkörper 14, der hier auch als erster Fluidleitkörper 14 bezeichnet wird, ein zweiter Fluidleitkörper 52 aufgesetzt ist, der in nicht näher dargestellter Weise mit dem ersten Fluidleitkörper 14 gekoppelt ist. Der zweite Fluidleitkörper 52 ist ebenfalls aus einer porösen Vergussmasse hergestellt, unterscheidet sich jedoch vom ersten Fluidleitkörper 14 dadurch, dass die Vergussmasse derart konfiguriert ist, dass die mittlere Porengröße mit zunehmendem Abstand vom der Trägerplatte 4 abnimmt, wie dies exemplarisch in der Ausschnittvergrößerung gemäß der 5 dargestellt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei der Herstellung des zweiten Fluidleitkörpers 52 jeweils dünne Schichten mit stets abnehmender Partikelgröße aufeinander aufgebracht werden. Bei entsprechenden Eigenschaften der Vergussmasse kann auch vorgesehen werden, nach Aufbringung einer neuen Schicht eine Vorhärtung vorzunehmen, um eine Durchmischung aneinander grenzender Schichten zu vermeiden.
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Ferner ist beim Stator gemäß der 5 eine fluiddichte Beschichtung 60 von nach außen gewandten Seitenoberflächen 35, 36 des ersten Fluidleitkörpers 14 und von nach außen gewandten Seitenoberflächen 53, 54 des zweiten Fluidleitkörpers 52 vorgesehen. Die Beschichtung 60 verhindert ein Austreten von Fluid durch die beschichteten Oberflächen, so dass eine Konzentration des Fluidstroms durch den Fluidleitkörper Ferner weist der von einer kubischen Hüllkurve 63 berandete zweite Fluidleitkörper 52 exemplarisch eine symmetrische Anordnung von Profilleisten 55, 56 auf, die angrenzend an eine eben ausgebildete Gleitfläche 57 ausgebildet sind. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der zweite Fluidleitkörper 52 in zueinander parallelen Querschnittsebenen längs der Bewegungsachse 5 einen konstanten Querschnitt aufweist. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Profilleisten 55, 56 einstückig, also monolithisch mit dem übrigen Fluidleitkörper 52 ausgebildet sind und jeweils einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Profilleisten 55, 56 dienen der Seitenführung eines nicht dargestellten Transportmittels, das beispielsweise in der Art einer Palette ausgebildet sein kann, die eine dem Stator 51 zugewandte, geschlossene Oberfläche aufweist, wobei der Oberfläche mehrere Permanentmagnete zugeordnet sind, die für eine Wechselwirkung mit einem durch die Magnetspulen 12 hervorrufbaren Wandermagnetfeld ausgebildet sind.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass nach oben gewandte, der Trägerplatte 4 entgegengesetzte Oberflächen 58, 59 der Profilleisten 55, 56 ebenfalls mit der Beschichtung 60 versehen sind. Somit kann das ausgehend von der Längsnut 33 in der Trägerplatte 4 in den ersten Fluidleitkörper 14 einströmende Fluid, das den ersten Fluidleitkörper 14 aufgrund der Beschichtung der Seitenflächen 35, 36 ausschließlich an der dem zweiten Fluidleitkörper 52 zugewandten Oberfläche verlassen kann, ausschließlich an der Gleitfläche 57 und an den an die Gleitfläche 57 angrenzenden und exemplarisch einander gegenüberliegenden Seitenflächen 61, 62 aus dem zweiten Fluidleitkörper 52 ausströmen. Damit kann eine vorteilhafte fluidische Gleitführung des nicht dargestellten Transportmittels sowohl in vertikaler Richtung zur Kompensation der Gewichtskraft des Transportmittels und eventuell daran aufgenommener Transportgüter als auch in seitlicher Richtung gewährleistet werden.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass der erste Fluidleitkörper 14 über das gesamte Volumen eine im Wesentlichen konstante mittlere Porengröße aufweist. Demgegenüber ist beispielhaft vorgesehen, dass der zweite Fluidleitkörper 52 in einer Normalenrichtung quer zur Auflagefläche 6 einen Gradienten für die mittlere Porengröße aufweist, wie dies in der Ausschnittvergrößerung gemäß der 5 schematisch dargestellt ist. Durch die mit zunehmendem Abstand von der Auflagefläche 6 abnehmende Porengröße wird eine besonders homogene Verteilung des aus dem zweiten Fluidleitkörper 52 ausströmenden Fluids erreicht.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform eines Stators weist der erste Fluidleitkörper einen Gradienten für die mittlere Porengröße auf. Die Porengröße kann dabei insbesondere mit zunehmenden Abstand von der Auflagefläche 6 abnehmen. Alternativ ist vorgesehen, dass die Porengröße ausgehend von einem mittigen Zentralbereich in einander entgegengesetzten Richtungen parallel zur Auflagefläche 6 abnimmt.
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Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform eines Stators weist der zweite Fluidleitkörper ergänzend oder alternativ zu einer vom Abstand zur Auflagefläche 6 abhängigen Porengröße eine exemplarisch mit zunehmendem Abstand von einer normal zur Auflagefläche 6 ausgerichteten Mittelebene abnehmende Porengröße auf.
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Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform eines Stators sind der erste und der zweite Fluidleitkörper einstückig ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010047296 A1 [0002]
- DE 19953118 A1 [0003]
- DE 102006042707 A1 [0004]
