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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Changierantrieb mit einem einen Linearantrieb aufweisenden Fadenführer zum traversierenden Zuführen eines Fadens zu einer rotierend angetriebenen Garnspule.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein derartiger Antrieb ist aus der
WO 00/37346 A1 bekannt. Angetriebene Fadenführer werden zur Erzeugung einer Kreuzspule in einer Spuleinrichtung einer Textilmaschine eingesetzt. Daneben werden derartige Antriebe auch in Texturier-, Spinn- und Zwirnmaschinen verwendet. Dabei wird jeweils ein elektromagnetisch gesteuerter Fadenführer eingesetzt, der einen von einer Spinnstelle kommenden Faden auf eine Garnrolle aufwickelt.
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Üblicherweise umfasst der Antrieb eines derartigen Fadenführers eine Luftspule in Form einer selbsttragenden Kupferlackdrahtspule, an der ein Zeiger befestigt ist, der mit seinem freien Ende den Faden entlang einer Garnrolle führt. Dabei bewegt sich die Luftspule innerhalb eines Luftspalts, der ein oder beidseitig von Permanentmagneten begrenzt ist. Dese Permanentmagnete sind jeweils auf ferromagnetischen Jochen angeordnet, die zur Führung des magnetischen Flusses dienen. Daher weisen Luftspaltmotoren mit magnetischen Jochen aufgrund der guten Flussführung und der ausgeprägten magnetischen Pole ein starkes Polrasten aufgrund starker Reluktanzkräfte auf, wodurch die Positioniergenauigkeit nachteilig beeinflusst wird. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass die Luftspulen aus einem Kupferdraht mit kreisrundem Querschnitt bestehen, so dass beim Wickeln der Kupferdrähte Lücken zwischen den einzelnen Drähten entstehen, wodurch die Packungsdichte verschlechtert wird. Aufgrund der auftretenden ohmschen Verluste werden die Spulen erwärmt, wobei deren Kühlung schwierig ist, wodurch die Strombelastbarkeit und somit das maximale vom Motor abgebbare Moment begrenzt werden. Da derartige übliche Antriebe für Fadenführer aus einer Vielzahl unterschiedlicher Einzelteile aufgebaut sind, ist deren Herstellung teuer.
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Daneben sind Antriebe für Fadenführer bekannt, bei denen ein Zahnriemen eingesetzt wird, der mittels eines Getriebeschrittmotors angetrieben wird. Der Zahnriemen weist zumeist ein größeres Antriebsritzel und zwei kleinere Umlenkritzel auf. Allerdings weisen derartige Zahnriemenantriebe den Nachteil auf, dass sie viel Bauraum beanspruchen und verschleißbehaftet sind.
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Für spezielle Wickelaufgaben können auch sogenannte Kurvenrollen eingesetzt werden, dabei handelt es sich um eine Rolle, in die mehrere Nuten eingearbeitet sind, durch diese Nuten wird der Faden in Längsrichtung der Garnspule geführt. Nachteilig ist dabei, dass jede Kurvenrolle typspezifisch ist, so dass bei einem Wechsel des Garnspulentyps auch die entsprechende Kurvenrolle ausgetauscht werden muss, wodurch lange Umrüst- oder Stillstandszeiten entstehen.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Changierantrieb anzugeben, der sich durch ein geringes Gewicht und ein gutes Beschleunigungs- und Verzögerungsvermögen auszeichnet.
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Changierantrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Linearantrieb als Leiterplattenmotor mit einem Spulen aufweisenden Primärteil und einem Magneten aufweisenden Sekundärteil ausgebildet ist, wobei entweder das Primärteil oder das Sekundärteil als bewegbare Komponenten ausgebildet und die jeweils andere Komponente ortsfest angeordnet ist und eine Spule mehrere in Leiterplattentechnologie hergestellte und miteinander verschaltete leitfähige Schichten aufweist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass anstelle einer Luftspule ein sogenannter Leiterplattenmotor eingesetzt werden kann, wobei auf die Joche aus ferromagnetischem Material verzichtet werden kann.
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Derartige Leiterplattenmotoren wurden von der Anmelderin entwickelt. Es handelt sich dabei um spezielle Linearmotoren, bei denen die Läuferspulen des Motors auf der Basis von Leiterplattenmaterial in einem Multilayer-Aufbau hergestellt sind. Dazu werden mehrere Kupferschichten ähnlich wie Leiterbahnen bei Leiterplatten schrittweise aufgetragen, wobei die einzelnen Schichten durch nicht leitfähige Zwischenlagen voneinander getrennt sind. Anschließend werden die einzelnen Schichten miteinander verschaltet, wodurch eine gedruckte Spule entsteht. Das Verschalten kann beispielsweise mittels Durchkontaktierungen erfolgen, die senkrecht zur Schichtebene eingebracht sind. Der Leiterplattenmotor ist ein eisenloser Linearmotor, bei dem der Läufer entlang eines Sekundärteils bewegbar ist.
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Der bei dem erfindungsgemäßen Changierantrieb eingesetzte Leiterplattenmotor weist ein günstiges Verhältnis von Kraft zu Masse auf. Dementsprechend ist der für den Antrieb benötigte Strom geringer und es entsteht weniger Abwärme. Dabei ist es von Vorteil, dass die in Leiterplattentechnologie hergestellten Spulen ein als Zwischenlagen verwendetes Trägermaterial aufweisen, das eine hohe Steifigkeit besitzt. Ähnlich wie bei einer herkömmlichen Leiterplatte kann das Trägermaterial bzw. eine Zwischenlage Glasfasergewebe aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Changierantrieb wird es bevorzugt, dass die ortsfeste Komponente als U-Profil ausgebildet ist, in dem die andere Komponente bewegbar aufgenommen ist. Vorzugsweise bewegt sich das Primärteil, das die Spulen aufweist und keinen Eisenkern besitzt, in oder entlang dem U-förmigen Sekundärteil, das Magnete, insbesondere Permanentmagnete aufweist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der eisenlose Leiterplattenmotor keine Rastkräfte aufweist, so dass der Fadenführer exakt gesteuert werden kann, selbst wenn hohe Gleichlaufanforderungen gestellt werden. Die geringe Induktivität des Leiterplattenmotors bewirkt eine kurze Stromanstiegszeit, so dass die vom Motor erzeugte Antriebskraft schnell aufgebaut wird. Bei schnellen Positioniervorgängen wie sie beim Betrieb des erfindungsgemäßen Changieran-triebs auftreten, ist dies von besonderem Vorteil.
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Vorzugsweise sind die leitfähigen Schichten des erfindungsgemäßen Changierantriebs durch ein Drucklaminatverfahren hergestellt. Durch das vertikale Verbinden der mehreren Schichten werden diese verschaltet, wodurch die Spulen als Multilayerleiterplatte bzw. als Schichtverbundwerkstoff entstehen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die ortsfeste Komponente des Leiterplattenmotors des erfindungsgemäßen Changierantriebs als U-Profil ausgebildet ist, in dem die andere Komponente bewegbar aufgenommen ist. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete an der ortsfesten Komponente und die Spulen an der bewegbaren Komponente angeordnet. Allerdings ist auch eine umgekehrte Ausgestaltung möglich, bei der die Spulen ortsfest und die Permanentmagnete bewegbar angeordnet sind.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn der Fadenführer ein Ende eines zweiseitigen Hebels und die bewegbare Komponente das andere Ende bildet. Der erfindungsgemäße Changierantrieb kann bei dieser Ausgestaltung besonders platzsparend ausgebildet sein.
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Da der Hebel um einen Drehpunkt drehbar ist, ist es zweckmäßig, dass die ortsfeste Komponente und die bewegbare Komponente jeweils als Kreissegmente ausgebildet sind. Anders als bei herkömmlichen Leiterplattenmotoren, die ein gerades Linearteil und ein gerades Sekundärteil aufweisen, sind diese Komponenten bei dem erfindungsgemäßen Changierantrieb vorzugsweise gebogen oder kreissegmentförmig ausgebildet. Das Primärteil und das Sekundärteil sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass sie einander während der Bewegung teilweise überdecken.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass auf der kreissegmentförmigen Komponente in Umfangsrichtung mehrere voneinander beabstandete Spulen angeordnet sind. In ähnlicher Weise können auch die Permanentmagneten auf der jeweils anderen kreissegmentförmigen Komponente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sein.
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Im Hinblick auf die Magnete wird es bevorzugt, dass sie als Permanentmagnete ausgebildet sind, die aus wenigstens einem der folgenden Werkstoffe hergestellt sind: NdFeB, SmCo, AlNiCo, Hartferrit.
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Um einen Drehwinkel der bewegbaren Komponente des erfindungsgemäßen Changierantriebs zu erfassen, wird es bevorzugt, dass die bewegbare Komponente eine Winkelteilung oder eine Maßverkörperung aufweist, die durch einen Winkelsensor abtastbar ist. Der Winkelsensor ist vorzugsweise an der ortsfesten Komponente des Leiterplattenmotors oder alternativ an einer anderen ortsfesten Position eines Maschinengestells oder dergleichen angeordnet. Zum Erfassen der Position bzw. des Winkels der bewegbaren Komponente kommen unterschiedliche Messverfahren in Frage. Mittels eines Abtastkopfes kann eine induktive Erfassung erfolgen. Alternativ ist natürlich auch ein magnetisches oder optoelektronisches Messsystem möglich. Bei einem optoelektronischen Winkelmesssystem kann die regelmäßige Winkelteilung entweder im Reflexlichtprinzip oder im Durchlichtprinzip erfasst werden, dazu sind bei der bewegbaren Komponente entsprechende Bohrungen oder Ausnehmungen vorgesehen.
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Der Leiterplattenmotor kann als Gleichstrommotor (DC-Motor) oder als einphasiger, zweiphasiger oder dreiphasiger permanentmagnetisch erregter Wechselstrommotor (AC-Motor) ausgebildet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Changierantrieb wird nachfolgend in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Changierantriebs;
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2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Changierantriebs;
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3 eine vergrößerte Ansicht eines Spulen aufweisenden Primärteils des in den 1 und 2 gezeigten Changierantriebs;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Changierantriebs, und
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5 eine Seitenansicht des in 4 gezeigten Changierantriebs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen einen Changierantrieb 1 mit einem Fadenführer 2 zum traversierenden Zuführen eines Fadens 3 zu einer rotierend angetriebenen Spule 4. Der Fadenführer 2 ist am freien Ende eines zweiseitigen Hebels 5 angeordnet und umfasst eine Führungsbuchse 6, die aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Während des Betriebs des Changierantriebs 1 führt der Hebel 5 eine durch einen Pfeil 8 in 1 angedeutete hin- und hergehende Drehbewegung um seine Drehachse 7 durch, so dass die Führungsbuchse 6 in Längsrichtung entlang der Mantelfläche der Spule 5 geführt wird, wodurch ein gleichmäßiger Fadenbelag entsteht. Der Hebel 5 ist mittels eines spielfreien, vorgespannten Wälzlagers 9 auf einem Bolzen 10 drehbar gelagert, der wiederum fest mit einem ortsfesten Maschinengestell 11 verbunden ist. Das der Führungsbuchse 6 gegenüberliegende Ende ist als Spulenkörper 12 ausgebildet. Dieser weist eine kreissegmentförmige Grundform auf, wie in 1 erkennbar ist. In Umfangsrichtung weist der Spulenkörper 12 eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten und voneinander beabstandeten Spulen auf. Der Spulenkörper 1 bildet das Primärteil eines Leiterplattenmotors, dessen Spulen in Leiterplattentechnologie hergestellt sind und miteinander verschaltete leitfähige Schichten aufweisen.
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In der Seitenansicht von 2 erkennt man, dass der Spulenkörper 12 von einem ortsfesten U-Profil 13 umgeben ist, das ähnlich wie der Spulenkörper 12 als Kreissegment ausgebildet ist. Das U-Profil 13 weist an seinen gegenüberliegenden inneren Flächen mehrere nebeneinander angeordnete Permanentmagnete 14, 15 auf. Zwischen den beiden an gegenüberliegenden Seiten des U-Profils 13 angeordneten Permanentmagneten 14, 15 ist ein Freiraum 16 gebildet, in dem der Spulenkörper 12 bewegbar ist. In 1 erkennt man, dass der bewegbare Spulenkörper 12 und das U-Profil 13 einander während der Bewegung des Spulenkörpers 12 weitgehend überdecken. Das U-Profil 13, das im Wesentlichen als Halterung für die Permanentmagnete 14, 15 dient, besteht aus einem nicht ferromagnetischen Material, in diesem Fall aus einem Kunststoffmaterial. Alternativ könnte es z. B. auch aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Anders als bei herkömmlichen Elektromotoren handelt es sich dabei nicht um ein Joch, sondern lediglich um eine Fixierung oder Halterung, da die verwendeten nicht ferromagnetischen Werkstoffe nicht in der Lage sind, einen magnetischen Fluss zu führen. Der verwendete Leiterplattenmotor ist somit ein eisenloser Motor, der eine kürzere Reaktionszeit im Vergleich zu einem eisenbehafteten Motor aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 14, 15 aus dem Werkstoff NdFeB hergestellt, alternativ könnten auch die Werkstoffe bzw. Verbindungen SmCo, AlNiCo, Hartferrit verwendet werden.
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In das U-Profil 13 ist ein Abtastkopf 17 integriert, der in der Lage ist, eine auf dem Spulenkörper 12 angebrachte Winkelteilung zu erfassen. Dementsprechend bildet der Abtastkopf 17 einen Winkelsensor zum Erfassen des Ist-Winkels des Spulenkörpers 12 bzw. des Hebels 5 und damit auch des Fadenführers 2. Dementsprechend steht permanent ein von dem Abtastkopf 17 erfasstes Winkelsignal zur Verfügung, das in einem elektronischen Regelkreis eingesetzt werden kann, um die traversierende Bewegung des Leiterplattenmotors durch eine entsprechende Bestromung des Spulenkörpers 12 zu regeln. Die elektrischen Spulen, die sich auf dem Spulenkörper 12 befinden, benötigen elektrische Leiter zur Stromzuführung. Dazu dienen spiralförmig aufgewickelte Flachleiter 18, die als aus Federstahlblech hergestellte Spiralfeder ausgebildet sind. Alternativ können die Flachleiter auch als flexible Leiterplatten ausgebildet sein. Als weitere Alternative könnte die Stromzuführung auch über elektrische Leitungen realisiert sein, die entlang der Drehachse 7 oder parallel dazu angeordnet sind.
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Da die elektrischen Verluste des Leiterplattenmotors in erster Linie durch den ohmschen Widerstand der Spulen des Spulenkörpers 12 verursacht werden, erwärmt sich das Primärteil, d. h. der Spulenkörper 12, stärker als das Sekundärteil, d. h. das die Permanentmagnete 14, 15 aufweisende U-Profil 13. Der in den 1 und 2 gezeigte Leiterplattenmotor erfährt eine ausreichende Kühlung, da sich das wärmere Primärteil, d. h. der Spulenkörper 12, bewegt und durch die dadurch entstehende Luftbewegung gekühlt wird.
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3 zeigt ein Detail des Spulenkörpers 12 des Changierantriebs 1 von 1. An den unteren Teil des Hebels 5 schließt sich der Spulenkörper 12 an, der die darauf angebrachten Spulen 19 aufweist. In 3 erkennt man, dass die Spulen 19 eine dreieckige Grundform aufweisen, wobei eine kurze Seite 20 außen angeordnet ist und zwei gleich lange Seiten 21, 22 innen spitz zulaufen. Zusätzlich weist der Spulenkörper 12 eine Winkelteilung auf, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Ausnehmungen 23 umfasst, die sich an der Außenseite des Spulenkörpers 12 befinden. Bei sich bewegendem Hebel 5 passieren der Spulenkörper 12 und die Ausnehmungen 23 den Abtastkopf 17, so dass dieser ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt.
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Die Spulen 19 des Spulenkörpers 12 bestehen jeweils aus mehreren Kupferschichten, die durch elektrisch nicht leitfähige Zwischenlagen voneinander getrennt sind, sogenannte Multilayerleiterplatten. Die einzelnen Kupferlagen sind schichtweise durch ein Drucklaminatverfahren hergestellt, die einzelnen Schichten sind mittels Durchkontaktierungen galvanisch miteinander verbunden, wodurch die Spulen 19, die als elektrische Motorwicklungen dienen, gebildet werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Leiterplattenmotor als DC-Motor ausgebildet, alternativ kann er auch als ein-, zwei- oder dreiphasiger permanentmagnetisch erregter AC-Motor ausgebildet sein.
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Alternativ zu der Ausgestaltung der Winkelteilung in Form der Ausnehmungen 23 kann diese ebenfalls aus Kupferlagen bestehen, die mittels des gleichen Produktionsverfahrens wie die Spule 19 auf einem Trägermaterial des Spulenkörpers 12 aufgebracht sind. Die Winkelteilung bestünde dann aus regelmäßig angeordneten Kupferfeldern, die beispielsweise rund, rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein können. Eine derartige aus Kupferfeldern bestehende Winkelteilung könnte induktiv erfasst werden, daneben wäre auch eine magnetische oder optoelektronische Messung möglich. Bei einem magnetischen Messsystem könnten kleine Permanentmagnete mit einer bestimmten Oberflächeninduktion auf dem Spulenkörper 12 bzw. dessen Trägermaterial angeordnet sein.
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4 und die Seitenansicht 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Changierantriebs 24. Übereinstimmende Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 bezeichnet. In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Changierantrieb 24 einen drehbar gelagerten Hebel 5 auf, der mittels des Wälzlagers 9 an einem ortsfesten Maschinengestell 11 um eine Drehachse 7 drehbar gelagert ist.
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Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist das dem Fadenführer 2 gegenüberliegende Ende des Hebels 5 jedoch als beweglicher Magnetkörper 25 ausgebildet der kreissegmentförmig ausgebildet ist und ein bewegliches Sekundärteil des Leiterplattenmotors bildet. Der Magnetkörper 25 weist eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Permanentmagneten 26 auf und ist in einem ortsfesten Primärteil 27, das als U-Profil ausgebildet ist, aufgenommen und entlang der durch den Pfeil 28 dargestellten Richtung bewegbar. In der Ansicht von 5 erkennt man, dass das Primärteil 27 an seinen gegenüberliegenden Seiten des U-Profils gegenüberliegende Leiterplatten 29, 30 aufweist, die die durch das Drucklaminatverfahren hergestellten Spulen aufweisen. Dementsprechend ist der Changierantrieb 24 im Vergleich zu dem Changierantrieb 1 „umgekehrt“ aufgebaut und weist das ortsfeste Primärteil 27 mit den in den Leiterplatten 29, 30 integrierten Spulen und den als Magnetkörper 25 ausgebildeten Sekundärteil mit den Permanentmagneten 26 auf. Das die Permanentmagnete 26 aufweisende Sekundärteil ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Alternativ könnte es auch aus Hartgewebeplatten oder Aluminium hergestellt sein. Der Changierantrieb 24 weist den Vorteil auf, dass die in den Leiterplatten 29, 30 integrierten Motorwicklungen ortsfest ausgebildet sind, so dass kein aufwendiger Stromübertrager von einem ortsfesten Punkt zu beweglichen Elementen erforderlich ist. Das U-förmige Primärteil 27 ist als Kühlkörper ausgebildet und aus Aluminium hergestellt, so dass von den Spulen erzeugte Wärme leicht über diese Kühlkörper an die Umgebungsluft abgeführt werden kann, so dass der Leiterplattenmotor durch Konvektion gekühlt werden kann.
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In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel weist der als Rotor wirkende Magnetkörper 25 eine regelmäßige Winkelteilung auf, die magnetisch, induktiv oder optoelektronisch erfasst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Changierantrieb
- 2
- Fadenführer
- 3
- Faden
- 4
- Garnspule
- 5
- Hebel
- 6
- Führungsbuchse
- 7
- Drehachse
- 8
- Pfeil
- 9
- Wälzlager
- 10
- Bolzen
- 11
- Maschinengestell
- 12
- Spulenkörper
- 13
- U-Profil
- 14
- Permanentmagnet
- 15
- Permanentmagnet
- 16
- Freiraum
- 17
- Abtastkopf
- 18
- Flachleiter
- 19
- Spule
- 20
- Seite
- 21
- Seite
- 22
- Seite
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Changierantrieb
- 25
- Magnetkörper
- 26
- Permanentmagnet
- 27
- Primärteil
- 28
- Pfeil
- 29
- Leiterplatte
- 30
- Leiterplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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