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Die Erfindung betrifft einen Getriebeaktuator.
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Getriebe befinden sich in der Regel zwischen einer Kraftmaschine und einer getriebenen Arbeitsmaschine oder einem Maschinen- oder Fahrzeugteil, mit denen des über eine Kupplung fest oder lösbar verbunden ist. Getriebe dienen zur Anpassung einer Eingangs- an eine Ausgangsdrehzahl und übertragen dabei auch Drehmoment. Die Getriebestufen sind insbesondere im Kraftfahrzeugbereich einfache Zahnradsätze oder Planetengetriebe, die eine Motordrehzahl auf eine Antriebsdrehzahl übersetzen. Zum Wechseln der auch als Gänge bezeichneten Getriebestufen muss die Drehmomentübertragung in der Regel unterbrochen werden, damit das gewünschte Zahnradpaar des Ganges in gegenseitigen Eingriff gebracht werden kann. Hierzu dienen Kupplungssysteme unterschiedlichster Bauart, wie automatische, elektronische oder sonstige Kupplungssysteme. Für das Betätigen der Kupplung werden bei den genannten automatischen und elektronischen Kupplungssystemen Getriebeaktuatoren verwendet, die die Kupplung nach Empfangen eines entsprechenden Signals ohne ein mechanisches oder hydraulisches Einwirken eines Benutzers betätigen. Die wesentliche Funktion eines Getriebeaktuators wird durch einen Translator erfüllt, der mindestens zwei Stellungen einnehmen kann, wovon zumindest eine Stellung eine die Kupplung betätigende ist. Getriebeaktuatoren können auch für das automatische Wechseln zwischen den Gängen eingesetzt werden. Die Funktionsweise unterscheidet sich zu dem zuvor genannten Beispiel nur unwesentlich.
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Die im Stand der Technik genannten Getriebeaktuatoren verwenden bei einem elektromagnetischen Betrieb oftmals einen am Translator befestigten Permanentmagneten, der durch ein einschaltbares Magnetfeld am Stator angezogen oder abgestoßen wird und so den Translator mitbewegt. Dabei ist es üblich, je nach Anzahl der gewünschten stabilen Stellungen des Translators eine entsprechende Anzahl an Spulen einzusetzen, die unterschiedlich bestrombar sind. Für eine direktere Steuerung werden dabei in der Regel die Größe der Spulen und des Permanentmagneten entsprechend variiert, insbesondere vergrößert, was insgesamt in einer Vergrößerung des Getriebeaktuators resultiert. So müssen oft Einbußen in der Direktheit des Aktuators hingenommen werden, wenn für dessen Vergrößerung kein ausreichender Platz zur Verfügung steht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen besonders kompakten, aber dennoch effizienten Getriebeaktuator vorzuschlagen, bei dem die Probleme des Standes der Technik vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Getriebeaktuator gelöst, aufweisend einen Stator und einen axial beweglichen Translator, wobei der Stator eine magnetisch leitende Abdeckungund mindestens zwei Spulen aufweist, wobei der Translator einen axial geführten Schlitten, mindestens einen Permanentmagneten und eine magnetisch leitende und den mindestens einen Permanentmagneten einschließende Permanentmagnetabdeckung aufweist, wobei die Permanentmagnetabdeckung an der dem Stator zugewandten Seite des Permanentmagneten zwei voneinander wegweisende Stege aufweist.
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Der Stator ist als Aktuatorgehäuse ausgebildet oder an diesem angebracht. Die Anzahl der Spulen legt fest, wie viele stabile Positionen der axial beweglich gelagerte Translator entlang der Bewegungsachse einnehmen kann. Sind nur zwei Spulen vorgesehen, kann der Translator beispielsweise eine einschaltende/koppelnde und eine ausschaltende/entkoppelnde Position einnehmen. Der Spulendraht ist besonders vorteilhaft ein einfacher Lackdraht und/oder ein Backlackdraht. Dazu ist dieser vorzugsweise über einen Spulenkörper und/oder einem Isolationsmaterial, beispielsweise einem Isolationspapier oder einer Isolationsfolie, umgesetzt. Die magnetisch leitende Abdeckung ist die Spulen im Wesentlichen umschließend und insbesondere an diesen anliegend oder direkt zu diesen benachbart, sodass der Stator insgesamt kompakter ausgebildet ist und gleichzeitig das Magnetfeld der Spulen durch die Abdeckung so umleitbar ist, dass das Magnetfeld im Bereich der dem Translator zugewandten Seite besonders stark ausfällt. Alternativ können zwischen Spulen und magnetisch leitender Abdeckung noch ein Spulenkörper, eine Umspritzung oder ein Verguss angeordnet sein. Insbesondere an etwaigen Enden der Abdeckung, die insbesondere im Bereich der dem Translator zugewandten Seite befindlich sind, entstehen deutliche Magnetkraftspitzen, die ein gezieltes Anziehen des Translators an einen spezifischen Punkt ermöglichend sind. Den gleichen Effekt hat die am Translator angebrachte Permanentmagnetabdeckung in Kombination mit dem Permanentmagneten: das Magnetfeld des Permanentmagneten ist durch die Permanentmagnetabdeckung, welche vorzugsweise an dem Permanentmagneten anliegend ist, derart umgeleitet, dass an den Enden der Permanentmagnetabdeckung in Richtung des Stators Magnetkraftspitzen auftreten, sodass sich der Anziehungs- oder Abstoßungseffekt mit dem Magnetfeld der Statorspulen verstärkt und eine trotz der kompakten Ausgestaltung effiziente Ansteuerung und Übersetzung in die gewünschte Translatorstellung erreicht ist. Dazu weist die Permanentmagnetabdeckung zwei voneinander wegweisende, insbesondere in axialer Richtung voneinander wegweisende Stege auf, die die Distanz zu einem der Enden der Statorabdeckung verkürzend sind. Dadurch wird ein reaktionsschnelleres System auch dann gewährleistet, wenn der Permanentmagnet kleiner und/oder schmaler als im Stand der Technik üblich ausgestaltet ist und sein Magnetfeld entsprechend schwächer ausfällt. Dies wird insbesondere durch die verringerte Massenträgheit des Translators erreicht, die sowohl in axialer Richtung bei einer Hubbewegung, als auch in rotatorischer Richtung bei einem Beschleunigen oder Verzögern der kuppelnden Bauteile bei einem Gangwechsel auswirkend ist. Der Permanentmagnet ist dabei vorzugsweise einteilig ausgestaltet, kann aber auch durch eine Vielzahl von Permanentmagneten gebildet sein.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stege zueinander unterschiedliche Längen aufweisen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Spulen unterschiedliche Wicklungen aufweisen und so die erzeugten Magnetfelder unterschiedliche Stärken aufweisen. Ist ein Steg länger ausgebildet, ermöglicht er durch die geringere Distanz zu einem dem Translator zuweisenden Ende der Abdeckung ein dennoch optimierte Systemreaktion und ist so das schwächere Magnetfeld der Spule kompensierend. Erfindungsgemäß können die Spulen gleiche Wicklungen aufweisen und dennoch eine der Translatorstellungen schneller aktuierbar sein, wenn der dieser Stellung zuweisende Steg erfindungsgemäß länger ausgestaltet ist. Dies ist insbesondere bei begrenzten Einbauraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Vorteil, da in einem solchen Fall die Spulen nicht über einen gewissen Punkt hinaus vergrößert werden können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetisch leitende Abdeckung aus mindestens einem, insbesondere zwei magnetisch leitenden Abdeckblechen besteht oder diese aufweist. Dies erlaubt einen einfachen Zusammenbau des Stators und einer einfachen Wartung der von den Abdeckungen eingehausten Spulen. Unter der erfindungsgemäßen Ein- oder Mehrteiligkeit wird insbesondere eine solche in axialer Richtung verstanden.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetisch leitende Abdeckung die Spulen nur in den drei, nicht dem Translator zugewandten Seiten abdeckend ist. Dies resultiert in den bereits genannten, dem Translator zugewandten Enden der Abdeckung, welche Magnetkraftspitzen an der Statorseite zum Translator hin verursachend sind, da das Magnetfeld durch die Abdeckung in großen Teilen abgefangen und in Richtung der Enden der Abdeckung umgeleitet wird. Hierdurch ist mit großem Vorteil eine verbessertes Ansprechverhalten des Translators ermöglicht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetisch leitende Abdeckung zwischen den Spulen als Statorkern ausgebildet ist. Der mindestens eine Statorkern ist vorzugsweise aus dem gleichen oder einem anderen magnetisch leitenden Material wie die Abdeckung. Dieser dient einem Umleiten der Magnetfelder der Spulen in Richtung des Translators und ersetzt oder ergänzt die Abdeckung zwischen den Spulen. Die Anzahl der Statorkerne ist erfindungsgemäß von der Anzahl der Spulen abhängig und füllt den Raum jeweils zwischen zwei Spulen auf. Der Statorkern kann dabei an den Spulen und/oder der Abdeckung anliegen oder von diesen beabstandet sein. Wichtig hierbei ist, dass bei der Magnetfelderzeugung der Spulen an dem den Translator zugewandten Ende eines Statorkerns eine Magnetkraftspitze entsteht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulen, der Permanentmagnet und/oder die jeweiligen Abdeckungen derart ringförmig ausgebildet sind, dass sie den Schlitten radial umschließend sind. Sind alle genannten Teile des Aktuators derart ringförmig ausgebildet, ist eine deutlich verbessertes Ansprechverhalten des Aktuators ermöglicht, da die genannten Anziehungs- und Abstoßungskräfte über den gesamten Umfang der Bauteile wirkend sind. Dazu ist diese Ausgestaltung deutlich kompakter als andere Bauweisen, die eine ähnliche Wirkung haben sollen.
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Das geringere Gewicht des Permanentmagneten führt dazu zu einer geringeren Massenträgheit, die sowohl in axialer Richtung bei einer Hubbewegung, als auch in rotatorischer Richtung bei einem Beschleunigen oder Verzögern der kuppelnden Bauteile bei einem Gangwechsel auswirkend ist. Zuletzt wirkt diese den Translator radial umschließende Ausgestaltung als eine besonders stabile Hülle, welche die Stabilität des Getriebeaktuators als gesamte Einheit deutlich erhöht.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulen gegenläufig gewickelt sind. Die Spulen können dabei entweder separat, oder aber als eine gemeinsame Doppelspule gewickelt und ausgebildet sein, bei der die Wickelrichtung von der ersten Doppelspulenhälfte zur zweiten Doppelspulenhälfte gewechselt ist. Werden die Spulen so in einem gemeinsamen Stromkreis, insbesondere als Reihenschaltung, gleich bestromt, ergeben sich gegenläufige Magnetfelder, die in einem gleichzeitigen Anziehen durch eine und Abstoßen durch die zweite Spule resultieren. So ist eine Bedienung und Ansteuerung der Spulen vereinfacht und ein optimiertes Ansprechverhalten des Systems ermöglicht, da beide Spulen den Translator in die gewünschte Position befördernd sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulen gleichzeitig und/oder gemeinsam bestrombar sind. Insbesondere bei in Reihe geschalteten Spulen ist diese Ausführungsform mit der oben genannten gegenläufigen Wicklung der Spulen von Vorteil.
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Weist der Getriebeaktuator genau zwei Spulen und/oder genau zwei Stege auf, sind dadurch zwei Endpositionen des Translators abgedeckt. Die zwei Stege dienen einer Verringerung der Distanz zwischen dem Permanentmagnetfeld und den Enden der Abdeckung oder der Statorkerne, sodass eine direktere Übersetzung des Translators in die gewünschte Position ermöglicht ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem asymmetrischen Größenverhältnis der Spulen ein asymmetrisches, insbesondere gegenläufig asymmetrisches Größenverhältnis der Stege gewählt ist. Durch die Verlängerung eines Steges ist ein Abstand zwischen Ende des Statorkerns oder der Abdeckung zum Ende des Stegs reduziert, sodass der Steg der hohen Intensität des Magnetfeldes im besagten Ende näher kommt und eine Anziehungs- oder Abstoßkraft stärker auf den Steg wirkend ist als an einem weiter entfernten Punkt. Entsprechend weniger Windungen muss die Spule aufweisen, da etwaige Defizite im Magnetfeld durch den verlängerten Steg kompensiert sind. Der gegenteilige Effekt gilt für eine Seite mit einer Spule mit mehr Windungen und einem kürzeren Steg. Ist der Abstand zwischen Steg und Ende des Statorkerns oder der Abdeckung größer, bedarf es einer stärkeren Magnetkraft, um eine entsprechend hohe Anziehungs- oder Abstoßkraft zu erreichen, als in dem zuvor genannten Beispiel. Alternativ zu dieser Ausführungsform sind auch solche erfindungsgemäß, die andere Größenverhältnisse aufweisen. So ist je nach Bedarf ein bestimmter Kraftverlauf gewünscht, welcher durch bestimmte Ausführungsformen, beispielsweise der oben genannten, verwirklicht ist. Dazu ist auch eine Ausführungsform erfindungsgemäß, bei der das Größenverhältnis der Spulen symmetrisch und das der Stege asymmetrisch ist. Auch ist eine Ausführungsform erfindungsgemäß, bei der das Größenverhältnis der Spulen asymmetrisch und das der Stege symmetrisch ist. Zuletzt ist eine Ausführungsform erfindungsgemäß, bei der beide genannten Größenverhältnisse symmetrisch sind, sodass die Herstellungskosten aufgrund der gleichen Bauteile reduziert sind.
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In Weiterbildung des Getriebeaktuators ist vorgesehen, dass er je einen Übergang zwischen der Permanentmagnetabdeckung und einem Steg aufweist, wobei der Übergang einen Radius aufweist. Dieser Übergang ist beispielsweise durch ein Umbiegen oder Bördeln der Permanentmagnetabdeckung erzielbar. So ist an dem Übergang der Permanentmagnetabdeckung in die Stege, eine Rundung mit dem besagten Radius vorhanden, durch den das Magnetfeld des Permanentmagneten derart umleitbar ist, dass es an der dem Stator zugewandten Seite des Permanentmagneten auseinander verlaufend ist. Die Rundung des Übergangs verringert dabei etwaige magnetische Kurzschlüsse, da durch diese erfindungsgemäße Rundung ein ausreichender Abstand am einen Ende des Permanentmagneten gewahrt ist. Ebenfalls ist eine andere Ausgestaltung der Übergänge erfindungsgemäß, die in einem in Richtung des Stators größer werdenden Abstand zwischen den Permanentmagnetabdeckblechen resultiert, beispielsweise gefaste, gerundete oder (fein) gestufte Übergänge.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetabdeckung mittels eines Niets und/oder eines Splints und/oder eines Stifts und/oder eines Verklebens am Schlitten befestigt ist. Dies stellt eine besonders einfache Variante einer Befestigung der Permanentmagnetabdeckung dar, die bei Bedarf einen schnellen und unkomplizierten Austausch ermöglicht und dennoch eine stabile Befestigung darstellt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Permanentmagnet an nicht durch die Permanentmagnetabdeckung oder den Schlitten bedeckte Stellen mit einem Band, insbesondere einem nicht-magnetisch leitenden Band, vorzugsweise einem Fiberglasband überzogen ist. Das Fiberglasband beeinflusst das Magnetfeld nicht, schützt jedoch den Permanentmagneten vor Staub oder sonstigen Umwelteinflüssen, die ihren Weg in den Getriebeaktuator finden. Alternativ ist auch ein Überziehen durch einen Verguss, eine Umspritzung oder ähnlichem erfindungsgemäß.
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Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf folgende Figuren beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1: Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators,
- 2: schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators,
- 3: Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators 1. Der Getriebeaktuator 1 besteht im Wesentlichen aus einem feststehenden Stator 2 und einem axial beweglichen Translator 3. Die Bewegungsachse ist in der Figur als Achse A dargestellt und verläuft in der gezeigten Ansicht vertikal im Bild. Im Stator 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Spulen 5, die durch eine hier zweiteilige Abdeckung 4 umschlossen sind. Die Spulen 5 weisen unterschiedliche Größen auf, was auf unterschiedlichen Wicklungen, insbesondere Windungen und Drahtdurchmesser basiert. Dazu sind die Spulen 5 gegenläufig gewickelt, sodass eine Reihenschaltung und gleichzeitige Bestromung der Spulen 5 in gegenläufige Magnetfelder resultiert. Die Abdeckung 4 besteht aus einem magnetisch leitenden Material, sodass das durch die Spulen 5 erzeugte Magnetfeld durch die Abdeckung 4 umgeleitet wird. Dadurch, dass die Abdeckung 4 an drei Seiten der Spulen 5 geschlossen ist und lediglich in Richtung des Translators 3 offene Enden 12 aufweist, wird das Magnetfeld derart umgeleitet, dass das Magnetfeld in den besagten Enden 12 besonders konzentriert ist. Zwischen den Spulen 5 ist ein Statorkern 6 angeordnet, der ebenfalls wie die Abdeckung 4 aus einem magnetisch leitenden Material entsteht und eine entsprechende umleitende Wirkung auf das durch die Spulen 5 erzeugte Magnetfeld hat. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform können auch mehr als zwei Spulen 5 vorgesehen sein. Dabei ist erfindungsgemäß stets ein Statorkern 6 zwischen jeweils zwei Spulen 5 vorgesehen. Der Translator 3 weist einen Schlitten 7 auf, der durch eine axiale Bewegung Teile des Getriebes (ent)koppeln oder zwischen Gängen umschalten kann. An dem Schlitten 7 ist ein Permanentmagnet 8 mit Permanentmagnetabdeckung 9 angeordnet, der mit dem Magnetfeld der Spulen 5 zusammenwirkend ist. Werden so die Spulen 5 entsprechend bestromt, wird der Permanentmagnet 8 in eine gewünschte Position angezogen und/oder von einer bestimmten Position abgestoßen. Die magnetisch leitende Permanentmagnetabdeckung 9 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als zwei Bleche ausgebildet, die den Permanentmagneten 8 zwischen sich einschließend sind. An den vom Translator 3 abgewandten Enden der Permanentmagnetabdeckung 9 weist diese zwei gegenüberliegende, in gegenläufige, axiale Richtungen weisende Stege 10 auf, welche über einen Übergang 11 mit dem Teil der Permanentmagnetabdeckung 9 verbunden sind, der an dem Permanentmagneten 8 anliegt. Die Stege 10 sind dabei gegenläufig asymmetrisch zu den Spulen 5 angeordnet, sodass ein längerer Steg 10, welcher durch seine längere Ausgestaltung den Abstand zu einem Ende 12 verkürzend ist, ein schwächeres Magnetfeld der kleineren Spule 5 kompensierend ist. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 wird durch die Permanentmagnetabdeckung 9 derart umgeleitet, dass das Magnetfeld an den Stegenden besonders konzentriert ist und entsprechend gezielt mit den Enden 12 und den an diesen angeordneten, konzentrierten Magnetfeldern zusammenwirken kann. Diese Konzentrierungen der Magnetfelder und dem entsprechenden Umleiten in Richtung des jeweils anderen Magnetfeldes führt zu einem optimierten Ansprechverhalten des Translators 3. Der Übergang 11 ist dabei abgerundet ausgebildet, sodass der Abstand zwischen den Stegen 10 im Bereich des freien Endes des Permanentmagnetes 8 ausreichend groß ist, um einen magnetischen Kurzschluss in diesem Bereich zu vermeiden.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators 1. Diese gezeigte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in 1 erläuterten mit der Ausnahme, dass die Spulen 5 und die Stege 10 dementsprechend gleich groß ausgestaltet sind und die Abdeckung 4 einteilig ausgebildet ist. Allerdings ist hier ersichtlich, dass die Spulen 5, der Statorkern 6, der Permanentmagnet 8 und die Abdeckungen 4 und 9 derart kreisförmig ausgebildet sind, dass diese den Translator 3 und insbesondere den Schlitten 7 radial umschließend sind. Etwaige besondere Ausbildungen der Abdeckungen 4 und 9 wie beispielsweise die Stege 10 sind dabei auf den gesamten Umfang angewandt. Dadurch ist eine nochmals direktere Ansteuerung des Getriebeaktuators 1 und eine direktere Übersetzung des Schlittens 7 in die gewünschte Position ermöglicht, da die zuvor diskutierten Magnetkräfte über den gesamten Umfang gleichermaßen wirkend sind. Dazu ist ersichtlich, dass der Schlitten 7 nicht im Kreismittelpunkt liegt, sondern der Statorkreis einen größeren Radius aufweist als der Abstand zwischen Schlitten 7 und Stator 2. So ist bei dieser Ausführungsform denkbar, dass mehrere Schlitten 7 mit dem gleichen Permanentmagneten 8 und dem gleichen Stator 2 gesteuert werden.
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3 zeigt eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Getriebeaktuators 1. In dieser Ausführungsform sind die Spulen 5 wie in der zweiten, in 2 gezeigten Ausführungsform gleich groß ausgebildet. Dazu weist der Stator 2 hier eine dritte Spule 5 auf, welche durch einen weiteren Statorkern 6 von der benachbarten Spule 5 getrennt ist. Die Abdeckung 4 umschließt dabei nach wie vor alle Spulen 5 an den nicht dem Translator 3 zugewandten Seiten, während die dem Translator 3 zugewandte Seite offen ist. Durch das Aufweisen der dritten Spule 5 ist eine dritte stabile Position des Translators 3 ermöglicht, welche in etwa bei den beiden mittleren Enden 12 liegend ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeaktuator
- 2
- Stator
- 3
- Translator
- 4
- Abdeckung
- 5
- Spule
- 6
- Statorkern
- 7
- Schlitten
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Permanentmagnetabdeckung
- 10
- Steg
- 11
- Übergang
- 12
- Ende
