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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator, mit einem eine sich in einer Hauptachsrichtung erstreckende imaginäre Hauptachse aufweisenden Grundkörper, mit einem unter Ausführung einer Abtriebs-Hubbewegung relativ zu dem Grundkörper in der Hauptachsrichtung linear hin und her beweglichen und bezüglich des Grundkörpers verdrehgesicherten Abtriebsglied, und mit einem durch einen Drehantrieb zu einer Antriebs-Drehbewegung um die Hauptachse als Drehachse antreibbaren Antriebsglied, wobei die Abtriebs-Hubbewegung des Abtriebsgliedes aus einer kräftemäßigen Interaktion des Abtriebsgliedes mit dem die Antriebs-Drehbewegung ausführenden Antriebsglied resultiert.
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Ein aus der
EP 0 936 026 A2 bekannter Linearaktuator dieser Art ist als ein Spindelantrieb konzipiert, der als Antriebsglied eine durch einen Drehantrieb rotativ antreibbare Spindel aufweist, die mit einem schlittenartigen Abtriebsglied in einem Gewindeeingriff steht, wobei eine durch den Drehantrieb hervorgerufene Rotation der Spindel eine lineare Abtriebs-Hubbewegung des Abtriebsgliedes zur Folge hat. Die Abtriebs-Hubbewegung ist beispielsweise zur Betätigung eines Maschinenteils abgreifbar. Der bekannte Linearaktuator arbeitet zwar mit hoher Präzision, ist allerdings relativ teuer in der Herstellung.
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Aus der
DE 10 2014 010 001 A1 ist eine insbesondere bei einem Magnetventil zur Betätigung eines Ventilgliedes zum Einsatz kommende Linearantriebseinrichtung bekannt, die über eine Spuleneinheit verfügt, die bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, durch das ein mit einer Permanentmagneteinrichtung ausgestattetes Abtriebsglied linear verschiebbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearaktuator zu schaffen, der bei kostengünstigem und kompaktem Aufbau hohe Abtriebskräfte eines Abtriebsgliedes erzeugen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass das Antriebsglied eine Antriebs-Permanentmagneteinheit aufweist und das Abtriebsglied über eine der Antriebs-Permanentmagneteinheit in der Hauptachsrichtung gegenüberliegende Abtriebs-Permanentmagneteinheit verfügt, wobei die beiden Permanentmagneteinheiten derart magnetisch polarisiert sind, dass sich bei der Antriebs-Drehbewegung des Antriebsgliedes aufgrund einer sich dabei verändernden relativen Drehwinkellage der beiden Permanentmagneteinheiten eine die Abtriebs-Hubbewegung des Abtriebsgliedes hervorrufende Veränderung der zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten in der Hauptachsrichtung wirkenden axialen Magnetkräfte einstellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Linearaktuator werden permanentmagnetische Felder genutzt, um das linear bewegliche Abtriebsglied zu einer Abtriebs-Hubbewegung relativ zu einem Grundkörper des Linearaktuators anzutreiben. Aufgrund der berührungslosen Kraftübertragung zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten ist ein verschleißarmer Betrieb mit hoher Lebensdauer gewährleistet. Verglichen mit elektromagnetischen Feldern sind die permanentmagnetischen Felder erheblich stärker und energieeffizienter, sodass sich am Abtriebsteil des Linearaktuators selbst bei sehr kompakten Abmessungen des Linearaktuators hohe Abtriebskräfte abgreifen lassen. Das vom Drehantrieb in das Antriebsglied eingeleitete Drehmoment wird direkt und äußerst verlustarm in die Abtriebs-Hubbewegung des Abtriebsgliedes umgesetzt. Die Antriebs-Permanentmagneteinheit und die diesbezüglich in der Hauptachsrichtung gegenüberliegende Abtriebs-Permanentmagneteinheit haben eine derart aufeinander abgestimmte magnetische Polarisierung, dass sich die zwischen diesen beiden Permanentmagneteinheiten wirksamen axialen Magnetkräfte verändern, wenn durch die Antriebs-Drehbewegung des Antriebsgliedes die relative Drehwinkellage zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten variiert wird. Je nach Auslegung und Anordnung der Permanentmagneteinheiten lässt sich beispielsweise bewirken, dass das Abtriebsglied von dem Antriebsglied abgestoßen oder angezogen wird oder dass momentan zumindest im Wesentlichen keine und dabei insbesondere keinerlei axialen Magnetkräfte zwischen dem Abtriebsglied und dem Antriebsglied wirken. Besonders vorteilhaft ist die Ausstattung des Linearaktuators mit einem elektrischen Drehantrieb, um die Antriebs-Drehbewegung des Antriebsgliedes zu erzeugen.
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Bevorzugt ist der Linearaktuator für eine digitale Betriebsweise ausgelegt, bei der sich das Abtriebsglied durch entsprechende Drehpositionierung des Antriebsgliedes nur zwischen zwei Hubendlagen verfahren lässt. Prinzipiell kann allerdings mit einem entsprechenden regelungstechnischen Aufwand auch eine stufenlose Positionierung des Antriebsgliedes zwischen zwei einander entgegengesetzten Hubendlagen verwirklicht werden. Einsetzbar ist der Linearaktuator beispielsweise als Antrieb eines Prozessventils in der Prozessindustrie oder zur Verlagerung eines Maschinenelements innerhalb einer beliebigen Maschine oder als Werkstückspanner mit insbesondere anziehenden Magnetkräften oder als zum Stoppen der Bewegung von Gegenständen dienender Stopper mit insbesondere abstoßenden Magnetkräften, wobei diese Angaben rein beispielhaft und nicht abschließend zu verstehen sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bevorzugt sind die Permanentmagneteinheiten so ausgebildet, dass durch die Antriebs-Drehbewegung des Antriebsgliedes eine Beeinflussung von zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten abstoßend wirkenden Magnetkräften hervorrufbar ist. Abhängig von der momentanen Drehwinkellage des mit der Antriebs-Permanentmagneteinheit ausgestatteten Antriebsgliedes können unterschiedlich starke magnetische Abstoßkräfte zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten bereitstellbar sein.
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Bevorzugt haben die beiden Permanentmagneteinheiten einen dahingehenden Aufbau, dass in einer rotativen Neutralstellung des Antriebsgliedes zumindest im Wesentlichen keine und dabei insbesondere keinerlei axialen Magnetkräfte zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten wirken, während in einer rotativen Haupt-Abstoßstellung eine maximal abstoßende Magnetkraft zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten wirksam ist. Ein solcher Linearaktuator kann besonders vorteilhaft mit vertikal ausgerichteter Hauptachse betrieben werden, wobei das Abtriebsglied in der rotativen Haupt-Abstoßstellung des Antriebsgliedes in eine ausgefahrene Hubendlage nach oben verschoben ist, aus der es schwerkraftbedingt wieder in eine Ausgangsstellung zurückkehrt, wenn das Antriebsglied in die rotative Neutralstellung zurückgedreht wird oder ist.
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Bevorzugt liegt zwischen der rotativen Neutralstellung und der rotativen Haupt-Abstoßstellung des Antriebsgliedes ein Drehwinkel von 90°. Dies insbesondere dann, wenn die Permanentmagneteinheiten jeweils zweipolig mit sich bezüglich der als Drehachse fungierenden Hauptachse diametral gegenüberliegenden Magnetpolen ausgeführt sind. Andere Drehwinkel zwischen der rotativen Neutralstellung und einer rotativen Haupt-Abstoßstellung sind mittels abweichend ausgebildeten Permanentmagneteinheiten realisierbar, beispielsweise mittels scheibenförmigen Permanentmagneteinheiten, die in ihrer Umfangsrichtung mehr als zweifach mit unterschiedlicher Polarisation segmentiert sind.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Linearaktuators ist durch die Antriebs-Drehbewegung des Antriebsgliedes eine Beeinflussung von zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten anziehend wirkenden Magnetkräften hervorrufbar. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die beiden Permanentmagneteinheiten einen dahingehenden Aufbau haben, dass in einer rotativen Neutralstellung des Antriebsgliedes zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten zumindest im Wesentlichen keine und dabei insbesondere keinerlei axialen Magnetkräfte wirken, während in einer rotativen Haupt-Anziehungsstellung eine maximal anziehende Magnetkraft zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten wirksam ist. Bevorzugt liegt zwischen der rotativen Neutralstellung und der rotativen Haupt-Anziehungsstellung ein Drehwinkel von 90° des Antriebsgliedes, wobei allerdings auch hier analog zu den obigen Ausführungen andere Drehwinkel realisierbar sind.
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Der Linearaktuator kann so ausgebildet sein, dass mittels der Permanentmagneteinheiten auf das Abtriebsglied entweder nur abstoßende oder nur anziehende Permanentmagnetkräfte ausübbar sind. Besonders vorteilhaft ist allerdings eine Ausgestaltung, mit der sich auf das Abtriebsglied - abhängig von der zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten vorhandenen relativen Drehwinkellage - wahlweise sowohl abstoßende als auch anziehende Magnetkräfte ausüben lassen und bevorzugt auch ein zumindest im Wesentlichen magnetkraftloser Zustand einstellbar ist. Die Möglichkeit zur alternativen Realisierung sowohl abstoßender als auch anziehender Permanentmagnetkräfte erlaubt eine aktive Abtriebs-Hubbewegung in beiden axialen Richtungen, insbesondere vergleichbar einem doppeltwirkenden fluidbetätigten Arbeitszylinder.
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Die rotative Neutralstellung des Antriebsgliedes liegt bei einem Linearaktuator, mit dem sich sowohl abstoßende als auch anziehende Magnetkräfte auf das Abtriebsglied ausüben lassen, bevorzugt drehwinkelmittig zwischen der rotativen Haupt-Abstoßstellung und der rotativen Haupt-Anziehungsstellung.
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Bei einer besonders kostengünstigen und dennoch hohe Abtriebskräfte erzeugenden Bauform des Linearaktuators sind die beiden Permanentmagneteinheiten jeweils zweipolig mit quer zu der Hauptachse diametral zueinander beabstandeten ungleichnamigen Magnetpolen ausgebildet. Derartige Permanentmagneteinheiten können beispielsweise die Funktionalität vergleichbar einem Stabmagneten haben.
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Besonders vorteilhaft sind Permanentmagneteinheiten, die als Halbach-Arrays ausgebildet sind. Ein Halbach-Array zeichnet sich dadurch aus, dass der magnetische Fluss auf der einen Seite wesentlich größer ist als auf der entgegengesetzten Seite. Entsprechend ausgebildete Permanentmagneteinheiten sind bevorzugt so in das Antriebsglied und in das Abtriebsglied integriert, dass ihre den verstärkten magnetischen Fluss aufweisenden Seiten in der Hauptachsrichtung einander zugewandt sind.
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Bevorzugt sind die Permanentmagneteinheiten axial polarisiert, wobei sich „axial“ auf die Hauptachsrichtung bezieht. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung allerdings auch mit bezüglich der Hauptachse radial polarisierten Permanentmagneteinheiten verwirklichen.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Linearaktuators weist der Grundkörper Anschlagmittel auf, durch die zum einen eine weitestmöglich an das Antriebsglied angenäherte, als eingefahrene Hubendlage bezeichnete Hubendlage des Abtriebsgliedes und zum anderen eine weitestmöglich von dem Antriebsglied entfernte, als ausgefahrene Hubendlage bezeichnete Hubendlage des Abtriebsgliedes vorgebbar sind. In diesem Fall besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die miteinander kooperierenden Permanentmagneteinheiten nur zum Hervorrufen der Abtriebs-Hubbewegung zu nutzen, während die axiale Positionierung des Abtriebsgliedes unabhängig von den Permanentmagneteinheiten rein mechanisch durch die Anschlagmittel vorgenommen wird. Die Anschlagmittel enthalten insbesondere Einfahr-Anschlagmittel, die einen minimalen axialen Abstand zwischen dem Abtriebsglied und dem Antriebsglied vorgeben und/oder Ausfahr-Anschlagmittel, die einen maximalen Abstand zwischen dem Abtriebsglied und dem Antriebsglied 26 vorgeben.
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Insbesondere bei einer Ausgestaltung des Linearaktuators, bei der durch die interagierenden Permanentmagneteinheiten - abgesehen von einer Aufhebung der Magnetkräfte - entweder nur abstoßende oder nur anziehende Permanentmagnetkräfte auf das Abtriebsglied ausübbar sind, ist es vorteilhaft, wenn eine Federeinrichtung vorhanden ist, die das Abtriebsglied axial in einer seiner beiden möglichen Bewegungsrichtungen beaufschlagt. Eine solche Federeinrichtung ist insbesondere so ausgeführt, dass sie das Abtriebsglied in Richtung einer von zwei möglichen Hubendlagen federnd beaufschlagt. Bevorzugt ist das Abtriebsglied durch die Federeinrichtung in die Richtung zum Antriebsglied vorgespannt. Die Federeinrichtung kann wahlweise so ausgeführt sein, dass sie das Abtriebsglied ständig beaufschlagt oder nur während eines begrenzten Hubabschnittes des gesamten Hubes, an den sich eine der beiden Hubendlagen anschließt.
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Durch die Federeinrichtung ist das Abtriebsglied bevorzugt in eine Grundstellung vorgespannt, bei der es weitestmöglich an das Antriebsglied angenähert ist. Die Grundstellung ist hier bevorzugt eine eingefahrene Hubendlage. Die vorgespannte Grundstellung kann allerdings alternativ auch eine ausgefahrene Hubendlage sein.
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Zu dem Grundkörper gehört zweckmäßigerweise ein Aktuatorgehäuse des Linearaktuators, in dem ein Arbeitsraum ausgebildet ist, in dem ein die Antriebs-Permanentmagneteinheit aufweisender Antriebskopf des drehbaren Antriebsgliedes und ein die Abtriebs-Permanentmagneteinheit aufweisender Abtriebskopf des linear verschiebbaren Abtriebsgliedes aufgenommen sind. Der Arbeitsraum ist insbesondere ringsum verschlossen, sodass die darin befindlichen Komponenten zur näheren Umgebung abgeschirmt sind. Eine optional vorhandene Federeinrichtung ist zweckmäßigerweise auch in dem Arbeitsraum aufgenommen.
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Das Abtriebsglied beinhaltet vorzugsweise eine an dem Abtriebskopf angeordnete Abtriebsstange, die vergleichbar einer Kolbenstange aus dem Aktuatorgehäuse herausragt und dem Kraftabgriff dient.
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An dem Abtriebsglied ist zweckmäßigerweise eine Kopplungs-Schnittstelle ausgebildet, die zur Kopplung einer zu bewegenden externen Komponente nutzbar ist. Beispielsweise handelt es sich um eine mit einer Gewindebohrung versehene Befestigungsschnittstelle. Wenn das Abtriebsglied über eine Abtriebsstange verfügt, befindet sich die Kopplungs-Schnittstelle zweckmäßigerweise an dem außerhalb des Aktuatorgehäuses liegenden Endabschnitt der Abtriebsstange.
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Der Drehantrieb ist bevorzugt ein integraler Bestandteil des Linearaktuators, sodass der Linearaktuator einschließlich des Drehantriebes eine einheitlich handhabbare Baueinheit darstellt. Der Drehantrieb ist insbesondere an dem diesbezüglich gesonderten Grundkörper angeordnet.
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Prinzipiell kann der Drehantrieb ein fluidbetätigter Drehantrieb sein, jedoch wird ein elektrischer Drehantrieb, insbesondere wegen seiner präzisen Ansteuerungsmöglichkeit, bevorzugt. Der elektrische Drehantrieb hat als Antriebsquelle zweckmäßigerweise einen Elektromotor. Bei dem Elektromotor handelt es sich insbesondere um einen Schrittmotor oder um einen Servomotor, wodurch eine variable drehwinkelmäßige Positionierung des Antriebsgliedes möglich ist, sodass bei Bedarf auch Hubzwischenstellungen des Abtriebsgliedes zwischen einer eingefahrenen Hubendlage und einer ausgefahrenen Hubendlage genau eingestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Linearaktuators in einer isometrischen Darstellung und mit aufgebrochen illustriertem Aktuatorgehäuse und
- 2-4 schematische Längsschnittdarstellungen des Linearaktuators in unterschiedlichen Betriebszuständen, wobei das Antriebsglied in der 2 eine rotative Haupt-Anziehungsstellung, in der 3 eine rotative Neutralstellung und in der 4 eine rotative Haupt-Abstoßstellung einnimmt und wobei jeweils in einer mit einem gestrichelten Pfeil kenntlich gemachten und gestrichelt umrahmten gesonderten Abbildung eine axiale Ansicht des Antriebsgliedes mit Blick in der Hauptachsrichtung dargestellt ist.
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Der in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Linearaktuator erstreckt sich entlang einer imaginären Hauptachse 2, deren Achsrichtung als Hauptachsrichtung 2a bezeichnet wird. Bevorzugt und entsprechend des Ausführungsbeispiels handelt es sich bei der Hauptachse 2 um die Längsachse des Linearaktuators 1.
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Der Linearaktuator 1 hat einen Grundkörper 3 mit der gleichen Hauptachse 2 und Hauptachsrichtung 2a wie der Linearaktuator 1 insgesamt.
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Der Linearaktuator 1 enthält zweckmäßigerweise ferner einen Drehantrieb 4, bei dem es sich exemplarisch um einen elektrischen Drehantrieb 4 handelt. Der Drehantrieb 4 ist bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel ein integraler Bestandteil des Linearaktuators 1 und mittels geeigneter Befestigungsmittel 5 an dem Grundkörper 3 angebracht. Bevorzugt sind der Grundkörper 3 und der Drehantrieb 4 in der Hauptachsrichtung 2a hintereinander angeordnet. Der Grundkörper 3 hat eine in der Hauptachsrichtung 2a orientierte Vorderseite 6 und eine diesbezüglich axial entgegengesetzte Rückseite 7, wobei der Drehantrieb 4 beispielhaft an der Rückseite 7 an dem Grundkörper 3 angebracht ist.
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Bevorzugt definiert der Grundkörper 3 ein Aktuatorgehäuse 8, das einen Arbeitsraum 12 umschließt, der weiter unten erläuterte Komponenten des Linearaktuators 1 bevorzugt in einer zur Umgebung hin abgeschirmten Weise aufnimmt.
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Der Linearaktuator 1 hat ein Abtriebsglied 13, das relativ zu dem Grundkörper 3 in der Hauptachsrichtung 2a linear hin und her verschiebbar ist. Die dabei von dem Abtriebsglied 13 ausführbare Linearbewegung sei als Abtriebs-Hubbewegung 14 bezeichnet und ist durch einen Doppelpfeil illustriert. Sie ist bidirektional und somit als eine hin- und hergehende Linearbewegung ausführbar.
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Die Abtriebs-Hubbewegung 14 ist an einer von außerhalb des Linearaktuators 1 zugänglichen Kopplungs-Schnittstelle 15 des Abtriebsgliedes 13 abgreifbar, um ein nicht weiter illustriertes beliebiges Objekt, beispielsweise ein Maschinenelement oder ein Ventilglied, zu betätigen.
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Bevorzugt hat das Abtriebsglied 13 einen im Innern des Arbeitsraumes 12 angeordneten Abtriebskopf 16 und eine insbesondere mittig an dem Abtriebskopf 16 angebrachte, sich in der Hauptachsrichtung 2a erstreckende Abtriebsstange 17, die eine vordere Abschlusswand 18 des Aktuatorgehäuses 8 gleitverschieblich durchsetzt. Die Kopplungs-Schnittstelle 15 ist zweckmäßigerweise an dem außerhalb des Aktuatorgehäuses 8 befindlichen Längenabschnitt der Abtriebsstange 17 ausgebildet und besteht exemplarisch aus einer stirnseitig eingebrachten Gewindebohrung.
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Die Hauptachse 2 fällt mit der Längsachse des Abtriebsgliedes 13 zusammen. Das Abtriebsglied 13 ist bezüglich des Grundkörpers 3 verdrehgesichert und somit mit anderen Worten an einer Drehbewegung bezüglich des Grundkörpers 3 um die Hauptachse 2 gehindert. Das Abtriebsglied 13 hat als einzigen Bewegungsfreiheitsgrad die Möglichkeit zur Ausführung der Arbeits-Hubbewegung 14.
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Die Verdrehsicherung ist durch eine Verdrehsicherungseinrichtung 22 bewirkt. Diese enthält exemplarisch eine oder mehrere bezüglich der Hauptachse 2 radial abstehend am Abtriebsglied 13 angeordnete Verdrehsicherungsrippen 23, die jeweils in eine am Grundkörper 3 ausgebildete und sich in der Hauptachsrichtung 2a erstreckende Verdrehsicherungsnut 24 linear verschieblich eingreifen.
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Beispielhaft befinden sich die Verdrehsicherungsrippen 23 am radialen Außenumfang des Abtriebskopfes 16, während die Verdrehsicherungsnuten 24 an der Innenumfangsfläche einer den Arbeitsraum 12 peripher umschließenden Gehäuseseitenwand 25 des Aktuatorgehäuses 8 ausgebildet sind. Bei der Arbeits-Hubbewegung 14 gleiten die Verdrehsicherungsrippen 23 in den Verdrehsicherungsnuten 24 entlang, wobei sie durch Zusammenwirken mit den Nutflanken für eine unveränderliche Drehwinkelposition des Abtriebsgliedes 13 bezüglich des Grundkörpers 3 sorgen.
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Der Linearaktuator 1 verfügt über ein bezüglich des Abtriebsgliedes 13 gesondertes Antriebsglied 26, das dem Abtriebsglied 13 in der Hauptachsrichtung 2a gegenüberliegt. Exemplarisch ist das Antriebsglied 26 der Rückseite 7 und das Abtriebsglied 13 der Vorderseite 6 des Grundkörpers 3 zugeordnet.
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Das Antriebsglied 26 ist relativ zu dem Grundkörper 3 und somit auch relativ zu dem bezüglich des Grundkörpers 3 unverdrehbar fixierten Abtriebsglied 13 um die als Drehachse 27 fungierende Hauptachse 2 verdrehbar. Die dabei stattfindende Drehbewegung sei als Antriebs-Drehbewegung 28 bezeichnet und ist durch einen Doppelpfeil kenntlich gemacht. Es kann sich um eine unidirektionale oder um eine bidirektionale Antriebs-Drehbewegung 28 handeln.
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Die Antriebs-Drehbewegung 28 ist durch den Drehantrieb 4 hervorrufbar. Das Antriebsglied 26 ist beispielhaft im Arbeitsraum 12 angeordnet und an einer koaxial von der Rückseite 7 her in den Arbeitsraum 12 hineinragenden Antriebswelle 32 des Drehantriebes 4 befestigt. Bevorzugt hat das Aktuatorgehäuse 8 eine der Rückseite 7 zugeordnete hintere Abschlusswand 19, an der axial außen der Drehantrieb 4 mit seinem Aktuatorgehäuse 8 montiert ist und die von der Antriebswelle 32 drehbeweglich durchsetzt ist.
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Exemplarisch hat das Antriebsglied 26 einen im Arbeitsraum 12 angeordneten, dem Abtriebskopf 16 in der Hauptachsrichtung 2a gegenüberliegenden Antriebskopf 34.
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Der Drehantrieb 4 enthält beispielhaft einen Elektromotor 35 zur Erzeugung der Antriebs-Drehbewegung 28. Über elektromechanische Schnittstellenmittel 36 ist der Drehantrieb 4 im Betrieb des Linearaktuators 1 zweckmäßigerweise an eine elektronische Steuereinrichtung 37 angeschlossen, die bevorzugt auch zu dem Linearaktuator 1 gehört und durch die der Elektromotor 35 zur Erzeugung der Antriebs-Drehbewegung 28 und bevorzugt auch zur drehwinkelmäßigen Positionierung des Antriebsgliedes 26 elektrisch ansteuerbar ist.
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Beispielhaft handelt es sich bei dem Elektromotor 35 um einen Servomotor, der nicht nur eine Rotation des Antriebsgliedes 26 hervorrufen kann, sondern auch eine sehr exakte drehwinkelmäßige Positionierung des Antriebsgliedes 26 bezüglich der Drehachse 32 relativ zu dem Grundkörper 3. Der Drehantrieb 4 kann einen nicht weiter illustrierten Encoder enthalten, um eine exakte Drehwinkelpositionierung zu begünstigen.
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Eine Besonderheit des Linearaktuators 1 besteht darin, dass die Abtriebs-Hubbewegung 14 des Abtriebsgliedes 13 aus einer auf Permanentmagnetkräften basierenden berührungslosen Interaktion des Abtriebsgliedes 13 mit dem die Antriebs-Drehbewegung 28 ausführenden Antriebsglied 26 resultiert.
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Zur Erzeugung der Abtriebs-Hubbewegung 14 wird bei dem Linearaktuator 1 die abhängig von der Polarisation sich anziehende oder abstoßende Eigenschaft permanentmagnetischer Felder genutzt, die ständig von einer als Bestandteil des Antriebsgliedes 26 ausgebildeten Antriebs-Permanentmagneteinheit 38 und einer als Bestandteil des Abtriebsgliedes 13 ausgebildeten Abtriebs-Permanentmagneteinheit 39 erzeugt werden. Diese beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 liegen sich in der Hauptachsrichtung 2a gegenüber, wobei eine Polarisationsänderung zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 durch das Verdrehen des Antriebsgliedes 26 relativ zu dem unverdrehbar abgestützten Abtriebsglied 13 hervorrufbar ist.
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Die Antriebs-Permanentmagneteinheit 38 ist so in das Antriebsglied 26 integriert, dass es dessen Bewegungen synchron mitmacht und somit bei der Antriebs-Drehbewegung 28 entsprechend um die Hauptachse 2 als Drehachse verdreht wird. Die Abtriebs-Permanentmagneteinheit 39 ist so in das Abtriebsglied 13 integriert, dass es dessen Bewegungen synchron mitmacht und somit bei der Abtriebs-Hubbewegung 14 entsprechend in der Hauptachsrichtung 2a linear verschoben wird.
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Die Antriebs-Permanentmagneteinheit 38 ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil des Antriebskopfes 34, während die Abtriebs-Permanentmagneteinheit 39 zweckmäßigerweise ein Bestandteil des Abtriebskopfes 16 ist. Bevorzugt hat sowohl der Antriebskopf 34 als auch der Abtriebskopf 16 einen magnetisch nichtleitenden Tragabschnitt 42, der in den 2 bis 4 nicht abgebildet ist und an dem die zugeordnete Permanentmagneteinheit 38, 39 befestigt ist. Bevorzugt und entsprechend des Ausführungsbeispiels ist jede Permanentmagneteinheit 38, 39 in den zugeordneten Tragabschnitt 42 eingebettet, was beispielsweise durch ein Einsetzen in eine entsprechend angepasste Vertiefung oder durch ein unmittelbares Umspritzen bei einer Spritzgießherstellung des Tragabschnittes 42 aus einem Kunststoffmaterial realisierbar ist.
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Jede Permanentmagneteinheit 38, 39 hat eine in der Hauptachsrichtung 2a weisende Magnetvorderfläche 43, wobei die Permanentmagneteinheiten 38, 39 so angeordnet sind, dass ihre Magnetvorderflächen 43 einander zugewandt sind.
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Die Antriebs-Permanentmagneteinheit 38 und die Abtriebs-Permanentmagneteinheit 39 sind unter Berücksichtigung ihrer bezüglich des Grundkörpers 3 eingenommenen räumlichen Ausrichtung derart magnetisch polarisiert, dass sich eine die Abtriebs-Hubbewegung 14 des Abtriebsgliedes 13 hervorrufende Veränderung der zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 in der Hauptachsrichtung wirkenden axialen Magnetkräfte FM einstellt, wenn durch die Antriebs-Drehbewegung 28 des Antriebsgliedes 26 die relative Drehwinkellage zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 verändert wird.
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Der illustrierte Linearaktuator 1 ist in einer Weise ausgebildet, die bei der Antriebs-Drehbewegung 28 abhängig von der momentan zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 eingenommenen relativen Drehwinkellage alternativ sowohl abstoßend wirkende Magnetkräfte FM gemäß 4 als auch anziehend wirkende Magnetkräfte FM gemäß 2 erzeugen kann. Abstoßend wirkende Magnetkräfte FM können eine sich vom Antriebsglied 26 axial entfernende Abtriebs-Hubbewegung 14 hervorrufen, die im Folgenden auch als Ausfahr-Hubbewegung 14a bezeichnet wird und in 4 durch einen Pfeil kenntlich gemacht ist. Für einen solchen Betriebszustand des Linearaktuators 1 ist das Antriebsglied 26 in einer in 4 illustrierten rotativen Abstoßstellung positionierbar. Anziehend wirkende Magnetkräfte FM können eine sich an das Antriebsglied 26 axial annähernde Abtriebs-Hubbewegung 14 des Abtriebsgliedes 13 hervorrufen, die im Folgenden auch als Einfahr-Hubbewegung 14b bezeichnet wird und in 2 durch einen Pfeil angedeutet ist. Für einen solchen Betriebszustand ist das Abtriebsglied 13 in einer rotativen Anziehungsstellung positionierbar, die beispielhaft in 2 illustriert ist.
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Bevorzugt kann das Antriebsglied 26 durch die Antriebs-Drehbewegung 28 in mindestens einer rotativen Abstoßstellung positioniert werden, bei der es sich um eine aus 4 ersichtliche Haupt-Abstoßstellung handelt, die sich in einer maximalen abstoßenden Magnetkraft FM äußert. Ferner kann das Antriebsglied 26 zweckmäßigerweise in mindestens einer von jeder rotativen Abstoßstellung abweichenden rotativen Anziehungsstellung positioniert werden, bei der es sich um eine in 2 beispielhaft illustrierte Haupt-Anziehungsstellung handelt, die sich in einer maximalen anziehenden Magnetkraft FM äußert.
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Bevorzugt sind die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 so ausgebildet und angeordnet, dass es mindestens eine relative Drehwinkellage zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 gibt, in der weder nennenswerte abstoßende noch nennenswerte anziehende axiale Magnetkräfte wirksam sind, wobei das Antriebsglied 26 in diesem Betriebszustand eine beispielhaft in 3 illustrierte rotative Neutralstellung einnimmt. Bevorzugt treten in dieser rotative Neutralstellung keinerlei axial wirkende Magnetkräfte zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 auf.
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Die rotative Neutralstellung des Antriebsgliedes 26 liegt drehwinkelmäßig zweckmäßigerweise winkelmittig zwischen der rotativen Haupt-Anziehungsstellung und der rotativen Haupt-Abstoßstellung.
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Bevorzugt sind die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 so aufgebaut, dass das Antriebsglied 26 genau eine rotative Haupt-Abstoßstellung und genau eine rotative Haupt-Anziehungsstellung hat. In diesen beiden Stellungen nimmt das Antriebsglied 26 eine um 180° um die Längsachse 27 zueinander verdrehte Position ein. Zwischen der rotativen Neutralstellung gemäß 3 und einerseits der Haupt-Anziehungsstellung gemäß 2 sowie andererseits der Haupt-Abstoßstellung gemäß 4 liegt zweckmäßigerweise jeweils ein Drehwinkel von 90°. Bevorzugt kann das Antriebsglied 26 zwei rotative Neutralstellungen einnehmen, die bezüglich der Längsachse 27 um 180° zueinander verdreht sind.
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Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die beiden Permanentmagneteinheiten jeweils, was die Außenwirkung anbelangt, derart zweipolig ausgebildet sind, dass sie über quer und insbesondere rechtwinkelig zu der Hauptachse 2 diametral zueinander beabstandete ungleichnamige erste und zweite Magnetpole 44, 45 verfügen. Beispielhaft sind die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 so ausgebildet, dass sie im Bereich ihrer Magnetvorderflächen 43 jeweils einen ersten Magnetpol 44 und einen diesbezüglich quer zu der Hauptachse 2 beabstandeten und gegensinnig polarisierten zweiten Magnetpol 45 haben. Wenn sich entsprechend der eingestellten Drehwinkelposition des Antriebsgliedes 26 gleichnamige erste Magnetpole 44 und gleichnamige zweite Magnetpole 45 der beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 in der Hauptachsrichtung 2a gegenüberliegen, ergibt sich eine abstoßende Magnetkraft FM, während eine anziehende Magnetkraft FM vorliegt, wenn sich ungleichnamige Magnetpole 44, 45 der beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 paarweise gegenüberliegen.
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Um diese Magnetkonstellation zu erhalten, sind die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 vorzugsweise jeweils als ein Halbach-Array ausgebildet, was auf das illustrierte Ausführungsbeispiel zutrifft. Ein Halbach-Array zeichnet sich üblicherweise dadurch aus, dass der magnetische Fluss des von ihm erzeugten Magnetfeldes an der einen Array-Seite verstärkt ist. Exemplarisch sind die Permanentmagneteinheiten 38, 39 so angeordnet, dass ihre Seiten eines verstärkten magnetischen Flusses den einander zugewandten Magnetvorderflächen 43 zugeordnet sind und sich ebenfalls in der Hauptachsrichtung 2 einander zugewandt sind.
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Zur Realisierung eines Halbach-Arrays enthalten die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 beispielhaft jeweils mehrere permanentmagnetische Magnetsegmente 46, die in einer durch eine strichpunktierte Linie verdeutlichten Reihenrichtung 47 aneinandergereiht sind, wobei die Reihenrichtung 47 rechtwinkelig zu der Hauptachse 2 verläuft. In der Reihenrichtung 47 zueinander benachbarte Magnetsegmente 46 unterscheiden sich voneinander in der internen Polarisierung, wobei in den 2 bis 4 die magnetische Orientierung innerhalb jedes Magnetsegmentes 46 durch Pfeile angedeutet ist. In der in den 2 bis 4 jeweils zusätzlich separat gezeigten Draufsicht mit Blick in der Hauptachsrichtung 2a ist durch einen von einem Kreis umgebenen Punkt das austretende Magnetfeld und durch ein von einem Kreis umrahmtes Kreuz das eintretende Magnetfeld symbolisiert. Da Halbach-Arrays als solches bekannt sind, wird an dieser Stelle auf die Erläuterung weiterer Details dazu verzichtet.
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Beide Permanentmagneteinheiten 38, 39 enthalten bei der Ausgestaltung als Halbach-Array bevorzugt die gleiche Anzahl von Magnetsegmenten 46, wobei es zur Realisierung der schon angesprochenen Zweipoligkeit vorteilhaft ist, wenn jede Permanentmagneteinheit 38, 39 über insgesamt drei aneinandergereihte Magnetsegmente 46 mit voneinander abweichender interner magnetischer Orientierung verfügt.
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Die geschilderte magnetische Funktionalität ließe sich beispielsweise auch dadurch realisieren, dass die beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 als Stabmagnete mit zur Hauptachse 2 rechtwinkeliger Längsachse ausgeführt sind, wobei einander entgegengesetzte Magnetpole den beiden quer zur Hauptachsrichtung 2a orientierten und voneinander abgewandten Stirnseiten der Stabmagnete zugeordnet sind.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zur Realisierung der Permanentmagneteinheiten 38, 39 auch andere als die bisher geschilderten Permanentmagnetstrukturen verwendbar. Beispielsweise könnten die Permanentmagneteinheiten scheibenförmig mit kreiszylindrischem Außenumfang realisiert sein, wobei durch eine Unterteilung in nur ein Magnetsegmentpaar oder in mehrere Magnetsegmentpaare die gewünschte Polarisierung erzielt ist.
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Zweckmäßigerweise ist der Grundkörper 3 mit Anschlagmitteln 48 ausgestattet, die im Hubweg des Abtriebsgliedes 13 liegen und dazu dienen, eine weitestmöglich an das Antriebsglied 26 angenäherte eingefahrene Hubendlage und eine weitestmöglich von dem Antriebsglied 26 entfernte ausgefahrene Hubendlage des Abtriebsgliedes 13 mechanisch vorzugeben.
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Die Anschlagmittel 48 enthalten Einfahr-Anschlagmittel 48a, die einen minimalen axialen Abstand zwischen dem Abtriebsglied 13 und dem Antriebsglied 26 vorgeben, und sie enthalten Ausfahr-Anschlagmittel 48b, die einen maximalen Abstand zwischen dem Abtriebsglied 13 und dem Antriebsglied 26 vorgeben. Bei den Einfahr-Anschlagmitteln 48a handelt es sich beispielsweise um mindestens einen an der Seitenwand 25 des Aktuatorgehäuses 8 angebrachten und radial in den Arbeitsraum 12 hineinragenden Anschlagvorsprung, der bevorzugt als ein Ringvorsprung konzipiert ist. Eine entsprechende Ausgestaltung ist auch für die Ausfahr-Anschlagmittel 48b möglich, wobei es hier allerdings zweckmäßig ist, stattdessen unmittelbar eine dem Arbeitsraum 12 zugewandte axiale Innenfläche der vorderen Abschlusswand 18 als Ausfahr-Anschlagmittel 48b zu nutzen.
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Bei einer bevorzugten Betriebsweise des Linearaktuators 1 ist das Antriebsglied 26 zunächst in der aus 2 ersichtlichen Haupt-Anziehungsstellung positioniert, sodass eine maximale Anziehungskraft zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 wirkt und das Abtriebsglied 13 in der an den Einfahr-Anschlagmitteln 48a anliegenden eingefahrenen Hubendlage magnetisch festgehalten ist.
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Anschließend wird durch Aktivierung des elektrischen Drehantriebes 4 eine Antriebs-Drehbewegung 28 hervorgerufen, bis das Antriebsglied 26 aus der Haupt-Anziehungsstellung gemäß 2 in die Haupt-Abstoßstellung gemäß 4 verdreht ist. Mit Hilfe der elektronischen Steuereinrichtung 37 ist diesbezüglich eine präzise drehwinkelmäßige Positionierung des Antriebsgliedes 26 möglich.
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Bei diesem Drehvorgang durchläuft das Antriebsglied 26 die aus 3 ersichtliche rotative Neutralstellung. Bis diese während einer ersten Drehphase erreicht ist, ändert sich an der Hubposition des Abtriebsgliedes 13 nichts, da die axial wirkenden Magnetkräfte FM bis dahin stets anziehend sind und lediglich die Anziehungskraft abnimmt, bis sie in der rotativen Neutralstellung bei Null angelangt ist.
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In einer sich an die rotative Neutralstellung anschließenden zweiten Drehphase baut sich eine zunehmende abstoßende Magnetkraft FM zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39 auf, aus der die Ausfahr-Hubbewegung 14a resultiert. Je nachdem, mit welcher Gegenkraft das Abtriebsglied 13 durch ein zu bewegendes Objekt beaufschlagt ist, kann die Ausfahr-Hubbewegung 14a möglicherweise erst einsetzen, nachdem das Abtriebsglied 13 einen Teil des Drehwinkels zwischen der rotativen Neutralstellung und der Haupt-Abstoßstellung zurückgelegt hat. Die Ausfahr-Hubbewegung 14a endet, sofern nicht externe Widerstände schon früher wirksam sind, wenn das Abtriebsglied 13 die durch die Ausfahr-Anschlagmittel 48b vorgegebene ausgefahrene Hubendlage erreicht hat.
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Um das Abtriebsglied 13 wieder in die eingefahrene Hubendlage zu verlagern, kann es bei vertikaler Ausrichtung der Hauptachse 2 mit oberhalb des Antriebsgliedes 26 angeordnetem Abtriebsglied 13 ausreichen, das Antriebsglied 26 nur bis zur rotativen Neutralstellung gemäß 3 zu verdrehen, sodass das Abtriebsglied 13 weder abgestoßen noch angezogen wird. Das Abtriebsglied 13 kann dann allein schwerkraftbedingt und insbesondere auch aufgrund des Gewichts eines an der Kopplungs-Schnittstelle 15 angreifenden Objekts in die eingefahrene Hubendlage zurückkehren.
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Ist das schwerkraftbedingte Zurückkehren in die rotative Neutralstellung nicht möglich oder nicht sichergestellt, beispielsweise aufgrund zu hoher interner Reibung oder aufgrund einer horizontalen Ausrichtung des Linearaktuators 1, lässt sich die Einfahr-Hubbewegung 14b dadurch realisieren, dass das Antriebsglied 26 durch den Drehantrieb 4 bis in die Haupt-Anziehungsstellung gemäß 2 zurückverdreht wird. Hier wirken dann sehr hohe magnetische Anziehungskräfte FM zwischen den beiden Permanentmagneteinheiten 38, 39, die ein sicheres Zurückbewegen des Abtriebsgliedes 13 in die eingefahrene Hubendlage gewährleisten.
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Um ein zuverlässiges Zurückbewegen des Abtriebsgliedes 13 aus einer ausgefahrenen Hubposition zurück in die eingefahrene Hubendlage zu gewährleisten, kann der Linearaktuator 1 optional mit einer nur in 2 gestrichelt angedeuteten Federeinrichtung 52 ausgestattet sein, die das Abtriebsglied 13 in der Richtung der Einfahr-Hubbewegung 14b beaufschlagt. Die Federeinrichtung 52 ist insbesondere zwischen den Grundkörper 3 und das Abtriebsglied 13 zwischengefügt.
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Illustriert ist eine Bauform, bei der die Federeinrichtung 52 ständig auf das Abtriebsglied 13 einwirkt. Bei einer nicht illustrierten alternativen Ausführungsform ist die Federeinrichtung 52 so konzipiert, dass sie nur während eines Teilhubes der Ausfahr-Hubbewegung 14a mit dem Abtriebsglied 13 zusammenwirkt, insbesondere während eines der ausgefahrenen Hubendlage unmittelbar vorangehenden Hubabschnittes. Das Antriebsglied 13 kann dann einen federnden Anschubimpuls erhalten.
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Die Federeinrichtung 52 ist insbesondere als eine Druckfeder konzipiert, kann aber ohne weiteres auch eine Zugfeder sein.
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Wenn der Linearaktuator 1 mit einer im Einfahrsinne auf das Abtriebsglied 13 wirkenden Federeinrichtung 52 ausgestattet ist, kann es zum hin- und hergehenden Verschieben des Abtriebsgliedes 13 zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Hubendlage ausreichen, das Antriebsglied 26 abwechselnd lediglich zwischen der rotativen Neutralstellung und der Haupt-Abstoßstellung zu verdrehen.
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Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist eine Federeinrichtung 52 so installiert, dass sie das Abtriebsglied 13 ständig in eine ausgefahrene Hubendlage vorspannt, sodass das Abtriebsglied 13 durch die Federkraft in der ausgefahrenen Hubendlage gehalten wird, wenn das Antriebsglied 26 in der rotativen Neutralstellung gemäß 3 positioniert ist. Das Abtriebsglied 13 ist in diesem Fall unter Überwindung der Federkraft in die eingefahrene Hubendlage verschiebbar, indem das Antriebsglied 26 aus der rotativen Neutralstellung in die Haupt-Anziehungsstellung gemäß 2 verdreht wird. Zum neuerlichen Zurückbewegen des Abtriebsgliedes 13 in die ausgefahrene Hubendlage genügt in diesem Fall ein Zurückdrehen des Antriebsgliedes 26 in die rotative Neutralstellung. Gleichwohl kann zur Unterstützung der Federkraft auch in diesem Fall ein weiteres Verdrehen bis in die Haupt-Abstoßstellung erfolgen.
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Bei jeder Verwendung einer ständig auf das Abtriebsglied 13 einwirkenden Federeinrichtung 52 stellt sich insbesondere der Effekt ein, dass das Abtriebsglied 13 ständig in Richtung einer Grundstellung vorgespannt ist, bei der es sich je nach Wirkrichtung der Federeinrichtung 52 um die eingefahrene Hubendlage oder um die ausgefahrene Hubendlage handelt. Exemplarisch gemäß der gestrichelt angedeuteten optionalen Federeinrichtung 52 ist dies die eingefahrene Hubendlage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0936026 A2 [0002]
- DE 102014010001 A1 [0003]
