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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zentriervorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Mehrachsmaschine und einer Ansteuervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung. Die Mehrachsmaschine ist insbesondere eine elektrische Mehrachsmaschine, wobei mehrere rotierende Achsen und/oder elektrische Maschinen in vorgegebenem Abstand zueinander angeordnet sind.
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Maschinen, wie beispielsweise elektrische Maschinen, Motoren, Generatoren, Rotationsmaschinen, Linearmaschinen usw., werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, um beispielsweise Gegenstände in Bewegung zu versetzen, elektrische Energie zu erzeugen, usw.. Bei einer Mehrachsmaschine sind mehrere rotierende Achsen in vorgegebenem Abstand zueinander angeordnet. Je nach Konstruktion, sind hierfür mehrere elektrische Maschinen in vorgegebenem Abstand zueinander angeordnet, wie beispielsweise in der
DE 10 2016 224 951 A1 gezeigt.
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Für derartige Mehrachsmaschinen sind vielfältige Anforderungen zu erfüllen, wie Bereitstellung von Befestigungsmöglichkeiten, insbesondere eines Gehäuses und der mechanischen Grundkonstruktion, Wärmeabfuhr, Abdichtung zur Umgebung, Integration von Kabelführungen, usw.. Hierbei soll die Mehrachsmaschine nicht nur in der Herstellung kostengünstig sein, sondern auch platzsparend, unaufwändig und sicher aufstellbar, sowie im Betrieb sicher, mit guten Leistungseigenschaften und energiesparend betreibbar sein.
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Noch ein anderes Problem besteht darin, dass jede elektrische Maschine mit einer Ansteuervorrichtung elektrisch zu verbinden ist. Die Ansteuervorrichtung ist insbesondere eine Leistungs- und Regelelektronik auf einer Leiterplatte. Bei zentralen Lösungen sind Kabel und Steckverbinder verwendbar, um die elektrische Maschine und die Ansteuervorrichtung zu kontaktieren und zu verbinden. Für dezentrale Lösungen, bei denen elektrische Maschine und Elektronik als Einheit in einem Gehäuse integriert sind, ist es für die Kontaktierung und Verbindung möglich, Verbindungstechniken wie Löten, Schneid-Klemm-Verbindung, Crimptechnik, Einpresstechnik (Press-fit), Schraubtechnik oder Kontaktierung mit Steckverbinder zu verwenden.
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Insbesondere für eine Mehrachsmaschine besteht zusätzlich das Problem, dass mindestens zwei nebeneinander angeordnete elektrische Maschinen mit einer Ansteuervorrichtung zu verbinden sind. Dabei ist insbesondere eine raumsparende und unaufwändige Montage gefordert.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zentriervorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Mehrachsmaschine und einer Ansteuervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Zentriervorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Mehrachsmaschine und einer Ansteuervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung bereitgestellt werden, so dass die Verbindung platzsparend, unaufwändig und sicher herstellbar ist und beispielsweise bei einer Mehrachsmaschine mindestens zwei rotierende Achsen in vorgegebenem Abstand zueinander und zu einer Ansteuervorrichtung angeordnet sein können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zentriervorrichtung zur elektrischen Verbindung einer Mehrachsmaschine und einer Ansteuervorrichtung gelöst. Die Zentriervorrichtung hat einen Grundkörper, mindestens ein Zentrierelement zum Zentrieren eines Kontaktelements eines Maschinenkontakts einer ersten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine, mindestens ein Zentrierelement zum Zentrieren eines Kontaktelements eines Maschinenkontakts einer zweiten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine, und mindestens zwei Aufnahmeelemente, die an dem Grundkörper angeordnet sind, zur Aufnahme der Ansteuervorrichtung und zur Beabstandung eines Gehäuses der Mehrachsmaschine von der Ansteuervorrichtung, wobei die Zentrierelemente jeweils zur Aufnahme eines der Kontaktelemente ausgestaltet sind, das mit einem Wicklungsdraht einer Maschinenwicklung elektrisch verbunden ist, und wobei die Zentrierelemente jeweils eine Öffnung mit einem konischen Querschnitt haben, um das mit dem Wicklungsdraht verbundene Kontaktelement in der Öffnung in eine vorbestimmte Lage zu bringen.
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Die Zentriervorrichtung gewährleistet eine platzsparende, unaufwändige und sichere Verbindung von Ansteuervorrichtung und elektrischer Maschine. Dabei ist maschinenseitig kein zusätzlicher Steckverbinder notwendig. Dadurch ist kein solcher Steckverbinder vorzuhalten und zu montieren. Dies senkt sowohl die Herstellungskosten als auch die Montagekosten für die elektrische Maschine.
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Die Zentriervorrichtung ist derart konstruiert, dass eine bestückte Leiterplatte der Ansteuervorrichtung in einem Bewegungsablauf an die Kontakte der elektrischen Maschine gesteckt oder wieder gelöst werden kann. Hierfür ist kein spezielles Werkzeug erforderlich. Dies gestaltet die Montage der Zentriervorrichtung, insbesondere bei einer Mehrachsmaschine, äußerst unaufwändig. Zudem ist die Montage dadurch sehr sicher, da die Zentriervorrichtung garantiert, dass die Verbindung keines der Kontakte fehlerhaft ist oder sogar vergessen wird.
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Noch dazu hat die Zentriervorrichtung den Vorteil, dass der Bauraum zwischen der Ansteuervorrichtung und der elektrischen Maschine besonders klein gehalten werden kann, da kein Steckverbinder den Platz einnimmt und auch keine Zugänglichkeit erforderlich ist.
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Durch die beschriebenen Eigenschaften der Zentriervorrichtung ist die Verbindung zwischen der Ansteuervorrichtung und der elektrischen Maschine wenig anfällig für Defekte aufgrund von im Betrieb beweglicher Teile. Zudem ist die Zentriervorrichtung sehr wartungsfreundlich.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Zentriervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Öffnung kann eine Durchgangsöffnung sein, die kürzer als ein Kontaktelement ist, so dass das Kontaktelement an beiden Enden der Öffnung aus dem Zentrierelement herausragt, wenn die Zentriervorrichtung zur elektrischen Verbindung der elektrischen Maschine und der Ansteuervorrichtung zwischen der elektrischen Maschine und der Ansteuervorrichtung montiert ist.
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Möglicherweise ragen die mindestens zwei Aufnahmeelemente an einer Seite des Grundkörpers weiter aus dem Grundkörper heraus als die mindestens zwei Zentrierelemente.
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Der Grundkörper kann aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.
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Optional sind die Zentrierelemente derart voneinander beabstandet, um jeweils drei Kontaktelemente eines Maschinenkontakts einer elektrischen Maschine und für vier der elektrische Maschinen der Mehrachsmaschine in eine vorbestimmte, oder definierte, Lage zu bringen.
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Die Aufgabe wird zudem durch eine Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Mehrachsmaschine nach Anspruch 6 gelöst. Die Ansteuervorrichtung hat eine Leiterplatte, mindestens ein elektrisches Bauteil zur Ansteuerung mindestens einer elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine, mindestens ein Buchsenkontaktelement mit einem federnden Kontaktelement zur federnden elektrischen Kontaktierung eines Kontaktelements eines Maschinenkontakts einer ersten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine, und mindestens ein Buchsenkontaktelement mit einem federnden Kontaktelement zur federnden elektrischen Kontaktierung eines Kontaktelements eines Maschinenkontakts einer zweiten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine, wobei die Leiterplatte auf einer ersten Seite mit dem mindestens einen elektrischen Bauteil bestückt ist, und wobei jedes der Buchsenkontaktelemente in einer Öffnung der Leiterplatte angeordnet ist.
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Die Ansteuervorrichtung erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Zentriervorrichtung genannt sind.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Ansteuervorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Möglicherweise ragt jedes der Buchsenkontaktelemente auf der ersten Seite der Leiterplatte aus einem ersten Ende der Öffnung um ein geringeres Maß aus der Leiterplatte heraus als aus einem zweiten Ende der Öffnung auf der zweiten Seite der Leiterplatte.
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Jedes der Buchsenkontaktelemente kann eine zylindrische Form haben.
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Jedes der Buchsenkontaktelemente kann ausgestaltet sein, ein Kontaktelement eines Maschinenkontakts für die Kontaktierung zu umschließen, um den elektrischen Strom von der Leiterplatte an die zugehörige elektrische Maschine weiterzuleiten.
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Jedes der Buchsenkontaktelemente kann eine Geometrie haben, die auf die Geometrie des Kontaktelements eines Maschinenkontakts (113; 123) abgestimmt ist, so dass die Fügekraft zwischen Buchsenkontaktelement und Kontaktelement eines Maschinenkontakts die übertragbare Stromleistung bestimmt.
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Die zuvor beschriebene Ansteuervorrichtung und mindestens eine zuvor beschriebenen Zentriervorrichtung kann Teil einer Mehrachsmaschine sein. Die Mehrachsmaschine hat zudem eine erste elektrische Maschine, die zum Antrieb einer ersten Achse in eine Bewegung ausgestaltet ist, eine zweite elektrische Maschine, die zum Antrieb einer zweiten Achse in eine Bewegung ausgestaltet ist, ein Gehäuse, das mindestens eine erste Öffnung und mindestens eine zweite Öffnung aufweist, wobei die mindestens eine erste Öffnung zur Aufnahme von bis zu drei voneinander beabstandeten Kontaktelementen eines Maschinenkontakts der ersten elektrischen Maschine ausgestaltet ist, und wobei die mindestens eine zweite Öffnung zur Aufnahme von bis zu drei voneinander beabstandeten Kontaktelementen eines Maschinenkontakts der zweiten elektrischen Maschine ausgestaltet ist, wobei die Zentriervorrichtung zwischen der Ansteuervorrichtung und dem Gehäuse angeordnet ist, und wobei jedes Kontaktelement mit einem Wicklungsdraht einer Maschinenwicklung elektrisch verbunden ist und durch ein Zentrierelement in ein Buchsenkontaktelement der Ansteuervorrichtung gefügt ist, um das Kontaktelement mit der Ansteuervorrichtung elektrisch zu verbinden.
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Das Gehäuse hat optional zudem mindestens eine Kühlrippe zur Abfuhr von Wärme aus dem Gehäuse.
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Zusätzlich oder alternativ ist die mindestens eine Kühlrippe möglicherweise in etwa senkrecht oder in etwa parallel zu den aufzunehmenden Achsen der Maschinen angeordnet.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine Mehrachsmaschine nach Anspruch 14 gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anordnen mindestens einer zuvor beschriebenen Zentriervorrichtung an einem Gehäuse einer Mehrachsmaschine, so dass jedes Kontaktelement eines Maschinenkontakts einer ersten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine mit einem Zentrierelement der Zentriervorrichtung in eine vorbestimmte Lage gebracht ist, und so dass jedes Kontaktelement eines Maschinenkontakts einer zweiten elektrischen Maschine der Mehrachsmaschine mit einem Zentrierelement der Zentriervorrichtung in eine vorbestimmte Lage gebracht ist, Fügen jedes Kontaktelements der Maschinenkontakte in ein Buchsenkontaktelement einer zuvor beschriebenen Ansteuervorrichtung, so dass jedes Kontaktelement der Maschinenkontakte ein Buchsenkontaktelement elektrisch kontaktiert, um die elektrischen Maschinen der Mehrachsmaschine mit der Ansteuervorrichtung ansteuern zu können.
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Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Zentriervorrichtung genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Anlage mit einer in Draufsicht schematisch dargestellten Mehrachsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Explosionsansicht einer Mehrachsmaschine mit einer Ansteuervorrichtung und einer Zentriervorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine dreidimensionale Ansicht der in 2 gezeigten Mehrachsmaschine, an der die Ansteuervorrichtung mit der Zentriervorrichtung montiert ist;
- 4 eine Schnittansicht der Mehrachsmaschine von 3; und
- 5 eine Detailansicht von 4.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt sehr schematisch eine Anlage 1 mit einer elektrischen Mehrachsmaschine 10, einem Gehäuse 20 und von der Mehrachsmaschine 10 bewegbaren Anlagenelementen 31, 32.
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Von der elektrischen Mehrachsmaschine 10 sind in 1 der Einfachheit halber nur zwei Rotationsmaschinen 11, 12 gezeigt, welche benachbart zueinander angeordnet sind. Die erste Rotationsmaschine 11 hat einen Rotor 115, einen Stator 116 und eine Welle oder Achse 117. Die erste Rotationsmaschine 11 kann ein Anlagenelement 31 in eine Rotation um eine Achse, insbesondere die Achse 117, der elektrischen Maschine 10 bewegen. Die zweite Rotationsmaschine 12 hat einen Rotor 125, einen Stator 126 und eine Welle oder Achse 127. Die zweite Rotationsmaschine 12 kann ein Anlagenelement 32 in eine Rotation um eine Achse, insbesondere die Achse 127, der elektrischen Maschine 10 bewegen. Hierbei ist die elektrische Maschine 10 je nach Bedarf derart ausgestaltet, dass die elektrische Maschine 10 zumindest eines der bewegbaren Anlagenelemente 31, 32 in einer Drehrichtung TR oder entgegengesetzt zu der Drehrichtung TR in eine Bewegung antreiben kann. Es ist denkbar, dass eines der bewegbaren Anlagenelemente 31, 32 nur in der Drehrichtung TR oder nur entgegengesetzt zu der Drehrichtung TR in eine Bewegung antreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die bewegbaren Anlagenelemente 31, 32 unabhängig voneinander bewegbar sind. Jedoch ist alternativ eine zumindest teilweise mechanische und/oder zeitliche Kopplung der Bewegung der Anlagenelemente 31, 32 möglich.
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Alternativ ist zumindest eine der elektrischen Maschinen 11, 12 ein Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom aus einer Bewegung des Anlagenelements 30. Auch hier gelten die zuvor beschriebenen Prinzipien für eine Bewegung der Anlagenelemente 31, 32.
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Die elektrischen Maschinen 11, 12 können eine Gleichstrommaschine oder eine Wechselstrommaschine sein. Hierbei ist es möglich, dass die Wechselstrommaschine eine einphasige oder eine dreiphasige elektrische Maschine ist. Hierbei müssen die elektrischen Maschinen 11, 12 nicht gleich aufgebaut sein. Somit kann eine der elektrischen Maschinen 11, 12 insbesondere eine Gleichstrommaschine sein, wohingegen die andere der elektrischen Maschinen 11, 12 eine Wechselstrommaschine ist. Es ist alternativ möglich, dass eine der elektrischen Maschinen 11, 12 eine dreiphasige Wechselstrommaschine ist, wohingegen die andere der elektrischen Maschinen 11, 12 eine einphasige Wechselstrommaschine ist.
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Die Anlage 1 ist oder hat möglicherweise zumindest eine der folgenden Maschinen, nämlich eine Druckmaschine, eine Verpackungsmaschine, eine Textilmaschine, eine Montagemaschine, usw. Hierbei kann die Mehrachsmaschine 10 Teil einer derartigen Maschine sein. Insbesondere ist zudem denkbar, dass die Anlage 1 eine Mehrachsmaschine 10 in Form einer Transporteinrichtung zum Transport eines Gegenstands aufweist.
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Werden bei der elektrischen Maschine 10 entsprechende Magnetfelder erzeugt, ist beispielsweise der Rotor 115 relativ zu dem Stator 116 in der Drehrichtung TR oder entgegen der Drehrichtung TR um die Welle bzw. Maschinenachse 117 drehbar. Zusätzlich oder alternativ ist der Rotor 125 relativ zu dem Stator 126 in der Drehrichtung TR oder entgegen der Drehrichtung TR um die Welle bzw. Maschinenachse 127 drehbar.
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Bei dem in 1 gezeigten speziellen Beispiel stimmt die Achse 117 der Welle mit der Achse der elektrischen Maschine 11 überein. Zudem stimmt bei dem in 1 gezeigten speziellen Beispiel die Achse 127 der Welle mit der Achse der elektrischen Maschine 12 überein.
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Die Mehrachsmaschine 10 ist insbesondere eine der nachfolgend genannten Maschinen, nämlich ein Motor, ein Generator, eine Wechselstrommaschine, eine Drehstrommaschine, usw.
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Insbesondere kann die Mehrachsmaschine 10 als Beförderungsvorrichtung mit einem Stator zur kontrollierten Beförderung eines Transportkörpers relativ zum Stator ausgestaltet sein. Hierbei ist die Mehrachsmaschine 10 vorzugsweise im Rahmen der magnetischen Levitation zum schwebenden Transport und zur Positionierung und/oder Orientierung von Objekten verwendbar. Die Mehrachsmaschine 10 kann dabei bevorzugt im Bereich der technischen Fertigung, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Logistik oder in der Personenbeförderung zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise in der
DE 10 2016 224 951 A1 beschrieben, deren Inhalt hier vollständig mit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung mit aufgenommen ist.
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2 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein spezielles Beispiel für die Mehrachsmaschine 10 mit dem Gehäuse 20 sowie drei daran angeordnete Zentriervorrichtungen 40 und eine Ansteuervorrichtung 50.
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Die Ansteuervorrichtung 50 hat eine Leiterplatte 55, die an einer Seite mit beliebigen elektrischen Bauteilen 56 einer Leistungs- und/oder Reglerelektronik bestückt ist. Die Leiterplatte 55 ist somit eine bestückte Leiterplatte. In 2 ist die Leiterplatte 55 an ihrer Oberseite mit den Bauteilen 56 bestückt. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nicht alle Bauteile 56 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Die Bauteile 56 für die Erzeugung der gewünschten Funktionen der Leistungs- und/oder Reglerelektronik sind je nach Anwendung beliebig wählbar. Zudem können die Bauteile 56 mit der Leiterplatte 55 mit einem herkömmlichen Verfahren elektrisch verbunden werden.
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Die Leiterplatte 55 ist an ihrer anderen Seite, die in 2 die Unterseite der Leiterplatte 55 ist, mit Kontaktelementen 53 bestückt. In 2 sind die Kontaktelemente 53 jeweils Buchsenkontaktelemente. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nicht alle Kontaktelemente 53 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Gemäß 2 sind zwischen der Ansteuervorrichtung 50 und dem Gehäuse 20 der Mehrachsmaschine 10 die drei Zentriervorrichtungen 40 angeordnet. Jede der drei Zentriervorrichtungen 40 gemäß dem beispiel von 2 ist zur Zentrierung von Kontaktelementen von Maschinenkontakten 113, 123, bis 1123 von vier elektrischen Maschinen der elektrischen Maschinen 11 bis 112 der Mehrachsmaschine 10 vorgesehen. Mindestens zwei der Zentriervorrichtungen 40 sind optional miteinander als eine Einheit koppelbar, so dass die Zentriervorrichtungen 40 als eine Einheit zwischen die Ansteuervorrichtung 50 und die elektrischen Komponenten der Mehrachsmaschine 10 montierbar sind.
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Jede Zentriervorrichtung 40 hat einen Grundkörper 41, Aufnahmeelemente 42 und Zentrierelemente 43. Der Grundkörper 41 verbindet die Aufnahmeelemente 42 und die Zentrierelemente 43. Die Aufnahmeelemente 42 und die Zentrierelemente 43 sind an dem Grundkörper 41 angebracht oder aus dem Grundkörper 41 ausgeformt. Die Aufnahmeelemente 42 überragen die Zentrierelemente 43 an der einen Seite des Grundkörpers 41, die auch als Oberseite des Grundkörpers 41 bezeichnet werden kann.
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Die Zentriervorrichtung 40 kann einteilig ausgestaltet sein. Die Zentriervorrichtung 40 ist aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, insbesondere Kunststoff, Harz, usw..
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Die Aufnahmeelemente 42 sind U-förmig ausgestaltet, um einen entsprechend geformten Abschnitt, insbesondere Vorsprung oder Öffnung, der Leiterplatte 55 aufzunehmen. Dadurch kann die Zentriervorrichtung 40 an der Ansteuervorrichtung 50 in einer definierten Lage und damit vorbestimmten Lage angeordnet werden.
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Zwischen zwei Aufnahmeelementen 42 sind die Zentrierelemente 43 vorgesehen. Je elektrischer Maschine 11 bis 112 der Mehrachsmaschine 10 sind drei Zentrierelemente 43 vorgesehen. Die Zentriervorrichtungen 40 sind anhand von 4 und 5 nachfolgend noch genauer beschrieben.
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Das Gehäuse 20 bei dem Beispiel von 2 ist ein 2x6 Mehrachsgehäuse, das zur Aufnahme von zwei Reihen von jeweils sechs elektrischen Maschinen aufgebaut ist, wie nachfolgend beschrieben. Somit können bei dem Gehäuse 20 zwölf elektrische Maschinen 11 bis 112 für die Mehrachsmaschine 10 aufgenommen werden. Es ist alternativ jedoch möglich, das Gehäuse 20 für mehr oder weniger als zwölf elektrische Maschinen 11 bis 112 für eine Mehrachsmaschine 10 auszugestalten. Es ist alternativ möglich, in dem Gehäuse 20 weniger als zwölf elektrische Maschinen 11 bis 112, beispielsweise neun oder elf elektrische Maschinen oder eine beliebige andere Anzahl, für die Mehrachsmaschine 10 aufzunehmen. Das Gehäuse 20 ist ein einteiliges Gehäuse.
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Jede der Maschinen 11 bis 112 des Gehäuses 20 hat eine Welle bzw. Achse 117, 127, usw., die aus der jeweiligen Maschine 11 bis 112 herausragt. Bei dem Beispiel von 1 ragen die Achsen 117, 127, usw. unten aus der jeweiligen Maschine 11 bis 112 heraus. Die Achsen 117, 127, usw. ragen außerdem unten aus dem Gehäuse 20 heraus.
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Bei dem Gehäuse 20 sind Öffnungen 25 für Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 für die elektrischen Maschinen 11 bis 112 vorgesehen. Für jede der elektrischen Maschinen 11 bis 112 sind drei einzelne Kontaktelemente als Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 vorgesehen. Die drei einzelnen Kontaktelemente der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 sind durch eine gemeinsame Öffnung 25 nach außen an das Gehäuse 20 geführt. Jeder der elektrischen Maschinen 11 bis 112 ist eine Erfassungseinrichtung 114, 124, bis 1124 zugeordnet. Die Erfassungseinrichtungen 114, 124, bis 1124 sind jeweils neben den drei Maschinenkontakten 113, 123, bis 1123 der elektrischen Maschinen 11 bis 112 angeordnet. Die jeweilige Erfassungseinrichtung 114, 124, bis 1124 kann einen Rotorwinkel-Codiermagnet aufweisen. Der zugehörige Sensor zur Erfassung oder Detektion des Rotorwinkels, den ein Rotor 115 bis 1125 relativ zu einer vorbestimmten, und damit definierten, Position am Stator 116 bis 1126 der elektrischen Maschinen 11 bis 112 einnimmt, ist als ein Bauteil 56 der Ansteuervorrichtung 50 an der Leiterplatte 55 vorgesehen. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nicht alle Öffnungen 25, Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 und Erfassungseinrichtungen 114, 124, bis 1124 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Das Gehäuse 20 von 2 hat jeweils Aussparungen zur Aufnahme der elektrischen Maschinen 11 bis 112. Zur Befestigung des Gehäuses 20 sind Befestigungselemente 27 vorgesehen. Außen an dem Gehäuse 20 sind Kühlrippen 26 angeordnet, die quer zu der aufzunehmenden Achse 113, 123, usw. angeordnet sind. Zudem sind an dem Gehäuse 20 zwischen den zwei Reihen für die zwölf Maschinen 11 bis 112 mehrere Kühlrippen 261 angeordnet. Die Kühlrippen 261 sind ebenfalls quer, insbesondere senkrecht, zu der axialen Richtung der aufzunehmenden Achse 113, 123, usw. angeordnet. Die freien Enden der Kühlrippen 261 zwischen den Reihen für die zwölf Maschinen 11 bis 112 sind bei der speziellen Ausführung von 6 und 7 voneinander beabstandet und einander zugewandt. Die Kühlrippen 261 bilden einen Steg des Gehäuses 20, der die erste Reihe mit sechs elektrischen Maschinen von der zweiten Reihe mit sechs Maschinen 11 bis 112 voneinander trennt. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nicht alle elektrischen Maschinen 11 bis 112, Kühlrippen 26 und Befestigungselemente 27 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Die Kühlrippen 26, 261 sind an dem Gehäuse 20 integriert. Die Kühlrippen 26, 261 vergrößern die Oberfläche des Gehäuses 20 und verbessern die konvektive Wärmeabfuhr des Gehäuses 20. Die Kühlrippen 26 schließen das Gehäuse 20 nach außen so ab, dass die Kühlrippen 26 an einer geraden Linie enden. Die Kühlrippen 26 sind voneinander beabstandet, insbesondere äquidistant, angeordnet. Dasselbe gilt für die Kühlrippen 261. Die Wirkrichtung der Kühlrippen 26, 261 ist parallel oder zumindest in etwa parallel zu den aufzunehmenden Achsen 117, 127, usw. angeordnet. Die Anordnung der Kühlrippen 26, 26 bewirkt, dass ein Kühlmediumstrom, insbesondere Luftstrom, entlang der Kühlrippen 26 oder entlang der Kühlrippen 261 und somit in axialer Richtung der aufzunehmenden Achsen 117, 127, usw. geleitet wird.
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Bei dem vorliegenden Gehäuse 20 sind die Kühlrippen 26, 261 senkrecht oder zumindest in etwa senkrecht zu den aufzunehmenden Achsen 117, 127, usw. angeordnet. Als Folge davon wird ein Kühlmediumstrom, insbesondere Luftstrom, entlang der Kühlrippen 26, 261 durch angrenzende Bauteile und Störkonturen nicht unterbrochen. Dadurch kann eine sehr vorteilhafte Kühlung der Maschine 10 erreicht werden.
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Ganz allgemein sind die Kühlrippen 26, 261 derart angeordnet, dass sie einen möglichst kleinen Abstand zur Wärmequelle (Statorwicklung der elektrischen Maschinen 11 bis 112) haben. Dies bewirkt eine Optimierung hinsichtlich einer Reduzierung des thermischen Widerstands und eine Optimierung der Kühlleistung.
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Das Gehäuse 20 kann aus einem extrudierten Profil hergestellt werden. In diesem Fall ist das Gehäuse 20 ein aus Metall, insbesondere Aluminium, mittels Strangpressverfahren hergestelltes Profil oder Gebilde. Alternativ kann das Gehäuse 20 mittels Strangpressverfahren aus einem mindestens einem anderen Metall hergestellt werden. Hierbei sind bei dem in 2 gezeigten Gehäuse 20 bis auf den Zuschnitt des Profils für die Realisierung der Vielzahl von Funktionen des Gehäuses 20 keine weiteren Bearbeitungsschritte notwendig. Der Vorteil eines extrudierten Profils sind somit die vergleichsweise geringen Werkzeugkosten gegenüber formgebundenen Schieberwerkzeugen. Schieberwerkzeuge, wie sie beispielsweise beim Druckguss oder Spritzguss verwendet werden, würden nämlich zudem am Bauteil bzw. Gehäuse 20 Umformschrägen erfordern. Solche Umformschrägen sind jedoch je nach Funktion der Mehrachsmaschine 10 gemäß Vorgaben der Anlage 1 oder gemäß Sicherheitsvorschriften nicht zulässig und müssen in einem weiteren Bearbeitungsschritt entfernt werden. Bei dem Gehäuse 20 sind derartige Umformschrägen von vorneherein vermeidbar.
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Durch den Einsatz eines einzigen Gehäuses 20 für mehrere Statoren 111, 122 bzw. elektrische Maschinen 11 bis 112 wird der Wärmetransport optimiert. Zudem werden durch den Einsatz des einzigen Gehäuses 20 thermische Wärmeübergangswiderstände vermieden, welche sich negativ auf das Wärmemanagement der Mehrachsmaschine 10 auswirken. Je besser die Wärmeabfuhr durch das Gehäuse 20 ist, desto eher kann das maximal mögliche Nenndrehmoment der elektrischen Maschinen 11 bis 112 bereitgestellt werden. Anders ausgedrückt, bei der Ausgestaltung des Gehäuses 20 ist berücksichtigt, dass die Leistung und das Drehmoment einer rotierenden elektrischen Maschine 11 bis 112 durch die abzuführende Wärme begrenzt ist. Hierbei ist auch berücksichtigt, dass bei gleichbleibendem gefordertem Nenndrehmoment eine kleinere Bauweise der elektrischen Maschinen 11 bis 112 und damit der Mehrachsmaschine 10 erzielt werden kann, je besser die Wärmeabfuhr mittels des Gehäuses 20 ist.
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Je nach Größe und Ausgestaltung der Mehrachsmaschine 10 ist das Gehäuse 20 somit zur Aufnahme von mindestens zwei rotierend antreibbaren Achsen 117, 127 usw. ausgestaltet.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung des Gehäuses 20 können nicht nur mindestens zwei elektrische Maschinen 11 bis 112 in einem Gehäuse 20 integriert werden. Hierbei sind die mindestens zwei elektrischen Maschinen 11 bis 112 alle in einer Ebene mit einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet. Zudem sind die Achsen 117, 127 usw. mit einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet. Hierbei sind die Achsen 117, 127 usw. bei dem Beispiel von 2 im Wesentlichen parallel angeordnet. Jedoch ist es je nach Anwendungsfall bzw. Mehrachsmaschine 10 möglich, mindestens eine der Achsen 117, 127 usw. schräg zu den anderen Achsen 117, 127 usw. anzuordnen.
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Demzufolge hat das Gehäuse 20 durch die beschriebene Ausgestaltung die zuvor beschriebenen weiteren Funktionen, wie vorteilhaftes Wärmemanagement, vorteilhafte Abdichtung, vorteilhafte Befestigungsmöglichkeit des Gehäuses 10 und vorteilhafte Aufnahme eines Blechpakets für den Stator 112, 122 der jeweiligen elektrischen Maschinen 11 bis 19.
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3 zeigt eine Ansicht der Mehrachsmaschine 10, wenn die Ansteuervorrichtung 50 unter Verwendung der Zentriervorrichtungen 40 an der Mehrachsmaschine 10 montiert ist.
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4 zeigt die zugehörige Seitenansicht der Mehrachsmaschine 10. In einem Ausschnitt A ist eine der Zentriervorrichtungen 40 im Schnitt genauer gezeigt. Anhand dessen ist die Kontaktierung von Maschinenkontakten 113, 123, bis 1123, mit Kontaktelementen 53 unter Verwendung der Zentriervorrichtung 40 an der Leiterplatte 55 der Ansteuervorrichtung 50 genauer dargestellt. Diese Kontaktierung wird auch nachfolgend anhand von 5 näher erläutert.
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Gemäß 4 hat das Gehäuse 20 eine erste Abdeckung 21 und eine zweite Abdeckung 22, die mit Sockeln 23 von den Kühlrippen 26, 261 beabstandet sind. In dem vorliegenden speziellen Fall haben die Sockel 23 eine derartige Geometrie, dass die Sockel 23 und die freiliegenden Enden der Kühlrippen 26 in einer Ebene liegen. Dadurch ergibt sich für das Gehäuse 20 nach außen die Ausbildung derselben Wandstärke. In den Abdeckungen 21, 22 sind jeweils Befestigungselemente 27 in Öffnungen angeordnet. Die Anordnung der Befestigungselemente 27 ist je nach Anwendungsfall beliebig wählbar. Aus den Abdeckungen 21, 22 ragen die Achsen 117, 127 bis 1127 aus dem Gehäuse 20 aus.
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Bei Bedarf kann das Gehäuse 20 mindestens eine umlaufend geschlossene Kontur zur Aufnahme eines Dichtelements aufweisen. Damit kann im Industrieumfeld die Vorgabe eingehalten werden, dass die Abdichtung der im Gehäuse 20 eingebauten elektrischen Komponenten, insbesondere der elektrischen Maschinen 11 bis 112, gegen Gase und Fluide gewährleistet sein muss.
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Eine erste Seite des Gehäuses 20, an welcher das Dichtelement benötigt ist, ist die Seite, an welcher die Achsen 117, 127, usw. aus dem Gehäuse 20 herausragen. Diese erste Seite ist bei dem Gehäuse 20 unten in 4 angeordnet. Eine Kontur kann von der ersten Abdeckung 21 abgedeckt sein. Eine Kontur kann von der zweiten Abdeckung 22 abgedeckt sein. Eine entsprechende Ausgestaltung kann an der Seite des Gehäuses 20 vorgesehen sein, aus der die Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 herausragen. Somit ist eine zweite Seite des Gehäuses 20, an welcher das Dichtelement benötigt ist, die Seite, welche der ersten Seite gegenüberliegt. Diese zweite Seite ist bei dem Gehäuse 20 oben in 4 angeordnet.
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Oben an dem Gehäuse 20 von 4 ist die Zentriervorrichtung 40 angeordnet. Die Zentriervorrichtung 40 hat die Aufnahmeelemente 42 für die Ansteuervorrichtung 50, insbesondere deren Leiterplatte 55. Die Zentriervorrichtung 40 beabstandet das Gehäuse 20 und die Ansteuervorrichtung 50 voneinander.
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Gemäß 5 sind die einzelnen Kontaktelemente 1131, 1132, 1133 des Maschinenkontakts 113 mit dem Wickeldraht 1160 verbunden und leiten den elektrischen Strom an die Wicklung 1161. Dasselbe gilt für die Kontaktelemente der anderen Maschinenkontakte 123 bis 1123.
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In 5 ist jedes der Kontaktelemente 1131, 1132, 1133 des Maschinenkontakts 113 in ein Buchsenkontaktelement 53 gefügt, insbesondere gesteckt. Die Buchsenkontaktelemente 53 von 5 haben eine zylindrische Form und ein federndes Kontaktelement 531. Das federnde Kontaktelement 531 umschließt einen der Maschinenkontakte 113 und leitet den elektrischen Strom von der Leiterplatte 55 an die zugehörige Maschine 11 weiter. Die Fügekraft sowie die übertragbare Stromleistung werden über die Paarung des jeweiligen Buchsenkontaktelements 53 mit der Geometrie des zugehörigen Maschinenkontakts 113 eingestellt. Dasselbe gilt für die Kontaktelemente der anderen Maschinenkontakte 123 bis 1123.
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Die Kontaktelemente 1131, 1132, 1133 sind stiftförmig. Der Querschnitt eines Kontaktelements 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 ist beispielsweise zumindest teilweise eckig, beispielsweise rechteckig, insbesondere quadratisch. Alternativ ist der Querschnitt mindestens eines Kontaktelements 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 zumindest teilweise rund. Alternativ hat der Querschnitt mindestens eines Kontaktelements 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 zumindest teilweise eine andere Form, insbesondere elliptisch.
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Das federnde Kontaktelement 531 stellt eine sichere Kontaktierung und Stromübertragung zu einem der Kontaktelemente 1131, 1132, 1133 auch bei dynamischer Belastung dar. Zudem ermöglicht das federnde Element 531 einen Toleranzausgleich der Motorkontaktgeometrie und/oder der Geometrie der Kontaktelemente 1131, 1132, 1133.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung der Ansteuervorrichtung 50 werden die Buchsenkontaktelement 53 über SMD-Bestücktechnik (SMD = Surface Mounted Devices = Oberflächen-montierbare Bauteile) gemeinsam mit den anderen Bauteilen 56 auf eine erste Seite der Leiterplatte 55 bestückt und in einem automatisierten Lötvorgang verlötet. Ein zusätzlicher Fügevorgang und/oder Bearbeitungsvorgang ist dadurch nicht notwendig. Der Buchsenkontaktelement 53 durchdringt die Leiterplatte 55. Das Buchsenkontaktelement 53 ist in der Bauhöhe unwesentlich größer als die Leiterplatte 55. Dadurch kann ein extrem kompaktes Design der Ansteuervorrichtung 50 realisiert werden.
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Die Anordnung der Buchsenkontaktelemente 53 an der Leiterplatte 50 kann frei gewählt und auf die Anordnung der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 abgestimmt werden bzw. sein.
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Bei dem Beispiel von 5 ragt jedes der mindestens zwei Buchsenkontaktelemente 53 auf der ersten Seite der Leiterplatte 55 gleich weit aus einem ersten Ende der Öffnung 57 aus wie aus dem zweiten Ende der Öffnung 57 auf der zweiten Seite der Leiterplatte 55. Auf der zweiten Seite der Leiterplatte 55 sind keine Bauteile 56 vorhanden. Alternativ ist es jedoch möglich, dass die Buchsenkontaktelemente 53, um ein geringeres Maß aus dem ersten Ende der Öffnung 57 in der ersten Seite der Leiterplatte 55 herausragen als aus dem zweiten Ende der Öffnung 57 auf der zweiten Seite der Leiterplatte 55.
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Die Zentriervorrichtung 40 mit den Zentrierelementen 43 gewährleistet den benötigten Abstand zwischen dem Gehäuse 20 und der Leiterplatte 55. Außerdem fungiert die Zentriervorrichtung 40 mit den Zentrierelementen 43 als Vorzentrierung für die jeweiligen Kontaktelemente 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123. Dabei ist eine Vorzentrierung vorteilhaft, da das jeweilige aus dem Gehäuse 20 herausragende Kontaktelement 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 einen relativ großen Taumelradius hat.
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Hierfür hat jedes der Zentrierelemente 43 in 5 eine Öffnung 431, die als Durchgangsöffnung ausgestaltet ist. Die Öffnung 431 hat einen konischen Querschnitt. Dadurch hat die Öffnung 431 an ihren beiden Enden einen unterschiedlich großen Querschnitt. Dies erleichtert das Einführen eines der Kontaktelemente 1131, 1132, 1133, das an dem Wicklungsdraht 1160 taumelt. Wird das Kontaktelement 1131, 1132, 1133 von dem Ende der Öffnung 431 mit dem größeren Querschnitt an das andere Ende der Öffnung 431 geführt, das den kleineren Querschnitt hat, wird das jeweilige Kontaktelement 1131, 1132, 1133 in der Öffnung 431 in die vorbestimmte Lage gebracht, insbesondere zentriert, wie in 5 gezeigt. Das jeweilige Kontaktelement 1131, 1132, 1133 kann in der Öffnung 431 etwas Spiel haben. Somit ist die Außenabmessung des jeweiligen Kontaktelements 1131, 1132, 1133 etwas geringer als die Innenabmessung der Öffnung 431. Alternativ ist bei dem kleinsten Querschnitt der Öffnung 431 kein Spiel zwischen dem jeweiligen Kontaktelement 1131, 1132, 1133 und der Öffnung 431 vorhanden.
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Dadurch kann jedes Kontaktelement 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 für das Fügen mit der Leiterplatte 55 in die vorbestimmte, und damit definierte, Lage gebracht werden.
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Mit der/den beschriebenen Zentriervorrichtung(en) 40 für die Mehrachsmaschine 10 und deren Ansteuervorrichtung 50 ist es möglich, eine bestückte Elektronikleiterplatte 55 mit Maschinenkontakten 113, 123, bis 1123 zu verbinden, insbesondere mit Kontaktelementen 1131, 1132, 1133 der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123. Dabei können mehrere Kontaktelemente 1131, 1132, 1133, bei dem gezeigten Beispiel von 2 bis 5 eine Anzahl von 36 Maschinenkontaktelementen 1131, 1132, 1133, in einem Schritt, insbesondere gleichzeitig, kontaktiert werden. Die Verbindung zwischen der Leiterplatte 55 und den Maschinenkontakten 113, 123, bis 1123, genauer gesagt deren Kontaktelementen 1131, 1132, 1133, ist lösbar. Dadurch können im Servicefall die Komponenten der Maschine 10 und/oder der Ansteuervorrichtung 50 und/oder der Zentriervorrichtung(en) 40 ausgetauscht und untersucht werden.
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Die beschriebenen Zentriervorrichtung(en) 40 ermöglichen eine verdeckte Montage der Leiterplatte 55 an dem Gehäuse 20 mit den Maschinen 11 bis 112. Dadurch ist die Lage der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123 an der Maschine 10 gemäß 3 nicht sichtbar.
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Die Montage der Zentriervorrichtung(en) 40 für die Mehrachsmaschine 10 und deren Ansteuervorrichtung 50 ist automatisierbar. Alternativ ist die Montage der Zentriervorrichtung(en) 40 für die Mehrachsmaschine 10 und deren Ansteuervorrichtung 50 manuell durchführbar. Bei beiden Montagearten sind die Montagekräfte nicht so hoch, dass die Leiterplatte 55 und darauf bestückte Bauteile 56 beschädigt werden. Die Montagezeit kann dabei sehr gering gehalten werden.
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Insgesamt sind die Kosten der beschriebenen Verbindung von Ansteuervorrichtung 50 und Mehrachsmaschine 10 mittels der Zentriervorrichtung(en) 40 sehr gering.
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Zudem sind bei der beschriebenen Mehrachsmaschine 10 eine sichere Kontaktierung und die Stromübertragung auch bei dynamischer Beanspruchung gewährleistet.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, der Mehrachsmaschine 10, des Gehäuses 20, der Zentriervorrichtung(en) 40, der Ansteuervorrichtung 50 und des dafür durchgeführten Herstellverfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Es ist nicht zwingend, dass die Mehrachsmaschine 10 nur Rotationsmaschinen aufweist. Zumindest eine der elektrischen Maschinen 11 bis 112 kann stattdessen ein Anlagenelement 31, 32 in eine lineare Bewegung antreiben. Hierbei kann die lineare Bewegung zumindest teilweise eine Kurvenbewegung in einer Ebene sein oder aufweisen.
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Der Querschnitt des Gehäuses 20 ist nicht zwingend rechteckig, insbesondere im Wesentlichen quadratisch. Der Querschnitt des Gehäuses 20 ist je nach Platzgegebenheit zur Montage der Mehrachsmaschine 10 wählbar. Hierbei ist insbesondere ein T-förmiger Querschnitt, ein I-förmiger Querschnitt, ein E-förmiger Querschnitt, usw. denkbar. Noch dazu kann der Querschnitt rund, oval, dreieckig, usw. sein.
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Auch wenn die einzelnen Maschinen 11 bis 112 zuvor als elektrische Maschinen beschrieben sind, ist es möglich, dass zumindest eine der Maschinen 11 bis 112 als eine andere Maschine, insbesondere als hydraulische oder pneumatische Maschine, usw., ausgeführt ist.
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Die Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123, insbesondere deren Kontaktelemente 1131, 1132, 1133, ragen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel parallel zur rotierenden Achse 117 bis 1127 aus der Maschine 10. Alternativ oder zusätzlich dazu ragt mindestens einer der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123, insbesondere deren Kontaktelemente 1131, 1132, 1133, senkrecht zur rotierenden Achse 117 bis 1127 aus der Maschine 10. Alternativ oder zusätzlich dazu ragt mindestens einer der Maschinenkontakte 113, 123, bis 1123, insbesondere deren Kontaktelemente 1131, 1132, 1133, in einem anderen Winkel aus der Maschine 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224951 A1 [0002, 0040]
