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Die Erfindung betrifft ein insbesondere
für einen
elektrodynamischen Lineardirektantrieb vorgesehenes Spulensystem,
das eine Spulenanordnung enthält,
die mehrere koaxial aufeinanderfolgend angeordnete und miteinander
verschaltete Spulen enthält.
Ferner betrifft die Erfindung ein zur Herstellung eines solchen
Spulensystems geeignetes Verfahren. Schließlich betrifft die Erfindung
einen mit einem solchen Spulensystem ausgestatteten elektrodynamischen
Lineardirektantrieb.
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Elektrodynamische Lineardirektantriebe,
in der Regel als Linearmotoren bezeichnet, verfügen über ein getaktet mit einer
Erregerspannung beaufschlagbares Spulensystem und ein oder mehrere axial
aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete enthaltendes Magnetsystem.
Eines dieser Systeme ist Bestandteil eines Stators, das andere System
ist Bestandteil eines relativ zu dem Stator beweglichen Abtriebsteiles.
Durch Erre gung des Spulensystems kann eine lineare Relativbewegung
zwischen dem Abtriebsteil und dem Stator hervorgerufen werden.
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Bei einem aus der
US 4 460 855 bekannten Linearantrieb
sind die einzelnen Spulen der Spulenanordnung gruppenweise zusammengefasst,
wobei sie innerhalb der einzelnen Spulengruppen von einer durchgängigen Wicklung
gebildet sind. Die Herstellung dieser durchgängigen Wicklung ist relativ
aufwendig.
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In der
DE 197 09 044 A1 wird ein
Linearmotor beschrieben, dessen Statorspule aus hintereinander geschalteten
Einzelspulen besteht. Für
die Kommutierung sind Leiterschleifen herausgeführt und mit einer Steuerschaltung
verbunden. Nähere
Angaben über
die praktische Realisierung eines solchen Aufbaus enthält die
DE 197 09 044 A1 jedoch
nicht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein eine hohe Leistungs- bzw. Energiedichte ermöglichendes
Spulensystem zu schaffen, das sich einfach herstellen lässt. Ferner
soll ein mit einem solchen Spulensystem ausgestatteter elektrodynamischer
Lineardirektantrieb vorgeschlagen werden. Außerdem soll ein zur Herstellung
eines Spulensystems besonders geeignetes Verfahren vorgeschlagen
werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem
Spulensystem, insbesondere für
einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb, mit einer Spulenanordnung
bestehend aus mehreren koaxial aufeinan derfolgend angeordneten Einzelspulen
und mit einem längs
der Spulenanordnung verlaufenden Platinenstreifen, der eine elektrische
Schaltung mit vorgegebenen Kontaktierungsstellen aufweist, mit denen
die Drahtenden jeder Einzelspule unter gleichzeitiger Fixierung am
Platinenstreifen kontaktiert sind.
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Die Aufgabe wird überdies durch ein Herstellungsverfahren
gelöst,
bei dem vorgefertigte Einzelspulen mit ihren beiden Drahtenden unter
gleichzeitiger Kontaktierung an einem eine elektrische Schaltung
aufweisenden Platinenstreifen so fixiert werden, dass sich der Platinenstreifen
längs der
Spulenanordnung erstreckt.
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Die Erfindung wird ferner gelöst durch
einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb, mit einer als Stator
ausgebildeten ersten Komponente und einer relativ zu dem Stator
linear beweglichen, als Abtriebsteil ausgebildeten zweiten Komponente,
wobei eine der Komponenten ein Spulensystem des vorgenannten Aufbaues
aufweist und die andere Komponente mit einem ein oder mehrere axial
aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete enthaltenden und
insbesondere koaxial zu dem Spulensystem angeordneten Magnetsystem
ausgestattet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spulensystem kann
die gewünschte
Verschaltung der Einzelspulen vor deren Installation durch Realisierung
entsprechender Leiterzüge
in jeder beliebigen Gestalt auf dem Platinenstreifen realisiert
werden. Anschließend sind
die Einzelspulen lediglich noch mit ihren Drahtenden an den vorgegebenen
Kontaktierungsstellen der Schaltung zu kontaktieren, wobei gleichzeitig
die Fixierung am Platinenstreifen erfolgt. Dadurch ergibt sich eine
Baueinheit, innerhalb der die Einzelspulen unter koaxialer Anordnung
an dem der Spulenanordnung entlang laufenden Platinenstreifen befestigt und
zugleich kontaktiert sind. Diese Baueinheit kann anschließend sehr
einfach am Einsatzort installiert werden, beispielsweise zur Bildung
eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes.
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Da zur Realisierung der Anordnung
kein Wickelkörper
erforderlich ist, auf den die Einzelspulen aufgewickelt werden,
können
die Einzelspulen sehr nahe nebeneinander liegen und sich sogar berühren. Auf
diese Weise sind die Luftspalte auf ein Minimum reduziert und kann
eine hohe Leistungs- bzw. Energiedichte erzielt werden.
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Die Anordnung aus Platinenstreifen
und daran fixierten Einzelspulen kann eine selbsttragende Baueinheit
darstellen.
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Bevorzugt handelt es sich bei den
Einzelspulen um identisch aufgebaute Spulen. Dadurch kann auf Basis
standardisierter Einzelteile eine sehr kostengünstige Herstellung erfolgen.
Bei den Einzelspulen handelt es sich zweckmäßigerweise um Backlackspulen.
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An den Kontaktierungsstellen verfügt der Platinenstreifen
zweckmäßigerweise über Kontaktierungslöcher. In
der Längsrichtung
des Platinenstreifens sind vorzugsweise aufeinanderfolgende Paare von
Kontaktierungslöchern
vorgesehen, die durch Leiterbahnen des Platinenstreifens in einem
bestimmten Schaltungsmuster verschaltet sind und in die die Drahtenden
der Einzelspulen eingesteckt und mit der Schaltung verlötet sind.
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Die Schaltung kann so ausgebildet
sein, dass die Einzelspulen zu mehreren Spulengruppen verschaltet
sind. Beispielsweise können
auf diese Weise zwei oder drei Spulengruppen definiert werden, wobei
die Einzelspulen der einzelnen Spulengruppen abwechselnd aufeinanderfolgend
angeordnet sind. Bei Beaufschlagung mit einer getakteten Erregerspannung
wird ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, das in Verbindung mit einem
Linearantrieb zur Erzeugung der Antriebskraft herangezogen werden kann.
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Der Platinenstreifen befindet sich
zweckmäßigerweise
am Außenumfang
der Spulenanordnung, wobei er an diesem Außenumfang vorzugsweise unmittelbar
anliegt.
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Bevorzugt ist ein zu der Spulenanordnung koaxiales
Rückschlussteil
vorgesehen, das eine längsverlaufende
Aussparung aufweist, in der sich der Platinenstreifen erstreckt.
Auf diese Weise kann das Rückschlussteil
ohne Behinderung durch den Platinenstreifen in unmittelbarer Nähe der Spulenanordnung
platziert werden. Bei dem Rückschlussteil handelt
es sich beispielsweise um ein die Spulenanordnung umschließendes Rohr,
das zur Bildung der Aussparung längs
geschlitzt ist.
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Um der Anordnung eines gewisse Stabilität zu verleihen,
sind die Zwischenräume
zwischen dem Rückschlussteil,
den Einzelspulen und dem Platinenstreifen zweckmäßigerweise mit einer Gießmasse ausgefüllt. Die
erwähnten
Komponenten werden dadurch in ihrer Relativlage fixiert.
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Zur Zentrierung können die Einzelspulen auf einem
die Spulenanordnung durchsetzenden, elektrisch nicht leitenden Rohr
sitzen. Bevorzugt wird ein Kunststoffrohr verwendet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1 eine
bevorzugte Bauform eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes,
der mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
und in erfindungsgemäßer Weise
ausgebildeten Spulensystem ausgestattet ist,
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2 einen
Längsschnitt
durch den elektrodynamischen Lineardirektantrieb der 1 unter Weglassung des bei
der Bauform gemäß 1 um die Spulenanordnung
herum platzierten Schutzrohres,
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3 einen
Querschnitt durch die Anordnung aus 2 gemäß Schnittlinie
III-III,
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4 das
bei dem Linearantrieb der 1 bis 3 verwendete Spulensystem
im Längsschnitt ohne
Darstellung des Rückschlussteiles,
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5 die
Anordnung aus 4 in einer
seitlichen Draufsicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil V, und
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6 eine
vergrößerte Teildarstellung
des Spulensystems zur Verdeutlichung der Befestigungsweise der Einzelspulen
an dem Platinenstreifen.
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Die 1 bis 3 zeigen einen elektrodynamischen
Lineardirektantrieb 1, der einen gehäuseartig ausgebildeten Stator 4 und
ein relativ zu dem Stator 4 linear bewegliches Abtriebsteil 8 aufweist.
Die Längsachse
des Stators 4 ist bei 5 angedeutet. Die mit der
Richtung der Längsachse 5 zusammenfallende
mögliche
Linearbewegung 12 des Abtriebsteiles 8 ist durch
einen Doppelpfeil kenntlich gemacht.
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Der Stator 4 ist mit einem
Spulensystem 2 ausgestattet, das über mehrere koaxial aufeinanderfolgend
angeordnete Einzelspulen 3 verfügt. Die Gesamtheit der derart
angeordneten Ein zelspulen 3 sei als Spulenanordnung 9 bezeichnet.
Deren Längsachse 10 fällt mit
der Längsachse 5 des
Stators 4 zweckmäßigerweise
zusammen. Die 4 bis 6 verdeutlichen den Aufbau
der Spulenanordnung 9 besonders.
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In noch zu schildernder Weise sind
die Einzelspulen 3 elektrisch zu mehreren Spulengruppen verschaltet.
Beim Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Verschaltung zu drei Spulengruppen. Diese Spulengruppen
könnte
man auch als Spulenstränge
bezeichnen. Innerhalb einer Spulengruppe befindliche Einzelspulen 3 sind
in Reihe geschaltet.
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Die Einzelspulen 3 der verschiedenen
Spulengruppen sind so angeordnet, dass sich in der Richtung der
Längsachse 10 eine
abwechselnde Aufeinanderfolge ergibt. Auf eine Einzelspule 3a der einen
Spulengruppe folgt eine Einzelspule 3b der zweiten Spulengruppe,
auf die eine Einzelspule 3c der dritten Spulengruppe folgt.
Diese Reihenfolge wiederholt sich. Man könnte die einzelnen Spulengruppen
auch als Bestandteile von Spulenteilsystemen bezeichnen.
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Mittels nicht näher dargestellter Ansteuerungsmittel
kann das Spulensystem 2 mit einer getakteten Erregerspannung
beaufschlagt werden, wobei die verschiedenen Spulengruppen in zeitlichem Abstand
zueinander wiederkehrend elektrisch erregt werden. Auf diese Weise
wird ein in Richtung der Längsachse 10 des
Spulensystems 2 wanderndes Magnetfeld erzeugt.
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Der Lineardirektantrieb 1 ist
ferner mit einem permanentmagnetischen Magnetsystem 6 ausgestattet.
Dieses enthält
ein oder, gemäß dem Ausführungsbeispiel,
mehrere axial aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete 7,
die bevorzugt ringförmig
ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise
liegt eine radiale Polarisierung der Permanentmagnete 7 vor,
wobei unmittelbar benachbarte Permanentmagnete 7 einander
entgegengesetzt gepolt sind.
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Das Magnetsystem 6 befindet
sich im Innenraum des Spulensystems 2 und wird von diesem
koaxial umschlossen. Dabei ist es als Bestandteil des Abtriebsteiles 8 ausgeführt.
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Abweichend von dieser Bauform eines
Lineardirektantriebes wäre
es auch möglich,
das Magnetsystem am Außenumfang
des Spulensystems anzuordnen. Auch könnten die Funktion von Stator 4 und Abtriebsteil 8 vertauscht
sein.
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Das Magnetsystem 6 ist an
einem ein Rückschlußteil bildenden
Magnetträger 13 befestigt,
der beim Ausführungsbeispiel
stangenförmig
ausgebildet ist und an einer Stirnseite aus dem hohlzylindrischen Spulensystem 2 heraus
ragt. Stirnseitig ist er mit Befestigungsmitteln 14 zur
Befestigung eines zu bewegenden Gegenstandes versehen.
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Das Spulensystem 2 ist mit
einem aus 1 und 3 ersichtlichen Rückschlussteil 15 ausgestattet, das
den magnetischen Rückschluss
der Magnetfelder begünstigt.
Es ist auf der dem Magnetsystem 6 radial entgegengesetzten
Seite der Spulenanordnung 9 platziert und befindet sich
beim Ausführungsbeispiel
am Außenumfang
derselben.
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Bevorzugt ist das aus ferromagnetischem Material
bestehende Rückschlussteil 15 von
einem rohrförmigen
Körper 15a gebildet,
der die Spulenanordnung 9 koaxial umschließt. Das
Rückschlussteil 15 und
die Spulenanordnung 9 sind in der Längsrichtung relativ zueinander
unbeweglich.
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Das Rückschlussteil 15 kann,
wie in 1 abgebildet,
von einem Hüllrohr 16 umgeben
sein. Dieses stellt praktisch das Gehäuse des Lineardirektantriebes 1 dar.
Es dient vor allem dem Schutz der enthaltenen elektrischen und elektronischen
Komponenten. Bei Bedarf kann es auch zur Fixierung des Stators 4 verwendet
werden.
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Wird das Spulensystem 2 mit
einer getakteten Erregerspannung beaufschlagt, kooperieren die elektromagnetischen
Felder mit den permanentmagnetischen Feldern des Magnetsystems 6 und
rufen die Linearbewegung 12 des Magnetsystems 6 und somit
des mit diesem ausgestatteten Abtriebsteils 8 relativ zum
Spulensystem 2 und dem mit diesem ausgestatteten Stator 4 hervor.
Diese Linearbewegung lässt
sich abgreifen, um beispielsweise einen Gegenstand zu bewegen. Einsatzmöglichkeiten
ergeben sich unter anderem auf dem Sektor der Automatisierungstechnik
im Zusammenhang mit Fertigungs- und Montageaufgaben.
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Der Lineardirektantrieb ist in der
Lage, hohe Stellkräfte
auszuüben.
Mit ein Grund hierfür
liegt in der hohen Energiedichte des Spulensystems 2. Dies ist
auf ein Minimum an Luftspalten zurückzuführen, unter anderem bedingt
durch die Tatsache, dass axial beabstandete Einzelspulen 3 ohne
oder mit nur marginalem Zwischenraum nebeneinander angeordnet sind.
Während
konventionelle Linearmotoren meist über ein Spulensystem verfügen, bei
dem die Spulen auf einem gesonderten und meist aus Kunststoffmaterial
bestehenden formstabilen Spulenträger gewickelt sind, wird bei
dem vorliegenden Lineardirektantrieb auf einen solchen Spulenträger verzichtet.
Dadurch entfällt
auch die bei solchen Spulenträgern übliche Trennwand
zwischen benachbarten Spulen.
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Die Details des Spulensystems 2 gehen
besonders gut aus 3 bis 6 hervor. Demnach erstreckt
sich am Außenumfang
des Spulensystems 2 entlang diesem ein Platinenstreifen 17,
der eine in 6 angedeutete,
sich aus Leiterbahnen zusammensetzende elektrische Schaltung 18 trägt. Bei
Bedarf kann die elektrische Schaltung auch elektronische Komponenten
enthalten. Der Platinenstreifen 17 erstreckt sich über die
gesamte Länge
der Spulenanordnung 9, wobei er zweckmäßigerweise am Außenumfang
der Spulenanordnung 9 und somit am Außenumfang jeder Einzelspule 3 anliegt.
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Die Einzelspulen 3 sind
untereinander identisch ausgebildet und können Standardspulen sein, wie
sie im Stand der Technik verfügbar
sind. In Abhängigkeit
von der elektrischen Ansteuerung kann vorgesehen sein, dass die
verschiedenen Einzelspulen 3 teilweise mit einander entgegengesetzten
Wicklungsrichtungen ausgestattet sind. Vorzugsweise ist jedoch die
Wickelrichtung der Einzelspulen 3 untereinander immer gleich,
wobei durch die Verschaltung auf dem Platinenstreifen 17 bei
Bedarf ein Stromfluß in
die andere Richtung erzeugt werden kann.
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Jede Einzelspule 3 besteht
aus einem gewickelten Spulendraht, wobei die Wicklung so gewählt ist,
dass die beiden Drahtenden 22a, 22b (6) etwa im gleichen Umfangsbereich
der Einzelspule 3 platziert sind. Sie ragen dort etwa radial
nach außen, wobei
sie über
den eigentlichen Spulenkörper 23 vorstehen.
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An dem Platinenstreifen 17 sind,
in einem vorbestimmten Verteilungsmuster in seiner Längsrichtung
verteilt, zu der elektrischen Schaltung 18 gehörende Kontaktierungsstellen 24 vorgesehen.
Beim Ausführungsbeispiel
sind die Kontaktierungsstellen 24 von Kontaktierungslöchern 24a gebildet,
die den Platinenkörper
quer zu seiner Hauptausdehnungsebene durchsetzen. Ihre Wandung ist
zweckmäßigerweise
metallisiert.
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Die Kontaktierungslöcher 24a sind
einander paarweise zugeordnet, wobei in ein jeweiliges Kontaktlöcherpaar 24 die
beiden Drahtenden 22a, 22b einer Einzelspule 3 eingesteckt
sind. Durch Verlöten sind
die Drahtenden 22a, 22b mit der Schaltung 18 elektrisch
kontaktiert und dabei gleichzeitig mechanisch am Platinenstreifen 17 fixiert.
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Um die geschilderte Zuordnung der
Einzelspulen 3 zu unterschiedlichen Spulengruppen zu erhalten,
sind die Kontaktierungsstellen 24 bzw. Kontaktierungslöcher 24a durch
die Leiterbahnen der elektrischen Schaltung 18 in dem erforderlichen Schaltungsmuster
untereinander elektrisch verschaltet. Es ist offensichtlich, dass
somit durch Verwendung unterschiedlich verschalteter Platinenstreifen 17 beliebige
Schaltungsfunktionalitäten
in Bezug auf die Einzelspulen 3 realisiert werden können, ohne dass
sich dies auf die Kontaktierung und Fixierung der Einzelspulen 3 selbst
auswirkt. Es besteht daher eine hohe Flexibilität bei der Herstellung. Da ungeachtet
der gewählten
Verschaltung stets die gleiche Art von Einzelspulen 3 verwendet
werden kann, ergeben sich hohe Synergieeffekte durch mögliche Mehrfachverwendung.
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Die Einzelspulen 3 sind
vorzugsweise als Backlackspulen ausgebildet.
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Für
die Ausgestaltung des Platinenstreifens 17 gibt es verschiedene
Möglichkeiten.
Man kann beispielsweise auf einen starren Platinenkörper zurückgreifen,
so dass der Platinenstreifen 17 seinerseits ein starres
Bauteil ist. Es kann ei nen Mehrschichtaufbau besitzen, wobei auf
und/oder zwischen den einzelnen Schichten die elektrische Schaltung 18 realisiert
wird (Multilayer-Platine). Empfehlenswert ist auch der Einsatz einer
Starr-Flex-Platine, die zweckmäßigerweise
einen über
die gesamte Länge
durchgehenden starren Bestandteil hat, an dem die Kontaktierung
der Einzelspulen 3 vorgenommen wird, und die wenigstens
einen parallel verlaufenden flexiblen Flügel besitzt, der die wesentlichen
Bestandteile der elektrischen Schaltung aufweist.
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Der Platinenstreifen 17 ist
bevorzugt so am Außenumfang
des Spulensystems 2 angeordnet, dass seine Hauptausdehnungsebene
tangential zum Außenumfang
der Spulenanordnung 9 verläuft (3).
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Das am Außenumfang der Spulenanordnung 9 platzierte
rohrförmige
Rückschlussteil 15 verfügt im Bereich
des Platinenstreifens 17 über eine längs verlaufende Aussparung 25,
in der sich der Platinenstreifen 17 erstreckt. Bevorzugt
ist die Aussparung 25 von einem Längsschlitz des rohrförmigen Körpers 15a gebildet.
Der Platinenstreifen 17 wird von der Aussparung 25 aufgenommen,
so dass der Innendurchmesser des rohrförmigen Rückschlussteils 15 im übrigen so
gewählt
werden kann, dass das Rückschlussteil 15 unmittelbar
am Außenumfang
der Spulenanordnung 9 anliegt. Dadurch werden die Luftspalte
auf ein Minimum reduziert.
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Der Abstand zwischen unmittelbar
benachbarten Einzelspulen 3 beschränkt sich auf den Durchmesser
des Spulendrahtes und wird hervorgerufen durch den von radial innen
nach radial außen
geführten
einen Drahtendabschnitt 26.
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Die Zwischenräume zwischen dem Rückschlussteil 15,
den Einzelspulen 3 und dem Platinenstreifen 17 werden
zweckmäßigerweise
mit einer Gießmasse 28,
beispielsweise ein Kunstharz, ausgefüllt. Dadurch werden die erwähnten Komponenten relativ
zueinander ortsfest fixiert.
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Um zu verhindern, dass die Gießmasse 28 in den
Innenraum der Spulenanordnung 9 eintritt, sitzen die Einzelspulen 3 zweckmäßigerweise
auf einem die Spulenanordnung 9 koaxial durchsetzenden, elektrisch
nicht leitenden Rohr 27. Das Rohr 27 besteht bevorzugt
aus Kunststoffmaterial. Dieses Rohr 27 kann auch zur Zentrierung
der Einzelspulen 3 beitragen. In Verbindung mit dem Lineardirektantrieb
bildet es zudem die Lauffläche
für das
Abtriebsteil 8.
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Bei der Herstellung des Spulensystems 2 wird
zunächst
ein Platinenstreifen 17 bereitgestellt, der die gewünschte elektrische
Schaltung 18 mit den entsprechenden Kontaktierungsstellen 24 bzw.
Kontaktierungslöchern 24a aufweist.
Anschließend
werden die Einzelspulen 3 mit ihren Drahtenden 22a, 22b in
die zugeordneten Kontaktierungslöcher 24a eingesteckt
und in deren Bereich mit der Schaltung verlötet. Prinzipiell könnten die
Einzelspulen 3 nacheinander eingesteckt und jeweils unmittelbar
anschließend
verlötet
werden. Als rationeller wird jedoch ein Verfahren gesehen, bei dem
zunächst
die Drahtenden 22a, 22b sämtlicher Einzelspulen 3 in den
Platinenstreifen 17 eingesteckt werden, um anschließend, in
einem gemeinsamen Lötvorgang
an den Platinenstreifen 17 angelötet zu werden.
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Das Rohr 27 kann noch vor
dem Verlöten
zur Zentrierung der Einzelspulen 3 eingesteckt werden.
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Nach dem Verlöten wird die aus den Einzelspulen 3 und
den Platinenstreifen 17 bestehende Baueinheit, die zweckmäßigerweise
selbsttragend ist, in das Rückschlussteil 15 eingesteckt.
Anschließend
oder bereits vorher wurde bzw. wird das Rohr 27 in das
Spulensystem 2 eingeführt.
In einem weiteren Schritt werden die Zwischenräume zwischen den Einzelspulen 3,
dem Rohr 27, dem Rückschlussteil 15 und
dem in die Aussparung 25 eintauchenden Platinenstreifen 17 mit
der Gießmasse 28 ausgegossen.
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Das derart vorbereitete Spulensystem 2 kann
nun dem eigentlichen Verwendungszweck zugeführt werden, beispielsweise
zum Aufbau eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes der geschilderten
Art.