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Die
Erfindung betrifft ein insbesondere für einen elektrodynamischen
Lineardirektantrieb vorgesehenes Spulensystem.
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Aus
der
US 6 064 128 A ist
ein Spulensystem bekannt, das eine Spulenanordnung besitzt, die
aus mehreren koaxial aufeinanderfolgend angeordneten Einzelspulen
besteht, wobei die Einzelspulen in Spulengruppen zu jeweils drei
Einzelspulen angeordnet sind. Längs
der Spulenanordnung verläuft
eine Platine, die eine elektrische Schaltung mit vorgegebenen Kontaktierungsstellen
aufweist. Die Drahtenden jeder Einzelspule sind unter gleichzeitiger
mechanischer Fixierung an der Platine kontaktiert. Es ist ein kastenförmiges Gehäuse vorgesehen,
dass die Wicklungs- bzw. Spulenanordnung koaxial umschließt und eine
von einem Längsschlitz
gebildete längsverlaufende
Aussparung aufweist. Insgesamt ist die erzielbare Leistungs- und Energiedichte
dieses Spulensystems relativ gering, weil sich mit dem erläuterten
Aufbau keine sehr hohen Stellkräfte
erzeugen lassen.
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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 Erregung 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 A 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.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit einem Spulensystem, insbesondere für einen
elektrodynamischen Lineardirektantrieb, mit einer in einem Gehäuse untergebrachten
Spulenanordnung bestehend aus mehreren koaxial aufeinanderfolgend
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 mechanischer Fixierung am Platinenstreifen
kontaktiert sind, wobei das Gehäuse
von einem als rohrförmiger
Körper
ausgebildeten Rückschlussteil
gebildet ist, das die Spulenanordung koaxial umschließt und das
eine von einem Längsschlitz
gebildete, längs
verlaufende Aussparung aufweist, in der sich der Platinenstreifen
erstreckt.
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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 an schließend 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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Es
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 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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Das
Spulensystem kann als Bestandteil eines elektrodynamischen Linearantriebes
ausgebildet sein, der eine als Stator ausgebildete erste Komponente
und eine relativ zu dem Stator linear bewegliche, als Antriebsteil
ausgebildete zweite Komponente aufweist, wobei eine der Komponenten
mit dem Spulensystem 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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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 er findungsgemäßer 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.