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Die
Erfindung betrifft eine elektrodynamische Antriebsvorrichtung mit
einer Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Flusses und wenigstens zwei
voneinander getrennten elektrischen Leitereinheiten.
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Derartige
Antriebsvorrichtungen sind auch als Aktoren bekannt, welche elektrische
Energie in mechanische Energie umwandeln. Solchen Aktoren kann eine
Kinematik nachgeschaltet werden, welche mechanische Energie in eine
gewünschte
Bewegung umwandelt. Im Blickfeld der Erfindung sind Antriebsvorrichtungen,
welche eine Rotation um eine Achse und eine Translation insbesondere
in Achsrichtung kombinieren können.
Dabei soll die translatorische sowie rotatorische Bewegung unabhängig voneinander
veranlasst werden können.
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Zur
Realisierung einer derartigen kombinierten Rotations- und Translationsbewegung
sind im wesentlichen zwei Lösungsansätze bekannt.
Die sogenannte serielle Anordnung zweier Aktoren zeichnet sich dadurch
aus, daß einer
der Aktoren von dem anderen mitbewegt wird. Bei der sogenannten
parallelen Aktorenanordnung sind beide Aktoren gestellfest positioniert.
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Hinsichtlich
der seriellen Aktorenanordnung hat es sich als nachteilig erwiesen,
daß die
Dynamik der Anordnung aufgrund der hohen Masse des mitbewegten Aktors
stark beeinträchtigt
wird. Ein ungünstiges
Verhältnis
zwischen Arbeitsraum und Bauraum erweist sich bei der parallelen
Anordnung der Aktoren als besonders nachteilig. Die Stellwege der Aktoren
müssen
aufgrund baulicher Zwänge
transformiert werden, wodurch sich auch tote Raumbereiche ergeben
können,
also Bereiche, welche von keinem der Aktoren erreicht werden können.
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Sowohl
die parallele als auch die serielle Anordnung leiden unter sehr
hohen Eigenimpedanzen, also hohen Reibungsverlusten, was insbesondere bei
der Verwendung eines Antriebssystems für Systeme nachteilig ist, bei
denen eine sensible Kraft- und Bewegungsübertragung erforderlich ist.
In diesem Zusammenhang sei auf das Gebiet von haptischen Bedieneinrichtungen
sowie von Lagerungen verwiesen, bei denen ein Lagerspiel durch eine
definierte Kraftvorspannung einzustellen ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine elektrodynamische Antriebsvorrichtung
zu schaffen, die bei einer geringen Eigenimpedanz einen strukturell
einfachen Aufbau aufweist, wobei eine sensible Krafteinstellung
in einer Rotations- und Translationsrichtung sichergestellt sein
soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach
ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Fluß vorgesehen, welcher
insbesondere als Magnet ausgeführt
ist. Die wenigstens zwei Leitereinheiten sind der Einrichtung zugeordnet
und liegen im magnetischen Flußfeld
der Einrichtung. Zum Erzeugen der die gewünschten Bewegungen veranlassenden
Kräfte,
die in beliebiger Stärke
entwickelt werden können,
werden die beiden Leitereinheiten mit Strom gespeist. Die wenigstens zwei
Leitereinheiten sind eigenständige
Bauelemente, die zur Bildung wenigstens zweier von einander getrennter
Stromkreise ausgelegt sind.
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Um
die gewünschten
Rotations- und Translationsbewegungen oder -kräfte an ein mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
betriebsmäßig zusammenwirkendes
Bauteil weiter übertragen
zu können,
ist entweder die Einrichtung oder die wenigstens zwei Leitereinheiten,
die insbesondere eine strukturelle Einheit bilden können, zum
Ausführen
einer kombinierten Translations- und Rotationsbewegung gelagert.
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Für die kombinierte
Bewegung sind zumindest eine Kraft in der gewünschten Translationsrichtung,
die durch den von der Lagerung zugelassenen Bewegungsfreiheitsgrad
bestimmt ist, und ein Drehmoment um die gewünschte Rotationsachse, die ebenfalls
die Lagerung definiert, zu erzeugen. Vorzugsweise sind hierfür die wenigstens
zwei Leitereinheiten derart anzuordnen, daß der Strom in den Leitereinheiten
das magnetische Feld in einer Richtung durchläuft, die mit Rotationsachse
einen nicht vernachlässigbaren
Winkel, insbesondere größer 5°, bildet.
Vorzugsweise weist die Stromrichtung eine Richtungskomponente parallel
zur Rotationsachse auf.
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Durch
Einspeisen von Strom in die Leitereinheiten wird nach dem Induktionsgesetz
eine Lorentzkraft erzeugt, wobei durch die besondere Anordnung der
Leitereinheiten wenigstens zwei Kraftkomponenten hervorgerufen werden,
wobei eine die translatorische Bewegung ver anlasst und die andere
in einem Abstand zu einer Rotationsachse wirkt, um das für die Rotationsbewegung
notwendige Drehmoment zu erzeugen.
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Die
wenigstens zwei Leitereinheiten sind derart in dem Magnetflußfeld der
Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen Fluß anzuordnen, daß die sich
entwickelnden Kraftbeträge
gegenseitig kompensieren und je nach Bedarf kontinuierlich einstellen
lassen. Hinsichtlich der Abstimmbarkeit der zu erzeugenden Kräfte an der
Einrichtung oder den wenigstens zwei Leitereinheiten wird auf die
entsprechende Textstelle im Anschluß verwiesen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die translatorische
Bewegungsrichtung parallel zur Rotationsachse, insbesondere fällt die translatorische
Bewegungsrichtung mit der Drehachse zusammen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist entweder die Einrichtung zum Erzeugen des magnetischen
Flusses oder die wenigstens zwei Leitereinheiten unbeweglich relativ
zu einem ortsfesten Punkt der Antriebsvorrichtung festgelegt. In
diesem Fall sind vorzugsweise die wenigstens zwei Leitereinheiten
relativ zur beweglich gelagerten Einrichtung ortsfest angeordnet.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens
zwei Leitereinheiten jeweils durch mehrere voneinander elektrisch
separierte Leiterelemente gebildet, die vorzugsweise jeweils zwei unverbundene
freie Enden aufweisen. Die Leiterelemente können als Drahtabschnitte ausgebildet
sein, die dicht nebeneinander angeordnet sind und sich insbesondere
im wesentlichen in die gleiche Richtung erstrecken. Dabei könnnen die
Leiterelemente der einen Leitereinheit mit den Leiterelementen der anderen
Leitereinheit ein Leiterelementgeflecht bilden. Die Erstreckungsrichtungen
der beiden Leiterelementgruppen bilden zueinander insbesondere im Kreuzungsbereich
einen Winkel, vorzugsweise einen rechten Winkel.
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In
einer besonderen Ausführung
der Erfindung sind zwei Leitereinheiten vorgesehen, die jeweils
eine durch spiralartige Leiterelemente gebildete Zylinderstruktur
bilden. Dabei kann der Durchmesser der einen Zylinderstruktur größer als
der der anderen Zylinderstruktur sein, so daß beide Zylinderstrukturen übereinander
gebracht eine zylindrische Leiterstruktur darstellen. Vorzugsweise
sind die spiralartigen Leiterelemente der einen Zylinderstruktur
mit einem bestimmten Drehsinn um einen im wesentlichen zylindrischen
Magneten angeordnet, während
sich die spiralartigen Elemente der anderen Zylinderstruktur in
einem entgegengesetzten Drehsinn um den Magneten erstrecken. Bei
der Überlagerung
beider zylindrischen Leiterstrukturen ergeben sich damit überlagerte
Kreuzungsbereiche unter Ausbildung eines Winkels von vorzugsweise
90°. Ein
spiralartiges Leiterelement der einen Zylinderstruktur und ein spiralartiges
Leiterelement der anderen Zylinderstruktur können an ihren freien Enden
aufeinanderzulaufen, insbesondere gemeinsame freie Enden aufweisen.
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In
einer weiteren detaillierten Ausführung der Erfindung sind spiralartige
Leiterelemente derart ausgelegt, daß sie von ihrem einen Ende
zum anderen den halben Umfang der Zylinderstruktur beschreiben.
Vorzugsweise sind mehrere der spiralartigen Leiterlemente zu einem
Leitersegment zusammengefasst, wobei mehrere Leitersegmente, insbesondere
vier Leitersegmente oder mehr, eine insbesondere zylindrische Leitereinheit
bilden. Bei einer Leitereinheit mit vier Leitersegmenten sind vier
Kontaktbereiche vorzugsweise an den freien Enden der Leiterelemente
vorgesehen, die als Einspeisbereiche für den Strom dienen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind jedem der einzelnen Leitersegemente eine Stromquelle
zugeordnet, die separat ansteuerbar ist. Der gewünschte Strombetrag hängt von
einigen Regelgrößen ab,
die bei der Bestimmung des Betrags zu berücksichtigen sind.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung basieren die wenigstens zwei Leitereinheiten dem Aufbau
nach auf einem Glockenanker-Motor, bei dem ein eisenloser Anker
vorgesehen ist, der in Form einer drahtgewickelten Glocke zum Rotieren um
einen innenliegenden Permanentmagneten ausgelegt ist. Die Kommutierung
erfolgt über
Bürsten und
einen Kollektor.
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Eine
derartige drahtgewickelte Glocke und deren Herstellung sind beispielsweise
in der Schweizer Patentschrift 424 953 beschrieben. Zur Realisierung
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
mit voneinander separierten Leitersegmenten ist das durch Abwicklung
eines Drahts hergestellte Wicklungsgeflecht des Glockenankers dahingehend
abzuwandeln, daß die
einzelnen Windungen beispielsweise an dem Glockenankerende, also
am Wendepunkt der Wicklung, durchtrennt, insbesondere durchschnitten,
werden, um separate Leiterelemente zu erhalten, die jeweils ein
Teil eines unabhängigen Stromkreises
bilden können,
die von unabhängigen Stromquellen
gespeist werden können.
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Die
dadurch geschaffene Glockenankerwicklung mit eigenständigen Leiterelementen
kann segmentweise am Umfang abgegriffen, kontaktiert und segmentweise
bestromt werden, wobei die kontaktierten Leitersegmente einen Teil
eines an die modellierte Ankerwicklung angelegten Stromkreises bilden. Durch
das Separieren der Leiterelemente und das segementweise Anlegen
mehrerer Stromquellen können
mehrere Stromkreise in der abgewandelten Ankerwicklung erzeugt werden,
wodurch ein großes Spektrum
an Kräften
hervorgerufen werden kann.
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Mit
der Bestromung wird eine Kraft in der Hauptausdehnungsrichtung,
der Axialrichtung, der modifizierten Wicklung unabhängig von
dem erzeugten Drehmoment um die Axialrichtung erzeugt. Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
kann es offen bleiben, ob der Magnet oder die modifizierte Glockenankerwicklung
je nach Lagerung die gewünschte
kombinierte Rotations- und Translationsbewegung vollzieht.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird ob der besseren Kontaktierbarkeit der Wicklung
der Magnet als das die gewünschte
Kombination aus Rotations- und Translationsbewegung vollziehende
Element genutzt.
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Um
ein kontinuierliches Moment und eine kontinuierliche Kraft zu erzeugen
kann es notwendig sein, den Strom in den entsprechenden Wicklungssegmenten
der Position der Einrichtung, nämlich
des Magneten, nachzuführen.
Dies kann passiv durch Kommutierung oder aktiv durch die Erfassung
der Position des Magneten relativ zur Wicklung geschehen. Entsprechend
der erfassten Position kann das Leitersegment bestromt werden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Sensor vorgesehen,
der die relative Position der Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfluß zum ortsfesten
Punkt der Antriebsvorrichtung oder zu den wenigstens zwei Leitereinheiten
detektiert. Dieser Sensor kann vorzugsweise als Winkelpositionssensor
und/oder als Abstandssensor ausgeführt sein.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung umfasst die Antriebsvorrichtung eine Regeleinrichtung,
welche die entsprechenden kombinierten Translations- und Rotationskräfte einstellen
oder abstimmen kann. Als Regelparameter stehen die Stromstärke, die
Wahl eines entsprechenden Leitersegements der jeweiligen Leitereinheit
sowie der Einspeisort an der jeweiligen Leitereinheit oder des jeweiligen
Leitersegments zur Verfügung.
Ferner kann die gewünschte
Kraft aufgrund der Position der Einrichtung zur Erzeugung von Magnetfluß relativ
zu den wenigstens zwei Leitereinheiten bestimmt werden.
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Zudem
betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
für ein haptisches
Bedienelement. Desweiteren betrifft die Erfindung die Verwendung
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
für eine
Lageranordnung, bei dem das Lagerspiel mittels einer durch die Antriebsvorrichtung
erzeugten Lagervorspannung einstellbar ist.
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Außerdem betrifft
die Erfindung eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
und einem damit betriebsmäßig zusammenwirkenden
Getriebe, welches die durch die Antriebsvorrichtung erzeugte kombinierte
Rotations- und Translationsbewegung überträgt. Desweiteren kann bei einer
Anordnung mit zwei auf der selben Achse angeordnete Aktoren mittels
der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung
nach dem Prinzip einer Stromwaage eine exakte Position der Einrichtung
zum Erzeugen des magnetischen Fluß oder der wenigstens zwei
Leitereinheiten eingestellt werden.
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Weitere
Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
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1 eine Prinzipsskizze der
erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung
des prinzipiellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung;
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3 eine in einer Ebene ausgelegte
Leiterstruktur für
einen zylindrischen Leiteraufbau einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung;
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4 eine schematische perspektivische Darstellung
einer zylindrischen Leiterstruktur einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
wobei für jeder
Leitereinheit lediglich ein spiralartiges Leiterelement dargestellt
ist;
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5 zwei zylindrische Leiterstrukturhälften, die
aus mehreren durch Leiterelemente gebildeten Leitersegmenten bestehen;
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6 eine schematische Querschnittsansicht
und eine Seitenansicht einer Ausführung der beweglich gelagerten
Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Fluß einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung;
und
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7 eine schematische Querschnittsdarstellung
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
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In 1 ist das Grundprinzip der
erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 dargestellt.
Die Antriebsvorrichtung 1 hat einen Magneten 3,
der beispielhaft in 1 quaderförmig ausge bildet
ist, allerdings jede beliebige Gestalt annehmen kann. Der Magnet 3 ist
zweipolig, wobei der Nordpolbereich mit N und der Südpolbereich
mit S bezeichnet ist. Der Magnet 3 erzeugt einen magnetischen
Fluß B,
der durch einen zum Südpol
S hinzeigenden und einen von Nordpol N wegweisenden Pfeile B angedeutet ist.
Der Magnet 3 weist eine Längsrichtung auf, die parallel
zur X-Achse des daneben gezeichneten Koordinatensystem XYZ liegt.
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Benachbart
den ausschließlichen
Polseiten 5, 7 ist jeweils eine im Hinblick auf
die Längsachse
L des Magneten 3 schräg
angeordnete stabförmige Leitereinheit 11, 13 angeordnet,
dessen eines Ende jeweils an einer Gleichstromquelle 15, 17 angeschlossen
und dessen anderes Ende geerdet ist.
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In
der in 1 gezeigten Ausführung ist
der Magnet 3 derart beweglich gelagert, daß er eine Translationsbewegung
in X-Richtung und eine Rotationsbewegung um seine Längsachse
L ausführen kann,
während
die Leitereinheiten 11, 13 ortsfest angeordnet
sind. In anderen Ausführungen
können
die beiden baulich zusammenhängenden
Leitereinheiten als eine Leiterstruktur beweglich gelagert sein,
wobei der Magnet festgelegt ist, wie beispielsweise bei dem oben
genannten Glockenanker-Motor.
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Bei
Einspeisung von Strom, dessen technische Stromrichtung durch die
ausgefüllten
Pfeile 21, 23 angedeutet ist, werden Lorentzkräfte erzeugt,
die sich aufgrund der beweglichen Anordnung des Magneten 3 an
letzterem entfalten können.
Durch die im Hinblick auf die Längsachse
L des Magneten 3 schräge
Anordnung der Leitereinheiten 11, 13 weist der Stromfluß in den
Leitereinheiten 11, 13 eine Flußkomponente
in Z-Richtung sowie eine Flußkomponente
in X-Richtung auf.
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Mit
Hilfe der dargestellten Stromrichtung 21, 23 kann
die Richtung der an dem Magneten 3 angreifenden Kräfte bestimmt
werden. Die Komponente des Stromflusses 21, 23 in
Z-Richtung erzeugt
eine Kraft in positiver X-Richtung, aufgrund derer der Magnet eine
translatorische Bewegung ausführt.
Sollten die beiden Leitereinheiten 11, 13, wie
dargestellt, gleich sinnig durchströmt werden, wirken die beiden von
den jeweiligen Leitereinheiten 11, 13 erzeugten Kräfte in gleicher
X-Richtung, wobei sich deren Beträge aufaddieren.
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Die
Stromflußkomponente
in X-Richtung bewirkt eine Lorentzkraft, die in positiver Z-Richtung an dem Magneten
angreift. Der Betrag der von einer Leitereinheit 11 oder 13,
an dem Magneten 3 angreifenden Kräfte in Z-Richtung sind nicht überall am
Magneten gleich groß,
sondern sind in Y-Richtung ausgehend von der der Leitereinheit 11, 13 zugewandten Seite 5 oder 7 des
Magneten 3 abnehmend verteilt. Beispielsweise bei der Leitereinheit 11 sind
die Kräfte am
größten, welche
an dem Bereich nahe der der Leitereinheit 3 zugewandten
Seite 5 des Magneten 3 angreifen, wobei die Kräfte hin
zur der Leitereinheit 11 abgewandten Seite 7 abnehmen.
Die Kräfteverteilung
Fz,11 ist für die bestromte Leitereinheit 11 dargestellt.
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Die
tatsächliche
das Drehmoment erzeugende, resultierende Kraft (nicht dargestellt)
in Z-Richtung ergibt
sich aus der Überlagerung
von beiden bestromten Leitereinheiten 11, 13.
Wenn beispielsweise beide Leitereinheiten gleichzeitig mit der selben Stromstärke bestromt
werden, heben sich die Kräfte in
Z-Richtung auf und die beiden Kräfte
in X-Richtung ergeben eine maximale resultierende Kraft mit addiertem
Kraftbetrag, sofern der Strom in den Leitereinheiten die gleiche
Strömungsrichtung
aufweist. Wenn allerdings beide Leitereinheiten 11, 13 gleichzeitig
mit der selben Stromstärke
mit entgegengesetzten Stromrichtungen gespeist werden, wird ein maximales
Drehmoment durch die Überlagerung
der einzelenen Drehmomente der Leitereinheiten 11, 13 erzeugt,
während
sich die beiden in X-Richtung hervorgerufenen Kräfte gegenseitig aufheben, so
daß nur
eine Rotationsbewegung erzeugt wird. Folglich kann durch die entsprechende
Einstellung der die Leitereinheiten druchfließenden Strombeträge sowie der
Fließrichtung
die gewünschte
kombinierte Translations- und Rotationsbewegung des Magneten 3 erzeugt
werden. Hierfür
sind ansteuerbare Stromquellen 15, 17 vorgesehen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
können
beide Kraftkomponenten, die eine ist verantwortlich für die Translationsbewegung,
die andere für
die Rotationsbewegung des Magneten, unabhängig voneinander beeinflußt werden.
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In 2 ist der prinzipielle Aufbau
einer rotationsförmigen
erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
dargestellt, welche einen im wesentlichen zylindrischen Magnet 103 vorsieht.
Die wenigstens zwei Leitereinheiten 111, 113 bestehen
hier aus mehreren voneinander elektrisch und baulich separierten
Leiterelementen 131, 133, von denen jeweils ein
Leiterelement 131 einer Leitereinheit 111 durch
eine durchgezogene Linie dargestellt ist, während ein Leiterelement 133 der
anderen Leitereinheit 113 strichliert angedeutet ist.
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Die
Leiterelemente 131, 133 haben einen gemeinsamen
Anfangspunkt 135 an einem Zylinderrand und einen gemeinsamen
Endpunkt 137 an dem diametral gegenüberliegenden Zylinderrand.
Die beiden Punkte sind in einem größtmöglichen Abstand voneinander
entfernt. Beide Leiterelemente 131, 133, die aus
Kupferdraht sind, verlaufen spiralartig vom Punkt 135 zu
Punkt 137 entlang der Mantelfläche des Magneten 103.
Dabei ist das Leiterelement 133 im Uhrzeigersinn um den
Magneten 103 gewickelt, wobei das Leiterelement 131 in
einem entgegengesetzten Drehsinn um den Magneten 103 gewunden
ist.
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Bei
einem dem Prinzip gemäß 2 entsprechenden Aufbau
der eine zusammenhängende Leiterstruktur
bildenden Leitereinheiten 111, 113 ist eine Vielzahl
von den spiralartigen Leiterelementen 131, 133 parallel
nebeneinander über
den gesamten Mantelbereich des Magneten 103 verteilt angeordnet,
wobei die Leiterelemente der ersten Leitereinheit über den
Leiterelementen 133 der zweiten Leitereinheit liegen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführung
einer Leiterstruktur 149 ist das Wicklungsgeflecht gemäß 3, das zur Bildung einer
zylindrischen Leiterstruktur 149 aus zwei Leitereinheiten 111, 113 besteht
und in einer Ebene ausgelegt dargestellt ist. Mehrere Leiterelemente 131, 133,
die sich als Drähte mit
zwei freien Enden von einer Längsseite 155 zur gegennüberlei genden
Längsseite 157 der
Leiterstruktur 149 erstrecken, bilden Leitersegmente 151, 153 und 161, 163,
die dreieckig zum Vorschein kommen. Die Leitersegmente 151, 153, 161, 163 sind elektrisch
voneinander separiert und unabhängig voneinander
von einer Stromquelle (nicht dargestellt) ansteuerbar. Um eine sensible
Krafterregung an dem von der Leiterstruktur 149 zu umgebenden
Magneten (nicht dargestellt) hervorzurufen, kann jedes Leitersegment 151, 153, 161, 163 separat
stromeinspeisbare Leiteruntersegmente aufweisen, welche hier nicht
näher dargestellt
sind.
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Ein
prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen zylindrischen Leiterstruktur
ist in 4 dargestellt,
wobei spiralartige Leiterelemente 231, 233 repräsentativ
für die
jeweilige Leitereinheit dargestellt sind. Bei der vollständig ausgeführten Antriebsvorrichtung
sind eine Vielzahl von diesen spiralartigen Leiterelementen 231, 233 parallel
nebeneinander zur Bildung einer zylindrischen Leiterstruktur angeordnet.
In 4 ist eine fiktive
Mittelebene 261 angeordnet, welche als Grenze der beiden
Leitereinheiten oder unter Umständen
baulich als Isolator verstanden werden kann. Die Leiterelemente 231 weisen eine
größere radiale
Erstreckung, also einen größeren Durchmesser,
als die Leiterelemente 233 auf, so daß eine erste zylindrische Leitereinheit
mit Leiterelementen 231 gebildet ist, welche die zylindrische Leitereinheit
aus Leiterelementen 233 vollständig umgibt. Im Kreuzungsbereich
zweier Leiterelemente wird zwischen diesen ein Winkel gebildet,
der vorzugsweise 90° ist.
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In 5 sind symmetrisch ausgebildete
zylindrische Leitereinheitshälften 371 und 373 zur
Bildung einer Leiterstruktur dargestellt. Die Leitereinheitshälften 371 und 373 sind
durch spiralförmig
angeordnete Leiterelemente 331 und 333 gebildet. Mehrere
der jeweiligen Leiterelemente 331 oder 333 bilden
ein Leitersegment 351, 361, von denen in 5 jeweils sechs angedeutet
sind. Jede der zylindrischen Leitereinheitshälften weist Stromeinspeisbereiche 375 bis 381 beziehungsweise 383 bis 389 auf.
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Der
gegenüberliegende
Randbereich der zylindrischen Leitereinheitshälfte ist geerdet. Jeder der Stromeinspeisbereiche 375 bis 389 kann
von einer separaten Stromquelle (nicht dargestellt) belegt werden.
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In 6 ist eine Lageranordnung
für einen Magneten 403 dargestellt,
insbesondere einen rotationssymmetrischen Dauermagneten, der zweipolig ausgeführt ist.
Allerdings können
auch anders geformte, vier- oder mehrpolige Dauermagneten herangezogen
werden. Der Magnet 403 ist auf einer Welle 491 gelagert,
wobei die beidseitige Lagerung ein Verschieben der Welle 491 entlang
der Längsachse
der Welle 491 sowie ein Drehen der Welle 491 um
ihre Achse zuläßt.
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Die
Lagerungen können
in einem Gehäuse 493 vorgesehen
sein. An einer Lagerwand 494 des Gehäuses können Sensoren vorgesehen sein,
wobei in 6 zur Erfassung
der Position des Magneten eine Winkelpositionssensoranordnung 495 mit
Sensoren 496, 497, 498 gezeigt ist, wobei
die Sensoren 496, 497 die Winkelposition des Magneten 403 bestimmen,
während
der Sensor 498 den Abstand des Magneten 403 zum
Gehäuse 493 oder
zur nicht dargestellten Leiterstruktur bestimmt.
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In 7 ist eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
mit einer Magnetanordnung gemäß 6 dargestellt. Um den Magneten 503 herum
ist eine erfindungsgemäße Leiterstruktur 549 angeordnet,
wobei ein Eisenrückschluß 599 an
dem Gehäuse 593 befestigt
ist. Auf der den Magneten 503 zugewandten Seite des Eisenrückschlusses 599 sind
zwei eingenständige
Leitereinheiten 511, 513 vorgesehen.
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Je
nach gewünschter
Antriebsmodalität
werden entsprechende Leitersegmente (nicht näher dargestellt) der jeweiligen
Leitereinheiten 511, 513 bestromt, wobei der Stromeinspeisbereich
an dem Leitersegment entsprechend der von den nicht dargestellten
Sensoren ermittelten Position des Magneten 503 bestimmt
und entsprechend durch Kommutierung nachgeführt werden kann.
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Bei
der in 7 dargestellten
Ausführung der
Antriebsvorrichtung erfolgt die Kontaktierung der jeweiligen Leitereinheiten
außerhalb
des Gehäuses. Bei
der in 4 angedeuteten
Leiterstruktur kann die Kontaktierung der Leiterelemente 231 sowohl
außen als
auch innen erfolgen. Die jeweiligen Leiterelemente 231 sind
jeweils entweder von außen
oder von innen vollständig
frei zugänglich.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können einzeln als auch in beliebigen
Kombinationen für
die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.
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- 1,
101, 501
- Antriebsvorrichtung
- 3,
103, 403, 503
- Magnet
- 5,
7
- Polseite
- 11,
13, 111, 113, 511, 513
- Leitereinheit
- 15,
17
- Stromquelle
- 21,
23
- technische
Stromflußrichtung
- 131,
133, 231, 233, 331, 333
- Leiterelemente
- 13
5
- Anfangspunkt
- 137
- Endpunkt
- 149
- Leiterstruktur
- 151,
153, 351, 161, 163, 361
- Leitersegmente
- 261
- fiktive
Mittelebene
- 371,
373
- Leitereinheitshälfte
- 375
bis 389
- Stromeinspeisbereich
- 491
- Welle
- 493,
593
- Gehäuse
- 495
- Winkelpositionssensoranordnung
- 496
- Sensor
- 497
- Sensor
- 498
- Sensor
- 599
- Eisenrückschluß
- N
- Nordpolbereich
- S
- Südpolbereich
- B
- magnetischer
Fluß
- L
- Längsachse
- FZ,11
- Kraftverteilung
in Z-Richtung