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TECHNISCHES GEBIET
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Die offenbarte Form der Ausführung betrifft einen Linearmotor.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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In dem Patentliteraturdokument 1 ist eine Technik beschrieben, bei der der Bewegungsweg S bei einem zylinderförmigen Linearmotor mit einem festen Element, wobei eine Anzahl von n ringförmigen Spulen in der Achsenrichtung parallel angeordnet ist, und einem beweglichen Element, das einen Dauermagnetaufbau umfasst, der wenigstens einen Dauermagnet aufweist, bei einer Länge der ringförmigen Spule in der Achsenrichtung von C und einer Länge des Dauermagnetaufbaus in der Achsenrichtung von M höchstens (n × C – M) beträgt.
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LITERATUR DER VORLÄUFERTECHNIK
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PATENTLITERATURDOKUMENTE
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- Patentliteraturdokument 1: Patentschrift Nr. 4551157
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE, DIE DIE ERFINDUNG LÖSEN SOLL
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Bei dem Linearmotor des oben genannten Patentliteraturdokuments ist es zur Sicherstellung des Bewegungswegs erforderlich, eine Beziehung von (n × C > M) einzurichten. Dies führt zu den folgenden Problemen.
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Wenn zum Beispiel ein Drehstromsynchron-Linearmotor ausgeführt wird, entsteht ein Aufbau, bei dem die Länge in der Achsenrichtung von drei Spulen (3 × C) im Allgemeinen dem Magnetpolabstand (τ) der Dauermagnete ungefähr gleich ist. Wenn nun die Anzahl der Dauermagnete als N angesetzt wird, ist es zur Sicherstellung des Bewegungswegs erforderlich, eine Beziehung von (n/3 > N) einzurichten (wobei n die Spulenanzahl und ein Vielfaches von 3 und N die Anzahl der Dauermagnete und eine natürliche Zahl ist). Als Ergebnis wird die Gesamtlänge des Motors zumindest zu einer Länge, bei der die Länge von drei Spulen (3 × C) zu der schubkraftverleihenden Länge (τ × N) hinzugefügt ist; und wenn der Bewegungsweg S kleiner als die Länge von drei Spulen (3 × C) ist, wird die Gesamtlänge des Motors um ein Längenausmaß von (3 × C – S) übermäßig lang. Als Folge des Umstands, dass die Gesamtlänge des Motors unnötig lang wird, kommt es zu dem Problem, dass der Linearmotor großformatig wird und das Gewicht und der Raum zur Einrichtung größer werden.
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Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts dieser Probleme, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Linearmotors, bei dem die Gesamtlänge des Motors verkürzt wird und auf eine kleinformatige und leichtgewichtige Ausführung abgezielt werden kann.
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MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE
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Zur Lösung der obigen Aufgabe kommt nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bei einem Linearmotor, umfassend einen Anker mit einem zylinderförmigen Spulenaufbau, der durch paralleles Anordnen mehrerer ringförmiger Spulen in der Achsenrichtung gebildet ist; und einen Feldmagnet mit einer Linearbewegungswelle, die hin und her beweglich auf der Achsenlinie des Ankers ausgebildet ist, und einem Dauermagnetaufbau, der wenigstens einen an der Linearbewegungswelle ausgebildeten Dauermagnet umfasst; wobei eines aus dem Anker und dem Feldmagnet als festes Element und das andere als bewegliches Element dient und das bewegliche Element in Bezug auf das feste Element hin und her bewegt wird, ein Linearmotor zur Anwendung, bei dem ein Bewegungsweg S so festgelegt ist, dass er bei einer Anzahl der Spulen von n, einer Spulenlänge in der Achsenrichtung von C und einer Länge des Dauermagnetaufbaus in der Achsenrichtung von M wenigstens größer als |n × C – M| wird.
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RESULTAT DER ERFINDUNG
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Gemäß dem Linearmotor nach der vorliegenden Erfindung kann die Gesamtlänge des Motors verkürzt werden und auf eine kleinformatige und leichtgewichtige Ausführung abgezielt werden.
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EINFACHE ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau des Linearmotors einer Ausführungsform zeigt.
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2 ist eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau des Linearmotors eines Vergleichsbeispiels zeigt.
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3 ist ein Diagramm, die die Beziehung zwischen dem Bewegungsweg und der Schubkraft bei gleich gemachtem Verlust für den Linearmotor der vorliegenden Ausführungsform und den Linearmotor des Vergleichsbeispiels zeigt.
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4 ist eine Schnittansicht, die den schematischen Aufbau des Linearmotors einer Abwandlung zeigt, welche einen Codiererteil und eine Magnetabschirmplatte aufweist.
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FORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Nachstehend wird anhand der Zeichnungen eine Ausführungsform erklärt.
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Wie in 1 gezeigt ist der Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform ein zylinderförmiger Linearmotor. Dieser Linearmotor 1 umfasst einen Anker 10 und einen Feldmagnet 20. Der Anker 10 weist einen zylinderförmigen Spulenaufbau 12 auf, der durch paralleles Anordnen von mehreren (bei dem in 1 gezeigten Beispiel sechs) ringförmigen Spulen 11 in der Achsenrichtung (in 1 in der Links-Rechts-Richtung) gebildet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Linearmotor 1 ein Drehstrommotor und weist der Spulenaufbau 12 wenigstens eine Gruppe (bei dem in 1 gezeigten Beispiel zwei Gruppen) von drei Spulen 11, die der Phase U, der Phase V und der Phase W entsprechen, auf. Der Feldmagnet 20 weist einen Dauermagnetaufbau 24 auf, der eine Linearbewegungswelle 21, die auf der Achsenlinie des Ankers 10 in der Achsenrichtung hin und her beweglich ausgebildet ist, und zwei Dauermagnete 23, die über ein Distanzstück 22 an dieser Linearbewegungswelle 21 ausgebildet sind, umfasst. Jeder Dauermagnet 23 ist in der Achsenrichtung magnetisiert.
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Ferner weist der Linearmotor 1 einen an dem Außenumfang des Ankers 10 ausgebildeten Motorrahmen 2 in Form eines runden Rohrs oder eines Vierkantrohrs und Klammern 3, 4, die jeweils an den Endbereichen der einen Seite (in 1 links) und der anderen Seite (in 1 rechts) in der Achsenrichtung dieses Motorrahmens 2 ausgebildet sind, auf. An diesen Klammern 3, 4 sind jeweils Linearbewegungslager 5, 6 ausgebildet, die die Linearbewegungswelle 21 in der Achsenrichtung hin und her beweglich halten.
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Bei dem Linearmotor 1 mit diesem Aufbau dient eines aus dem Anker 10 und dem Feldmagnet 20 als festes Element und das andere als bewegliches Element und wird das bewegliche Element in Bezug auf das feste Element hin und her bewegt.
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Wenn nun die Anzahl der Spulen 11 als n (bei dem in 1 gezeigten Beispiel beträgt n = 6) und die Länge jeder Spule 11 in der Achsenrichtung als C angesetzt wird, beträgt die Länge K in der Achsenrichtung des Spulenaufbaus 12 ”n × C” (bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist K = 6 × C). Der Linearmotor 1 ist so aufgebaut, dass die Länge K in der Achsenrichtung des Spulenaufbaus 12 und die Länge M in der Achsenrichtung des Dauermagnetaufbaus 24 ungefähr gleich werden. Der Bewegungsweg S ist so festgelegt, dass er wenigstens größer als |n × C – M| (≒ 0), was den Absolutwert von ”n × C – M” darstellt, wird. Das heißt, der Linearmotor 1 ist wie in 1 durch die gepunkteten Linien gezeigt so ausgeführt, dass die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 in der Achsenrichtung um ein bestimmtes Ausmaß (die Hälfte des Bewegungswegs) über die Endflächen der Spulen 11 des Ankers 10 hinaus nach außen zum Vorspringen gebracht werden und das bewegliche Element auch in einem Bereich, in dem die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 und die Spulen 11 des beweglichen Elements 10 einander in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung (in 1 in der Aufwärts-Abwärts-Richtung) nicht überlappen, hin und her bewegt wird.
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Außerdem ist der Bewegungsweg S so festgelegt, dass er höchstens das 1,6-fache der Länge in der Achsenrichtung von drei Spulen 11, das heißt, ”1,6 × 3 × C” beträgt. Der Festlegungsbereich dieses Bewegungswegs S wurde durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung aus den Ergebnissen der Analyse und Untersuchung verschiedener Modelle, bei denen die Länge in der Achsenrichtung der Dauermagnete, der Außendurchmesser, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Hohlheit, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Polstücken an beiden Enden und dergleichen verändert wurden, abgeleitet. Nachstehend wird unter Verwendung von 2 und 3 ein Beispiel für die Ergebnisse einer Simulation, die durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung vorgenommen wurde, erklärt.
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Wie in 2 gezeigt umfasst ein Linearmotor 1' als Vergleichsbeispiel einen Anker 10' und einen Feldmagnet 20. Der Anker 10' weist einen zylinderförmigen Spulenaufbau 12' auf, der durch paralleles Anordnen von drei Gruppen von drei Spulen 11, die der Phase U, der Phase V und der Phase W entsprechen, das heißt, neun Spulen 11 in der Achsenrichtung (in 2 in der Links-Rechts-Richtung) gebildet ist. Die Länge in der Achsenrichtung eines Motorrahmen 2' ist um das Ausmaß der Erhöhung der Anzahl der Spulen 11 länger als bei dem Motorrahmen 2 des oben beschriebenen Linearmotors 1 ausgeführt. Der weitere Aufbau dieses Linearmotors 1' einschließlich des Feldmagnets 20 entspricht jenem des oben beschriebenen Linearmotors 1.
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Bei dem Linearmotor 1' mit diesem Aufbau wird der Bewegungsweg S gewöhnlich auf höchstens ”n × C – M” (≒ 3C) festgelegt. Das heißt, bei dem Linearmotor 1' wird das bewegliche Element nur innerhalb des Bereichs hin und her bewegt, in dem die Dauermagnete 24 des Feldmagnets 20 und die Spulen 11 des beweglichen Elements 10 einander in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung (in 2 in der Aufwärts-Abwärts-Richtung) überlappen.
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In 3 ist die Beziehung zwischen dem Bewegungsweg S (mm) und der Schubkraft (N) bei gleich gemachtem Verlust für den in 1 gezeigten Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform und den in 2 gezeigten Linearmotor 1' des Vergleichsbeispiels gezeigt. Wie in 3 gezeigt lässt sich erkennen, dass die Größe der Schubkraft, die durch den Linearmotor 1, 1' ausgegeben werden kann, bei gleich gemachtem Verlust ungefähr gleich ist. Außerdem ist erkennbar, dass die Schubkraft bei dem Linearmotor 1' des Vergleichsbeispiels stark abnimmt, wenn die Dauermagnete 23 in der Achsenrichtung über die Endflächen der Spulen 11 nach außen vorspringen (an den Positionen des Bewegungswegs von ±0,5 × 3C), während bei dem Linearmotor der vorliegenden Ausführungsform eine Abnahme der Schubkraft bis zu einem Vorsprungsausmaß der Dauermagnete 23 von den Spulenendflächen unterdrückt werden kann, welches das 0,8-fache der Länge in der Achsenrichtung 3C von drei Spulen 11 beträgt. Daher wird der Bereich des anwendbaren Bewegungswegs das 1,6-fache von 3C, ”1,6 × 3C”. Man kann sagen, dass dies insbesondere bei Motoren mit einem kurzen Bewegungsweg effektiv ist.
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Bei dem Linearmotor 1 der oben erklärten Ausführungsform ist der Bewegungsweg trotz seiner Kürze so festgelegt, dass er wenigstens |n × C – M| beträgt. Das heißt, anders als bei herkömmlichen Linearmotoren, bei denen das bewegliche Element nur innerhalb des Bereichs hin und her bewegt wird, in dem die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 und die Spulen 11 des beweglichen Elements 10 einander in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung überlappen, werden bei dem Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 in der Achsenrichtung um ein bestimmtes Ausmaß über die Endflächen der Spulen 11 des Ankers 10 hinaus nach außen zum Vorspringen gebracht und wird das bewegliche Element auch in einem Bereich hin und her bewegt, in dem die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 und die Spulen 11 des beweglichen Elements 10 einander in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung nicht überlappen.
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Dadurch kann die Anzahl der Spulen 11 des Ankers 10 zum Erhalt des gleichen Bewegungswegs verglichen mit dem bisherigen Aufbau verringert werden. Als Folge wird es möglich, die Gesamtlänge des Linearmotors 1 zu verkürzen und es kann auf Kleinformatigkeit und Leichtgewichtigkeit des Motors abgezielt werden. Der Raum zur Einrichtung des Motors kann um das Ausmaß der Verringerung der Spulen 11 des Ankers 10 verkleinert werden und der entsprechende Platz für andere Zwecke verwendet werden.
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Die vorliegende Ausführungsform ist insbesondere so aufgebaut, dass der Anker 10 und der Feldmagnet 20 ”n × C ≒ M” betragen, das heißt, dass die Länge in der Achsenrichtung des Spulenaufbaus 12 und des Dauermagnetaufbaus 24 ungefähr gleich wird. Bei einem derartigen Aufbau wird bei dem bisherigen Linearmotor, bei dem der Bewegungsweg S auf höchstens |n × C – M| festgelegt ist, der ”Bewegungsweg S ≒ 0” und kann der Bewegungsweg nicht sichergestellt werden, doch da das bewegliche Element bei dem Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform hin und her bewegt wird, während die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 um ein bestimmtes Ausmaß über die Endflächen der Spulen 11 des Ankers 10 hinaus nach außen zum Vorspringen gebracht werden, kann der Bewegungsweg sichergestellt werden.
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Wie durch die in 3 gezeigten Simulationsergebnisse gezeigt nimmt die Schubkraft bei dem Linearmotor 1' mit einem Aufbau, der eine Beziehung von ”n × C > M” erfüllt, bei einer Hin- und Herbewegung des beweglichen Elements, bei der die Dauermagnete 23 in der Achsenrichtung über die Endflächen der Spulen 11 hinaus nach außen zum Vorspringen gebracht werden, stark ab, wenn die Dauermagnete 23 über die Spulenendflächen hinaus vorspringen, doch bei dem Linearmotor 1 der vorliegenden Ausführungsform, der so aufgebaut ist, dass die Beziehung von ”n × C ≒ M” erfüllt wird, kann eine Abnahme der Schubkraft bis zu einem Vorsprungsausmaß der Dauermagnete 23 von den Spulenendflächen unterdrückt werden, welches das 0,8-fache der Länge in der Achsenrichtung 3C von drei Spulen 11 beträgt. Folglich kann auf eine kleinformatige und leichtgewichtige Ausführung des Motors abgezielt werden, während eine Abnahme der Schubkraft unterdrückt wird.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Feldmagnet 20 im Besonderen einen Dauermagnetaufbau 24 auf, der durch in der Achsenrichtung magnetisierte Dauermagnete 23 gebildet ist. Da es dadurch möglich wird, die Ausrichtung des magnetischen Flusses, der durch die Dauermagnete 23 entsteht, auf die Achsenrichtung einzurichten, wird verglichen mit der Verwendung eines Feldmagnets 20, bei dem die Dauermagnete in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung magnetisiert sind (das heißt, bei dem die Ausrichtung des magnetischen Flusses senkrecht zu der Achsenrichtung verläuft), dann, wenn die Dauermagnete 23 zum Vorspringen von den Endflächen der Spulen 11 gebracht werden und in einen Bereich gelangen, in dem die Dauermagnete 23 und die Spulen 11 einander in der zu der Achsenrichtung senkrechten Richtung nicht überlappen, eine Abnahme des magnetischen Flusses, der zu der Schubkraft beiträgt, unterdrückt und es kann eine Abnahme der Schubkraft unterdrückt werden.
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Es besteht keine Beschränkung auf die oben beschriebene Ausführungsform; innerhalb eines Bereichs, der nicht von ihrem Inhalt und ihrer technischen Idee abweicht, sind verschiedenste Abwandlungen möglich. Nachstehend wird ein solches Abwandlungsbeispiel erklärt.
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(1) Linearmotor mit einem Codiererteil und einer magnetischen Abschirmplatte
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Der Linearmotor 1A des vorliegenden Abwandlungsbeispiels weist an einer Seite des elektromagnetischen Abschnitts 7 des Motors, der einen Anker 10 und einen Feldmagnet 20 sowie einen Motorrahmen 2 usw. aufweist, einen Codiererteil 30 auf, der die Position des beweglichen Elements feststellt.
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Der Codiererteil 30 ist bei diesem Beispiel als magnetischer Linearcodierer ausgeführt. Dieser Codiererteil 30 weist eine Skale 31, die an einer Skalenanbringungswelle 34 (an der linken Seite in 4) ausgebildet ist und an der ein magnetisches Muster gebildet ist, einen Sensor 32, der das Magnetfeld, das von dem an der Skale 31 ausgebildeten magnetischen Muster stammt, feststellt, und eine Codiererabdeckung 33 auf.
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In dem elektromagnetischen Abschnitt 7 des Motors ist an einer seitlichen Endfläche des Dauermagnetaufbaus 24 eine magnetische Abschirmplatte 40 an der Linearbewegungswelle 21 ausgebildet. Diese magnetische Abschirmplatte 40 ist ein plattenförmiges Element aus einem stark magnetischen Körper wie etwa Eisen und verläuft von der äußeren Umfangsfläche der Linearbewegungswelle 21 entlang der radialen Richtung bis in die Nähe der inneren Umfangsfläche des Motorrahmens 2. Außerdem ist an dieser magnetischen Abschirmplatte 40 die Skalenanbringungswelle 34, bei der es sich um ein nichtmagnetisches Material handelt, ausgebildet und wird ein Einfluss des Magnetfelds, das durch den Feldmagnet 20 des elektromagnetischen Abschnitts 7 erzeugt wird, auf den Codiererteil 30 unterdrückt. Der weitere Aufbau des Linearmotors 1A entspricht jenem des oben beschriebenen Linearmotors 1.
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Als nächstes wird die Wirkung des vorliegenden Abwandlungsbeispiels erklärt. Wenn wie bei dem vorliegenden Abwandlungsbeispiel auf Seiten des Codiererteils 30 des Dauermagnetaufbaus 24 eine magnetische Abschirmplatte 40 an der Linearbewegungswelle 21 ausgebildet wird, ist es zur Vergrößerung der magnetischen Abschirmwirkung günstig, die magnetische Abschirmplatte 40 an einer Position auszubilden, die möglichst nahe an dem Dauermagnetaufbau 24 liegt, und den Zwischenraum zu der inneren Umfangsfläche des Motorrahmens 2 möglichst klein zu gestalten.
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Wenn nun zum Beispiel bei einem wie in 2 gezeigten herkömmlichen Linearmotor 1', bei dem der Bewegungsweg S auf höchstens ”n × C – M” festgelegt ist, eine magnetische Abschirmplatte in der Nähe der Endfläche des Dauermagnetaufbaus 24 ausgebildet wird, muss diese an einer Position ausgebildet werden, die wenigstens um das Ausmaß eines Bewegungswegs S von der Endfläche des Dauermagnetaufbaus 24 entfernt ist, so dass sie nicht an einer Position nahe an dem Dauermagnetaufbau 24 ausgebildet werden kann.
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Im Gegensatz dazu kann die magnetische Abschirmplatte 40 bei dem vorliegenden Abwandlungsbeispiel aufgrund des Umstands, dass die Längen in der Achsenrichtung des Spulenaufbaus 12 des Ankers 10 und des Dauermagnetaufbaus 24 des Feldmagnets 20 ungefähr gleich ausgeführt sind, wie in 4 gezeigt an einer Position ausgebildet werden, die um die Hälfte des Bewegungswegs S/2 von der Endfläche des Dauermagnetaufbaus 24 entfernt ist. Dadurch kann die magnetische Abschirmwirkung groß gestaltet werden.
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(2) Sonstiges
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Im Vorhergehenden wurde ein Linearmotor erklärt, der so gestaltet ist, dass die Längen in der Achsenrichtung des Spulenaufbaus 12 und des Dauermagnetaufbaus 24 ungefähr gleich ausgeführt sind, doch müssen sie nicht unbedingt gleich sein. Es ist zum Beispiel auch eine Verwendung möglich, bei der die Dauermagnete 23 des Feldmagnets 20 bei einem wie in 2 gezeigten herkömmlichen Linearmotor 1' mit ”n × C > M” um ein bestimmtes Ausmaß (die Hälfte des Bewegungswegs S) von der Endfläche der Spulen 11 des Ankers 10 in der Achsenrichtung nach außen zum Vorspringen gebracht werden. In einem solchen Fall muss der Bewegungsweg S jedoch so festgelegt werden, dass die Abnahme der Schubkraft innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.
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Außerdem wurde im Vorhergehenden eine Gestaltung ausgeführt, bei der der Anker 10 sechs Spulen 11 aufweist und der Feldmagnet 20 zwei Dauermagnete 23 aufweist, doch ist diese Anzahl der Spulen 11 und der Dauermagnete 23 beispielhaft und kann sie passend abgeändert werden. Zum Beispiel kann als allereinfachster Aufbau auch eine Gestaltung ausgeführt werden, bei der der Anker 10 eine Gruppe von drei Spulen 11 aufweist, die der Phase U, der Phase V und der Phase W entsprechen, (drei Spulen 11 aufweist) und der Feldmagnet 20 einen Dauermagnet 23 aufweist, dessen Länge der Länge in der Achsenrichtung der drei Spulen 11 ungefähr gleich ist. Auch in diesem Fall können die gleichen Wirkungen wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform erhalten werden.
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Neben dem bereits oben Genannten können die Ausführungen gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform und den einzelnen Abwandlungsbeispielen auch beliebig kombiniert verwendet werden.
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Außerdem sind innerhalb eines Umfangs, der nicht von dem Inhalt der Erfindung abweicht, verschiedenartig abgeänderte Ausführungen möglich, wobei jedoch auf die Anführung von Beispielen verzichtet werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearmotor
- 2
- Motorrahmen
- 10
- Anker
- 11
- Spule
- 12
- Spulenaufbau
- 20
- Feldmagnet
- 21
- Linearbewegungswelle
- 23
- Dauermagnet
- 24
- Dauermagnetaufbau
- 30
- Codiererteil
- 34
- Skalenanbringungswelle
- 40
- magnetische Abschirmplatte
