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Die
Erfindung betrifft eine Magnetfedervorrichtung, insbesondere für Linearmotoren
oder dergleichen, wobei die Magnetfedervorrichtung einen Stator
und einen in axiale Richtung relativ zum Stator bewegbaren Läufer aufweist,
wobei der Läufer
aus einem Hohlprofil gebildet ist, in dem permanentmagnetisches
Material angeordnet ist, wobei das Hohlprofil aus einem nichtmagnetischen
Werkstoff besteht, wobei der Stator aus einem magnetisch leitenden
Werkstoff gebildet ist.
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Bei
einer Bewegung einer Masse in einer von einer horizontalen Richtung
abweichenden Richtung, insbesondere bei einer Bewegung der Masse
in vertikaler Richtung, wirkt bedingt durch die Erdbeschleunigung
eine konstante Kraft auf die Masse. Bei einem Antriebssystem, wie
zum Beispiel bei Linearantrieben, muss daher bei einer ruhenden
Masse eine Gegenkraft aufgebracht werden, das heißt ein Linearmotor
muss kontinuierlich bestromt werden, um eine angekoppelte Masse
in einer Ruheposition zu halten. Im Vergleich zu einem horizontal
angeordneten Linearmotor, ist daher ein vertikal angeordneter Linearmotor
mit einer verhältnismäßig wesentlich
größeren Leistung
und somit größeren Masse
auszu bilden, was einer dynamischen Bewegung des Linearmotors entgegensteht.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, magnetische Federn zur Kompensation
einer Gewichtskraft an Linearmotoren zu verwenden, damit ein Linearmotor
nicht permanent bestromt werden und somit mit größere Leistung ausgeführt sein muss.
Die bekannten, magnetischen Federn sind aus einem Stator aus einem
magnetisch leitenden Werkstoff wie Stahl gebildet, in den ein Läufer längsbeweglich
angeordnet ist. Der Läufer
ist wiederum aus einem sehr schlecht magnetisch leitenden Material, wie
zum Beispiel Aluminium oder einem entsprechend legierten Stahl gebildet,
in dessen Inneren ein permanentmagnetisches Material angeordnet
ist. Dieses Material ist so angeordnet und ausgebildet, dass zumindest
ein Anteil eines erzeugten magnetischen Flusses (Φ) senkrecht
zu einer axialen Bewegungsrichtung des Läufers aus dem permanentmagnetischen
Material austritt, in den magnetisch leitenden Werkstoff eintritt,
dort geführt
wird, und wieder aus dem magnetisch leitenden Werkstoff austritt,
und zurück
zu dem permanentmagnetischen Werkstoff verläuft. Die dadurch auf den Läufer wirkende
Kraft dient zur Kompensation der Gewichtskraft.
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Weiter
ist es bei den bekannten magnetischen Federn notwendig, einen Werkstoff
zur Erzeugung einer geeigneten Gleitflächenpaarung zwischen dem Stator
und dem Läufer
vorzusehen, da bei einer hochdynamischen Bewegung des Läufers im
Stator bzw. relativ zu diesem, ein möglichst niedriger Reibungskoeffizient
von Vorteil ist. Beispielsweise ist es bekannt, auf einer Innenwandung
bzw. Kontaktfläche
eines Stators eine Kunststoffschicht in Form einer Lagerbuchse vorzusehen.
Eine Montage der Lagerbuchse innerhalb einer Bohrung im Stator ist
jedoch aus Gründen
einer Passgenauigkeit relativ aufwendig und damit kostenintensiv.
Weiter vergrößert eine
Lagerbuchse aus Kunststoff einen Abstand zwischen dem permanentmagnetischen
Material und dem magnetisch leitenden Werkstoff des Stators, so dass
ein sogenannter, verhältnismäßig großer magnetischer
Luftspalt gebildet wird. Dies hat zur Folge, dass die magnetisch
wirksamen Bauteile zur Überbrückung des
magnetischen Luftspalts größer ausgelegt
werden müssen,
was wiederum eine Masse der magnetischen Feder vergrößert. Wie
zuvor ausgeführt,
ist es jedoch wünschenswert,
dass eine Masse der magnetischen Feder möglichst gering ist, um eine
dynamische Bewegbarkeit des Linearmotors zu verbessern. Dies ist
insbesondere dann von Bedeutung, wenn beispielsweise ein horizontal
angeordneter Linearmotor mit einem vertikal angeordneten Linearmotor
zur Bewegung eines Gegenstandes in zwei Achsen gekoppelt ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfedervorrichtung
sowie einen Linearmotor mit einer Magnetfedervorrichtung vorzuschlagen,
dessen Masse vergleichsweise gering ist.
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Die
erfindungsgemäße Magnetfedervorrichtung
insbesondere für
Linearmotoren oder dergleichen, weist einen Stator und einen in
axialer Richtung relativ zum Stator bewegbaren Läufer auf, wobei der Läufer aus
einem Hohlprofil gebildet ist, in dem permanentmagnetisches Material
angeordnet ist, wobei das Hohlprofil aus einem nichtmagnetischen Werkstoff
besteht, wobei der Stator aus einem magnetisch leitenden Werkstoff
gebildet ist, und wobei zwischen jeweils Kontaktflächen des
Hohlprofils und des magnetisch leitenden Werkstoff des Stators eine Gleitflächenpaarung
ausgebildet ist.
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Die
Ausbildung einer unmittelbaren bzw. direkten Gleitflächenpaarung
zwischen dem magnetisch leitenden Werkstoff des Stators und dem
Hohlprofil des Läufers
hat den Vorteil, dass ein Abstand bzw. ein magnetischer Luftspalt
zwischen den magnetisch wirksamen Werkstoffen der Magnetfedervorrichtung
soweit als möglich
minimiert wird. Folglich wird auf eine Verwendung einer Lagerbuchse,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, verzichtet. Dies
wird insbesondere durch die Materialwahl der Werkstoffe der Gleitflächenpaarung
ermöglicht.
Der Werkstoff des Hohlprofils des Läufers ist so gewählt, dass
sich ein besonders geringer Reibungskoeffizient zwischen den beiden
Werkstoffen ergibt. So kann auf weitere, konstruktive Maßnahmen,
wie eine Lagerbuchse oder eine besondere Schmierung, vollständig verzichtet
werden. Die so erzielte Verringerung des magnetischen Luftspalts
ermöglicht
eine Reduzierung der Massen des Läufers und des Stators in erheblichem
Maße,
da eine magnetische Feldstärke
wirkungsvoller nutzbar wird.
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Vorteilhaft
ist es, wenn zwischen den Kontaktflächen des Hohlprofils und des
magnetisch leitenden Werkstoffs des Stators eine Gleitführung ausgebildet
ist. Die Magnetfedervorrichtung kann so selbst eine Führung ausbilden.
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Auch
können
die Werkstoffe der Gleitflächenpaarung
so ausgewählt
sein, dass eine Mischreibung zwischen den Werkstoffen möglich ist. Da
grundsätzlich
eine Verwendung eines Schmierstoffs für die Gleitflächenpaarung
nicht zwingend notwendig ist, kann eine zumindest teilweise Ausbildung eines
Schmierfilms in einem Lagerspalt einen noch weiter verbesserten
Reibungskoeffizienten ausbilden.
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Auf
einen Schmierstoff kann jedoch gänzlich verzichtet
werden, wenn die Werkstoffe der Gleitflächenpaarung so ausgewählt sind,
dass eine Festkörperreibung
zwischen den Werkstoffen möglich
ist. So können
Werkstoffpaarungen verwendet werden, bei denen eine der beiden Werkstoffe
eine sogenannte Selbstschmierungseigenschaft aufweist, wodurch auf
einen ergänzenden
Schmierstoff verzichtet werden kann.
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Eine
Werkstoffauswahl ist besonders vorteilhaft, wenn die Gleichflächenpaarung
einen Gleitreibungskoeffizient aufweist, der kleiner ist als ein
Gleitreibungskoeffizient einer Gleitflächenpaarung von Stahl mit Stahl
oder Aluminium.
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In
einer Ausführungsform
der Magnetfedervorrichtung kann der nichtmagnetische Werkstoff ein nichtmetallischer
Werkstoff sein. Beispielsweise kann der Werkstoff des Hohlprofils
ein Kunststoff sein, der ge genüber
einem metallischen Werkstoff ein besonders niedriges spezifisches
Gewicht und somit eine geringe Masse aufweist.
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Auch
kann der nichtmagnetische Werkstoff ein Verbundwerkstoff sein. Beispielsweise
ein faserverstärkter
Werkstoff, wie ein Kohlefaserwerkstoff weist ein geringes spezifisches
Gewicht auf, verfügt über die
notwendigen Festigkeitseigenschaften und kann Selbstschmierungseigenschaften
aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Magnetfeldervorrichtung kann der nichtmagnetische Werkstoff
Messing sein. Messing ist ein besonders gut geeigneter Werkstoff,
um in Verbindung mit Stahl eine Gleitflächenpaarung mit guten Gleiteigenschaften
auszubilden. Weiter verfügt
Messing über
eine hohe Festigkeit und ist kostengünstig als Halbzeug erhältlich.
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Der
Werkstoff des Stators kann ein weichmagnetischer Stahl sein. Dieser
Werkstoff ist besonders gut magnetisch leitend und ebenfalls als
kostengünstiges
Halbzeug leicht erhältlich.
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Wird
als Werkstoff des Stators ein korrosionsbeständiger Werkstoff verwendet,
kann auf einen ergänzenden
Korrosionsschutz verzichtet werden. Das heißt ein Lackauftrag oder eine
galvanische Beschichtung bzw. eine besondere Oberflächenbehandlung
des Stators ist dann nicht mehr zwingend notwendig.
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Weiter
kann der Läufer
in einer Ausnehmung im Stator angeordnet sein, wodurch die Magnetfedervorrichtung
besonders einfach herstellbar wird. Beispielsweise kann die Ausnehmung
als Du Durchgangsbohrung oder auch Sacklochbohrung ausgebildet sein,
in die das Hohlprofil einfach eingesetzt ist. Insbesondere bei der
Ausbildung einer Bohrung können
die für
einen Lagerspalt notwendigen Toleranzwerte einfach eingehalten werden.
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In
diesem Fall ist es von Vorteil, wenn ein Profilquerschnitt des Hohlprofils
kreisförmig
ist. Kreisförmige
Profilquerschnitte ermöglichen
eine weitere Verringerung einer Masse, sind einfach herstellbar
oder auch als Halbzeug erhältlich.
So kann beispielsweise ein Rohrprofil ohne wesentliche Bearbeitung
seiner Kontaktfläche
einfach in den Stator eingesetzt werden.
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Das
permanentmagnetische Material lässt sich
besonders einfach in dem Hohlprofil anordnen, wenn das permanentmagnetische
Material aus scheiben- oder zylinderförmigen Magneten gebildet ist.
Derartige Magnete sind gegebenenfalls als vorgefertigtes Halbzeug
erhältlich.
Diese Magnete können
in der dafür
vorgesehenen Lage miteinander verklebt und nachfolgend in das Hohlprofil
eingesetzt bzw. in diesem befestigt werden.
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Bei
einer Montage der Magnetfedervorrichtung mit einem Linearmotor besteht
regelmäßig das Problem,
dass die Magnetfedervorrichtung in einer definierten Lage achsparallel
zu einer Bewegungslängsachse
des Linearmotors sehr genau ausgerichtet werden muss. Es ist vorteilhaft,
wenn ein äußerer Profilquerschnitt
des Stators zumindest abschnittsweise eine axial verlaufende Kante
aufweist. Wenn der Linearmotor eine ebenfalls axial verlaufende, übereinstimmend
ausgebildete Kante aufweist, kann die Magnetfedervorrichtung besonders
einfach an der Kante des Linearmotors in der dafür vorgesehenen Lage positioniert
werden, ohne dass eine besondere, achsparallele Ausrichtung der
Magnetfedervorrichtung sowie deren maßliche Kontrolle notwendig wird.
Die Kante kann demnach als ein Anschlag für die Magnetfedervorrichtung
an einem Linermotor dienen.
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In
der einfachsten Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung kann ein äußerer Profilquerschnitt des
Stators rechteckig sein, so dass am Stator insgesamt vier Kanten
ausgebildet sind. Die Magnetfedervorrichtung wird dann besonders
kostengünstig herstellbar,
weil für
den Stator Halbzeuge mit rechteckigen oder quadratischen Profilquerschnitten
verwendet werden können.
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Erfindungsgemäß ist ein
Linearmotor mit der Magnetfedervorrichtung gekoppelt. Hieraus ergibt sich
eine besonders vorteilhafte Anwendung der Magnetfedervorrichtung,
da diese, wie zuvor beschrieben, eine vergleichsweise geringe Masse
aufweist, welche eine hochdynamische Bewegung des Linearmotors ermöglicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
eines Linearmotors ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der
auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme, auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung in einer Längsschnittansicht;
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2 eine
Querschnittansicht der Magnetfedervorrichtung aus 1;
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung in einer Querschnittansicht;
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4 eine
dritte Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung in einer Querschnittansicht.
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Eine
Zusammenschau der 1 und 2 zeigt
eine Magnetfedervorrichtung 10, welche aus einem Stator 11 und
einem Läufer 12 ausgebildet
ist. Der Läufer 12 ist
wiederum aus einem Rohrprofil 13 gebildet, in welches hier
nicht näher
dargestelltes, permanentmagnetisches Material 14 in Form
von Einzelmagneten eingesetzt ist, welches das Rohrprofil 13 vollständig ausfüllt. Der
Stator 11 besteht aus einem weichmagnetischen und korrosionsbeständigen Stahl
und das Rohrprofil 13 besteht aus Messing. Im Stator 11 ist
eine Durchgangsbohrung 15 ausgebildet, in die der Läufer 12 bzw.
das Rohrprofil 13 eingesetzt und in Richtung einer Längsachse 16 relativ zum
Stator 11 bewegbar ist. So bildet eine äußere Umfangsfläche 17 des
Rohrprofils 13 eine Kontaktfläche 18 des Läufers 12 aus
und eine Innenfläche 19 der
Durchgangsbohrung 15 eine Kontaktfläche 20 des Stators 11 aus,
welche zusammen in einem Überdeckungsbereich 21 eine
Gleitflächenpaarung 22 bilden.
Zwischen den Kontaktflächen 18 und 20 wird
weiter ein hier nicht näher
dargestellter Lagerspalt ausgebildet, welcher eine Bewegbarkeit
des Läufers 12 relativ
zum Stator 11 sowie eine im Wesentlichen spielfreie Führung des
Läufers 12 sicherstellt.
Um eine Masse der Magnetfedervorrichtung 10 soweit als
möglich
zu verringern, ist der Stator 11 ebenfalls als ein Rohrprofil 23 ausgebildet.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung 24, welche im Unterschied
zu der in den 1 und 2 gezeigten
Magnetfedervorrichtung einen Stator 25 mit einem quadratischen
Profil 26 aufweist. Das quadratische Profil 26 bildet
naturgemäß jeweils
vier Längskanten 27 und
Anlageflächen 28 aus,
welche zur lagerichtigen Positionierung der Magnetfedervorrichtung 24 an
einem hier nicht näher
dargestellten Linearmotor nutzbar sind.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Magnetfedervorrichtung 29, welche im Unterschied
zu der in den 1 und 2 gezeigten
Magnetfedervorrichtung einen Stator 30 aufweist, der nur
abschnittsweise eine Längskante 31 mit
Anlagenflächen 32 ausbildet.
Der Stator 30 ist im Wesentlichen aus einem Rohrprofil 33 gebildet,
welches durch Materialabtrag aus einem ursprünglichen quadratischen Profil
hergestellt wird. So weist das Rohrprofil 33 lediglich
im Bereich eines Viertels seines Umfangs einen abschnittsweisen
Vorsprung 34 auf, welcher eine Längskante 31 und Anlageflächen 32 ausbildet.
So können
die Vorteile einer vereinfachten Montage bei gleichzeitig verringerter
Masse des Stators 30 genutzt werden.