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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung, aufweisend eine Antriebswelle.
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Derartige Antriebswellen sind grundsätzlich bekannt. Beispielsweise wird in einem Fahrzeug eine Antriebswelle in eine Drehbewegung versetzt, um die Räder anzutreiben.
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Die Antriebswelle wird dabei über einen Motor, z.B. Verbrennungsmotor oder Elektromotor, angetrieben.
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Auch bei der Energieerzeugung werden Antriebsvorrichtungen mit Antriebswellen genutzt. Beispielsweise kann über eine Turbine eine Antriebswelle angetrieben werden, um z.B. Strom zu erzeugen. Dabei kann zum Beispiel ein Generator eingesetzt werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Antriebsvorrichtung, z.B. zur Stromerzeugung, zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs.
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Erfindungsgemäß ist die Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung ausgebildet oder kann hierzu verwendet werden.
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Die Antriebsvorrichtung weist eine Antriebswelle auf.
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Ferner umfasst die Antriebsvorrichtung wenigstens eine erste Antriebseinheit und eine zweite Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheiten in einer linearen Richtung beweglich gelagert sind.
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Die Bewegungsrichtung der ersten Antriebseinheit verläuft vorzugsweise parallel zur Bewegungsrichtung der zweiten Antriebseinheit.
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Beispielsweise kann die lineare Richtung rechtwinklig zu einer Längsachse der Antriebswelle orientiert sein.
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Bei der linearen Richtung kann es sich bevorzugt um eine vertikale Richtung handeln, d.h. die Antriebseinheiten können nach oben und nach unten bewegt werden.
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Jede Antriebseinheit weist ein Gewicht, einen Antriebsmagneten und einen Antriebshebel auf.
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Das Gewicht kann beispielsweise ein Metallmaterial, z.B. Stahl, umfassen oder daraus bestehen. Vorzugsweise ist das Gewicht nicht-magnetisch.
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Die Antriebsmagnete können z.B. Neodym umfassen oder daraus bestehen. Beispielseise können die Antriebsmagnete aus Neodym-Eisen-Bor bestehen.
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Das Gewicht, der Antriebsmagnet und/oder der Antriebshebel können starr miteinander verbunden sein. So können diese Bauteile der Antriebseinheit stets gemeinsam in linearer Richtung bewegt werden.
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Die Antriebshebel greifen an unterschiedlichen Positionen der Antriebswelle an.
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Die Positionen unterscheiden sich vorzugsweise sowohl in radialer Richtung als auch in Längsrichtung.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die Antriebswelle in eine Drehbewegung versetzt wird.
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Die Antriebsvorrichtung weist wenigstens einen ersten Schrittmotor und einen zweiten Schrittmotor auf.
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Die Schrittmotoren können beispielsweise bei einer Stromstärke von ein bis zwei Ampere betrieben werden.
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Ferner weist die Antriebsvorrichtung zumindest einen ersten schaltbaren Schaltmagneten und einen zweiten schaltbaren Schaltmagneten auf, wobei der erste Schaltmagnet über den ersten Schrittmotor und der zweite Schaltmagnet über den zweiten Schrittmotor schaltbar ist.
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Der Begriff schaltbarer Schaltmagnet ist breit zu verstehen und umfasst beispielsweise Magnete mit einem Lösemechanismus, z.B. Lasthebemagnete.
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Bei den Schaltmagneten kann es sich z.B. um Permanentmagnete handeln, die - vergleichbar mit Elektromagneten - zwischen zwei magnetischen Zuständen, z.B. magnetisch und nicht-magnetisch, geschalten werden können.
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Die Schaltmagnete können z.B. Neodym umfassen oder daraus bestehen. Beispielseise können die Schaltmagnete aus Neodym-Eisen-Bor bestehen.
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Die Tragkraft der Schaltmagnete kann beispielsweise bis zu 5 Tonnen betragen. Dabei ist es vorteilhalft, wenn der Schaltmagnet fest mit einer Stahlplatte und/oder mit einem Gehäuse verbunden, z.B. verschraubt, ist.
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Die Antriebsvorrichtung weist eine Steuerungsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die Schrittmotoren derart zu steuern, dass der erste Schaltmagnet aktiviert wird, um den Antriebsmagneten der ersten Antriebseinheit in Richtung der Antriebswelle zu bewegen.
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Bei der Steuerungsvorrichtung kann es sich z.B. um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS-Steuerung) handeln.
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Alternativ oder zusätzlich können sich die Schrittmotoren auch über eine Feedbackschleife selbst regeln.
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Wird der erste Schaltmagnet über den durch die Steuerungsvorrichtung gesteuerten Schrittmotor aktiviert, wirkt ein Magnetfeld zwischen dem ersten Schaltmagneten und dem Antriebsmagneten der ersten Antriebseinheit.
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Der Antriebsmagnet wird somit zum Schaltmagneten gezogen. Die erste Antriebseinheit bewegt sich in linearer Richtung zur Antriebswelle und versetzt diese in eine Drehbewegung.
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Die Länge der Antriebsmagnete, der Antriebshebel und/oder der Durchmesser der Antriebswelle können derart gewählt werden, dass die Antriebsmagnete jeweils in das magnetische Feld der Schaltmagnete gelangen können.
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Unterstütz wird die Bewegung in Richtung der Antriebswelle durch die Gewichtskraft der ersten Antriebseinheit. So bewegt sich das Gewicht der ersten Antriebseinheit aufgrund der Schwerkraft nach unten.
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Es können daher hohe Kräfte auf die Antriebswelle übertragen werden. Beispielsweise können an der Antriebswelle hohe Drehmomente erzeugt werden.
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Beispielsweise kann eine Last gedreht werden, welche der halben magnetischen Kraft des Antriebsmagneten entspricht. Wenn der Antriebsmagnet z.B. 1.000 kg tragen kann, können 500 kg Last gedreht werden.
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Aus der Drehbewegung kann beispielsweise über einen Generator Strom erzeugt werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet, die Schrittmotoren derart zu steuern, dass der zweite Schaltmagnet deaktiviert wird.
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Wird der zweite Schaltmagnet über den durch die Steuerungsvorrichtung gesteuerten Schrittmotor deaktiviert, wirkt kein Magnetfeld zwischen dem zweiten Schaltmagneten und dem Antriebsmagneten der zweiten Antriebseinheit.
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Die zweite Antriebseinheit kann daher von der Antriebswelle wegbewegt werden bzw. es wird eine Bewegung weg von der Antriebswelle zugelassen, ohne die Magnetkraft überwinden zu müssen.
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Befindet sich die zweite Antriebseinheit in der obersten Position, kann der erste Schaltmagnet deaktiviert und der zweite Schaltmagnet aktiviert werden. Dadurch bewegt sich die zweite Antriebseinheit nach unten und die erste Antriebseinheit wird nach oben bewegt.
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Diese Vorgänge können kontinuierlich wiederholt werden, um eine permanente Drehbewegung der Antriebswelle zu erreichen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine dritte Antriebseinheit vorgesehen, wobei die dritte Antriebseinheit in einer linearen Richtung beweglich gelagert ist.
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Die Bewegungsrichtung der dritten Antriebseinheit verläuft vorzugsweise parallel zur Bewegungsrichtung der ersten und/oder zweiten Antriebseinheit.
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Beispielsweise kann die lineare Richtung rechtwinklig zu einer Längsachse der Antriebswelle orientiert sein.
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Bei der linearen Richtung kann es sich bevorzugt um eine vertikale Richtung handeln, d.h. die dritte Antriebseinheit kann nach oben und nach unten bewegt werden.
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Die dritte Antriebseinheit weist ein Gewicht, einen Antriebsmagneten und einen Antriebshebel auf.
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Der Antriebsmagnet kann z.B. Neodym umfassen oder daraus bestehen. Beispielseise kann der Antriebsmagnet aus Neodym-Eisen-Bor bestehen.
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Das Gewicht, der Antriebsmagnet und/oder der Antriebshebel können starr miteinander verbunden sein. So können diese Bauteile der Antriebseinheit stets gemeinsam in linearer Richtung bewegt werden.
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Der Antriebshebel greift an einer weiteren Position der Antriebswelle an.
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Die Positionen der Antriebshebel unterscheiden sich vorzugsweise sowohl in radialer Richtung als auch in Längsrichtung.
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Die erste, zweite und/oder dritte Antriebseinheit können vorzugsweise baugleich ausgebildet sein. So können sich die Antriebseinheiten beispielsweise lediglich hinsichtlich ihrer Position unterscheiden.
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Es können auch mehr als drei Antriebseinheiten vorgesehen sein, beispielsweise vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr. Dementsprechend kann eine Vielzahl an Schaltmagneten und Schrittmotoren vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Anzahl an Schaltmagneten und Schrittmotoren doppelt so groß wie die Anzahl an Antriebseinheiten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind ein dritter Schrittmotor und ein dritter schaltbarer Schaltmagnet vorgesehen, wobei der dritte Schaltmagnet über den dritten Schrittmotor schaltbar ist.
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Bei drei Antriebsvorrichtungen wird eine permanente, gleichmäßige Drehbewegung der Antriebswelle ermöglicht.
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Die drei Schrittmotoren können vorzugsweise derart abwechselnd geschalten werden, dass sich stets eine Antriebseinheit unten, eine mittig und eine oben befindet.
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Bei der Bewegung nach unten kann die entsprechende Antriebseinheit durch den entsprechenden Schaltmagnet unterstützt werden, während der Schaltmagnet bei der Bewegung nach oben deaktiviert sein kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind wenigstens sechs Schrittmotoren und sechs schaltbare Schaltmagnete vorgesehen.
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Vorzugsweise sind je zwei Schrittmotoren und je zwei schaltbare Schaltmagnete einer Antriebseinheit zugeordnet.
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Dies führt zu einer Verdoppelung der Magnetkraft, welche auf den Antriebsmagneten wirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Sensoren vorgesehen, welche die Positionen der Antriebseinheiten bestimmen.
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Die Sensoren erfassen die Positionen der Antriebseinheiten. Anhand dieser Daten können die Schaltmagnete aktiviert oder deaktiviert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Gewichte zylinderförmig ausgebildet.
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Grundsätzlich können die Gewichte jedoch jede beliebige Form haben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, welches Aussparungen für die Gewichte aufweist.
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Vorzugsweise können die Aussparungen zylinderförmig ausgebildet sein.
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Die Gewichte können beispielsweise relativ zum Gehäuse bewegt werden.
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Das Gehäuse kann beispielsweise ein Metallmaterial, z.B. Stahl, umfassen oder daraus bestehen. Vorzugsweise ist das Gehäuse nicht-magnetisch. Vorzugsweise ist da Material derart gewählt, dass dieses hohen Temperaturen standhält, die beispielsweise aufgrund der Reibung der Gewichte an den Rändern der Aussparungen auftreten.
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Die thermischen Verluste können beispielsweise rund 30 % betragen.
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Beispielsweise kann die Antriebswelle am Gehäuse gelagert sein. Die Antriebswelle kann sich hierbei relativ zum Gehäuse drehen.
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Vorzugsweise können die Sensoren starr mit dem Gehäuse verbunden oder in das Gehäuse integriert sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weisen die Antriebshebel jeweils ein Gelenk auf.
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Durch das Gelenk kann die lineare Bewegung der Antriebseinheiten - wie bei einer Draisine - in eine Drehbewegung umgewandelt werden. Der Antriebshebel kann hierbei seitlich auslenken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Antriebswelle Angreifpunkte für die Antriebshebel auf, welche gegenüber einer Längsachse der Antriebswelle versetzt sind.
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Die Angreifpunkte sind somit von der Längsachse beabstandet. Beispielsweise kann ein Angreifpunkt als, z.B. rechteckförmige oder bogenförmige, Ausbuchtung und/oder Knick der Antriebswelle ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform sind die Angreifpunkte der Antriebswelle um 120° zueinander versetzt angeordnet.
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Bei drei Antriebseinheiten ermöglicht dies eine kontinuierliche und gleichmäßige Drehbewegung.
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Die Angreifpunkte sind vorzugsweise in radialer Richtung um 120° zueinander versetzt. Ferner können die Angreifpunkte auch in Längsrichtung an unterschiedlichen Positionen der Antriebswelle vorgesehen sein.
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Vorzugsweise beschreiben die Positionen der Angreifpunkte über die Zeit einen sinusförmigen Verlauf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Schaltmagnete stationär angeordnet.
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Beispielsweise können die Schaltmagnete fest am Gehäuse befestigt oder in das Gehäuse integriert sein.
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Die Antriebsmagnete können sich vorzugsweise relativ zu den Schaltmagneten bewegen.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Erzeugung einer Drehbewegung mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
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Die Schrittmotoren werden derart gesteuert, dass der erste Schaltmagnet aktiviert wird, um den Antriebsmagneten der ersten Antriebseinheit in Richtung der Antriebswelle zu bewegen.
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Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels der Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
- 2 eine weitere Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung,
- 3 eine weitere Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, und
- 4 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
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Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Vorzugsweise kann die Anzahl an Antriebseinheiten, Schrittmotoren und/oder Schaltmagneten variieren.
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Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
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1 zeigt eine - jedenfalls teilweise - Schnittansicht eines zentralen Bereichs einer Antriebsvorrichtung. Zur besseren Übersichtlichkeit sind darin die Schrittmotoren und Schaltmagnete, welche sich in einer Ebene davor bzw. dahinter befinden, nicht dargestellt.
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Die Antriebsvorrichtung weist eine erste Antriebseinheit 10, eine zweite Antriebseinheit 12 und eine dritte Antriebseinheit 14 auf.
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Die Antriebseinheiten 10, 12, 14 sind in einer linearen Richtung beweglich gelagert, wie mit den Doppelpfeilen angedeutet ist.
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Jede Antriebseinheit 10, 12, 14 weist ein zylinderförmiges Gewicht 16, einen Antriebsmagneten 18 und einen Antriebshebel 20 auf.
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Jeder Antriebsmagnet 18 weist einen Nordpol N und einen Südpol S auf.
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Die Antriebshebel 20 weisen jeweils ein Gelenk 22 auf und greifen an unterschiedlichen Positionen einer gemeinsamen Antriebswelle 24 an.
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Die Antriebswelle 24 weist hierbei Angreifpunkte 26 auf, welche gegenüber einer Längsachse der Antriebswelle 24 versetzt zueinander sind.
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Grundsätzlich können die Angreifpunkte 26 baugleich, z.B. rechteckförmig, ausgebildet sein und sich lediglich hinsichtlich ihrer Position unterscheiden. Beispielsweise können die Angreifpunkte 26 in radialer Richtung um 120° zueinander versetzt angeordnet sein.
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Es können Sensoren 28 vorgesehen sein, welche die Positionen der Antriebseinheiten 10, 12, 14 bestimmen.
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Die Antriebseinheiten 10, 12, 14 können relativ zu einem Gehäuse 30 beweglich gelagert sein. Das Gehäuse 30 kann zylinderförmige Aussparungen 32 für die Gewichte 16 aufweisen.
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Auch die Antriebswelle 24 kann am Gehäuse 30 gelagert sein.
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Die Antriebswelle 24 wird durch die Antriebseinheiten 10, 12, 14 in eine Drehbewegung versetzt, wie mit dem gebogenen Pfeil angedeutet ist.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines hinteren Bereichs der Antriebsvorrichtung.
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Die Antriebsvorrichtung weist einen ersten Schrittmotor 34, einen zweiten Schrittmotor 36 und einen dritten Schrittmotor 38 auf.
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Ferner weist die Antriebsvorrichtung einen ersten schaltbaren Schaltmagneten 40, einen zweiten schaltbaren Schaltmagneten 42 sowie einen dritten schaltbaren Schaltmagneten 44 mit jeweils einem Nordpol N und einem Südpol S auf.
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Der erste Schaltmagnet 40 ist über den ersten Schrittmotor 34, der zweite Schaltmagnet 42 ist über den zweiten Schrittmotor 36 und der dritte Schaltmagnet 44 ist über den dritten Schrittmotor 38 schaltbar.
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Die Schaltmagnete 40, 42, 44 und die Schrittmotoren 34, 36, 38 können starr am Gehäuse 30 befestigt sein.
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Eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung kann die Schrittmotoren 34, 36, 38 derart steuern, dass der erste Schaltmagnet 40 aktiviert wird, um den Antriebsmagneten 18 der ersten Antriebseinheit 10 in Richtung der Antriebswelle 24 zu bewegen.
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Ein vorderer Bereich der Antriebsvorrichtung kann entsprechend aufgebaut sein, sodass, wie in der geschnittenen Unteransicht in 3 zu sehen ist, noch ein vierter Schaltmagnet 46, ein fünfter Schaltmagnet 48 sowie ein sechster Schaltmagnet 50 vorgesehen sein kann, welche jeweils über einen separaten Schrittmotor gesteuert werden können.
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Alternativ können z.B. der erste Schaltmagnet 40 und der vierte Schaltmagnet 46 über einen gemeinsamen Schrittmotor geschalten werden. Entsprechend können z.B. der zweite Schaltmagnet 42 und der fünfte Schaltmagnet 48 über einen gemeinsamen Schrittmotor geschalten werden. Auch können z.B. der dritte Schaltmagnet 44 und der sechste Schaltmagnet 50 über einen gemeinsamen Schrittmotor geschalten werden.
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Die Antriebsmagnete 18 können bei Bedarf vorzugsweise beidseitig angezogen werden.
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Dies ist beispielhaft in 4 gezeigt. Die Polung des Antriebsmagneten 18 sowie der Schaltmagnete 40, 46 ist derart gewählt, dass eine maximale Anziehungskraft erreich wird.
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Die Abstände zwischen den Schaltmagneten 40, 46 und dem Antriebsmagneten 18 kann jeweils beispielsweise zwischen 1 cm und 5 cm, vorzugsweise zwischen 2 cm und 3 cm, betragen.
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Der Abstand zwischen zwei Antriebsmagneten 18 wird vorzugsweise derart gewählt, dass sich die entsprechenden Magnetfelder nicht gegenseitig beeinflussen.
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Zunächst wird der erste Schaltmagnet 40 über den ersten Schrittmotor 34 aktiviert, um den Antriebsmagneten 18 der ersten Antriebseinheit 10 in Richtung der Antriebswelle 24 zu bewegen. Auch der vierte Schaltmagnet 46 wird aktiviert.
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Die Sensoren 28 können die Positionen der Antriebseinheiten 10, 12, 14 erfassen.
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Der zweite Schaltmagnet 42 wird über den zweiten Schrittmotor 36 deaktiviert. Auch der fünfte Schaltmagnet 48 wird deaktiviert. Somit wirkt keine magnetische Kraft auf die zweite Antriebseinheit 12.
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Der dritte Schaltmagnet 44 wird über den dritten Schrittmotor 38 deaktiviert. Auch der sechste Schaltmagnet 50 wird deaktiviert. Folglich wird keine magnetische Kraft auf die dritte Antriebseinheit 14 ausgeübt.
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Im weiteren Verlauf werden die Schaltmagnete 40 bis 50 derart geschalten, dass ein kontinuierlicher Betrieb ermöglicht wird. Beispielsweise können die Sensoren 28 eine leicht schräge Position einnehmen bzw. die Schrittmotoren 34, 36, 38 können derart geschalten werden, dass die Kraft auf die Antriebswelle 24 stets von derselben Seite wirkt und sich daher gleichmäßig dreht. Die Antriebshebel 20 werden somit in eine kreisförmige Bewegung gezwungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste Antriebseinheit
- 12
- zweite Antriebseinheit
- 14
- dritte Antriebseinheit
- 16
- Gewicht
- 18
- Antriebsmagnet
- 20
- Antriebshebel
- 22
- Gelenk
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Angreifpunkt
- 28
- Sensor
- 30
- Gehäuse
- 32
- Aussparung
- 34
- erster Schrittmotor
- 36
- zweiter Schrittmotor
- 38
- dritter Schrittmotor
- 40
- erster Schaltmagnet
- 42
- zweiter Schaltmagnet
- 44
- dritter Schaltmagnet
- 46
- vierter Schaltmagnet
- 48
- fünfter Schaltmagnet
- 50
- sechster Schaltmagnet
- N
- Nordpol
- S
- Südpol
