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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Linearencoder und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, einen
Linearencoder, der zusammen mit einem Linearmotor verwendet werden
kann.
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Linearmotoren, die Anker, die Spulen
enthalten und bewegliche Köpfe,
die Magneten enthalten, besitzen sind Stand der Technik. Ebenso
sind Linearmotoren bekannt, die feststehende Magneten und bewegliche
Anker besitzen.
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Ein Typ solcher Linearmotoren ist
in dem US-Patent 4,749,921 offenbart. Der Linearmotor der genannten
Offenbarung besitzt eine Reihe Ankerwicklungen, die auf einer Grundplatte
montiert sind und einem Kopf mit einer Reihe von Magneten, der sich
frei auf der Grundplatte bewegen kann. Der Kopf wird in die gewünschte Richtung
verschoben, indem die Wicklungen mit Wechselstrom oder Gleichstrom erregt
werden. Wenn ein solcher Linearmotor in einem Positionierungssystem
verwendet wird, muss das Verhältnis
zwischen der Position des Kopfes und den Positionen der Wicklungen
berechnet werden.
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Bei einem Linearmotor hängen an
dem Kopf Kommutatorkontakte. Die Kontakte berühren eine oder mehrere Stromschienen
und einen oder mehrere Wicklungskontakte. Wenn sich der Kopf entlang des
Ankers bewegt, wird die Position des Kopfs gegenüber dem Anker automatisch berechnet,
indem durch die Kommutatorkontakte Strom auf die feststehenden Ankerwicklungen
geleitet wird.
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Bei anderen Linearmotoren ist es üblich, eine Betriebsringleitung
aus Drähten
zwischen dem sich bewegenden Kopf und den feststehenden Elementen zu
verwenden. Die Position des Kopfs wird nachvollzogen, indem ein
magnetischer oder optischer Positionsencoder an dem Kopf verwendet
wird, der Markierungen auf einem Encoderband, das fest entlang des
Pfads des Kopfes angeordnet ist, erfasst. Die Position wird auf
der Betriebsringleitung zu einer feststehenden Motorsteuerung gegeben.
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Überhaupt
ist die wichtigste Ortsangabe die Phase des Kopfes relativ zu der
Phase des Ankers. Bei einem 3-Phasen-Anker beispielsweise sind die Wicklungen
in drei, sich wiederholenden, Einheiten für die Phasen A, B und C angeordnet.
Wenn der Mittelpunkt der A-Phasen-Wicklung willkürlich als 0 Grad de finiert
wird, dann sind die Mittelpunkte der B- und C-Wicklungen als 120
und 240 definiert. Es mag zwei, drei oder mehr Wicklungseinheiten
geben, wie dies für
den Reiseweg des Kopfs benötigt
wird. Normalerweise sind alle A-Phasen-Wicklungen parallel verbunden. Das Gleiche
gilt für
die B- und C-Wicklungen. Wenn daher die Position des Kopfs eine
bestimmte Spannungskonfiguration bei den besonderen Wicklungen,
die sich im Einflussbereich der Magneten auf dem Kopf befinden,
benötigt,
werden, neben der Spannungsversorgung dieser Wicklungen auch alle
anderen Wicklungen des Ankers mit Spannung versorgt. Die Höchstkraft,
die von einem Linearmotor zu gewinnen ist, ist durch den zulässigen Temperaturanstieg
in den Ankerwicklungen begrenzt. Wenn alle Wicklungen unter Spannung
stehen, ob sie zu der Motorkraft beisteuern oder nicht, erhitzt sich
der Anker mehr, als es zur Ausführung
der Motorfunktionen genau ausreichen würde.
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Manche Linearmotoren nach dem Stand
der Technik haben auf dieses Problem reagiert, indem sie Schalter
verwenden, die nur bei den Ankerwicklungen geschlossen sind, die
sich gerade unter dem Einfluss der Magneten befinden.
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Die Notwendigkeit, eine Ringleitung
zur Verbindung sich bewegender und feststehender Elemente zu haben,
ist nachteilig und begrenzt die Flexibilität, mit der das System ausgestattet
werden kann. Die Verkabelung erfordert zusätzlichen Abstand von dem Linearmotor
um ein Verheddern zwischen dem Motor und Ausrüstungsteilen oder Gegenständen neben
dem Weg des Linearmotors zu verhindern. Außerdem führt die Herstellung eines Linearmotors
mit einer Verkabelung zu zusätzlichen Kosten
für Material
und Montagearbeit. Es wäre
daher wünschenswert,
auf die Verwendung einer Verkabelung bei einem Linearmotor zu verzichten,
um die Montagekosten zu senken, das Gesamtgewicht des sich bewegenden
Elements zu vermindern und die Platzbeschränkungen bei der Verwendung
eines Linearmotors zu eliminieren.
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Die meisten Linearmotoren werden
so gebaut, dass sie einem geraden Weg folgen und eine bestimmte
festgesetzte Länge
aufweisen. Dies legt die Länge
des Ankers fest und damit die Anzahl der Ankerwicklungen. Bei solchen
Linearmotoren liegen alle Ankerwicklungen parallel zueinander, wobei
ihre Achsen im Allgemeinen bei 90 Grad gegenüber der Bewegungsrichtung des
Linearmotors lie gen. Um einen neuen Linearmotor einer bestimmten
Länge zu bauen,
muss ein neuer Ausbau konstruiert werden. Jeder Ausbau hat eine
feste Anzahl von Ankerwicklungen, eine feste Anzahl beweglicher
Magnete und eine bestimmte Verkabelungslänge, die mit dem beweglichen
Element des Linearmtors zusammenhängt. Die Kosten, einen Linearmotor
herzustellen, sind erhöht,
da jeder Ausbau für
die Bedürfnisse
des Kunden maßgeschneidert
werden muss, wobei für jeden
solchen Ausbau eine neue Werkzeugausrüstung erforderlich ist. Es
ist daher besonders wünschenswert,
einen Linearmotor mit modularem Ausbau herzustellen.
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Ein modular aufgebauter Motor würde eine einfache
Anpassung an jede gewünschte
Länge der Ankerwicklungseinheit
erlauben. Die Kosten, einen besonderen Linearmotor zu bauen, würden sinken, da
die Kosten für
die Werkzeugausrüstung
minimal wären.
Eine Datenbasis für
die Montage und Zeichnungen wäre
für alle
Ausbauten einer Familie von Linearmotoren gleich, was die Monateg
und die Herstellung erleichtert. Eine Lagerhaltung gemeinsamer Teile
würde den
raschen Zusammenbau jeder besonderen Motorenlänge aus den jetzt zur Verfügung stehenden
Teilen erlauben. Die Lagerung gemeinsamer Teile senkt auch die Gesamtkosten
der Herstellung, da Materialien in Mengen von gemeinsamen Zulieferern
gekauft werden. Der Zusammenbau jeder gewünschten Ankerwicklungseinheit
wird eine verringerte Vorgabezeit erfahren. Ein modular aufgebauter Linearmotor
als solcher sorgt für
die Abnahme bei den Herstellungskosten, einer Abnahme der Vorgabezeit
bei der Montage und erhöht
seine Verwendbarkeit.
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Linearmotoren, die eine Reihe feststehender Ankerwindungen
und bewegliche Magneten verwenden, benötigen Mittel, um Hitze von
den Wicklungen abzuführen.
Linearmotoren, bei denen Kühlplatten an
einem Rand einer Ankerwicklung angeordnet sind, sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Alternativ sind Ankerwicklungen, die Kühlspulen
oder -kanäle
besitzen, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele
solcher Anker sind in dem US-Patent 4,839,545 offenbart. Diese Anker
verwenden gestapeltes, laminiertes magnetisches Material.
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Linearmotoren, die nicht-magnetische
Anker haben, sind ebenfalls bekannt. Ein Beispiel ist in dem US-Patent
4,749,921 offenbart. Der Linearmotor der genanten Offenbarung besitzt
einen nicht-magnetischen Anker, der eine Wicklungshaltestruktur
aus einem Aluminiumrahmen besitzt oder eine Kühlspule aus Serpentin. Bei
der Ausführung
mit einem Aluminiumrahmen, wird die Hitze von den Wicklungen durch
den Aluminiumrahmen und eine Seitenplatte abgeführt, die als Kühlkörper dient.
Alternativ kann eine Spule aus Serpentin verwendet werden, um eine einheitlichere
Kühlung
in dem Anker zu bewirken. Die Spulen aus Serpentin tragen die sich überlappenden Wicklungen,
während
die Wicklungen und der Anker in einem Block aus thermoplastischem
Kunststoff eingegossen sind. Während
die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs außerdem das
Auftreten von Wirbelströmen
verhindert, ist die thermische Leitfähigkeit des thermoplastischen
Kunststoffs bedeutend geringer, als die von Metallen, die er ersetzt und
verringert daher Stromverlustkapazität des Linearmotors.
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Linearmotoren werden in der Industrieausrüstung immer
mehr verwendet. Bei solchen Ausrüstungen übersetzen
sich nominelle Erhöhungen
der Arbeitsgeschwindigkeit in bedeutende Einsparungen bei den Produktionskosten.
Es ist daher besonders wünschenswert,
soviel Kraft und Beschleunigung hervorzubringen, wie dies bei einem
Linearmotor möglich
ist. Eine Zunahme der erzeugten Kraft erfordert entweder eine Zunahme
der Magnetfeldintensität
oder eine Zunahme in dem Strom, mit dem die Wicklungen des Ankers
versorgt werden. Bei einem Linearmotor mit Permanentmagneten ist
die Magnetfeldintensität
durch die Feldstärke
von zur Verfügung stehenden
Motormagneten begrenzt. Der Kraftverlust in den Wicklungen erhöht sich
in einem Maß,
das gleich dem Quadrat des Stroms ist. Die begleitende Wärmeerzeugung
begrenzt die Kraft, die erreicht werden könnte, ohne die maximale Ankertemperatur zu überschreiten.
Deshalb vergrößern Verbesserungen
bei der Kraftverlustkapazität
von Linearmotoren deren Verwendbarkeit.
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Bestimmte Aufgaben erfordern es,
dass Vorgänge
an mehr als einem Ort ablaufen. Manchmal müssen Materialien oder Werkstücke gleichzeitig
an zwei Stellen ausgegeben werden. Dies ist bei einem Linearmotor,
der auf seinem Pfad nur einen einzigen beweglichen Kopf bewegen
kann, schwierig oder unmöglich.
Insbesondere im Fall von mit sich selbst geschlossenen Pfaden ist
das Problem der Interferenz zwischen Betriebsringleitungen, die
zwei oder mehr bewegliche Köpfe
verbinden, nicht leicht zu lösen.
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Gemeäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Linearencoder geschaffen, bestehend aus:
einem
Encodermagneten;
wobei der Encodermagnet eine Mehrzahl magnetischer
Zonen besitzt, die alternierende magnetische Polaritäten aufweisen;
wobei
erste und zweite magnetische Zonen an entgegen gesetzten Enden des
magnetischen Encoders sich verjüngen,
um verjüngte
magnetische Zonen zu erzeugen;
einer ersten und einer zweiten
Zone die gleiche magnetische Polarität besitzen;
einem Abstand
zwischen den Mittelpunkten der verjüngten magnetischen Zonen, der
eine Spannweite definiert;
ersten und zweiten Encodersensoren,
die einen Abstand zwischen sich aufweisen, der gleich der Spannweite
ist;
wobei der erste und der zweite Encodersensor auf die alternierenden
magnetischen Polaritäten
reagiert, wenn sich der Encodermagnet über sie bewegt, um ein alternierendes
Encodersignal zu erzeugen; und
wobei die Verjüngung der
verjüngten
Zonen dazu dient, eine Zunahme in einem Output des ersten Encodersensors
zu erzeugen, die im wesentlichen gleich einer Abnahme eines Outputs
des zweiten Encodersensors ist, wenn sich der Encodermagnet in einer
Richtung von dem zweiten Encodersensor zu dem ersten Encodersensor
bewegt und sich der Encodermagnet mit dem ersten Encodersensor ausrichtet
und umgekehrt.
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Bei einer Ausführung der Erfindung benutzt ein
Linearencoder alternierende magnetische Polaritäten bei einem Encodermagneten.
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Bei einer anderen Ausführung der
Erfindung besitzt ein Linearbewegungssystem ein magnetisch angetriebenes
Linearencodersystem, das die Fähigkeit
besitzt. Eine Position festzustellen.
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Eine bevorzugte Ausführung der
Erfindung kann bei einem kabellosen Lienarmotor verwendet werden,
der die Verwendung einer Verkabelung vermeidet, um die Montagekosten
zu senken, das Gewicht des Zusammenbaus zu verringern und den erforderlichen
Abstand, der den Motor umgibt zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung besteht
auch aus einem kabellosen Linearmotor mit einer verbesserten Kühlung, der
die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Kurz gesagt weist ein lineares Encodersystem
einen Magneten auf, der alternierende magnetische Zonen besitzt.
Die Enden der magnetischen Zonen sind konisch. Ein Abstand zwischen
den Mittelpunkten der konischen magnetischen Zonen definiert eine
Spannweite. Ein erster und ein zweiter Encodersensor, die auf die
alternierenden magnetischen Zonen reagieren, liegen einen Abstand
auseinander, der der Spannweite entspricht. Wenn sich der Encodermagnet
mit einer der konischen magnetischen Zonen ausrichtet und sich aus
der Ausrichtung mit der anderen magnetischen Zone entfernt, ist
die Abnahme des Signals von einer magnetischen Zone etwa gleich
der Zunahme des Signals von der anderen magnetischen Zone. Bei einer
Ausführung
der Erfindung wird ein dritter Encoder in der Mitte zwischen dem
ersten und dem zweiten Encodersensor angeordnet.
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Bei einer Ausführung der Erfindung wird ein Linearencoder
geschaffen, bestehend aus: einem Encodermagneten, wobei der Encodermagnet
eine Mehrzahl magnetischer Zonen besitzt, die alternierende magnetische
Polaritäten
aufweisen, wobei erste und zweite magnetische Zonen an entgegen
gesetzten Enden des magnetischen Encoders sich verjüngen, um
verjüngte
magnetische Zonen zu erzeugen, einer ersten und einer zweiten Zone
die gleiche magnetische Polarität
besitzen, einem Abstand zwischen den Mittelpunkten der verjüngten magnetischen
Zonen, der eine Spannweite definiert, ersten und zweiten Encodersensoren,
die einen Abstand zwischen sich aufweisen, der gleich der Spannweite ist,
wobei der erste und der zweite Encodersensor auf die alternierenden
magnetischen Polaritäten
reagiert, wenn sich der Encodermagnet über sie bewegt, um ein alternierendes
Encodersignal zu erzeugen und wobei die Verjüngung der verjüngten Zonen
dazu dient, eine Zunahme in einem Output des ersten Encodersensors
zu erzeugen, die im wesentlichen gleich einer Abnahme eines Outputs
des zweiten Encodersensors ist, wenn sich der Encodermagnet in einer
Richtung von dem zweiten Encodersensor zu dem ersten Encodersensor
bewegt und sich der Encodermagnet mit dem ersten Encodersensor ausrichtet
und umgekehrt.
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Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden
jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnung genauer
beschrieben, bei denen:
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1A ein
vereinfachtes schematisches Diagramm eines Linearmotorsystems entsprechend
einer Ausführung
der Erfindung ist.
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1B ein
Schnitt entlang II-II von 1 ist.
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2 Ein
Schnitt entlang A-A von 1B ist,
und den Schaltmagneten und die Schaltsensoren zeigt, die das Anlegen
von Antriebskraft an die Ankerwindungen steuern.
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3 ein
Schnitt entlang C-C von 1B ist und
das Verhältnis
zwischen dem Schaltmagneten und den Motormagneten zeigt.
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3A ein
Schnitt entlang C-C von 1B ist
und das örtliche
Verhältnis
zwischen den Schaltmagneten und den Motormagneten zeigt.
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3B ein
Schnitt entlang C-C, wie in 3A zeigt,
wie sich der bewegliche Kopf nach rechts von seiner Position in 3A aus bewegt hat.
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4 ein
Schnitt entlang der Linie B-B von 1 ist
und das Verhältnis
zwischen den magnetischen Zonen des Encodermagneten und den Encodersensoren
zeigt.
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4A die
Form einer abgeschrägten
magnetischen Zone um einen der Encodersensoren von 4 zeigt.
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4B das
Verhältnis
zwischen dem Ausgangssignal der Encodersensoren, die am linken und am
rechten Ende der Encodermagneten von 4 angeordnet
sind und der abgeschrägten
magnetischen Zone von 4A zeigt.
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4C eine
andere Form einer abgeschrägten
magnetischen Zone um einen der Encodersensoren von 4 zeigt.
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5 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Ausführung eines kabellosen Linearmotors zeigt,
der aktive Kommunikationselemente an dem beweglichen Kopf verwendet.
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6 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Ausführung eines kabellosen Linearmotors
zeit, der ein aktives Befehl/Antwort-Positionsfeedbacksystem verwendet.
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7 ein
Schnitt ähnlich
wie 1B ist, mit der
Ausnahme, dass in dem Pfad vorgesehen ist, einen zweiten beweglichen
Kopf auf dem gleichen Pfad zu steuern.
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8 ein
Schnitt ähnlich
wie 1B ist, mit der
Ausnahme, dass in dem Pfad vorgesehen ist, jede gewünschte Zahl
von Köpfen
auf dem gleichen Pfad zu steuern.
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9 ein
Schnitt ähnlich
wie 1B ist, mit der Ausnahme, dass
in dem Pfad vorgesehen ist, zwei oder mehr Köpfe auf dem gleichen Pfad zu
steuern.
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10 ein
Schnitt ähnlich 1B ist, mit der Ausnahme,
dass in dem Pfad vorgesehen ist, drei oder mehr Köpfe auf
dem gleichen Pfad zu steuern.
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11 ein
schematisches Diagramm eines kabellosen Linearmotors ist, der ein
Befehl/Antwort-System mit einem Speicher auf dem beweglichen Kopf
verwendet.
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12 ein
Diagramm ist, der einen Pfad zeigt, der für eine offene Systemsteuerung
eines beweglichen Kopfes über
einen Abschnitt und eine geschlossene Systemsteuerung über einen
anderen Abschnitt geeignet ist.
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13 ist
ein Diagramm, dass verschiedne Pfadmodule zeigt, die miteinander
verbunden sind, um einen Pfad zu bilden.
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14 ist
ein Diagramm, das eine bevorzugte Ausführung eines Pfadmoduls zeigt,
das drei Encodersensorengruppen entlang des Modulpfads besitzt.
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15 ist
ein Diagramm, das eine Ausführung
von zwei miteinander verbundenen Pfadmodulen zeigt, von denen ein
Modul einen Sensor besitzt und das andere Modul keinen Sensor.
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16 ein
Diagramm ist, das eine alternative Ausführung eines Pfadmoduls mit
einem einzigen Sensor zeigt.
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17 ein
Diagramm eines Linearmotors mit einem Pfad mit einer rennbahnähnlichen
Form ist.
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18e vergrößerte Ansicht
eines gekrümmten
Abschnitts von 17 ist. 19 ein Diagramm eines Linearmotors
mit mehreren Ebenen ist, wobei ein Abschnitt des Pfades über oder
unter einem anderen Abschnitt des Pfades kreuzt.
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20 ein
Diagramm eines Lienearmotorpfads ist, der aus zwei verbundenen Spiralen,
einschließlich
mehrerer Überkreuzungen
besteht.
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21 ein
Diagramm eines Linearmotors ist, der die Form eines Moebiusbands
besitzt.
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Gemäß 1A ist allgemein bei 10 ein
erfindungsgemäßer Linearmotor
gezeigt. Ein beweglicher Kopf 12 wird in irgendeiner gewünschten
Weise entlang Pfad 14 gehalten und geführt. Der Pfad 14 besitzt
in sich wiederholende Einheiten von drei Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C,
um jeweils die Phasen A, B und C eines dreiphasigen Antriebsstroms, die
von einer Motorsteuerung 18 erzeugt wird, aufzunehmen.
Die Phase A des Antriebsstroms von der Motorsteuerung 18 ist
mit der Phase A Leitung 20A zu Anschlüssen normalerweise offener
Phase A Schaltern 22A verbunden. Jeder Phase A Schalter
ist mit seiner zugehörigen
Phase A Ankerwicklung 16A verbunden. In ähnlicher
Weise sind jeweils die Phase B und Phase C Antriebsströme mit Phase
B- und Phase C Leitungen 20B und 20C zu Anschlüssen von
Phase B und Phase C Schaltern 22B und 22C verbunden.
Die Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C jeder
Einheit sind nicht verschachtelt. Das heißt, sie liegen Seite an Seite,
nicht überlappend,
wie dies der Fall bei manchen Linearmotoren des Stands der Technik
ist.
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Alle Schalter 22A, 22B und 22C bleiben
offen, mit der Ausnahme der Schalter, die mit den besonderen Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C verbunden
sind, die sich innerhalb des Einflusses von Motormagneten auf dem
beweglichen Kopf 12 befinden. Die geschlossenen Schalter 22A, 22B und 22C, die
auf diese Weise geschlossen sind, sind als 22A', 22B' und 22C' bezeichnet
und legen dabei Strom an entsprechende Ankerwicklungen 16A', 16B' und 16C'.
Wenn sich der bewegliche Kopf 12 entlang des Pfads 14 bewegt,
schließen
sich diejenigen Schalter 22A, 22B und 22C,
die neu unter den Einfluss der Magenten auf dem beweglichen Kopf 12 kommen und
diejenigen, die sich aus dem Einfluss der Magneten bewegen, werden
geöffnet.
So sind immer nur die Ankerwicklungen 16A', 16B' und 16C',
die dazu beitragen können,
an dem beweglichen Kopf 12 eine Kraft zu erzeugen, eingeschaltet.
Die übrigen
Ankerwicklungen, die bei der Erzeugung von Kraft nutzlos sind, verbleiben
in einem ruhigen, nicht eingeschalteten Zustand. Dies trägt zu einer
Verringerung im Stromverbrauch und einer entsprechenden Verringerung
bei der Erwärmung
bei, verglichen mit den Vorrich tungen nach dem Stand der Technik,
bei denen alle Ankerwicklungen eingeschaltet sind, ungeachtet dessen,
ob sie in einer Position sind, zur Kraft beizutragen.
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Bei einer Anwendung, bei der ein
offener Antrieb des beweglichen Kopfs 12 zufrieden stellend
ist, erzeugt die Motorsteuerung 18 die erforderliche Abfolge
von Phasen, um den Kopf in die gewünschte Richtung anzutreiben.
Jedoch ist eine wünschenswerte
Anwendung, ein geschlossenes Antriebssystem, bei der die Motorsteuerung 18 Feedbackinformationen
von dem beweglichen Kopf 12 erhält, die entweder seine Position
auf dem Pfad 14 oder Bewegungszuwächse auf dem Pfad 14 anzeigen.
Ein geschlossenes System erlaubt eine genaue Kontrolle der Position,
Geschwindigkeit und Beschleunigung des beweglichen Kopfs 12.
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Der Stand der Technik befriedigt
die Erfordernis des Positionsfeedbacks, indem zwischen dem beweglichen
Kopf 12 und der Motorsteuerung 18 eine Verkabelung
verwendet wird. Dies ist bei manchen Anwendungen störend und
bei anderen unpraktisch. Unpraktische Anwendungen schließen die
Reise des beweglichen Kopfs 12 entlang eines Pfads 14 ein,
der mit sich selbst geschlossen ist. Ein Beispiel eines solchen
Pfades ist ein Oval oder „Rennbahn-Muster"
die bei einem Roboterbauvorgang nützlich ist und die weiter unten
in dieser Beschreibung genauer beschrieben wird. Das heißt, der
bewegliche Kopf 12 bewegt sich weiter nach vorne und reist
wiederholt in die gleiche Richtung entlang dem Pfad 14.
Eine Verkabelung zwischen den beweglichen und feststehenden Elementen
bei einer solchen Anwendung ist entweder schwierig oder gar nicht
zu erreichen.
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Die Ausführung von l A
besitzt eine Kommunikationsvorrichtung 24, die die Motorsteuerung 18 kabellos über die
Position und/oder die Bewegungsinkremente des beweglichen Kopfs
informiert. Die Kommunikationsvorrichtung 24 ist vorzugsweise
ein Linearencoder, der keine Verbindungskabel zwischen feststehenden
und beweglichen Elementen benötigt,
wie noch zu erklären
ist.
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Bei der bevorzugten Ausführung werden
wenigstens einige Positions- oder Bewegungsinformationen an Stationen
entwickelt, die sich außerhalb
des beweglichen Kopfs 12 befinden, ohne dass die Übertragung
von Positionsinformationen erforderlich ist.
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Der vereinfachten Zeichnung von 1A und der obigen Beschreibung
ist zu entnehmen, dass ein Linearmotor 10 die folgenden
Verrichtungen erfordert:
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- 1) Steuerung der Schalter 22A, 22B, 22C
- 2) Feedback der Positions- oder Bewegungsdaten
- 3) Antriebskrafterzeugung entsprechend der Position (oder der
von der Bewegung abgeleiteten Position)
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Gemäß 1B zeigt ein Schnitt durch den Pfad 14 mit
Blick auf die Rückseite
des beweglichen Kopfs 12 eine Mehrzahl von Motormagneten 160, 162 unter
einer Platte 26. Die Unterseiten der Motormagneten 160, 162 werden
eng parallel zu einer Oberseite von Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C gehalten.
Obwohl es nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, können die
Ankerwicklungen 16A, B, C auf gestapelten
Schichten eines magnetischen Metalls gewickelt sein. In diesem Fall
wird die Unterseite der Motormagneten 160, 162 eng
parallel zu der Oberseite der gestapelten Schichten gehalten. Manche Anwendungen
können
von der Verringerung der statischen Belastung des beweglichen Kopfs 12 profitieren,
die vorhanden ist, wenn die Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C kein
magnetisches Material enthalten. In der weiteren Beschreibung wird
auf die Motormagneten 160, 162 als Motormagneten
Bezug genommen. Die Ankerwicklungen 16A, B und C werden soweit
unter Strom gesetzt, wie es nötig
ist, um mit den Motormagneten 160, 162 zu interagieren,
wodurch bei dem beweglichen Kopf 12 eine Schubkraft erzeugt
wird.
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Ein Hängearm 28 erstreckt
sich von der Platte 26 nach unten. An dem Hängearm 28 sind
ein Schaltmagnet 30 und ein Encodermagnet 32 befestigt,
die sich mit dem beweglichen Kopf bewegen. Eine Schiene 34,
die an dem Pfad 14 befestigt ist, erhebt sich im Wesentlichen
parallel zu dem Hängearm 28.
An der Schiene 34 ist eine Mehrzahl in der Längsrichtung
beabstandeter Schaltsensoren 36 befestigt, die dem Schaltmagneten 30 gegenüberliegen,
sowie eine Mehrzahl von in Längsrichtung
beabstandeter Encodersensoren 38, die dem Encodermagneten 32 gegenüberliegen.
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Gemäß 2 sind die Schaltsensoren 36 in gleichen
Abständen
entlang der Schiene 34 angeordnet. Jeder Schaltsensor 36 ist
auf der Schiene 34 vorzugsweise mit seinen jeweiligen Ankerwicklungen 16 ausgerichtet.
Bei der gezeigten Ausführung
sind die Schaltsensoren 36 Hall-Effektvorrichtungen. Der Schaltmagnet 30 besitzt
eine Länge
in Reiserichtung, die in etwa gleich der Reiselänge ist, die von den Magnetfeldern
der Motormagneten 160, 162 beeinflusst wird. Diese
Länge ist
in Abhängigkeit
von der Zahl der verwendeten Motormagneten variabel. Bei der dargestellten
Ausführung
ist die Länge
des Schaltmagneten 30 ausreichend, um neun Schaltsensoren 36 zu
beeinflussen. Das heißt,
neun Ankerwicklungen 16 (drei Einheiten der Phasen A, B
und C) sind zu jeder Zeit mit ihren jeweiligen Stromleitungen 20 zur
magnetischen Interaktion mit den Motormagneten 160, 162 verbunden.
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Die Schaltsensoren 36 steuern
den offenen und geschlossenen Zustand der jeweiligen Schalter, wie
oben ausgeführt.
Jede passende Art Schalter kann verwendet werden. Bei der bevorzugten
Ausführung
sind die Schalter konventionell Halbleiterschalter, wie Thyristoren.
Da Halbleiterschalter und die Technik zur Steuerung von deren Öffnungs-
und Schließzuständen für den Fachmann
bekannt sind, wird ihre ausführliche
Beschreibung hier weggelassen.
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Gemäß 3 besitzt die Unterseite der Platte 26 neun
Motormagneten 160, die in regelmäßigen Abständen angebracht sind. Zusätzlich ist
an jedem Ende der Reihe von neun Motormagneten 160 ein zusätzlicher
Motormagnet 162 angeordnet. Die Motormagneten 160, 162 sind
in der gezeigten konventionellen Art schräg angeordnet, um ein Kleben
zu vermeiden. Es ist festzuhalten, dass die Länge des Schaltmagneten 30 in
etwa gleich dem Abstand von Mitelpunkt zu Mittelpunkt der äußeren der
Einheit von neun vollen Motormagneten 160 ist. Diese Länge des Schaltmagneten 30 definiert
die Spannweite des aktiven Bereichs des Linearmotors 10.
Das heißt,
nur diejenigen Ankerwicklungen 16, die in der Spannweite
S liegen, werden mit Strom versorgt. Wenn die Ankerwicklungen 16 in
den Bereich der Spannweite S kommen, erhalten sie Strom, wenn sie
die Spannweite S verlassen, wird der Strom abgeschaltet.
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Die zusätzlichen Motormagneten 162,
die sich außerhalb
der Spannweite befinden, tragen nicht zur der Krafterzeugung bei,
weil die Ankerwicklungen 16 unter ihnen stromlos bleiben.
Jedoch führen
die zusätzlichen
Motormagneten 162 eine wichtige Funktion aus. Für die Funktion
des Linearmotors 10 ist es wichtig, dass die magnetische
Feldstärke entlang
der Platte 26 im Wesentlichen sinusförmig ist. Bei Abwesenheit der
zusätzlichen
Motormagneten 162 weichen die Magnetfelder, die von den
zwei Magneten 160, die sich an den Enden der Spannweite S
befinden, erzeugt werden, wegen Streueffekten stark von der Sinusform
ab. Dies erzeugt Wellen bei der Kraftentwicklung. Die Anwesenheit
zusätzlicher Motormagneten 162,
vermeidet die Wellenquelle indem entlang der Motormagneten 160 im
Wesentlichen sinusförmige
Magnetfeldvariationen beibehalten werden.
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Die zusätzlichen Motormagneten 162 sind mit
geringerer Breite dargestellt, als die der Motormagneten 160.
Es wurde herausgefunden, dass eine geringere Breite bei den zusätzlichen
Motormagneten 162 zufrieden stellende Ergebnisse erbringt.
Es wurde jedoch auch herausgefunden, dass ein breiterer zusätzlicher
Motormagnet 162 die Funktion nicht stört. Vom Standpunkt der Herstellungsökonomie mag
es wünschenswert
sein, nur eine Magnetgröße sowohl
für die
Motormagneten 160, als auch für die zusätzlichen Motormagneten 162 zu
verwenden, wodurch die Lagerkosten und Montagekosten verringert werden.
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Gemäß 3A sind die Positionsverhältnisse
des Schaltmagneten 30 und der Motormagneten 160, 162 gezeigt,
wobei zum Zweck der Verdeutlichung eine verkleinerte Einheit von
5 Motormagneten, die mit 4 Ankerwicklungen zusammenwirken verwendet
wird. Wenn sich der bewegliche Kopf 12 bewegt, bewegen
sich der Schaltmagnet und die Motormagneten 160, 162 mit
diesem zusammen und behalten die gleichen relativen Positionen bei.
Wenn sich der bewegliche Kopf 12 weiter bewegt, schalten die
Schaltsensoren 36, die neben dem Schaltmagneten 30 liegen,
ihre jeweiligen Schalter an. Die Schaltsensoren 36, die
nicht neben dem Schaltmagneten 30 liegen, lassen ihre jeweiligen
Schalter ausgeschaltet. In dem gezeigten Zustand liegen die Schaltsensoren 36,
die mittig auf den Ankerwicklungen 16-2, 16-3 und 16-4 angeordnet
sind, neben dem Schaltmagneten 30 und diese Ankerwicklungen
sind mit dem Antriebsstrom verbunden. Die Schaltsensoren 36,
die mittig auf den Ankerwicklungen 16-1, 16-5 und 16-6 angeordnet
sind, liegen nicht neben dem Schaltmagneten 30 und daher
halten diese Schaltsensoren 36 die Ankerwicklungen 16-1, 16-5 und 16-6 ausgeschaltet.
Die Mittelpunkte aller Motormagneten 160 sind außerhalb
der Mittelpunkte der Ankerwicklungen 16 dargestellt, zu
denen sie am Nächsten
liegen. Deshalb erzeugen alle eingeschalteten Ankerwicklungen durch
die Interaktion ihrer Magnetfelder mit den Magnetfeldern der drei
nahesten Motormagneten 160 Kraft.
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Gemäß 3B hat sich der bewegliche Kopf 12 von
seiner Position in 3A nach
rechts bewegt, bis der Mittelpunkt des rechten Motormagneten 160 mit
dem Mittelpunkt der Ankerwicklung 16-5 übereinstimmt. Hier erreicht
das Ende des Schaltmagneten 30 gerade eine Position neben
dem Schaltsensor 36. Dies ist eine Minimalstromposition.
Daher schließt der
Schaltsensor 36 seinen Schalter, um die Ankerwicklung 16-5 an
ihre Stromquelle anzuschließen.
In diesem Mittelpunktüberlappenden
Zustand ist die Ankerwicklung 16-5 unfähig, eine Kraft zu erzeugen. So
beträgt
der Strom in der Ankerwicklung 16-5 ein Minimum und das
Schalten findet bei einem Minimalstrom an der Ankerwicklung 16-5 statt. Ähnlich und etwa
zu diesem Augenblick, verlässt
das linke Ende des Schaltmagneten 30 den Schaltsensor 36,
der zu diesem Zeitpunkt mit der Ankerwicklung 16-2 ausgerichtet
ist und schaltet den Strom zur Ankerwicklung 16-2 ab. Der
Mittelpunkt des linken Motormagneten 160 ist zu diesem
Zeitpunkt mit dem Mittelpunkt der Ankerwicklung 16-2 ausgerichtet.
So ist der Strom zu der Ankerwicklung 16-2 zu diesem Zeitpunkt
bei einem Minimum. Das obige Schalten bei einem Minimalstrom verringert
das elektrische Schaltgeräusch, das
erzeugt werden würde,
wenn das Schalten zu Momenten erfolgen würde, an denen eine unter Strom
stehende Ankerwicklung 16 Kraft erzeugen würde, oder
eine abgeschaltete Ankerwicklung 16 eine Kraft unmittelbar
nach dem unter Strom setzen erzeugen würde.
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Bei einem Drei-Phasen-Antriebssystem
wird ein Minimum von fünf
Motormagneten benötigt,
um zu jedem Zeitpunkt mit einem Minimum von vier Ankerwicklungen
zu interagieren oder umgekehrt. Wenn zusätzliche Kraft erwünscht ist,
können
Magneten in Zusatzmengen von jeweils vier hinzugefügt werden.
Das heißt,
die Zahl der Magneten ist 5 + 4L, wobei L eine ganze Zahl außer Null
ist. Die Zahl der Ankerwicklungen in der Spannweite S ist gleich
der Zahl der Motormagneten in der Spannweite S minus 1. Die Ausführung von 2 und 3 verwendet 5 + (4 × 1) = 9 Magneten. Die Anordnung
der Magneten ist so, dass der Abstand der Mittelpunkte der äußeren Enden
der 9 Magneten dem Abstand der Mittelpunkte der 8 Ankerwicklungen
entspricht.
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Gemäß 4 besitzt der Encodermagnet 32 alternierende
magnetische Zonen, bei den sich Nord- und Südpolaritäten abwechseln, die den Encodersensoren 38 gegenüber liegen.
Entsprechend ist jeder Encodersensor 38 abwechselnd positiven
und negativen Magnetfeldern ausgesetzt, wenn der Encodermagnet an
ihm vorbeigeht. Die Zonen an den äußeren Enden des Encodermagneten 32 sind
abgeschrägte
magnetische Zonen. Die abgeschrägten magnetischen
Zonen 42 erzeugen ein anwachsendes oder abfallendes Magnetfeld,
wenn sie sich zu einem Encodersensor 38 bewegen oder weg
von diesem. Die abgeschrägten
magnetischen Zonen sind als gerade Rampen dargestellt. Motoren,
die solche geraden Rampen verwenden, wurden gebaut und positiv getestet.
Jedoch kann eine andere Form, als eine gerade Rampe verbesserte
Ergebnisse erbringen. Es ist bekannt, dass das Magnetfeld eines
Motormagneten mit dem Quadrat des Abstands von dem Magneten abnimmt.
Um daher eine Zunahme des Magnetfels an einer abgeschrägten Zone
zu erhalten, die gleich der Abnahme des Magnetfels an der entgegen
gesetzten Zone ist, kann die Form der Schräge als Quadratsatz beschrieben
werden.
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Unter momentanem Bezug auf 4A ist eine Form einer abgeschrägten magnetischen
Zone, die die Regel befriedigt, dass bei gleichen Zuwächsen der
Bewegung der abgeschrägten
magnetischen Zone 42' gleiche Änderungen in dem Magnetfeld
bei dem Encodersensor 38 vorhanden sind, durch die Gleichung
dargestellt: Y = a + bx2 wobei:
y
der Abstand von der Oberfläche
des Magneten zu dem Encodersensor 38 ist,
x die Position
entlang der abgeschrägten
magnetischen Zone 42' ist, und
a und b Konstanten
sind.
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Die Erfahrung diktiert, dass andere
Faktoren außer
dem obigen Quadratsatz das Verhältnis
zwischen dem Magnetfeld und dem Abstand berühren. Die Form der abgeschrägten Zone 42' kann
Modifizierungen bei dem Quadratsatz erfordern, um solchen anderen
Faktoren Rechnung zu tragen.
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Gemäß 4B sollten die Ausgangsdaten der Encodersensoren
an dem linken und dem rechten Ende des Motormagneten 32 der
Abbildung nahe kommen, wenn die Idealform der abgeschrägten magnetischen
Zonen 42' erreicht ist. Das heißt, die Summe des Signals der
linken abgeschrägten
magnetischen Zone
42' und des Signals von der rechten abgeschrägten magnetischen
Zone 42' sollte etwa konstant bleiben.
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Gemäß wieder 4 ist jeder Encodersensor vorzugsweise
eine Hall-Effekt-Vorrichtung.
Eine Hall-Effekt-Vorrichtung erzeugt einen Strom, wenn sie einer
magnetischen Polarität
(Nord oder Süd) ausgesetzt
ist, ist jedoch unempfindlich gegenüber der entgegen gesetzten
magnetischen Polarität.
Die Encodersensoren 38 sind in Encodersensorengruppen 40 angeordnet,
die aus vier Encodersensoren 38 bestehen, die nacheinander
in Abständen
in Reiserichtung angeordnet sind. Jede Encodersensorengruppe 40 ist
von der benachbarten Encodersensorengruppe um einen Abstand D entfernt.
Der Abstand D muss als gleich mit dem Mittelpunkt zu Mittelpunkt Abstand
zwischen den abgeschrägten
magnetischen Zonen 42 an den Enden des Encodermagneten 38 gesehen
werden. Die vier Encodersensoren 38 in jeder Encodersensorengruppe 40 sind
in der Reiserichtung des beweglichen Kopfs 12 in Bezug
auf den Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen magnetischen
Zonen in dem Encodermagneten beabstandet. Für die Beschreibung ist der
Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen magnetischen Zonen
gleicher Polarität
als 360° betrachtet.
Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen benachbarten
magnetischen Zonen ist daher als 180° zu sehen und der Abstand zwischen
dem Mittelpunkt einer Zone und ihrem Rand als 90°.
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Bei Encodern ist es üblich, dass
sie ein Sinus- und ein Kosinussignal erzeugen, die relativ um 90° phasenversetzt
sind, um die Richtung von Bewegungszuwächsen eines Kopfs zu erkennen.
Bei magnetisch betätigten
Hall-Effekt-Vorrichtungen
besitzt diese konventionelle Technik ein Problem, da Hall-Effekt-Vorrichtungen nur
auf eine magnetische Polarität (Nord
oder Süd)
reagieren und der entgegen gesetzten Polarität gegenüber unempfindlich sind. Um
dieses Problem zu lösen,
besitzt jede Encodersensorengruppe 40 einen Encodersensor
38s+ um ein Sinus+ Ausgangssignal zu erzeugen und einen zweiten
Encodersensor 38s– um
ein Sinus- Ausgangssignal zu erzeugen. Der Encodersensor 38s– in der
Encodersensorengruppe 40 ist um 180° in Reiserichtung von seinem
begleitenden Encodersensor 38s+ beabstandet. Wenn die Sinus+ und
Sinus– Signale
in der Motorsteuerung 18 addiert werden, ist das gewünschte sinusförmige Sinussignal
erhältlich.
Ein Kosinus+ Encodersensor 38c+ ist 90° in der Reiserichtung von dem Sinus+
Encodersensor 38s+ entfernt. Ein Kosinus– Encodersensor 38c– ist 180° in der Reiserichtung
von seinem begleitenden Kosinus+ Encodersensor 38c+ entfernt. Wenn
die Kosinus+ und Kosinus– Signale
in der Motorsteuerung 18 addiert werden, wird das erwünschte Kosinussignal
erzeugt.
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Der Abstand D zwischen den Encodersensorengruppen 40 ist
so, dass wenn ein einzelner Encodersensor 38 einer Encodersensorengruppe
mit der abgeschrägten
magnetischen Zone 42 an einem Ende des Motormagneten 32 ausgerichtet
ist, sein Gegenstück
mit der abgeschrägten
magnetischen Zone 42 auf der entgegen gesetzten Seite des
Encodermagneten 32 ausgerichtet ist. Wenn zum Beispiel, wie
gezeigt, der Sinus+ Encodersensor 38s+ in der linken Encodersensorengruppe 40 mit
dem Mittelpunkt der linken abgeschrägten magnetischen Zone 42 ausgerichtet
ist, ist sein Gegenstück
Sinus+ Encodersensor 38s+ mit der rechten abgeschrägten magnetischen
Zone 42 am rechten Ende des Encodermagneten 32 ausgerichtet.
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Alle zusammengehörigen Encodersensoren 38 sind
parallel mit einer Leitung zu der Motorsteuerung 18 verbunden.
Vier getrennte Leitungen sind gezeigt, die die +/– Sinus/Kosinussignale
tragen. Wenn sich der bewegliche Kopf entlang bewegt, erzeugt der
Encodersensor 38, der mit der abgeschrägten magnetischen Zone 42 an
einem Ende des Encodermagneten 32 in Ausrichtung kommt,
ein anwachsendes Signal, während
der Encodersensor 38, der sich aus der Ausrichtung mit
der abgeschrägten
magnetischen Zone 42 an dem Ende ein abfallendes Signal erzeugt.
Da alle korrespondierenden Encodersensorensignale addiert werden,
ist der Signalübergang, wenn
eine Encodersensorengruppe 40 aktiv wird und ihre benachbarte
Encodersensorengruppe inaktiv, glatt, ohne eine Diskontinuität, die die
Bewegungserkennung stören
würde.
Ein Fachmann wird verstehen, dass der obige Abstand zwischen jedem
+/– paar
von Encodersensoren 38 um 360° vergrößert werden kann, ohne das
sich ergebende Ausgangssignal zu berühren. Bei manchen Anwendungen
könnten,
da die Ausgangssignale der Sinusencodersensoren theoretisch zueinander
um 180° phasenversetzt
sind, beide Sinusencoderausgangssignale an eine einzige Leitung
zur Verbindung mit der Motorsteuerung gelegt werden. Bei anderen
Anwendungen können,
wie dargestellt, vier separate Leitungen erwünscht sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführung eines
Linearmotors 10 ist eine dritte Encodersensorengruppe 40 (nicht
gezeigt) in der Mitte zwischen den abgebildeten Encodersensorengruppen 40 angeordnet. Dies
hat den Vorteil, dass, während
des Übergangs der
abgeschrägten
magnetischen Zonen 42 an den Enden des Encodermagneten 32 von
einer Encodersensorengruppe 40 zu der nächsten Encodersensorengruppe 40,
sich ergebende Abweichungen des Encodersignals aus Gründen von
Toleranzen in der Länge
des Encodermagneten 32 und der genauen Beabstandung der
Encodersensorengruppen 40, wenigstens teilweise durch das
Signal ausgeglichen werden, das eine Encodersensorengruppe 40,
die in der Mitte zwischen den Enden des Encodermagneten 32 angeordnet
ist, erzeugt.
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Nochmals in Bezug auf 1A wird zu erkennen sein,
dass die Funktionen der Kommunikationsvorrichtung 24 durch
das oben beschriebene drahtlose magnetische System zur Kommunikation der
Bewegung des beweglichen Kopfes 12 an die Motorsteuerung
befriedigt werden, ohne irgendwelche aktiven Vorrichtungen an dem
beweglichen Kopf 12 zu haben. Eine Beschränkung bei
einem solchen System ist die Schwierigkeit, eng beieinander liegende
alternierende magnetische Zonen bei dem Encodermagneten 32 herzustellen.
Daher ist die Positionsauflösung
eines solchen Systems relativ grob.
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Gemäß 5 beinhaltet eine Lösung für das Auflösungsproblem ein konventionelles
Encoderband 44 an einem festen Ort entlang des Pfades 14 und
einen konventionellen optischen Encodersensor 42 auf dem
beweglichen Kopf. Das Encoderband 44 ist mit feinen parallelen
Linien markiert. Der optische Encodersensor 46 bündelt einen
oder mehrere Lichtpunkte auf das Encoderband 44 und erkennt
die Wechsel in dem davon reflektierten Licht als Linien und Nichtlinien,
die an ihm vorbeiziehen. Überhaupt erzeugt
der optische Encodersensor Sinus- und
Kosinussignale zur Bestimmung der Bewegung. Da die parallelen Linien
auf dem Encoderband 44 eng beieinander liegen, ist eine
sehr feine Auflösung
möglich.
Ein optisches Encodersystem kann zu dem weniger genauen magnetischen
Encodersystem hinzugefügt
werden, um eine verbesserte Positionsauflösung zu erhalten.
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Der Sinus- und Kosinusoutput des
optischen Encodersensors 46 wird einem Impulsgeber 48 zugeführt. Der
Output des Impulsgebers 48 wird an einen Sender 52 gegeben.
Der Sender 52 sendet die Impulsdaten an einen Datenempfänger 54.
Obwohl das System mit Antennen gezeigt ist, was impliziert, dass
das Senden und Empfangen Radiofrequenzen benutzt, kann tatsächlich jedes
drahtlose Sendesystem benutzt werden. Dies schließt Radio-,
optische (vorzugsweise Infrarot) und jede andere Technik ein, die
die Information von dem beweglichen Kopf 12 zu der feststehenden
Motorsteuerung 18 übertragen kann,
ohne Kabel zu benötigen.
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Die Ausführung der Erfindung von 5 hat den Nachteil, dass
der Sender 52 ständig
aktiv ist. Da das System drahtlos ist, ist das gezeigte Gerät auf dem
beweglichen Kopf 12 batteriebetrieben. Die Dauerfunktion
des Senders 52 verringert die Lebenszeit der Batterie.
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Gemäß 6 fügt
eine Ausführung
der Erfindung zu der Ausführung
von 5 einen Befehlssender 56 in
der Motorsteuerung 18, einen Empfänger 58 und einen
Zähler 50 bei
dem beweglichen Kopf 12 hinzu. Bei dieser Ausführung bleibt
der Sender 52 ausgeschaltet, bis ihm durch den Empfänger 58 befohlen
wird, die in dem Zähler
gespeicherte Zählung
zu senden. Der Sendebefehl wird von dem Befehlssender 56 an
den Empfänger 58 gesendet. Obwohl
es diese Ausführung
erfordert, dass der Empfänger 58 ständig aktiv
ist, ist der Stromverlust eines batteriebetriebenen Empfängers generell
niedriger, als der eines Senders. Wie bei den vorherigen Ausführungen
kann bei dem Empfänger 58 und
dem Befehlssender 56 jede drahtlose Technologie verwendet
werden.
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Gemäß 7 ist eine Ausführung der Erfindung gezeigt,
bei der es möglich
ist, mehr als einen beweglichen Kopf 12 entlang des Pfads 14 anzutreiben.
Jeder bewegliche Kopf 12 benötigt eine unabhängige Versorgung
mit Ankerstrom von der Motorsteuerung 18, unabhängiges Ankerschalten
und eine unabhängige
Positionsübermittlung
von dem beweglichen Kopf zurück
zu der Motorsteuerung 18. Die Ausführung von 7 zeigt weiterhin einen beweglichen Kopf 12,
aber fügt
eine zweite Schiene 34' an der zweiten Seite des Pfads 14 hinzu,
die von einem zweiten beweglichen Kopf (nicht gezeigt) verwendet wird.
Der zweite bewegliche Kopf gleicht dem beweglichen Kopf 12,
mit der Ausnahme, dass der Hängearm 28' (nicht
gezeigt), der die Schalt- du Encodermagneten trägt (nicht gezeigt), wenn er
zu sehen wäre,
auf der linken Seite der Zeichnung abgeordnet sein würde. Die
zweite Schiene 34' besitzt Encodersensoren 38' und
Schaltsensoren 36', die mit den Encoder- und Schaltsensoren
der Ausführung
von 1B korrespondieren.
Leitungen 20'A, B und C leiten den Motorantriebsstrom,
die in der Motorsteuerung 18 separat erzeugt wird zu den
Schaltern, die die Ankerwicklungen 16A, B und C auf
Wegen mit Strom versorgen, die getrennt von den Leitungen 20A, B und C sind.
Auf diese Weise wird der zweite Kopf unabhängig gesteuert und seine Bewegung wird
unabhängig
zurück
an die Motorsteuerung gemeldet.
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Gemäß 8 ist eine Ausführung der Erfindung gezeigt,
die geeignet ist, zwei bewegliche Köpfe 12 (und 12',
nicht gezeigt) zu steuern und anzutreiben. Bei dieser Ausführung trägt die Schiene 34' neben
dem Encodersensor 38 und dem Schaltsensor 36 auch,
weiter unten, einen zweiten Encodersensor 38' und einen
zweiten Schaltsensor 36'. Natürlich ist der Strom zu den
Ankerwicklungen 16A, B und C durch separate
Schalter unabhängig
gesteuert, die den Motorstrom von den Leitungen 20A, B und C zuführen, wenn
sie von dem Schaltmagneten 30 beeinflusst sind und von
den Leitungen 20'A, B und C, wenn sie
von dem Schaltmagneten 3' beeinflusst sind.
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Gemäß 9 ist ein zweiter beweglicher Kopf 12' für die Verwendung
mit der Schiene 34' von 8 gezeigt.
Der zweite bewegliche Kopf 12' besitzt auf der gleichen
Seite wie der bewegliche Kopf 12 von 8 einen Hängearm 28', der sich
jedoch weiter nach unten erstreckt, um einen Encodermagneten 32' und
einen Schaltmagneten 30' jeweils in Ausrichtung mit zweiten
Encodersensoren 38' und zweiten Schaltsensoren 36' zu
halten. Einem Fachmann würde
klar sein, dass mehr als zwei bewegliche Köpfe durch Zugabe von zusätzlichen
Elementen zu der Schiene 34' und durch Bau geeignet langer
Hängearme 28, 28' ... 28'' für jeden
beweglichen Kopf 12 gesteuert werden könnten.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf zwei bewegliche Köpfe
auf einem einzigen Pfad beschränkt.
Jede Anzahl beweglicher Köpfe
könnte
unabhängig
entlang des gleichen Pfads 14 gesteuert werden. Gemäß 10 zum Beispiel sind drei
Schienen 34, 34' und 34'' außerhalb
des Pfades in Abständen
parallel zueinander angeordnet. Jede Schiene 34, 34' und 34'' weist
Encodersensoren 38, 38' und 38" und Schaltsensoren 36, 36' und 36'' auf.
Jeder bewegliche Kopf 12, 12' und 12'' (nur
der bewegliche Kopf 12 ist gezeigt) besitzt bei den Sensoren
auf seinem jeweiligen Arm 34 einen Hängearm 28, 28' und 28'' (nur
der Hängearm 28 ist
gezeigt) usw. Encodermagneten 32, 32' und 32'' (nur
der Encodermagnet 32 ist gezeigt) und Schaltmagneten 30, 30' und 30'' (nur
der Schaltmagnet 30 ist gezeigt) sind auf ihren jeweiligen
Hängearmen
installiert. Mit dem Eingreifen von Hängearmen 28 zwischen
Schienen 34 usw. können
soviel bewegliche Köpfe
auf einem einzigen Pfad angebracht, angetrieben und gesteuert werden wie
gewünscht.
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Bei manchen Anwendungen mag es wünschenswert
sein, in manchen Bereichen des Pfades einen geschlossenen Steuerkreis
zu haben, um exakt zu positionieren, wobei aber eine offene Steuerung
bei anderen Bereichen des Pfads erwünscht bleibt. Gemäß 12 erhält ein Bereich mit geschlossenem
Steuerkreis 60 auf dem Pfad 14 Antriebsstrom von
der Motorsteuerung über
eine erste Leitungseinheit 20A, B und C durch
magnetische betätigte
Schalter 22A, B und C, wie vorher beschrieben.
Das Positions- oder Bewegungsfeedback im Bereich 60 erlaubt
es der Motorsteuerung 18, die Position und Geschwindigkeit
des beweglichen Kopfs exakt zu steuern. Ein Bereich mit offener
Steuerung 62 auf Pfad 14 erhält den Antriebsstrom von der
Motorsteuerung 18 durch eine zweite Leitungseinheit 20'A, B und C.
Wenn sich der bewegliche Kopf 12 in dem Bereich 62 befindet,
wird ein Bewegungsfeedback nicht erzeugt oder die Motorsteuerung 18 reagiert
auf diesen nicht. Stattdessen erzeugt die Motorsteuerung 18 einen
programmierten Phasenablauf für
eine offene Steuerung des beweglichen Kopfs 12. Dies treibt
den beweglichen Kopf mit einer bestimmten Geschwindigkeit an. Sobald
der Bereich mit der geschlossenen Kreissteuerung erreicht wird,
nimmt der bewegliche Kopf 12 wieder den Betrieb unter der Steuerung
durch die Motorsteuerung 18 auf.
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Es ist auch möglich, Pfadabzweigungen zu schaffen, ähnlich wie
die Abzweigungen bei Eisenbahnen, um den beweglichen Kopf flexibel
entlang verschiedener Pfade zu lenken.
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Gemäß 11 fügt
eine Ausführung ähnlich wie
die von 6 einen Speicher 64 hinzu
um Informationen zu Bewegungsbefehlen zu erhalten. Sobald die Bewegungsbefehle
gespeichert sind, werden sie ständig
mit dem Inhalt des Zählers 50 vergleichen,
bis ein befohlener Zustand erreicht ist. Während des Zeitraums zwischen
dem Speichern der Information und der Vollendung des befohlenen
Zustands kann der Sender 52 ruhig bleiben. Bei manchen
Anwendungen kann auch der Empfänger
während
eines solchen Zeitraums ruhig bleiben und dabei eine Minimalmenge
Batteriestrom verbrauchen.
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Gemäß nun 13 ist der Stromverbrauch des oben beschriebenen
Systems unabhängig
von der Länge
des Pfads 14, da nur aktive Ankerwicklungen 16 erregt
werden. Es ist daher angenehm, in der Lage zu sein, einen Pfad 14 in
jeder Länge
zu bauen, indem einfach Pfadmodule 66 an den Enden hinzugefügt werden.
Jedes Pfadmodul 66 besitzt wenigstens eine Ankerwicklung 16,
ein zugehöriges
Stück Schiene 34 und
Leitungen 20A, B und C. Die Leitungen 20A, B und C von
benachbarten Pfadmodulen sind durch Verbinder 68 miteinander
verbunden. Die Pfadmodule 66 sind mit drei Ankerwicklungen 16A, B und C dargestellt.
Natürlich
sind Schaltsensoren mit ihren Halbleiterschaltern für die enthaltenen
Ankerwicklungen auf dem Teil der Schiene 34 angeordnet, der
zu dem Pfadmodul 66 gehört.
Zusätzlich
ist, falls magnetische Encodersensoren verwendet werden, ein Positionsfeedback
bei geeigneten Pfadmodulen eingeschlossen. Wie oben bemerkt, liegen
die Encodersensoren relativ weit auseinander. Bei einer bevorzugten
Ausführung
sollte jedes Pfadmodul so lang sein, dass es wenigstens eine Encodersensorengruppe
besitzt. Ein System dieser Art war lang genug, um 9 Ankerwicklungen
(3 Wiederholungen der Phasen A, B und C Anker) zu besitzen.
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Gemäß nun 14 besitzt eine bevorzugte Ausführung eines
Pfadmoduls 70 wie oben beschrieben Ankerwicklungen, sowie
drei Encodersensorengruppen 40, die D/2 auseinander liegen
(D ist der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der abgeschrägten magnetischen
Zonen 42 an den Enden des Encodermagneten 32).
Das Pfadmodul 70 erstreckt sich einen Abstand D/4 über die äußeren Encodersensorengruppen 40 hinaus.
Wenn das nächste
Pfadmodul 70 an das Ende angeschlossen wird ist auf diese Weise
der Abstand zwischen den nächstliegenden Encodersensorengruppen 40 auf
den verbundenen Pfadmodulen 70 wie gewünscht D/2. Die Pfadmodule 70 werden
verbunden um einen Pfad 14' jeder erwünschten Länge und Form zu bilden.
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Gemäß jetzt 15 besitzt eine andere bevorzugte Ausführung zwei
Pfadmodule 72, 74 mit Ankerwicklungen, wie oben
beschrieben. Ein Modul besitzt eine Encodersensorengruppe 40 und
ein anders Modul besitzt keinen Encodersensor. Die Pfadmodule 72, 74 werden
so verbunden, um einen Pfad 14'' zu bilden, dass die Encodersensorengruppen 40 der Pfadmodule 72 D/2
auseinander liegen (D ist der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt
der abgeschrägten
magnetischen Zonen 42 an den Enden des Encodermagneten 32).
Jeder gewünschte
Pfad 14'' kann gebaut werden, wenn eine Kombination der
Pfadmodule 72 und 74 verwendet wird. Für den Fachmann können natürlich andere
Anordnungen von Pfadmodulen 72, 74 verwendet werden,
um jede gewünschte Form
und Länge
des Pfads 14'' zu erreichen, wie auch jeder andere gewünschte Abstand
von Encodersensorengruppen 40, solange dafür gesorgt
wird, dass die Encodersensorengruppen 40 in einem gewünschten,
sich wiederholenden, Abstand angeordnet werden. Eine Ausführung schließt ein modulares Pfadmodul
ein, bei dem Encodersensorengruppen weggelassen sind. Es ist jedoch
dafür gesorgt,
dass Encodersensorengruppen 40 durch Klemmen oder andere
Befestigungen irgendwo an dem zusammengebauten modularen Pfad befestigt
sind. Wenn die Encodersensorengruppen 40 befestigt werden,
wird der geeignete Abstand (D, D/2, D/4 usw.) beachtet, um sicherzustellen
dass das Encodersignal ohne Verzerrung und Ausfälle während des Übergangs von einem Pfadmodul
zum anderen erzeugt wird.
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Gemäß nun 16 besitzt eine alternative Ausführung eines
Pfadmoduls 76 Ankerwicklungen, wie oben beschrieben und
eine Encodersensorengruppe 40. Die Module 76 werden
verbunden um einen Pfad 14''' derart zu bilden, dass die
Encodersensorengruppen 40 an den Pfadmodulen 76 D/2
auseinander liegen (D ist der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt
der abgeschrägten
magnetischen Zonen 42 an den Enden des Encodermagneten 32).
Jede gewünschte
Länge oder
Form des Pfads 14''' kann erreicht werden, wenn man eine
Kombination von Pfadmodulen 76 verwendet.
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Die Verbindung von Signalen und Strom
entlang des Linearmotors 10, besonders im Fall modularer
Vorrichtungen, wurde als Leitungen und Verbinder die die Leitungen
benachbarter Module zusammenfügen
beschrieben. Es können
andere Techniken für
das Tragen von Signalen und Strom verwendet werden, oh ne von dem
Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können statt
Leitungen zu verwenden, leitende Spuren auf einem starren oder flexiblen
Substrat verwendet werden.
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Es ist festzuhalten, dass der Pfad 14 mit
Kurven gezeigt ist. Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass der Pfad 14 nicht auf eine gerade Linie beschränkt ist,
wie das beim Stand der Technik häufig
der Fall ist. Stattdessen kann der Linearmotor 10 dank
der Natur der vorliegenden Erfindung jedem gewünschten Weg folgen, einschließlich eines
geraden Pfads, eines kurvigen Pfads 14 wie gezeigt oder einem
geschlossenen Pfad, in dem der bewegliche Kopf wiederholt einem
geschlossnen Pfad folgen kann und sich in einer Richtung bewegt
oder sich zu gewünschten
Stellen entlang eines offenen oder geschlossnen Pfadsvor- und zurückbewegt.
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Gemäß jetzt 17 besitzt ein Linearmotor 10' einen
Pfad 14', der wie eine Rennbahn mit sich selbst geschlossen
ist. Das heißt,
der Pfad 14' besitzt gerade und parallele Bahnen 78,
die durch gekrümmte
Enden 80 verbunden werden. Der bewegliche Kopf 12 wird,
wie beschrieben, zu jedem Punkt auf Pfad 14' gefahren.
Bei der bevorzugten Ausführung
kann der bewegliche Kopf 12 sich unbegrenzt in einer Richtung,
oder erst in eine Richtung und dann in die andere bewegen. Diese
Bewegungsfreiheit wird durch die drahtlose Steuerung und das drahtlose Feedback
ermöglicht,
wie hier beschrieben.
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Der gestrichelte Kasten 82 von 17 ist in 18 vergrößert, um beschrieben werden
zu können.
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Alle Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C besitzen
eine Achse, die bei jeder Ankerwicklung als Linie dargestellt ist.
Alle Achsen 84 in den Bahnen 78 liegen im Wesentlichen
parallel zueinander, wie bei den Ankerwicklungen 16A und 16B links
unten in der Darstellung gezeigt. Die Achsen 84 in den
gekrümmten
Enden 80 liegen jedoch nicht parallel zueinander. Stattdessen
sind die Achsen 84 in den gekrümmten Enden 80 zueinander
geneigt, so dass sie sich über den
kürzesten
Querabstand des Pfads 14' erstrecken. Auf diese Weise ist
es den sich wiederholenden Einheiten von Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C möglich, die
gewünschte
Kraft zur Bewegung des beweglichen Kopfs 12 entlang des
Pfads 14' zu erzeugen.
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Ein Fachmann wird erkennen, das den
Betätigungszeitpunkten
der Schalter 22A, 22B und 22C bei der
Neigung der Achsen 84 an den gekrümmten Enden 80 Rechnung
getragen werden muss. Eine Möglichkeit,
die Dimension der Ankerwicklungen 16A, 16B und 16C nach
oben und unten einzustellen, so dass die Abstände von Mittelpunkt zwischen
den endseitigen eines jeden Satzes von vier Wicklungen in den gekrümmten Enden 80 die
gleichen bleiben, wie die Mittelpunkt zu Mittelpunkt Abstände korrespondierender
Wicklungen in den Bahnen 78. Auf diese Weise bleibt die
Spannweite S von vier Ankerwicklungen 16 die gleiche, wie
die Spannweite S von 5 + (n × 4)
Motormagneten 160 (n = 0, 1, 2 ...) in den geraden Bahnen.
Schaltsensoren 6 sind so entlang der gekrümmten Enden 80 angeordnet,
dass ihre jeweiligen Schalter zu Minimalstromzeiten betätigt werden, wie
vorher beschrieben.
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Eine Rennbahnform, wie in 17 und 18, schöpft nicht die möglichen
Formen aus, die mit er vorliegenden Erfindung erreicht werden können. Jeder
Form kann Rechnung getragen werden.
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Gemäß 19 liegt ein Pfad 86 auf mehreren
Ebenen ebenfalls im Umfang der Erfindung. Ein unterer Abschnitt 88 des
Pfads 86 geht unter einem oberen Abschnitt 90 hindurch.
Der bewegliche Kopf 12 kann irgendwo auf dem Pfad 86 positioniert
werden. In Fällen,
bei denen zwei oder mehr bewegliche Köpfe 12 auf dem Pfad 86 verwendet
werden, besteht die Möglichkeit,
das ein beweglicher Kopf 12 sich zur gleichen Zeit über einen
oberen Abschnitt 90 bewegen kann, wie ein zweiter beweglicher
Kopf 12 auf dem unteren Abschnitt 88 unter dem
oberen Abschnitt hindurchgeht.
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Gemäß nun 20 besitzt eine weitere Darstellung eines
Pfads 86' mit mehreren Ebenen eine nach unten gerichtete
Spirale 92 neben einer nach oben und unten gehenden Spirale 94.
Die Spiralen 92 und 94 sind durch Brückenelemente 96 und 98 zu einem
einzigen Pfad 86' verbunden. Spiralpfade werden häufig bei
Zuführsystemen
gesehen, um die Verweildauer von Objekten an einem Ort zu erhöhen. Bei einem
Bäckereibetrieb
zum Beispiel werden Spiralen oft verwendet, um den frisch gebackenen
Gütern
Zeit zur Abkühlung
zu geben, bevor sie zum Verpacken oder zur Weiterverarbeitung ausgestoßen werden.
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Um die vollständige Flexibilität der vorliegenden
Erfindung zu zeigen, kann ein Pfad als Moebiusband 100 auszulegen,
wie in 21 gezeigt. Ein
Moebiusband ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine einzige Fläche und
einen einzigen Rand hat, statt zwei Ränder und zwei Flächen, wie
bei den anderen Beispielen von Pfaden in der obigen Beschreibung. Ein
Spielzeugmoebiusband wird konstruiert, indem in einem Papierstreifen
eine Windung gemacht wird und die Enden verbunden werden. Man beweist, dass
der Streifen nur eine Fläche
hat, wenn man entlang der Mitte des Streifens eine Linie zieht.
Tatsächlich
trifft das Ende der Linie ihren Anfang, ohne dass der Streifen umgedreht
wurde. Genauso kann man eine Linie entlang des Rands des Streifens
ziehen und herausfinden, dass das Ende der Linie auf den Beginn
der Linie trifft, ohne von einer Seite auf die andere Seite zu gehen,
da der Streifen nur einen einzigen Rand besitzt.
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Die Ansichten der Pfade in dem Vorstehenden
müssen
nicht als Draufsichten verstanden werden. Tatsächlich schließen wichtige
Anwendungen der Erfindung solche ein, bei denen der bewegliche Kopf 12 unter
seinem Pfad angeordnet ist. Insbesondere in dem Fall, in dem der
Pfad magnetisches Material enthält,
kann man sich auf die Motormagneten 160 und zusätzliche
Magnete 162 in dem beweglichen Kopf verlassen, den beweglichen
Kopf durch magnetische Anziehungskraft zu dem magnetischen Material
in dem Pfad zu halten. Andere Arten des Haltens liegen gleichermaßen im Umfang
der Erfindung. In einigen Fällen
können
manche Bereiche des Pfades unter dem beweglichen Kopf 12 liegen
und diesen stützen
und andere Bereiche des Pfads können über dem
beweglichen Kopf 12 sein, wenn der bewegliche Kopf den
Pfand ganz entlang fährt.
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Nachdem bevorzugte Ausführungen
der Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben
wurden, ist festzuhalten, dass die Erfindung nicht auf diese genauen
Ausführungen
beschränkt
ist und dass verschiedene Ändderungen und
Modifizierungen daran von einem Fachmann ausgeführt werden können, ohne
dass vom Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüche definiert
ist, abgewichen wird.