WO2002087061A1 - Linearmotor mit integrierter führung - Google Patents

Linearmotor mit integrierter führung Download PDF

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WO2002087061A1
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Inventor
Emmanuel Domine
Denis Bubendorf
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Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type

Definitions

  • the invention relates to a linear motor with an integrated guide according to claim 1.
  • a linear motor offers decisive advantages as a direct drive compared to a conventional rotary drive. Since no mechanical elements such as ball screws or toothed belts are required to convert a rotary movement into a linear movement, the possible travel speed and the positioning accuracy of such a direct drive are not unnecessarily limited. Speed and power can be regulated over a wide range, problems with backlash do not occur during positioning. Even with very fast and frequent changes of direction, comparatively little wear occurs with linear direct drives, so that the service life increases in comparison to rotary drives and the positioning accuracy does not decrease with the operating time.
  • linear motors e.g. interesting for pick-and-place applications.
  • individual electronic circuits (chips) of a sawn-off silicon wafer (wafer) have to be accommodated and inserted into a housing. Because the chips are very small, tens of thousands of chips can fit on a standard size wafer.
  • a gripper arm must be able to work very quickly (several chips per second) and, on the other hand, it must be positioned very precisely in order not to damage the chips when picking them up and to be able to position them with the accuracy required for further processing.
  • the object of the invention is to provide a linear motor with an integrated guide, which can be manufactured inexpensively and nevertheless enables an exact positioning of a carriage.
  • a linear motor with an integrated guide is now proposed, the primary part of which is attached to a carriage of a guide and the secondary part is attached to a guide profile by means of a positive connection.
  • the guide profile has lateral guide surfaces which support guide parts of the carriage arranged laterally and outside of the guide profile via bearing elements and hold them displaceably along the guide profile.
  • Figure 1 which shows a cross section through the guide profile and the carriage of the linear motor with integrated guide.
  • the linear motor with an integrated guide is shown in cross section in FIG. It consists of a guide profile 1, which extends over the length of the linear travel range required, that is to say perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1.
  • the guide profile 1 is preferably made of metal in order to ensure the necessary stability, in particular extruded profiles made of aluminum are advantageous because of their low cost Manufacturability and their light weight.
  • the guide profile 1 has recesses 12 on its underside, which allow the guide profile 1 to be fastened on a base (not shown).
  • a magnetic carrier 3 is attached to the top of the guide. This is achieved in a particularly advantageous manner in that stops 13 are provided in the guide profile 1, which allow the magnetic carrier 3 to be inserted into the guide profile 1 during assembly of the linear motor.
  • the stops 13 act in such a way that the magnetic carrier 3 is already held in all directions (except in the direction of the linear movement perpendicular to the plane of the drawing) by means of positive connections.
  • the attachment in this last free direction can be done by end plates, not shown, at the ends of the guide profile 1.
  • Permanent magnets 4 are fastened to the magnetic carrier 3 with alternating polarity and, together with the magnetic carrier 3 acting as a magnetic yoke, form the secondary part of the linear motor.
  • a cover 11 is arranged above the permanent magnets 4 and closes the opening for receiving the described secondary part on the guide profile 1. This prevents dirt from accumulating in the hard-to-reach areas between the permanent magnets 4.
  • the cover 11 can be designed, for example, as a thin steel sheet, which is held by the force of the permanent magnets 4, or can additionally be glued to the guide profile 1.
  • a carriage 2 On the top of the guide profile 1, a carriage 2 is arranged, in which the coil windings 6 of the primary part of the linear motor are located.
  • the coil windings 6 can be designed without a magnetic core, or can be wound around an iron core 5 as in the figure.
  • the iron core 5 is glued in the carriage or screwed for higher loads.
  • it is customary to cast them and possibly the iron core 5 with a casting compound, for example based on an epoxy resin (not shown in the figure).
  • holes or recesses can be used to attach a payload.
  • the carriage 2 has lateral guide parts 7, which are arranged on both sides and outside of the guide profile 1. Bearing elements 8a, 8b of the guide parts 7 are supported on lateral running surfaces 14 of the guide profile 1 and keep the carriage 2 movable along the guide profile 1.
  • the primary part made of iron core 5 and coil windings 6 is always the same distance from the secondary part made of magnetic carrier 3 and permanent magnet 4 guided linearly.
  • Carriage 2 and lateral guide parts 7 can advantageously be made of aluminum.
  • the bearing elements 8a, 8b can be, for example, roller-shaped rollers made of steel, which are arranged such that they can absorb all the forces acting on the carriage 2, apart from the advance of the linear motor itself.
  • the rollers are on an axis which lies within the guide profile 1, rotatably mounted.
  • FIG. 1 An imaginary connection between the two lateral guide parts 7 is horizontal, the connection between the top and the bottom of the guide profile 1 is vertical.
  • the direction of the linear movement of the linear motor and thus also the extent of the guide profile 1 shown in section is perpendicular to the drawing plane.
  • treads 14 are now so tilted against each other and to the vertical that both treads 14 on one side of the guide profile 1 can accommodate horizontal force components in a common direction, and vertical force components in different directions.
  • the treads 14 and associated bearing elements 8a, 8b it is advantageous if the treads enclose an angle of approximately 90 degrees with one another on the other hand, have a tilt of approximately 45 degrees to the horizontal or vertical.
  • lower and upper bearing elements 8a and 8b can be seen on each lateral guide part, several of which can be arranged one behind the other in the direction of the linear movement. It is advantageous to provide correspondingly more bearing elements 8a, 8b for lateral treads 14 which have to absorb higher forces than other lateral treads 14.
  • the lateral guide parts 7 are detachably connected to the carriage 2 by means of the screws 10. This allows the carriage 2 to be removed from the guide profile 1 by dismantling at least one lateral guide part 7 without having to move to a special position (for example one end of the guide profile 1).
  • the bearing elements 8a, 8b also become accessible for maintenance, while in the prior art after the carriage has been dismantled, the slides of the linear guides remain on their rails. This can be useful for maintenance purposes in the respective application, for example if the guide can no longer be moved after a collision.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit integrierter Führung, dessen Primärteil an einem Laufwagen (2) einer Führung befestigt ist, und dessen Sekundärteil an einem Führungsprofil (1) mittels einer formschlüssigen Verbindung befestigt ist. Das Führungsprofil (1) weist dabei seitliche Führungsflächen (14) auf, die seitlich und außerhalb des Führungsprofils (1) angeordnete Führungsteile (7) des Laufwagens (2) über Lagerelemente (8a, 8b) abstützen und längs des Führungsprofiles (1) verschiebbar halten. Auf separate Schienen wird verzichtet, was einerseits Kosten spart und andererseits die Exaktheit der Führung zwischen Primär- und Sekundärteil sicherstellt.

Description

Linearmotor mit integrierter Führung
Die Erfindung betrifft einen Linearmotor mit integrierter Führung nach Anspruch 1.
Ein Linearmotor bietet für viele Anwendungen, in denen letztlich lineare Bewegungen ausgeführt werden müssen, als Direktantrieb entscheidende Vorteile gegenüber einem herkömmlichen rotatorischen Antrieb. Da keine mechanischen Elemente wie beispielsweise Kugelspindeln oder Zahnriemen zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung benötigt werden, ist die mögliche Verfahrgeschwindigkeit und die Positioniergenauigkeit eines solchen Direktantriebes nicht unnötig beschränkt. Geschwindigkeit und Kraft können dabei über einen weiten Bereich geregelt werden, Probleme mit Umkehrspiel treten bei der Positionierung nicht auf. Auch bei sehr schnellen und häufigen Richtungswechseln tritt bei linearen Direktantrieben vergleichsweise wenig Verschleiß auf, so daß die Lebensdauer im Vergleich zu rotatorischen Antrieben steigt und dabei die Positioniergenauigkeit mit der Betriebszeit nicht abnimmt.
Diese Eigenschaften lassen Linearmotoren z.B. für Pick-and-Place - Applikationen interessant erscheinen. Hier müssen beispielsweise einzelne elektronische Schaltungen (Chips) einer zersägten Siliziumscheibe (Wafer) aufgenommen und in ein Gehäuse eingesetzt werden. Da die Chips sehr klein sind, können etliche zehntausend Chips auf einem Wafer üblicher Größe Platz finden. Ein Greifarm muß also einerseits sehr schnell arbeiten können (mehrere Chips pro Sekunde), und andererseits sehr exakt positioniert werden, um die Chips beim Aufnehmen nicht zu beschädigen und mit der zur Weiterverarbeitung nötigen Genauigkeit positionieren zu können.
Um die Integration eines Linearmotors in eine Applikation zu erleichtern, sind Systeme sinnvoll, die den Linearmotor mit einer Linearführung der für die Applikation benötigten Genauigkeit kombiniert. Dies trägt dazu bei, die Kosten einer Lösung mit Linearmotor zu senken, ein wichtiger Faktor, der dem breiten Einsatz von Linearmotoren bisher entgegenstand.
Die DE 198 42 384 A1 beschreibt einen Linearmotor, bei dem das Sekundärteil in Form einer Reihe von Permanentmagneten in einem Führungsge- häuse befestigt ist. Es ist bereits angedeutet, daß dies mittels einer formschlüssigen Verbindung erfolgen kann, Details hierzu sind nicht offenbart. Das Führungsgehäuse weist weiter zusätzliche Führungsschienen auf, die mittels Schrauben am Führungsgehäuse befestigt sind und auf denen ein Laufwagen mit integriertem Primärteil abgestützt ist. Die für die exakte Posi- tionierung des Laufwagens notwendige genaue Ausrichtung der Schienen zum Führungsprofil verursacht einen erheblichen Aufwand, der die Kosten eines solchen Systems erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Linearmotor mit integrierter Führung anzugeben, der kostengünstig zu fertigen ist und dennoch eine genaue Positi- onierung eines Laufwagens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch -) abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Es wird nunmehr ein Linearmotor mit integrierter Führung vorgeschlagen, dessen Primärteil an einem Laufwagen einer Führung befestigt ist, und dessen Sekundärteil an einem Führungsprofil mittels einer formschlüssigen Verbindung befestigt ist. Das Führungsprofil weist dabei seitliche Führungsflächen auf, die seitlich und außerhalb des Führungsprofils angeordnete Führungsteile des Laufwagens über Lagerelemente abstützen und längs des Führungsprofiles verschiebbar halten.
Während also im zitierten Stand der Technik herkömmliche Linearführungen aus Schiene und Schlitten verwendet werden, wobei der Laufwagen auf den Führungsschlitten befestigt ist, bildet nach der Erfindung das Führungsprofil selbst die Schiene und der Laufwagen mit seinen seitlichen Führungsteilen den Schlitten. Es wird also auf vormontierte Führungen verzichtet, was ei- nerseits Kosten spart und andererseits die Exaktheit der Führung zwischen Primär- und Sekundärteil sicherstellt.
Eine höhere Wartungsfreundlichkeit ergibt sich, wenn die seitlichen Führungsteile lösbar mit dem Laufwagen verbunden sind, da der Laufwagen dann einfacher vom Führungsprofil entfernt werden kann.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der
Figur 1 , die einen Querschnitt durch das Führungsprofil und den Laufwagen des Linearmotors mit integrierter Führung zeigt.
Der Linearmotor mit integrierter Führung ist in Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Er besteht aus einem Führungsprofil 1 , das sich über die Länge des benötigten linearen Fahrbereichs erstreckt, also senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1. Das Führungsprofil 1 besteht vorzugsweise aus Metall, um die nötige Stabilität zu gewährleisten, insbesondere Strangpressprofile aus Aluminium sind vorteilhaft wegen ihrer kostengünstigen Herstellbarkeit und ihres geringen Gewichtes. Das Führungsprofil 1 weist auf seiner Unterseite Ausnehmungen 12 auf, die eine Befestigung des Führungsprofiles 1 auf einer nicht gezeichneten Basis erlauben.
Auf der Oberseite der Führung ist ein Magnetträger 3 befestigt. Dies wird in besonders vorteilhafter Weise dadurch erzielt, daß im Führungsprofil 1 Anschläge 13 vorgesehen sind, die bei der Montage des Linearmotors ein Einschieben des Magnetträgers 3 in das Führungsprofil 1 erlauben. Die An- ■ schlage 13 wirken dabei so, daß der Magnetträger 3 bereits in alle Richtun- gen (außer in der Richtung der Linearbewegung senkrecht zur Zeichenebene) durch formschlüssige Verbindungen gehalten wird. Die Befestigung in dieser letzten freien Richtung kann durch nicht dargestellte Abschlußplatten an den Enden des Führungsprofils 1 erfolgen.
Für längere Führungsprofile 1 kann es schwierig werden, den Magnetträger 3 in das Führungsprofil 1 einzuschieben. Es bietet sich dann an, weniger Anschläge 13 zu benutzen und die dadurch entstehenden Freiheitsgrade durch ein Verkleben mit den verbleibenden Anschlägen 13 zu eliminieren. Auch ein Vergießen des Magnetträgers 3 mit dem Profil ist denkbar. Eine Montage des Magnetträgers nach einer der beschriebenen Methoden senkt die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Linearmotoren mit verschraub- tem Sekundärteil erheblich.
Auf dem Magnetträger 3 sind mit abwechselnder Polarität Permanentmagnete 4 befestigt, die zusammen mit dem als magnetischer Rückschluß wirkenden Magnetträger 3 das Sekundärteil des Linearmotors bilden. Oberhalb der Permanentmagnete 4 ist eine Abdeckung 11 angeordnet, die die Öffnung zur Aufnahme des beschriebenen Sekundärteils am Führungsprofil 1 verschließt. Dies verhindert, daß sich Schmutz in den schwer zugänglichen Bereichen zwischen den Permanentmagneten 4 ansammelt. Die Abdeckung 11 kann beispielsweise als dünnes Stahlblech ausgeführt werden, das durch die Kraft der Permanentmagnete 4 gehalten wird, oder zusätzlich am Führungsprofil 1 verklebt werden.
Auf der Oberseite des Führungsprofiles 1 ist ein Laufwagen 2 angeordnet, in dem sich die Spulenwicklungen 6 des Primärteiles des Linearmotors befinden. Die Spulenwicklungen 6 können dabei ohne magnetischen Kern aus- gebildet sein, oder wie in der Figur um einen Eisenkern 5 gewickelt sein. Der Eisenkern 5 ist dabei im Laufwagen verklebt, oder für höhere Belastungen verschraubt. Um die Spulenwicklungen 6 mechanisch zu stabilisieren, ist es üblich, diese und ggf. den Eisenkern 5 mit einer Vergußmasse, etwa auf Basis eines Epoxydharzes, zu vergießen (in der Figur nicht dargestellt). Auf der Oberseite des Laufwagens 2 können Bohrungen oder Ausnehmungen zur Befestigung einer Nutzlast dienen.
Der Laufwagen 2 weist seitliche Führungsteile 7 auf, die beidseitig und außerhalb des Führungsprofils 1 angeordnet sind. Lagerelemente 8a, 8b der Führungsteile 7 stützen sich dabei an seitlichen Laufflächen 14 des Füh- rungsprofils 1 ab und halten den Laufwagen 2 längs des Führungsprofils 1 beweglich. Das Primärteil aus Eisenkern 5 und Spulenwicklungen 6 wird so im immer gleichen Abstand gegenüber dem Sekundärteil aus Magnetträger 3 und Permanentmagneten 4 linear geführt. Laufwagen 2 und seitliche Führungsteile 7 können vorteilhaft aus Aluminium gefertigt sein.
Besonders vorteilhaft ist in dieser Ausführung, daß auf separate Linearführungen mit Schiene und Schlitten verzichtet wird. Vielmehr bildet das Füh- rungsprofil 1 selbst die Schiene und der Laufwagen 2 zusammen mit den seitlichen Führungsteilen 7 den Schlitten einer Linearführung. Die Anschläge 13 und seitlichen Laufflächen 14 weisen durch die Integration in das Führungsprofil 1 von sich aus eine gute Parallelität auf, wodurch eine genaue Führung zwischen Primär- und Sekundärteil des Linearmotors erzielt wird, ohne die bei Verwendung von separaten Linearführungen notwendige und kostspielige genaue Ausrichtung zwischen Linearführungen und Führungsprofil 1.
Die Lagerelemente 8a, 8b können beispielsweise walzenförmige Rollen aus Stahl sein, die so angeordnet sind, daß sie zusammen alle Kräfte, die auf den Laufwagen 2 wirken, aufnehmen können, außer dem Vorschub des Linearmotors selbst. Die Rollen sind dabei auf einer Achse, die innerhalb des Führungsprofils 1 liegt, drehbar gelagert.
Zum besseren Verständnis seien anhand der Figur 1 Richtungen definiert: Eine gedachte Verbindung zwischen den beiden seitlichen Führungsteilen 7 sei waagrecht, die Verbindung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Führungsprofils 1 sei senkrecht. Senkrecht auf der Zeichenebene steht die Richtung der Linearbewegung des Linearmotors und damit auch die Ausdehnung des im Schnitt dargestellten Führungsprofils 1.
Die Laufflächen 14 sind nun so gegeneinander und zur Senkrechten gekippt, daß jeweils beide Laufflächen 14 einer Seite des Führungsprofils 1 waagrechte Kraftkomponenten in einer gemeinsamen Richtung, und jeweils senkrechte Kraftkomponenten in unterschiedlicher Richtung aufnehmen können. Um eine gleichmäßige Belastung der Laufflächen 14 und zugeordneter Lagerelemente 8a, 8b zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Laufflächen ei- nerseits untereinander ungefähr einen Winkel von 90 Grad einschließen und andererseits zur Waagrechten bzw. Senkrechten Verkippungen um ungefähr 45 Grad aufweisen.
In der Figur erkennt man an jedem seitlichen Führungsteil untere und obere Lagerelemente 8a bzw. 8b, von denen jeweils mehrere in Richtung der Li- nearbewegung hintereinander angeordnet sein können. Dabei ist es vorteilhaft, für seitliche Laufflächen 14, die höhere Kräfte aufnehmen müssen als andere seitliche Laufflächen 14, entsprechend mehr Lagerelemente 8a, 8b vorzusehen. In der bevorzugten und in der Figur dargestellten Ausführungsform sind an jedem seitlichen Führungsteil 7 vier untere Lagerele- mente 8a, aber jeweils nur zwei obere Lagerelemente 8b in Form von hintereinander angeordneten Rollen vorgesehen. Durch die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 4 und dem Eisenkern 5 sind die unteren Lagerelemente 8a nämlich stärker belastet als die oberen Lagerelemente 8b, die in der gezeichneten Einbaulage lediglich Kräfte aufnehmen müssen, die ein Abheben oder Abkippen des Laufwagens 2 vom Führungsprofil 1 bewirken könnten.
Um einen frühzeitigen Verschleiß der seitlichen Laufflächen 14 zu vermeiden, ist es bei einem aus Aluminium bestehenden Führungsprofil 1 sinnvoll, die seitlichen Laufflächen 14 zu verstärken. Dies wird beispielsweise da- durch erreicht, daß Stahleinlagen 9 in Nuten des Führungsprofils einge- presst werden.
Ein weiteres vorteilhaftes konstruktives Detail der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß die seitlichen Führungsteile 7 mit dem Laufwagen 2 mittels der Schrauben 10 lösbar verbunden sind. Dies gestattet, den Laufwagen 2 durch Demontage von wenigstens einem seitlichen Führungsteil 7 vom Führungsprofil 1 abzunehmen, ohne dabei eine spezielle Position (etwa ein Ende des Führungsprofils 1) anfahren zu müssen. Dabei werden auch die Lagerelemente 8a, 8b einer Wartung zugänglich, während im Stand der Technik nach Demontage des Laufwagens die Schlitten der Line- arführungen weiter auf ihren Schienen verbleiben. Dies kann für Wartungszecke in der jeweiligen Applikation von Nutzen sein, wenn etwa nach einer Kollision die Führung nicht mehr bewegt werden kann. Die beschriebenen konstruktiven Merkmale lassen sich sinnvoll natürlich auch für Anwendungen einsetzen, bei denen Primär- und Sekundärteil vertauscht sind, indem im Führungsprofil Spulenwicklungen 6 auf einem Träger sowie im Laufwagen 2 Permanentmagnete 4 angeordnet sind. Der Ersatz der Permanentmagnete 4 durch Elektromagnete ist für beide Varianten durchaus denkbar.

Claims

Ansprüche
1. Linearmotor mit integrierter Führung, dessen Primärteil mit einem Laufwagen (2) der Führung verbunden ist, und dessen Sekundärteil mit einem Führungsprofil (1) durch eine formschlüssige Verbindung verbun- den ist, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich und außerhalb des Führungsprofiles (1) angeordnete Führungsteile (7) des Laufwagens (2) Lagerelemente (8a, 8b) aufweisen, die sich an seitlichen Laufflächen (14) des Führungsprofiles (1) abstützen und die den Laufwagen (2) längs des Führungsprofils (1) verschiebbar halten.
2. Linearmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Führungsteile (7) lösbar mit dem Laufwagen (2) verbunden sind.
3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerelemente (8a, 8b) Rollen sind.
4. Linearmotor nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf seitlichen Laufflächen (14), die höhere Kräfte aufnehmen müssen als andere seitliche Laufflächen (14), zusätzliche Lagerelemente (8a, 8b) abgestützt sind.
5. Linearmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem seitlichen Führungsteil (7) je vier untere Lagerelemente (8a) und zwei obere Lagerelemente (8b) vorhanden sind.
6. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsprofil (1) aus Aluminium besteht.
7. Linearmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Laufflächen (14) aus in das Führungsprofil (1 ) gepreßten Stahlein- lagen (9) bestehen.
8. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil aus einem Magnetträger (3) und darauf mit abwechselnder Polarität angeordneten Permanentmagneten (4) besteht.
9. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil mit einer Abdeckung (11) abgedeckt ist.
10. Linearmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (11) aus einem Stahlblech besteht.
11. Linearmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärteil Spulenwicklungen (6) enthält.
12. Linearmotor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklungen (6) auf einen Eisenkern (5) gewickelt sind.
13. Linearmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärteil vergossen ist.
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