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Dokumentenidentifikation DE10138681C1 30.04.2003
Titel Elektrodynamischer Lineardirektantrieb und Verfahren zur Herstellung seines Spulensystems
Anmelder FESTO AG & Co, 73734 Esslingen, DE
Erfinder Finkbeiner, Matthias, 71159 Mötzingen, DE;
Hartramph, Ralf, 73095 Albershausen, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer, Reimold, Vetter & Abel, 73730 Esslingen
DE-Anmeldedatum 07.08.2001
DE-Aktenzeichen 10138681
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.2003
IPC-Hauptklasse H02K 41/03
IPC-Nebenklasse H02K 41/035   
Zusammenfassung Es wird ein elektrodynamischer Lineardirektantrieb (1) vorgeschlagen, der ein Spulensystem (2) mit mehreren koaxial aufeinander folgend angeordneten Antriebsspulen (3) aufweist. Im Innenraum oder am Außenumfang des Spulensystems (2) ist ein Magnetsystem (6) angeordnet, das als Bestandteil eines relativ zum Spulensystem (2) beweglichen Antriebsteils (8) ausgeführt ist. Auf der entgegengesetzten Seite des Magnetsystems (6) befindet sich innen oder außen am Spulensystem (2) eine Rückschlusseinrichtung (15). Zum Erhalt einer hohen Energiedichte liegen axial benachbarte Antriebsspulen (3) unmittelbar aneinander an. Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung des Spulensystems (2) vorgeschlagen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mehrere koaxial aufeinanderfolgend angeordnete Antriebsspulen enthaltenden Spulensystems eines elektrodynamischen Linearantriebes.

Aus der DE 197 09 044 A1 geht ein als Linearmotor bezeichneter elektrodynamischer Lineardirektantrieb hervor, der über ein getaktet mit einer Erregerspannung beaufschlagbares Spulensystem und ein relativ zu dem Spulensystem bewegbares Magnetsystem verfügt. Das Magnetsystem ist Bestandteil eines relativ zu dem Spulensystem in dessen Längsrichtung beweglichen Abtriebsteils. Durch Erregung des Spulensystems kann das Magnetsystem und mit diesem das gesamte Abtriebsteil zu einer Linearbewegung veranlasst werden.

Einen ähnlichen Linearmotor, einschließlich eines Verfahrens zur Herstellung des zugehörigen Spulensystems, beschreibt die US 4 460 855. Das Spulensystem dieses Linearmotors setzt sich aus zwei jeweils durchgehend verdrahteten Spulenteilsystemen zusammen, die jeweils mehrere mit einem Zwischenraum beabstandete Antriebsspulen enthalten. Zwischen benachbarten Antriebsspulen verläuft, auf Höhe des Außenumfangs, ein Überbrückungsabschnitt des durchgehenden Spulendrahtes. Sämtliche Antriebsspulen sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Antriebsspulen des einen Spulenteilsystems in dem zwischen zwei aufeinanderfolgenden Antriebsspulen des anderen Spulenteilsystems befindlichen Zwischenraum angeordnet sind. Die jeweiligen Überbrückungsabschnitte der Spulendrähte des einen Spulensystems passieren dabei die im überbückten Zwischenraum des anderen Spulenteilsystems vorhandenen Antriebsspulen im Bereich ihres Außenumfanges.

Um eine möglichst hohe Leistungs- bzw. Energiedichte zu erhalten, sollten innerhalb des Spulensystems eines Lineardirektantriebes möglichst geringe Luftspalte auftreten. Die daraus resultierenden Anforderungen an den Wickelvorgang bei der Herstellung des Spulensystems sind relativ hoch und wirken sich nachteilig auf die Herstellungskosten aus.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb sowie ein Verfahren zur Herstellung des Spulensystems eines Lineardirektantriebs zu schaffen, wobei mit geringem Aufwand eine hohe Leistungsdichte realisierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein elektrodynamischer Lineardirektantrieb vorgesehen, mit einem mehrere koaxial aufeinanderfolgende und ohne Zwischenraum unmittelbar aneinander anliegende Antriebsspulen enthaltenden Spulensystem, das von einer getakteten Erregerspannung beaufschlagbar ist, mit einem im Innenraum oder am Außenumfang des Spulensystems angeordneten, mehrere axial aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete enthaltenden Magnetsystem, das als Bestandteil eines relativ zu dem Spulensystem in dessen Längsrichtung beweglichen Antriebsteils ausgeführt ist, und mit einer auf der entgegengesetzten Seite des Magnetsystems innen oder außen am Spulensystem vorgesehenen Rückschlusseinrichtung, wobei das Spulensystem aus wenigstens zwei jeweils durchgehend verdrahteten Spulenteilsystemen besteht, die jeweils mehrere koaxial mit einem Zwischenraum beabstandete Antriebsspulen enthalten, wobei zwischen axial benachbarten Antriebsspulen eines jeweiligen Spulenteilsystems ein den axialen Zwischenraum auf Höhe des Außenumfanges des betreffenden Spulensystems überbrückender Überbrückungsabschnitt des Spulendrahtes verläuft, der die in dem Zwischenraum angeordnete(n) Antriebsspule(n) des mindestens einen weiteren Spulenteilsystems am Außenumfang passiert, und wobei die Spulenteilsysteme, für sich allein gesehen, jeweils eine selbsttragende, formstabile, kammartige Struktur mit zueinander koaxialen Antriebsspulen bilden und quer zu ihrer Längsachse ineinander greifen, so dass die Antriebsspulen der Spulenteilsysteme abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrere koaxial aufeinanderfolgend angeordnete Antriebsspulen enthaltenden Spulensystems eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes, wobei wenigstens zwei durchgehend verdrahtete Spulenteilsysteme getrennt voneinander gefertigt werden, die jeweils mehrere koaxial mit einem Zwischenraum beabstandete Antriebsspulen enthalten, zwischen denen, auf Höhe des Außenumfanges, ein Überbrückungsabschnitt des durchgehenden Spulendrahtes verläuft, so dass sich eine kammartige Struktur ergibt, und wobei diese kammartig strukturierten Spulenteilsysteme quer zu ihrer Längsstreckung ineinander gesteckt werden, so dass sämtliche Antriebsspulen koaxial zueinander angeordnet sind und die jeweiligen Überbrückungsabschnitte der Spulendrähten eines Spulenteilsystems die in den überbrückten Zwischenraum eingesteckten Antriebsspulen der übrigen Spulenteilsysteme am Außenumfang passieren.

Auf diese Weise ist mit relativ einfachen Maßnahmen ein Spulensystem und ein damit ausgestatteter Lineardirektantrieb realisierbar, bei dem auf Trennwände zwischen benachbarten Antriebsspulen verzichtet werden kann und somit ein Ausfüllen des gesamten Volumens mit dem Kupfermaterial der Antriebsspulen erfolgen kann, was einen hohen Kupferfüllgrad und dementsprechend eine sehr hohe Energiedichte liefert. Eine Folge dieser dicht gepackten Spulenanordnung ist die Realisierbarkeit hoher Stellkräfte. Dabei wird die Herstellung der Spulenanordnung durch den Umstand begünstigt, dass die Spulenteilsysteme als kammartige Strukturen ausgebildet sind, die quer zu ihrer Längsachse ineinander greifen. Es besteht somit die Möglichkeit die Spulenteilsysteme getrennt voneinander zu fertigen und den Zusammenbau dadurch zu realisieren, dass man die entstandenen kammähnlichen Strukturen der Spulenteilsysteme längsseits ineinander steckt, wobei Antriebsspulen des jeweils einen Spulenteilsystems in den Zwischenraum zwischen benachbarten Antriebsspulen des oder der jeweils anderen Spulenteilsystems bzw. Spulenteilsysteme eingreifen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei dem erfindungsgemäßen Lineardirektantrieb kann bei Bedarf ein Spulenträger für das Spulensystem entfallen. Insbesondere kann das Spulensystem unmittelbar oder allenfalls unter Zwischenschaltung lediglich einer dünnen Isolationsschicht an der Rückschlusseinrichtung anliegen, sodass auch hier keine nennenswerten Zwischenräume auftreten.

Auf Basis der Erfindung können unterschiedliche Konzepte von Lineardirektantrieben realisiert werden. Es ist beispielsweise möglich die Rückschlusseinrichtung rohrförmig auszubilden und das Spulensystem innerhalb der Rückschlusseinrichtung anzuordnen, sodass es von der Rückschlusseinrichtung außen koaxial umschlossen wird. Ferner besteht die Möglichkeit die Rückschlusseinrichtung stabförmig auszubilden und in dem von dem Spulensystem umgrenzten Innenraum zu platzieren, sodass sie von dem Spulensystem koaxial umschlossen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders einfach durchführen, wenn man die einzelnen Spulenteilsysteme nach dem Wickeln verbackt, sodass sich selbsttragende, formstabile Strukturen ergeben.

Das Wickeln der Spulenteilsysteme erfolgt zweckmäßigerweise auf einem Wickelwerkzeug, das axial beabstandete ringnutartige Wickelkammern enthält, in die der Spulendraht zum Herstellen der Antriebsspulen eingewickelt wird.

Die Wickelkammern sind bei dem verwendeten Wickelwerkzeug zweckmäßigerweise an einem Werkzeugmantel vorgesehen, der aus mehreren Mantelsegmenten besteht, die am Außenumfang eines länglichen Werkzeugkerns mit Abstand zueinander platziert werden und die man zum "Entformen" des hergestellten Spulenteilsystems nach radial innen in den Innenraum des Spulenteilsystems verlagern kann, nachdem man zuvor den Werkzeugkern herausgezogen hat.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 bis 6 verschiedene Stadien eines Verfahrens zur Herstellung eines Spulensystems für einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb,

Fig. 7 in schematischer Darstellung einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb, der mit dem gemäß Fig. 1 bis 6 hergestellten Spulensystem ausgestattet ist,

Fig. 8 die bei dem Lineardirektantrieb gemäß Fig. 7 vorhandene Einheit aus Spulensystem und Rückschlusseinrichtung in teilweise aufgebrochener Darstellungsweise und

Fig. 9 eine alternative Bauform eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes, der mit einem erfindungsgemäß hergestellten Spulensystem ausgestattet ist.

Die Fig. 7 und 9 zeigen jeweils, in schematischer Darstellung, einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb 1 in perspektivischer Darstellung.

Bei beiden Bauformen ist ein Spulensystem 2 vorhanden, das über mehrere koaxial aufeinanderfolgend angeordnete Antriebsspulen 3 verfügt.

Das Spulensystem 2 setzt sich bei beiden Ausführungsformen aus mehreren Spulenteilsystemen 4a, 4b zusammen, die in Fig. 5 und 6 einzeln abgebildet sind. Jedes Spulenteilsystem 4a, 4b verfügt über eine Mehrzahl zueinander koaxialer und axial aufeinanderfolgend angeordneter Antriebsspulen 3, die zur besseren Unterscheidung zusätzlich mit Bezugsziffern 3a bzw. 3b bezeichnet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind insgesamt zwei Spulenteilsysteme 4a, 4b vorhanden. Der Lineardirektantrieb gemäß Fig. 9 ist mit drei derartigen Spulenteilsystemen ausgestattet, wobei die Antriebsspulen 3 des dritten Spulenteilsystems ergänzend mit Bezugsziffer 3c bezeichnet sind.

Innerhalb eines jeweiligen Spulensystems 2 sind die Spulenteilsysteme 4a, 4b zweckmäßigerweise so angeordnet, dass die Antriebsspulen 3a, 3b bzw. 3a, 3b, 3c abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Mittels nicht näher dargestellter Ansteuerungsmittel kann das Spulensystem 2 mit einer getakteten Erregerspannung beaufschlagt werden, wobei die Spulenteilsysteme in zeitlichem Abstand zueinander wiederkehrend elektrisch erregt werden. Auf diese Weise wird ein in Richtung der Längsachse 5 des Spulensystems 2 wanderndes Magnetfeld erzeugt.

Jeder Lineardirektantrieb 1 ist ferner mit einem permanentmagnetischen Magnetsystem 6 ausgestattet, das in Fig. 7 lediglich strichpunktiert dargestellt ist. Das Magnetsystem 6 enthält mehrere axial aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete 7, die beim Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise liegt eine radiale Polarisierung der Permanentmagnete 7 vor, wobei unmittelbar benachbarte Permanentmagnete 7 entgegengesetzt gepolt sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist das Magnetsystem 6 am Außenumfang des Spulensystems 2 angeordnet und umschließt dieses koaxial. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 befindet sich das Magnetsystem 6 im Innenraum des Spulensystems 2 und wird von diesem umschlossen.

Das Magnetsystem 6 ist als Bestandteil eines relativ zu dem Spulensystem 2 in dessen Längsrichtung beweglichen Abtriebsteils 8 ausgebildet. Die mögliche Linearbewegung des Abtriebsteils 8 ist in Fig. 7 und 9 bei 12 durch einen Doppelpfeil angedeutet.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sitzt das Magnetsystem 6 koaxial an der Innenfläche eines rohrförmigen Magnetträgers 13, der in nicht näher gezeigter Weise mit Mitteln ausgestattet ist, die die Befestigung eines zu bewegenden Gegenstandes ermöglichen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist der Magnetträger 13 stangenförmig ausgebildet und ragt an einer Stirnseite aus dem hohlzylindrischen Spulensystem 2 heraus. Dieser ist stirnseitig mit Befestigungsmitteln 14 zur Befestigung eines zu bewegenden Gegenstandes versehen.

Bei beiden Lineardirektantrieben fungiert das Spulensystem 2 als Stator und das Magnetsystem 6 als diesbezüglich linear beweglicher Läufer. Zur ortsfesten Fixierung des Spulensystems 2 kann eine Rückschlusseinrichtung 15 herangezogen werden, die den magnetischen Rückschluss der Magnetfelder begünstigt. Die Rückschlusseinrichtung 15 ist auf der dem Magnetsystem 6 entgegengesetzten Innen- bzw. Außenseite des Spulensystems 2 platziert und befindet sich mithin beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 im Innenraum des Spulensystems 2 und beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 am Außenumfang des Spulensystems 2.

Die Rückschlusseinrichtung 15 besteht aus einem ferromagnetischen Körper, der beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 stabförmig ausgebildet ist und vom Spulensystem 2 koaxial umschlossen wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist die Rückschlusseinrichtung 15 rohrförmig ausgebildet und das Spulensystem 2 außen koaxial umschließend angeordnet.

Spulensystem 2 und Rückschlusseinrichtung 15 sind in der Längsrichtung relativ zueinander unbeweglich. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist die Rückschlusseinrichtung 15 von einem Hüllrohr 16 umgeben, das praktisch das Gehäuse des Lineardirektantriebes 1 bildet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist die Rückschlusseinrichtung 15 rückseitig in nicht näher dargestellter Weise an einer Haltestruktur befestigt.

Wird das Spulensystem 2 mit einer getakteten Erregerspannung beaufschlagt, kooperieren die elektromagnetischen Felder mit den permanentmagnetischen Feldern des Magnetsystems 6 und rufen die Linearbewegung 12 des Magnetsystems 6 bzw. des mit diesem ausgestatteten Abtriebsteils 8 relativ zum ortsfesten Spulensystem 2 und der Rückschlusseinrichtung 15 hervor. Diese Linearbewegung lässt sich abgreifen, um beispielsweise einen Gegenstand zu bewegen. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise auf dem Sektor der Automatisierungstechnik im Zusammenhang mit Fertigungs- und Montageaufgaben.

Die Lineardirektantriebe sind in der Lage, hohe Stellkräfte auszuüben. Die Ursache hierfür liegt vor allem in der hohen Energiedichte des Spulensystems 2. Diese ist auf ein Minimum an Luftspalten zurückzuführen, unter anderem bedingt durch die Tatsache, dass axial beabstandete Antriebsspulen 3 des Spulensystems 2 ohne Zwischenraum unmittelbar aneinander anliegen. Diese Kontaktbereiche sind in der Zeichnung bei 17 kenntlich gemacht.

Während konventionelle Linearmotoren über ein Spulensystem verfügen, bei dem die Antriebsspulen auf einem gesonderten und meist aus Kunststoffmaterial bestehenden formstabilen Spulenträger gewickelt sind, wird bei den abgebildeten Lineardirektantrieben auf einen solchen Spulenträger verzichtet. Dadurch entfällt auch die bei solchen Spulenträgern übliche Trennwand zwischen benachbarten Antriebsspulen 3, mit der Folge, dass letztere sich berühren können und keine oder zumindest nur sehr geringe Luftspalte vorhanden sind.

Durch den Entfall eines separaten Spulenträgers besteht ferner die bei den Ausführungsbeispielen realisierte Möglichkeit, dass die Antriebsspulen 3 an der zugeordneten Rückschlusseinrichtung 15 unmittelbar anliegend ausgeführt werden, so dass auch in dem in der Zeichnung durch Bezugsziffer 18 markierten Übergangsbereich zwischen den Antriebsspulen 3 und der Rückschlusseinrichtung 15 keine Zwischenräume vorhanden sind. Allerdings kann, wenn dies als zweckmäßig erachtet wird, eine dünne Isolationsschicht zwischengefügt werden, die jedoch folienartig oder blattartig dünn ausgebildet werden kann, da sie keinerlei Tragfunktion hat und folglich auch keine Eigensteifigkeit benötigt.

Die spaltlosen Kontaktbereiche 17 zwischen benachbarten Antriebsspulen 3 sowie die spaltlosen Übergangsbereiche 18 zwischen den Antriebsspulen 3 und der Rückschlusseinrichtung 15 gehen besonders deutlich aus der teilweise aufgebrochenen Abbildung der Fig. 8 hervor. Dort ist in Einzeldarstellung ein auf einer stabförmigen Rückschlusseinrichtung 15 platziertes Spulensystem 2 abgebildet, wie es bei dem Lineardirektantrieb gemäß Fig. 7 zum Einsatz gelangt.

Weitere Details des vorteilhaften Aufbaues der Lineardirektantriebe gehen auch aus Fig. 1 bis 6 hervor, die ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Spulensystems 2 und dessen Komplettierung mit einer Rückschlusseinrichtung 15 zeigen. Das Herstellungsverfahren bezieht sich auf die Herstellung eines zweiphasigen Spulensystems, also eines Spulensystems 2 mit zwei Spulenteilsystemen 4a, 4b, wie es bei dem Lineardirektantrieb gemäß Fig. 7 zum Einsatz gelangt.

Ein wesentlicher Aspekt des Herstellungsverfahrens besteht darin, dass die das Spulensystem 2 bildenden Spulenteilsysteme 4a, 4b getrennt voneinander gefertigt und erst anschließend zusammengefügt werden. Die Fig. 5 zeigt die beiden getrennt gefertigten Spulenteilsysteme 4a, 4b im noch getrennten Zustand, die Fig. 6 verdeutlicht den Zusammenbau zum Erhalt des Spulensystems 2 als solches.

Die Spulenteilsysteme 4a, 4b zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Antriebsspulen 3, 3a bzw. 3, 3b mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass sich zwischen axial benachbarten Antriebsspulen 3, 3a bzw. 3, 3b eines jeweiligen Spulenteilsystems 4a, 4b ein axialer Zwischenraum 22a, 22b einstellt. Gleichwohl sind die Antriebsspulen 3a, 3b innerhalb eines jeweiligen Spulenteilsystems 4a, 4b elektrisch miteinander verdrahtet, indem sie als Bestandteile eines durchgehenden Spulendrahtes 23a, 23b ausgeführt sind. Der Übergang zwischen benachbarten, beabstandeten Antriebsspulen 3a, 3b innerhalb eines jeweiligen Spulenteilsystems 4a, 4b erfolgt durch Überbrückungsabschnitte 24 des zugehörigen Spulendrahtes 23a, 23b. Diese Überbrückungsabschnitte 24 zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf radialer Höhe des Außenumfanges des betreffenden Spulenteilsystems 4a, 4b verlaufen, also etwa mit gleichem Abstand zum Zentrum des Spulenteilsystems 4a, 4b wie der Außenumfang der aus dem Spulendraht 23a, 23b gewickelten Antriebsspulen 3a, 3b.

Zur Herstellung eines jeweiligen Spulenteilsystems 4a, 4b greift man zweckmäßigerweise auf den Einsatz eines in Fig. 1 bis 4 abgebildeten Wickelwerkzeuges 25 zurück. Dieses Wickelwerkzeug 25 hat im zum Bewickeln mit Spulendraht betriebsbereiten Zustand gemäß Fig. 1 eine längliche Gestalt und ist im Bereich des Außenumfanges mit axial beabstandeten ringnutartigen Wickelkammern 26 ausgestattet, deren Abstand voneinander dem gewünschten Abstand der Antriebsspulen 3innerhalb des zugeordneten Spulenteilsystems entspricht. Zur Herstellung der Antriebsspulen 3 wird der Spulendraht um das Wickelwerkzeug 25 herumgewickelt und dabei gleichzeitig in die Wickelkammern 26 hineingewickelt, wobei die Wickelkammern 26 nacheinander aufgefüllt werden, so dass die Antriebsspulen 3 entstehen. Die Fig. 2 zeigt einen Zustand mit einem auf dem Wickelwerkzeug 25 fertig gewickelten Spulenteilsystem 4a, bei dem die Antriebsspulen 3 die Wickelkammern 26 ausfüllen und die Überbrückungsabschnitte 24 des Spulendrahtes außen an den zwischen benachbarten Wickelkammern 26 verbleibenden Trennwänden 27 des Wickelwerkzeuges 25 vorbeigeführt sind.

Da lediglich am Spulenanfang einer jeweiligen Antriebsspule 3 eine radiale Drahtführung nach innen zum Grund der zugehörigen Wickelkammer 26 zu erfolgen hat und die Überbrückungsabschnitte 24 radial außen vorgesehen sind, können die Antriebsspulen 3 optimal gewickelt werden, was einen hohen Kupferfüllgrad gewährleistet.

Um das gewickelte Spulenteilsystem 4a - Entsprechendes gilt für das vergleichbar hergestellte Spulenteilsystem 4b - problemlos vom Wickelwerkzeug 25 entfernen zu können, ist letzteres mehrteilig ausgebildet. Bei der besonders vorteilhaften beispielsgemäßen Bauform verfügt das Wickelwerkzeug 25 über einen länglichen Werkzeugkern 28 und über einen im betriebsbereiten Zustand am Außenumfang des Werkzeugkerns 28 angeordneten Werkzeugmantel 32.

Der Werkzeugmantel 32 definiert die Wickelkammern 26 und ist seinerseits mehrteilig ausgebildet, wobei er beim Ausführungsbeispiel aus mehreren - hier: drei Stück - Mantelsegmenten 33 besteht. Diese Mantelsegmente 33 werden an den Außenumfang des Werkzeugkerns 28 angesetzt, wobei sie in der Umfangsrichtung des Werkzeugkerns 28 zueinander beabstandet sind. Die zwischen ihnen vorhandenen schlitzartigen, radial verlaufenden Zwischenräume sind bei 34 angedeutet.

Um die Mantelsegmente 33 in dem gewünschten Abstand am Werkzeugkern 28 zu fixieren, verfügt dieser am Außenumfang zweckmäßigerweise über eine der Anzahl der Mantelsegmente 33 entsprechende Anzahl von Längsrippen 35 oder sonstige Abstandshalter, wobei die Mantelsegmente 33 in die zwischen benachbarten Längsrippen 35 am Umfang des Werkzeugkerns 28 vorhandenen Zwischenräume 36 formschlüssig eingesetzt werden können.

Die radiale Erstreckung der Längsrippen 35 ist geringer als die radiale Wandstärke des Werkzeugmantels 32, so dass sie innerhalb der Wickelkammern 26 mit radialem Abstand zum Außenumfang des Werkzeugmantels 32 enden, insbesondere auf gleicher Höhe wie der Nutgrund 37 bogenförmiger Nuten 38 am Außenumfang der Mantelsegmente 33, die sich im an den Werkzeugkern 28 angesetzten Zustand zu den Wickelkammern 26 ergänzen.

Zur Herstellung eines Spulenteilsystems 4a wird also zunächst das Wickelwerkzeug 25 in den betriebsbereiten Zustand gemäß Fig. 1 zusammengebaut. Anschließend wird der durchgehende Spulendraht 23a um den Werkzeugmantel 32 herumgewickelt, so dass sich die Anordnung gemäß Fig. 2 ergibt. In dieser Phase ist das Spulenteilsystem 4a hinsichtlich der Verdrahtung bereits fertiggestellt.

Es schließt sich dann ein "Verbackungsvorgang" an, wobei die gesamte Anordnung Wärme ausgesetzt wird, so dass die Ummantelung des Spulendrahtes 23a schmilzt und benachbarte Abschnitte des Spulendrahtes fest miteinander verklebt bzw. verbacken werden und der Spulendraht selbst auch versteift wird. Der Spulendraht besteht zu diesem Zweck vorzugsweise aus Kupferdraht mit einer durch Wärmeeinwirkung schmelzbaren Beschichtung. Derartiger Draht wird in der Regel als Backlackdraht bezeichnet.

Durch dieses Verbacken bekommt das noch auf dem Werkzeugmantel 32 sitzende Spulenteilsystem 4a, 4b eine hohe Formstabilität mit einer selbsttragenden Struktur.

Als Nächstes wird das hergestellte Spulenteilsystem 4a vom Wickelwerkzeug 25 entfernt. Hierzu wird zunächst gemäß Fig. 3 der Werkzeugkern 28 axial aus dem Werkzeugmantel 32 gemäß Pfeil 43 herausgezogen. Anschließend werden die Mantelsegmente 33, die nun nicht mehr in ihrer Ursprungsposition gehalten werden, einzeln und nacheinander nach radial innen verlagert, so dass sie mit ihren bogenförmigen Nuten 38 außer Eingriff mit den hergestellten Antriebsspulen 3 gelangen. Derart außer Eingriff gebracht, können die Mantelsegmente 33 gemäß Pfeil 44 axial aus dem Innenraum des Spulenteilsystems 4a herausgezogen werden (Fig. 3).

Als Resultat ergeben sich gemäß Fig. 4 getrennte Komponenten in Gestalt des Werkzeugkernes 28, der Mantelsegmente 33 und vor allem des nun vom Wickelwerkzeug 25 befreiten Spulenteilsystems 4a.

Das hergestellte Spulenteilsystem 4a bildet nun auch ohne zusätzlichen Spulenträger eine selbsttragende Einheit. Die Relativposition benachbarter Antriebsspulen 3 wird durch die beim Verbackungsvorgang hervorgerufene Versteifung der Überbrückungsabschnitte 24 des Spulendrahtes stabilisiert.

Nachdem beide Spulenteilsysteme 4a, 4b auf diese Weise hergestellt wurden, werden diese Spulenteilsysteme 4a, 4b in der aus Fig. 5 hervorgehenden Weise längsseits nebeneinanderliegend angeordnet, so dass jeweils eine Antriebsspule 3a bzw. 3b auf gleicher axialer Höhe mit einem Zwischenraum 22b bzw. 22a des jeweils anderen Spulenteilsystems zu liegen kommt. Ausgehend von einer derartigen Zuordnung werden dann die kammartig strukturierten Spulenteilsysteme 4a, 4b in der aus Fig. 6 hervorgehenden Weise durch quer zu ihrer Längserstreckung erfolgendes ineinander Einstecken miteinander verzahnungsartig in Eingriff gebracht. Innerhalb eines jeweiligen Spulenteilsystems 4a, 4b repräsentieren die Überbrückungsabschnitte 24 praktisch den Kammrücken und die Antriebsspulen 3 die Kammzähne einer kammartigen Struktur, wobei im ineinander eingreifenden Zustand die Antriebsspulen 3a, 3b sämtlicher Spulenteilsysteme 4a, 4b zueinander koaxial sind und die Überbrückungsabschnitte 24 des jeweils einen Spulenteilsystems 4a, 4b die in den zugeordneten Zwischenraum 22a, 22b eingesetzte Antriebsspule des anderen Spulenteilsystems am Außenumfang passiert.

Vergleichbar wird verfahren, wenn das herzustellende Spulensystem mehr als zwei Spulenteilsysteme definiert. Dort werden dann innerhalb eines jeweiligen Spulenteilsystems die axialen Zwischenräume zwischen benachbarten Antriebsspulen so groß gewählt, dass je mindestens eine Antriebsspule der anderen Spulenteilsysteme dazwischenpaßt.

In diesem Zustand kann dann die stabförmige Rückschlusseinrichtung 15 in das hergestellte Spulensystem 2 eingeführt werden. Alternativ hierzu wird in Verbindung mit der Realisierung eines Lineardirektantriebes gemäß Fig. 9 das hergestellte Spulensystem 2 in eine rohrförmige Rückschlusseinrichtung eingesteckt.

Ein Vorteil bei dem erläuterten Herstellungsverfahren liegt auch darin, dass bei der Bewicklung zahlreiche Freiheitsgrade vorliegen, da zum Beispiel die Füllhöhe oder auch die Anzahl der bewickelten Wickelkammern 26 je nach Bedarf gewählt werden kann. Es können also Spulenteilsysteme mit unterschiedlichen Außendurchmessern und unterschiedlichen Längen mit ein und demselben Wickelwerkzeug 25 realisiert werden. Nachdem das Spulenteilsystem durch Verbacken der Spulendrähte die erforderliche Formstabilität erhalten hat, kann der Werkzeugkern mit wenigen Handgriffen entformt werden.

Man kann somit auf Basis eines einzigen Wickelwerkzeuges unterschiedliche Spulensysteme realisieren. Geringe Werkzeugkosten und somit geringe Herstellkosten für das Spulensystem sind die Folge.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb, mit einem mehrere koaxial aufeinanderfolgende und ohne Zwischenraum unmittelbar aneinander anliegende Antriebsspulen (3) enthaltenden Spulensystem (2), das von einer getakteten Erregerspannung beaufschlagbar ist, mit einem im Innenraum oder am Außenumfang des Spulensystems (2) angeordneten, mehrere axial aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete (7) enthaltenden Magnetsystem (6), das als Bestandteil eines relativ zu dem Spulensystem (2) in dessen Längsrichtung (5) beweglichen Abtriebsteils (8) ausgeführt ist, und mit einer auf der entgegengesetzten Seite des Magnetsystems (6) innen oder außen am Spulensystem (2) vorgesehenen Rückschlusseinrichtung (15), wobei das Spulensystem (2) aus wenigstens zwei jeweils durchgehend verdrahteten Spulenteilsystemen (4a, 4b) besteht, die jeweils mehrere koaxial mit einem Zwischenraum (22a, 22b) beabstandete Antriebsspulen (3a, 3b) enthalten, wobei zwischen axial benachbarten Antriebsspulen (3a, 3b) eines jeweiligen Spulenteilsystems (4a, 4b) ein den axialen Zwischenraum (22a, 22b) auf Höhe des Außenumfanges des betreffenden Spulenteilsystems (4a, 4b) überbrückender Überbrückungsabschnitt (24) des Spulendrahtes (23a, 23b) verläuft, der die in dem Zwischenraum (22a, 22b) angeordnete(n) Antriebsspule(n) des mindestens einen weiteren Spulenteilsystems (4a, 4b) am Außenumfang passiert, und wobei die Spulenteilsysteme (4a, 4b), für sich allein gesehen, jeweils eine selbsttragende, formstabile, kammartige Struktur mit zueinander koaxialen Antriebsspulen (3a, 3b) bilden und quer zu ihrer Längsachse ineinander greifen, so dass die Antriebsspulen (3a, 3b) der Spulenteilsysteme (4a, 4b) abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind.
  2. 2. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsspulen (3) unmittelbar oder allenfalls unter Zwischenschaltung lediglich einer dünnen Isolationsschicht an der Rückschlusseinrichtung (15) anliegen.
  3. 3. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Rückschlusseinrichtung (15) rohrförmig ausgebildet ist und das Spulensystem (2) außen koaxial umschließt.
  4. 4. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlusseinrichtung (15) stabförmig ausgebildet ist und von dem Spulensystem (2) koaxial umschlossen ist.
  5. 5. Lineardirektantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (7) ringförmig ausgebildet sind.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines mehrere koaxial aufeinanderfolgend angeordnete Antriebsspulen (3, 3a, 3b) enthaltenden Spulensystems (2) eines elektrodynamischen Lineardirektantriebes (1), wobei wenigstens zwei durchgehend verdrahtete Spulenteilsysteme (4a, 4b) getrennt voneinander gefertigt werden, die jeweils mehrere koaxial mit einem Zwischenraum (22a, 22b) beabstandete Antriebsspulen (3a, 3b) enthalten, zwischen denen, auf Höhe des Außenumfangs, ein Überbrückungsabschnitt (24) des durchgehenden Spulendrahtes (23a, 23b) verläuft, so dass sich eine kammartige Struktur ergibt, und wobei diese kammartig strukturierten Spulenteilsysteme (4a, 4b) quer zu ihrer Längserstreckung ineinander gesteckt werden, so dass sämtliche Antriebsspulen (3a, 3b) koaxial zueinander angeordnet sind und die jeweiligen Überbrückungsabschnitte (24) der Spulendrähte (23a, 23b) eines Spulenteilsystems (4a, 4b) die in den überbrückten Zwischenraum (22a, 22b) eingesteckten Antriebsspulen (3a, 3b) der übrigen Spulenteilsysteme (4a, 4b) am Außenumfang passieren.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem (2) nach dem seitlichen Ineinanderstecken der Spulenteilsysteme (4a, 4b) auf eine stabförmige Rückschlusseinrichtung (15) aufgesteckt oder in eine rohrförmige Rückschlusseinrichtung (15) eingesteckt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Spulenteilsysteme (4a, 4b) nach dem Wickeln verbacken werden, so dass sich eine selbsttragende, formstabile Struktur ergibt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickeln der Spulenteilsysteme (4a, 4b) auf einem Wickelwerkzeug (25) erfolgt, das axial beabstandet ringnutartige Wickelkammern (26) zum Wickeln der Antriebsspulen (3a, 3b) aufweist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wickelwerkzeug (25) verwendet wird, das einen länglichen Werkzeugkern (28) und einen am Außenumfang des Werkzeugkerns (28) platzierten, die Wickelkammern (26) definierenden Werkzeugmantel (32) aufweist, wobei der Werkzeugmantel (32) aus mehreren in Umfangsrichtung des Werkzeugkerns (28) mit Abstand zueinander angeordneten Mantelsegmenten (33) besteht, die zum Entnehmen eines gewickelten Spulenteilsystems (4a, 4b) nach radial innen verlagert werden, nachdem zuvor der Werkzeugkern (28) entfernt wurde.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Werkzeugkern (28) über den Umfang verteilte Längsrippen (35) aufweist, wobei die Mantelsegmente (33) in die zwischen benachbarten Längsrippen (35) vorhandenen Zwischenräume (36) eingesetzt werden.






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