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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transportsystem und ein Verfahren zur Herstellung gemäß der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Bekannt sind Transportsysteme, in welchen die Transportkörper (sogenannte Mover) im elektromagnetischen Feld nahezu reibungsfrei gelagert sind. Die regelbaren elektromagnetischen Kräfte werden sowohl für den Antrieb der Transportkörper als auch für elektromagnetische Linearlagerung oder Levitation über eine flache, elektrisch erregte Transportfläche (auch als X-Y-Stator bezeichnet) benutzt. Ein solches System ist in der
WO 2013/059934 A1 beschrieben.
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Das Antriebssystem des in der
WO 2013/059934 A1 offenbarten Systems verfügt über Permanentmagnete in den Transportkörpern, welche in einer X-Y-Halbach-Anordnung vorgesehen sind. Das Magnetfeld dieser Permanentmagnete interagiert mit dem Magnetfeld elektrischer Leiter im Stator, welche einer an die Magnete abgestimmten spezifischen X-Y-Anordnung folgen. Durch das Zusammenwirken der permanentmagnetischen Halbach-Systeme mit den im Stator durch die Bestromung der Leiterbahnen entstehenden elektromagnetischen Feldern werden die auf die Transportkörper wirkenden Antriebskräfte in den Richtungen X und Y sowie eine Hebekraft (Tragkraft) in Z-Richtung erzeugt. Die Magnetsysteme in Halbach-Konfiguration im Mover bestehen aus einzelnen anisotropen gesonderten Seltenen Erden Magneten. Die Formgebung gerade der Permanentmagnete ist angepasst an die Geometrie des Wicklungssystems. Hierbei verlaufen mehrere Strombahnen in der Statorebene X-Y senkrecht zueinander. Die Form und die Breite der Flächen, die über die Stromspulen mit entsprechenden Strombahnen in X-Y-Ebene umspannt sind, sind üblicher Weise an die Breite der Halbach-Module und Polteilung angepasst. Die geometrische Form der meistens anisotropischen Magnete ist meistens nicht optimal an den Verlauf der magnetischen Feldlinien angepasst. Das Gewicht des Movers ist somit relativ hoch. Auch eine Fertigung eines solchen Movers ist schwierig. Das Verhältnis von aktiven zu passiven Gewicht ist noch relativ hoch. Die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Magnete ist zudem problematisch. Auch sammelt sich noch ferromagnetischer Schmutz an.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Transportvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile reduziert werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass das Gewicht des Movers reduziert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, indem der Mover aus zumindest einem kunststoffgebundenen Magneten als Permanentmagnet besteht. Kunststoffgebundene Magnete lassen sich besonders leicht formen. Außerdem kann die geometrische Form der Magnete an den Verlauf der magnetischen Feldlinien leicht angepasst werden. Dies führt dazu, dass Stellen mit geringerer Induktionsdichte ausgespart werden können. Dadurch verbessern sich die Gewichtsreduzierung und die Dynamik. Dies trägt zur Energieeinsparung bei. Zudem lässt sich die Fertigung rationalisieren und vereinfachen. Dies könnte beispielsweise durch den Rückgriff auf Spritzgießverfahren erfolgen. Zudem könnten ohnehin vorzusehende Konstruktionselemente wie beispielsweise Abdeckungen, Produkt- bzw. Behälteraufnahmen oder Kollisionsschutz gleich einteilig in die Form des Movers integriert werden. Zudem sind kunststoffgebundene Magnete korrosionsbeständiger. Außerdem gibt es geringere Probleme mit ferromagnetischen Schmutzansammlungen. Durch die Anwendung von kunststoffgebundenen Magneten sinkt die operative magnetische Induktion im Luftspalt der Maschine. Der Magnetkreis soll angepasst werden (andere Windungszahl und Stromdichte im Stator, andere Dimension der Magnete, beispielsweise größere Dicke der Magnetmodule als bei anisotropen Einzelmagneten). Auf der anderen Seite verringert sich die Magnetmasse. Entscheidend ist das Verhältnis von aktivem und passivem Gewicht in den Movern des Antriebs, was durch die kunststoffgebundenen Magnete optimiert werden kann. Zudem lässt sich die Formgebung flexibler gestalten, so dass diese an die Fertigung für größere Serienstückzahlen angepasst werden kann unter Einsatz von Großserien-Spezialwerkzeugen. Dadurch lassen sich schnellere Taktzeiten bei der Fertigung erreichen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Magnetisierungsrichtung zumindest eines Bereichs um zumindest einen Winkel abweicht von zumindest einer Bezugsachse, insbesondere eine Außenkante, des Bereichs. Durch eine geschrägte Magnetisierung der Bereiche mit einem kleinen Winkel bezogen auf eine Bezugsachse können die bestehenden Kraft- oder Momentschwankungen neutralisiert werden. Kraftverläufe lassen sich auf diese Art und Weise glätten. Besonders bevorzugt weicht ein weiterer Bereich ebenfalls mit einem Winkel ab von zumindest einer Bezugsachse des Bereichs.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird der Winkel so gewählt, dass bezogen auf den ersten Bereich kein zusätzlicher Anteil eines Drehmoments entsteht. Besonders bevorzugt weichen hierzu die Magnetisierungsrichtungen zweier Bereiche mit derselben Bezugsachse einmal um einen kleinen Winkel um einen positiven Betrag, in dem anderen Bereich um einen kleinen Winkel mit demselben negativen Betrag von der Bezugsachse ab. Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Systemdarstellung der Vorrichtung,
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2 eine Draufsicht auf den Mover und die Spulenebene,
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3 eine Schnittdarstellung durch ein Magnetarray und Spulenebene,
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4 einen Mover mit vier Magnetarrays aus kunststoffgebundenen Magneten,
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5 einen Mover mit nur einer Platte aus kunststoffgebundenen Magneten,
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6 einen Mover mit vier Magnetarrays aus kunststoffgebundenen Magneten mit integriertem Funktionsteil sowie
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7 einen Mover mit vier Magnetarrays aus kunststoffgebundenen Magneten mit geschrägter Magnetisierung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beispielhaft zwei Mover 20 dargestellt mit unterschiedlichen Grundformen, nämlich ein im Wesentlichen rechteckförmiger bzw. runder Mover 20. Auch eine ovale Gestaltung wäre denkbar. Die Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13 besteht aus mehreren Einzelteilen bzw. Segmenten (Kacheln) 16. Die Segmente 16 sind quadratisch bzw. rechteckförmig ausgebildet. Die Segmente 16 besitzen im Wesentlichen eine planare Oberfläche und sind schichtweise aufgebaut. Das Segment 16 ist quadratisch bzw. rechteckförmig ausgebildet. So umfasst das Segment 16 eine Spulenebene 18, eine Sensorebene 22 sowie eine Leistungselektronikebene 24. Weiterhin ist ein Bussystem 26 vorgesehen, welches die Segmente 16 mit einem nicht dargestellten Zentralrechner bzw. Prozessor verbindet. Außerdem ist eine Spannungsversorgung 28 vorgesehen mit zugehörigen Anschlüssen, über die die Leistungselektronikebene 24 bzw. die Spulenebene 18 und/oder die Sensorebene 22 mit Energie versorgt werden kann.
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Die Grundplattform 10 beschreibt das Basiselement. Aus dieser ergeben sich die nötigen Gestaltungsmöglichkeiten des Systems im Raum. Unter der Grundplattform 10 wird der Systemträger bzw. ein Maschinengestell verstanden. Sie muss die notwendige Steifigkeit aufweisen. Die Grundplattform 10 kann bereits Steuerungskomponenten und Leistungselektronik aufnehmen. Optional könnte auch bereits die Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13 Bestandteil der Grundplattform 10 sein. Die Grundplattform 10 bietet die Basis oder das Element zur Anordnung weiterer Funktionseinheiten. Die Grundplattform 10 ist weiterhin die Basis oder das Element zur Anordnung weiterer Transportsysteme. Die Grundplattform 10 soll kompatibel mit anderen Grundplattformen sein. Auf der Oberfläche der Grundplattform 10 sind auf der Antriebsfläche 13 die relativ hierzu beweglichen Mover 20 angeordnet. Hierzu erzeugt die Antriebsfläche 13 bzw. die Trägerplatte 12 eine Antriebskraft, die auf den Mover 20 wirkt und ihn in die gewünschte Bewegung versetzt. Die stationäre Antriebsfläche 13 ist vorzugsweise planar ausgeführt. Der Mover 20 wird so angesteuert, dass er zumindest in zwei Freiheitsgraden verschiebbar und/oder drehbar ist. Damit lassen sich insbesondere wie nachfolgend beschrieben unterschiedliche Stationen in flexibler Weise anfahren, wenn die Antriebsfläche 13 diese in geeigneter Weise miteinander verbindet.
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Der Mover 20 beschreibt das bewegbare Element der Vorrichtung 8. Zum einen dient der Mover 20 der Erzeugung einer Relativbewegung gegenüber der Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13. Weiterhin erfolgt eine Interaktion zwischen den Movern 20 oder zwischen den Moverkomponenten. Weiterhin erzeugt der Mover 20 eine Kraft auf die Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13. Hierzu umfasst der Mover 20 zumindest ein Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds, insbesondere einen Magneten, vorzugsweise einen Permanentmagneten 19, der mit der ein Wanderfeld in X-Y Ebenbe erzeugenden Spulen 18 der Trägerplatte 12 bzw. der Antriebsfläche 13 zur Bewegungserzeugung zusammenwirkt. Hierbei wird einen Luftspalt zwischen der Trägerplatte 12 bzw. der Antriebsfläche 13 und dem Mover 20 ausgebildet, so dass eine berührungslose Bewegung des Movers 20 relativ zur Antriebsfläche 13 erfolgen kann.
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In einer Ansicht der
1 ist der Mover
20 perspektivisch dargestellt. Eine Unterseite
17 des Movers
20 wirkt mit der Trägerplatte
12 bzw. Antriebsfläche
13 zusammen. An der Unterseite
17 des Movers
20 sind mehrere Permanentmagnete
19 angeordnet. Die Magnetfelder benachbart angeordneter Permanentmagnete
19 unterscheiden sich. Die Unterseite
17 könnte beispielsweise aus vier Feldern
41 mit jeweils mehreren Permanentmagneten
19 bestehen. Der mittlere Bereich der Unterseite
17 weist keine Permanentmagnete
19 auf.
WO 2013/059934 A1 gibt noch weitere alternative Ausgestaltungen an, die in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen sind. Der Mover
20 wird von einem Kollisionsschutz
23 umgeben, was bei einer Vielzahl bewegter Mover
20 vorteilhaft ist.
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Die Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13 stellt eine mehrschichtige Komponente gemäß dar. Sie weist folgende Basisfunktionalitäten auf. Zum einen umfasst sie Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung gegenüber dem Mover 20. Außerdem wird eine Kraft erzeugt, die auf den Mover 20 wirkt. Außerdem umfasst sie Mittel zur Erzeugung von Distanzen (Luftspalt) zwischen der Trägerplatte 12 und dem Mover 20. Außerdem umfasst die Trägerplatte 12 Mittel zur Erkennung von Positionen sowie Mittel zur Erkennung von Energieübertragung und Mittel zur Übertragung von Informationen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 befindet sich der Mover 20 in der gezeigten Orientierung über den Wicklungen der Spulenebene 18. Die Wicklungen der Spulenebene 18 verlaufen in einer Orientierung sowohl in X-Richtung wie auch in Y-Richtung. Wie bereits in Verbindung mit 1 gezeigt, weist der Mover 20 zumindest vier Magnetfeldarrays 41 auf. Diese sind jeweils in der Halbach-Anordnung magnetisiert. Die zwei gegenüberliegende Magnetfeldarrays 41 haben jeweils identische Aufmagnetisierungsmuster. Bei fließendem Strom durch die Wicklungen der Spulenebene 18 im Stator richtet sich der Mover 20 exakt in der gezeigten Weise aus, nämlich in X-Y-Richtung.
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In einer Ansicht der 3 sind der Mover 20 und Spulenebene 18 der Antriebsfläche 13 bzw. des Stators des Planarantriebs in der Seitenansicht dargestellt. Die Orientiertung der Magnetfelder der Magnetpole benachbarter Permanentmagnete 19 unterscheiden sich wie mit Pfeilen angedeutet. Nach einem Polpar 29 bestehend aus vier unterschiedlichen Richtungen der Magnetfelder wiederholt sich die Anordnung der Magnete mit zugehörigen Magnetfeldern. Unterhalb des Movers 20 und dessen Permanentmagneten 19 befindet sich die Spulenebene 18, deren Spulen mit Strömen mit bestimmter Richtung so beaufschlagt wird, dass der Mover 20 in Bewegung gerät. Hierbei bildet sich ein magnetischer Fluss 30, der beispielhaft für eine Stelle eingezeichnet wurde.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß der 4 unterscheidet sich erfindungsgemäß nun darin, dass die Magnetarrays 41 aus kunststoffgebundenen Magneten 43 bestehen. Wiederum sind vier Magnetarrays 41 vorgesehen. Die kunststoffgebundenen Magnete 43 sind für jedes Magnetarray 41 in der mit einem Doppelpfeil dargestellten Magnetisierungrichtung magnetisiert. Insbesondere durch eine spezielle Magnetisierungseinrichtung können die Magnete 19 vorzugsweise in Form eines äquivalenten Halbach-Systems aufmagnetisiert werden. Die aktiven Elemente des Movers 20 sind in der gezeigten Weise angeordnet in Verbindung mit segmentweise aufmagnetisierten Halbach-Submodulen in Form der Magnetarrays 41.
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Bei den kunststoffgebundenen Magneten 43 handelt es sich um Teilchenverbundwerkstoffe, bei denen Dauermagnetpulver in einen Kunststoffbinder eingebettet werden. Als Magnetpulver können unterschiedliche magnetische Stoffe wie Hartferrite oder auch NdFeB (Neodym-Eisen-Bor) verwendet werden. Zum Einbinden der Magnetpartikel kommen geeignete Kunststoffe wie beispielsweise Duroplaste oder Ähnliches zum Einsatz.
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Für die Verwendung bei Movern 20 können besonders bevorzugt kunststoffgebundene NdFeB-Magnete 43 durch Heißpressen in eine Form gebracht werden, wobei NdFeB-Pulver mit Duroplast geformt wird. Diese Kombination hat sich aufgrund der Magnetisierungseigenschaften für diese Anwendung bei dem Mover 20 für einen Planarantrieb als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dabei wird ein Energieprodukt von maximal ca. 100 KJ/m3 erreicht. Diese Magnete 19 sind isotrop und können dadurch in jede Richtung und auch vielpolig wie in 3 dargestellt bzw. als Halbach-System magnetisiert werden. Auch die Herstellung etwas schwächerer polymergebundener NdFeB-Magnete auf Spritzgussmaschinen in großen Stückzahlen ist möglich. Ein großer Vorteil besteht zudem in der Toleranzgenauigkeit und in der Vielfalt der Formgebungsmöglichkeiten. Durch den Druck bei der Herstellung und die geringe Korngröße des Magnetpulvers werden in gewissem Grad auch diese Magnete ausgerichtet.
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Je nach Anwendungsfall des Movers 20 kann dieser unterschiedliche Formen annehmen. Unter Rückgriff auf kunststoffgebundene Magnete 43 ist dies besonders einfach möglich. So könnten bereits sonst separat hinzuzufügende Konstruktionselemente wie beispielsweise Abdeckungen, Produkt- oder Behälteraufnahmen der zu transportierenden Produkte bzw. Behälter schon einteilig in den Mover 20 integriert werden. Auch könnte auf einen separaten Kollisionsschutz verzichtet werden.
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Außerdem können die kunststoffgebundenen Magnete 43 in ihrer geometrischen Form dem Verlauf der magnetischen Feldlinien angepasst werden. Gerade in Bereichen, die sich durch eine geringe Felddichte auszeichnen, kann weniger Material verwendet werden. Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung des Movers 20 möglich. Dadurch verbessert sich die Dynamik des Movers 20. Es erfolgt ein Beitrag zur Kosten-, Montagezeit- und Energieeinsparung.
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Außerdem zeichnen sich kunststoffgebundene Magnete 41 durch Korrosionsbeständigkeit aus. Unter normalen Umgebungsbedingungen beispielsweise bei Raumtemperatur, relativ geringe Luftfeuchtigkeit etc. können die kunststoffgebundenen Magnete 43 ohne zusätzlichen Oberflächenschutz eingesetzt werden. Zudem lässt sich ein Mover 20 aus kunststoffgebundenen Magneten 43 leichter reinigen, da ein spaltenfreier Aufbau möglich wird. Außerdem bestehen weniger Probleme mit ferromagnetischen Schmutzansammlungen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 besteht der Mover 20 lediglich aus einer einzigen Platte 45, die wiederum aus kunststoffgebundenen Magneten 43 besteht. Schon dadurch vereinfacht sich die Herstellung gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, da ein Aneinanderfügen der unterschiedlichen Magnetfeldarrays 41 entfällt. Durch eine nicht dargestellte Magnetisierungseinrichtung erfolgt die Magnetisierung in der gewünschten Magnetisierungsrichtung wie mit den Doppelpfeilen angedeutet. Der mittlere, mit einem N gekennzeichneten Bereich wird nicht aufmagnetisiert. Ansonsten könnte die Platte 45 mehrere Segmente aufgeteilt werden wie mit Strichlinien angedeutet und segmentweise magnetisiert werden. Die Platte 45 kann aus einem nicht anisotropischen Material in wechselnden Magnetisierungen hergestellt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist der in 4 gezeigte Mover 20 um ein Funktionsteil 52 ergänzt. Das Funktionsteil 52 weist beispielsweise eine Öffnung 53 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 53 kreisförmig ausgebildet. Die Öffnung 53 könnte beispielsweise als Lagersitz in einem Joch für eine Drehvorrichtung auf dem Mover 20 verwendet werden. Das Funktionsteil 52 ist rechteckförmig, vorzugsweise quadratisch, ausgebildet. Das Funktionsteil 52 überdeckt im Wesentlichen die Magnetfeldarrays 41. Das Funktionsteil 52 besteht beispielhaft aus einem ferromagnetischen Stoff, vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Verbundstoff, besonders bevorzugt aus einem ferromagnetischen Pulververbundstoff (beispielsweise sogenannte SMC Soft Magnetic Composite oder pulvermetallurgisches Spritzgießen (MIM Metal Injection Moulding)). Damit dient das aus einem ferromagnetischen Stoffen bestehende Funktionsteil 52 zur Abschirmung des Restfeldes auf der passiven Seite der Platte 45 und/oder zur Feldverstärkung auf der aktiven Seite. Funktionsteile 52 könnten bereits bei der Herstellung der Magnetfeldarrays 41 beispielsweise mit eingegossen werden. Bei den Funktionsteilen 53 könnte es sich beispielsweise um Sensoren, Halterungen, Drehvorrichtungen oder Ähnliches handeln.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind nun die beispielsweise vier Magnetfeldarrays 41 (bzw. isotropen magnetischen Halbach-Platten) mit einer geschrägten Magnetisierung versehen. Dies bedeutet, dass die Magnetisierungsrichtung des jeweiligen Magnetfeldarrays 41 um einen Winkel β geneigt gegenüber einer Außenkante als mögliche Bezugsachse 55 des Magnetfeldarrays 41 aufgebracht wurde. Die Magnetisierungsrichtung ist mit einem Doppelpfeil symbolisiert. Die Magnetisierungsrichtung weicht somit um einen Winkel β ab von der Bezugsachse 55 wie in 7 eingezeichnet, die beispielsweise parallel verläuft zur Außenkante des jeweiligen Magnetfeldarray 41. Die geschrägte Magnetisierung der Magnetfeldarrays 41 in x und y-Richtung mit einem kleinen Winkel β eignet sich dazu, bestehende Kraft- oder Momentripple zu neutralisieren und den zeitlichen Kraftverlauf zu glätten.
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An einer Stirnseite eines Magnetfeldarrays 41 sind beispielhaft mehrere Magnetpole Nord (N) und Süd (S) eingezeichnet. Der Wert des Winkels β ergibt sich beispielsweise aus dem Arcus Tangens des Wertes der Magnetlänge l der Segmente geteilt durch die Polteilung n bzw. τp der Magnetisierung. Als Poteilung n bzw. τp wird üblicherweise der Abstand zwischen der magnetischen Achse des Südpols und der magnetischen Achse des Nordpols verstanden. Aufgrund der gleichen Abstände zwischen Nord- und Südpole im Ausführungsbeispiel gemäß 7 entspricht dort die Polteilung n bzw. τp der stirnseitigen Breite eines Magnetpols. Beide Segmente des Systems X bzw. Y sollten so geschrägt werden, dass kein zusätzlicher Anteil eines Drehmoments entsteht. Somit weicht die Magnetisierungsrichtung derjenigen Magnetfeldarrays 41, welche parallele Bezugsachsen 55 aufweisen, jeweils um einen Winkel +β sowie –β bezogen auf die Bezugsachse 55 ab. Dies gilt gleichermaßen für die Segmente in X bzw. Y-Richtung.
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Die Vorrichtung ist Bestandteil eines flexiblen Transportsystems für unterschiedliche Transportanwendungen, insbesondere in der Verpackungstechnik von beispielsweise Pharmazeutika oder Lebensmittel. Die Verwendung ist hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/059934 A1 [0002, 0003, 0020]
