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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische
Antriebsvorrichtung, die einen beweglichen Teil und eine
Statoranordnung aufweist, von der Art, wonach der bewegliche Teil
mindestens ein senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung
magnetisiertes Teil aufweist und eine gegenüber seinen anderen
Abmessungen geringe Dicke hat, wobei die Statoranordnung
mindestens einen magnetischen Kreis aufweist, der aus einem
Material mit sehr hoher magnetischer Permeabilität hergestellt ist
und einen Luftspalt besitzt, in dem mindestens ein Stück des
genannten magnetisierten Teils angeordnet ist, und wobei die
Statoranordnung ferner mindestens eine elektrische Erregerspule
aufweist, die mit dem genannten magnetischen Kreis gekoppelt ist.
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Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise in den US Patenten
4 195 277 und 4 349 757 beschrieben. Bei diesen bekannten
Vorrichtungen ist immer ein Restmoment vorhanden, welches das
Moment ist, das auf den beweglichen Teil in Abwesenheit eines
Erregerstroms wirkt. Das Vorhandensein dieses Moments
beeinträchtigt nicht nur die Bewegungseigenschaften, sondern auch
die Lage des beweglichen Teils im Ruhezustand. Ferner liefern die
bekannten Vorrichtungen schon infolge ihres Aufbaus und ihrer
Abmessung keine konstante Kraft am beweglichen Teil über die
Länge der Bewegungsstrecke desselben.
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Die Erfindung hat insbesondere zum Ziel, eine einfache und
wirtschaftliche Antriebsvorrichtung zu schaffen, die es erlaubt,
eine Bewegung des beweglichen Teils über eine beschränkte
Entfernung mit einer im wesentlichen konstanten Kraft
auszuführen, und die praktisch kein Restmoment aufweist.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise zur Betätigung des
Trägerarms eines Lese-/Schreibkopfes eines Speichers mit
drehbarer Platte, wie eine magnetische oder optische, harte oder
elastische Platte, verwendbar.
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Für solche Anwendungen verwendet man oft Vorrichtungen mit
beweglicher Spule in einer Permanentmagnet-Statoranordnung, die
"voice coil"-Vorrichtungen genannt werden. Diese Vorrichtungen
benötigen eine relativ große Magnetmasse, was zu relativ hohen
Kosten führt. Es ergeben sich im übrigen insbesondere ein
Bauvolumen und eine Trägheit, die nicht minimal im Verhältnis zu
der erzeugten Kraft sind.
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Die Erfindung zielt darauf ab, auch den Nachteilen dieser bekannten
Vorrichtungen abzuhelfen.
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Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung so
ausgebildet, daß das magnetisierte Teil eine beschränkte
Bewegung im Luftspalt unter der Wirkung einer konstanten Kraft
ausführen kann, die proportional zum Strom in der oder den
Erregerspulen ist, und daß es praktisch keinem Restmoment in
Abwesenheit von Erregerstrom unterworfen ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Patentansprüchen 1 bis 8 beschrieben.
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Die Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen klarer aus der nachfolgend gegebenen Beschreibung von
verschiedenen, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen
hervor, welche in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind,
wobei:
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Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen linearen
Antriebsvorrichtung ist,
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Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt gemäß der Linie II-II von Fig. 1 ist,
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Fig. 3 eine Ansicht einer Ausführungsvariante der linearen
Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 1 ist,
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Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3 ist,
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Fig. 5 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
mit drehbarem Arm ist,
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Fig. 6 ein Schnitt entlang der Linie VI-VI von Fig. 5 ist,
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Fig. 7 ein axialer Schnitt einer linearen Antriebsvorrichtung mit
zylindrischem Magneten ist,
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Fig. 8 eine Ansicht in Axialrichtung, teilweise im Schnitt, der
Vorrichtung der Fig. 7 ist, und
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Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht einer
rechtwinkeligen Anordnung von magnetisierten Teilen ist, wie sie
in einer der Vorrichtung von Fig. 7 ähnlichen Vorrichtung
verwendbar ist.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte lineare Antriebsvorrichtung
weist eine längsgerichtete Statoranordnung 1 auf, die einen
Luftspalt 19 zwischen zwei Statorteilen 2, 3 bildet, welche
jeweils aus einem Stapel von Blechen aus einem Material mit sehr
hoher magnetischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Eisen-Nickel
50/50 bestehen. Die Bleche, wie das in Fig. 2 mit 4 bezeichnete
Blech, erstrecken sich in Längsrichtung und sind durch nicht
dargestellte Befestigungsorgane, die beispielsweise durch
Montagelöcher 5, 6, 7, 8 durchtreten, vereinigt. Die lamellare Form
der so gebildeten Teile erlaubt es, die Wirbelstromverluste in der
Statoranordnung zu verringern. Die Enden der Statorteile sind so
ausgebildet, daß sie magnetische Verbindungen 9, 10 herstellen,
welche ein Schließen der magnetischen Kreise außerhalb des
Luftspalts gewährleisten.
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Jeder der Statorteile 2, 3 besitzt zwei Polteile, die jeweils mit
11, 12 und 13, 14 bezeichnet sind, wobei diese Polteile von
entsprechenden elektrischen Erregerspulen 15, 16, 17, 18 umgeben
sind, deren Windungsteile, die in Fig. 1 sichtbar sind, in Nuten der
Statorteile untergebracht sind. Die Polteile eines selben
Statorteils mit den entsprechenden Spulen liegen nebeneinander in
Längsrichtung der Statoranordnung, und die Polteile, die zu
verschiedenen Statorteilen gehören, sind einander gegenüberliegend
in einem konstanten Abstand E angeordnet.
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Ein beweglicher Teil 20 weist ein dünnes und flaches,
magnetisiertes Teil 21 auf, sowie ein Trägerteil 22, in dem das
magnetisierte Teil, wie in Fig. 2 gezeigt, eingefügt ist. Der
Trägerteil 22 ist in Bezug auf die Statoranordnung durch nicht
dargestellte Mittel bewegbar gelagert, derart, daß eine lineare
Längsbewegung des magnetisierten Teils 21 im Inneren des
Luftspalts 19 möglich ist.
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Das Teil 21 ist gleichförmig in der Richtung seiner Dicke
magnetisiert, d. h. senkrecht zu seinen großen Flächen, so daß auf
der einen derselben ein Magnetpol N, und auf der anderen, dieser
gegenüberliegenden Fläche ein Pol S auftritt. Das Material, aus dem
das Teil 21 gebildet ist, ist beispielsweise Samarium-Kobalt
SmCo&sub5; und weist demnach eine Entmagnetisierungscharakteristik
auf, die praktisch linear im ganzen Arbeitsgebiet ist, in dem es in
der vorliegenden Vorrichtung verwendet wird, mit im übrigen einer
reversiblen Permeabilität nahe an derjenigen von Luft. Die Dicke L
des magnetisierten Teils ist wesentlich kleiner als dessen andere
Abmeßungen.
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Die Spulen 15 und 17 sind so ausgebildet, daß sie von Strömen
durchflossen werden, die ein Magnetfeld in einer ersten Richtung
im Luftspalt zwischen den Polteilen 11, 13 erzeugen, welche dabei
beispielsweise auf ihren Oberflächen jeweils Magnetpole N und S
aufweisen. Die Spulen 16, 18 werden ihrerseits so erregt, daß sie
zwischen den entsprechenden Polteilen 12 und 14 ein Magnetfeld in
umgekehrtem Sinn gegenüber demjenigen der Teile 11 und 13
erzeugen, d. h. daß das Polteil 12 in diesem Beispiel einen Pol S,
und das Teil 14 einen Pol N bildet. Es ist zu bemerken, daß die
verschiedenen Spulen die entsprechenden Polteile in der Nähe des
Luftspalts umgeben, so daß die Streuflüsse außerhalb des
Luftspalts reduziert werden und ein optimaler Wirkungsgrad
erreicht wird.
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In der vorliegenden Vorrichtung ist die Bewegungsstrecke des
magnetisierten Teils im Luftspalt 19 auf eine Länge X beschränkt,
genauer auf Längen von X/2 in den beiden Richtungen von einer
Symmetriestellung aus. Die Länge jedes der Polteile, ebenfalls in
Bewegungsrichtung des magnetisierten Teils gemessen, wird mit
XP bezeichnet. Grundsätzlich darf X nicht größer sein als eine
Länge von XP - 0,5 E. Ferner wird die Länge der Polteile XP
jedenfalls größer als 8E gewählt, und die Länge XA des
magnetisierten Teils, gemessen in der gleichen Richtung, d. h. in der
Richtung seiner Bewegung, ist vorzugsweise gleich XP + XC, wobei
XC die Länge der Nuten bezeichnet, welche die Polteile in einem
gleichen Statorteil trennen.
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Wenn unter den oben angegebenen Dimensionierungsbedingungen die
Spulen 15 bis 18 mit Strom gespeist werden, so daß jede
derselben ni/2 Ampere-Windungen aufweist, wird das
magnetisierte Teil in Bewegungsrichtung einer Kraft F
unterworfen, die durch die Beziehung F = 2 Br(L/E)Z·ni ausgedrückt
wird, in der Br, die remanente Induktion des magnetisierten Teils,
und Z die Breite des Stücks des magnetischen Teils, das im
Luftspalt angeordnet ist, darstellen, wobei diese Breite senkrecht
zur Bewegungsrichtung gemessen wird (Fig. 2). Diese Kraft F ist
unabhängig von der Stellung des magnetisierten Teils im Inneren
des Luftspalts und ist proportional dem Erregerstrom i. Es ist zu
bemerken, daß für die bevorzugte Länge des magnetisierten Teils,
d. h. XA = XP = XC, die Länge X der Bewegungsstrecke, über welche
die kraft F für einen gegebenen Strom konstant ist, ein Maximum
erreicht. Für größere oder kleinere Längen XA verringert sich die
Länge X, um praktisch Null zu werden, wenn XA = XC + 0,5 E oder XA =
XC + 2 XP - 0,5 E wird. Ferner ist das magnetisierte Teil, nachdem
es sich über die Gesamtheit seiner Bewegungsstrecke in einem
konstanten Gesamtluftspalt befindet, praktisch keinerlei
Restmoment in Abwesenheit von Erregerstrom unterworfen.
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Die gegenüber der das magnetisierte Teil enthaltenden Ebene
symmetrische Anordnung der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und
2 kann durch eine unsymmetrische Anordnung ersetzt werden, in
welcher der Statorteil 3 beispielsweise durch ein einfaches Teil
zum Schließen des Flusses ohne die Spulen 17 und 18 gebildet
wird.
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Die Ausführungsform der Vorrichtung, die in den Fig. 3 und 4
dargestellt ist, ist eine Variante der linearen Antriebsvorrichtung
der Fig. 1 und 2. Sie weist eine längsgerichtete
Statoranordnung 30 auf, welche einen Luftspalt 40 bildet, in dem
zwei Teilstücke 38, 39 eines flachen magnetisierten Teils 37 von
geringer Dicke L angeordnet sind. Das magnetisierte Teil ist
Bestandteil eines beweglichen Teils 43, der, wie im Fall des
vorhergehenden Beispiels, ein Trägerteil 47 für das magnetisierte
Teil aufweisen kann, und ist so ausgebildet, daß eine beschränkte
lineare Bewegung des magnetisierten Teils im Innern des
Luftspalts 40 möglich ist. Die beiden Teilstücke 38 und 39 des
Teils 37 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung in
entgegengesetztem Sinn magnetisiert, so daß beispielsweise
Magnetpole N und S jeweils auf den oberen Oberflächen der
Teilstücke 38 und 39, und Pole S und N auf den entsprechenden
unteren Oberflächen dieser Teilstücke erscheinen. Die in
Bewegungsrichtung gemessene Länge jedes dieser magnetisierten
Teilstücke ist wieder mit XA bezeichnet.
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Im Fall, in dem das Teil 37 aus einem Stück magnetisierbaren
Materials hergestellt ist, werden die beiden magnetisierten
Teilstücke durch eine tote Übergangszone getrennt, die in Fig. 3 mit
46 bezeichnet ist. Die in Bewegungsrichtung gemessene Abmessung
XD dieser Zone ist vorzugsweise so klein wie möglich,
beispielsweise in der Größenordnung der Dicke L des
magnetisierten Teils. Das Material des magnetisierten Teils
besitzt, wie im Beispiel der Fig. 1 und 2, eine lineare
Entmagnetisierungscharakteristik und eine reversible Permeabilität
nahe jener von Luft.
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Die Statoranordnung 30 weist zwei Statorteile 31, 32 auf, die
jeweils drei Polteile bilden, nämlich im Fall des Teils 31 einen
ersten von einer Erregerspule 35 umgebenen Polteil 33, und zwei
seitliche, nicht von Spulen umgebene Polteile 41, 42, die zu beiden
Seiten des ersten Polteils in Bewegungsrichtung des
magnetisierten Teils in einem Abstand XC angeordnet sind. Dieser
Abstand entspricht der Abmessung der Nut, welche die Spule 35
aufnimmt.
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In ähnlicher Weise besitzt der Statorteil 32 einen ersten, von einer
Spule 36 umgebenen Polteil 34, und zwei seitliche, nicht von
Spulen umgebene Polteile 44, 45, wobei die Polteile des
Statorteils 32 den entsprechenden Polteilen des Statorteils 31
gegenüberliegend in einem konstanten Abstand E angeordnet sind.
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Die in der Bewegungsrichtung des magnetisierten Teils gemessene
Länge der verschiedenen Polteile ist mit XP bezeichnet, und die
Spulen 35, 36 werden so erregt, daß sie im Luftspalt Potentiale
gleichen Vorzeichens erzeugen. Der Teil 33 entspricht
beispielsweise einem Pol N, und der Teil 34 einem Pol S. Jeder der
Statorteile ist in lamellarer Form hergestellt, doch besitzt im
vorliegenden Beispiel die Statoranordnung einen C-förmigen
Querschnitt, wie in Fig. 4 gezeigt, und die Statorteile werden daher
von einem Stapel von Blechen gebildet, die senkrecht zur
Bewegungsrichtung des magnetisierten Teils angeordnet sind.
Montagelöcher 48, 49, 50, 51 sind in Längsrichtung vorgesehen, und
eine magnetische Verbindung wird beispielsweise an einer auf der
Höhe des Luftspalts 40 gelegenen Stelle 52 hergestellt. Die
magnetischen Kreise der Statoranordnung werden daher senkrecht
zum Bewegungsweg des magnetisierten Teils geschlossen, anders
gesagt, hinter dieser Anordnung, während in den Fig. 1 und 2 das
Schließen in Ebenen parallel zur Bewegungsbahn erfolgte. Es ist zu
bemerken, daß jede dieser Lösungen im Prinzip im einen wie im
anderen Fall anwendbar ist, wobei die Anordnung gemäß den
Fig. 1 und 2 länger ist, und die Anordnung der Fig. 3 und 4
tiefer ist.
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Die Anordnung der Fig. 3 und 4 könnte ebenfalls durch eine
asymmetrische Anordnung ersetzt werden, in der einer der
Statorteile keine Spule aufweist und ein einfaches Schluß-Stück
der magnetischen Kreise bildet.
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Die Bewegung des magnetisierten Teils 37 ist auf eine
Gesamtlänge x beschränkt, die sich symmetrisch, d. h. über Längen
von X/2, gegenüber einer Stellung erstreckt, in der die Trennzone
zwischen den magnetisierten Teilstücken 38, 39 in der Mitte
zwischen den seitlichen Rändern der Polteile 33 und 34 liegt. Wie
im vorhergehenden Beispiel, muß X kleiner als mindestens
XP - 0,5 E sein, und die Länge der Polteile XP ist vorzugsweise
immer größer als zumindest 8 E. Es ist zu bemerken, daß die
seitlichen Polteile 41, 42, 44, 45 länger sein können als XP. Die
Länge der magnetisierten Teile XA muß immer wesentlich größer
sein als XP/2, damit die Wegstrecke X eine nicht vernachlässigbare
Länge aufweisen kann, wobei über diese Länge die dem beweglichen
Teil mitgeteilte Kraft konstant bleibt, unabhängig von der Lage
dieses Teils. Der Maximalwert von X wird für XA = XP + XC erreicht,
und die von der Vorrichtung gelieferte Kraft ist wie vorher
F = 2 Br (L/E)Z·ni mit denselben Bezeichnungen.
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Es ist festzustellen, daß im vorliegenden Beispiel die Ampere-
Windungen ni von einem einzigen Spulenpaar 33, 34 geliefert
werden, oder von einer einzigen Spule im Fall einer
asymmetrischen Anordnung, während im vorhergehenden Fall zwei
Spulenpaare mit jeweils ni Ampere-Windungen vorhanden waren.
Man braucht daher zweimal weniger Ampere-Windungen, um
dieselbe Kraft zu erzielen, aber eine praktisch doppelte
Gesamtlänge des magnetisierten Teils.
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Die Fig. 5 und 6 stellen eine Antriebsvorrichtung mit drehbarem
Arm dar, die sich auf dasselbe Prinzip wie diejenige der Fig. 1
und 2 stützt. Ein magnetisiertes Teil 60 in Form einer dünnen Wand
eines Teils eines Kreiszylinders wird von einem Arm 61 getragen,
der drehbar auf einer Achse 62 montiert ist, die auch die
geometrische Achse des Zylinders des magnetisierten Teils bildet.
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Das Teil 60 ist senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung, d. h. radial,
magnetisiert, wobei beispielsweise auf seiner äußeren
zylindrischen Oberfläche ein Magnetpol N, und auf seiner inneren
zylindrischen Oberfläche ein Pol S auftritt.
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Eine Statoranordnung 63, die wie die Achse 62 von einem Gehäuse
75 getragen wird, weist zwei Statorteile 64, 65 auf, die einen
Luftspalt 66 bilden. Jeder Statorteil besitzt zwei Polteile, nämlich
die Teile 67 und 68, was den Teil 64 betrifft, und die Teile 69, 70
für den Teil 65, wobei die Polflächen dieser Teile zylindrisch und
koaxial sind. Die Statorteile werden durch eine Stapelung von
Blechen in ähnlicher Weise wie in der Anordnung der Fig. 1 und
2 gebildet, und die Polteile sind von entsprechenden elektrischen
Spulen 71, 72, 73, 74 umgeben, wobei diese Spulen beispielsweise
nach ihrer Wicklung gebogen werden und dabei an die Polteile
angepaßt werden.
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Die Dimensionierung und die Arbeitsweise dieser Vorrichtung sind
ähnlich denen der Fig. 1 und 2, wobei die gelieferte Kraft
tangential zur Bewegungsbahn des magnetisierten Teils gerichtet
ist. Die maximale Wegstrecke des Armes entsprach in einem
praktischen Beispiel einer Gesamtwinkelbewegung von 26º und das
Drehmoment pro Ampere-Windung betrug 6,34 · 10&supmin;&sup4; Nm. Für eine
elektrische Spitzenleistung von 10 W war das gesamte Drehmoment
gleich 0,084 Nm. Eine solche Vorrichtung mit drehbarem Arm dient
beispielsweise zum Antrieb des Armes eines drehbaren
Plattenspeichers einer gängigen Art.
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Die Fig. 7 und 8 stellen eine andere Ausführungsform einer
Antriebsvorrichtung dar, die von derjenigen der Fig. 1 und 2
abgeleitet ist. Es handelt sich um eine lineare
Betätigungsvorrichtung mit zylindrischem Magneten. Das magnetisierte Teil 80
hat nämlich die Form einer dünnen Wand eines Kreiszylinders,
welche sich über 360º erstreckt, wobei die
Magnetisierungsrichtung radial ist. Dieses magnetisierte Teil wird von Armen
getragen, die parallel zu seiner Achse verlaufen, wie die Arme 81,
82, wobei diese Arme fest mit einer koaxialen Welle 83 verbunden
sind.
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Die Welle 83 ist beispielsweise so ausgebildet, daß sie in einer
Statoranordnung 84 mit Hilfe von Lagern 85, 86 oder
beispielsweise kugelgelagerten Hülsen gleiten kann. Einer der
Trägerarme 81 kann in der Statoranordnung mit Hilfe eines
Führungsteils 87 geführt sein, so daß eine Drehung des
beweglichen Teils verhindert wird. Gemäß einer alternativen
Ausführungsform dieser Vorrichtung sind die Welle 83 und die
Trägervorrichtung des magnetisierten Teils mit einem Gewinde
großer Steigung versehen, um die Welle 83 während der linearen
Bewegung des magnetisierten Teils zwangsläufig zum Drehen zu
bringen.
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Die Statoranordnung 84 weist zwei Statorteile 88, 89 auf, die
einen zylindrischen Luftspalt 90 bilden, in dem das magnetisierte
Teil 80 angeordnet ist. Der untere Statorteil 88 besitzt zwei
zylindrische Polteile 91, 92, die von ringförmigen Erregerspulen
93, 94, 95 umgeben sind. Diese Spulen können beispielsweise aus
einem kontinuierlichen Draht hergestellt werden, wobei dann die
Spulen 93 und 95 im selben Sinn gewickelt sind und die Spule 94 im
entgegengesetzten Sinn und mit der gleichen Windungszahl oder der
doppelten Windungszahl jeder der Spulen 93 und 95. Der äußere
Statorteil 89 weist keine Spulen auf und bildet ein einfaches Joch
zur Schließung der magnetischen Kreise, wie im Fall einer
asymmetrischen Variante der Anordnung der Fig. 1 und 2.
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Gemäß einer besonders wirtschaftlichen Ausführungsform wird
die Statoranordnung durch ein Sinterverfahren hergestellt, während
das magnetisierte Teil beispielsweise aus gegossenem Samarium-
Plastik besteht. Das dynamische Verhalten einer solchen Anordnung
wird stark durch die infolge der Bewegung des magnetisierten
Teils erzeugten Wirbelströme gedämpft.
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Fig. 9 zeigt einen beweglichen Teil, der in einer
Ausführungsvariante der Vorrichtung der Fig. 7 und 8 verwendet wird,
wonach der Luftspalt nicht zylindrisch, sondern rechteckig ist. Der
bewegliche Teil 96 weist in diesem Fall vier flache magnetisierte
Teilstücke 97, 98, 99, 100 auf, die zu einem rechtwinkligen
Parallelepiped zusammengesetzt sind und von Armen getragen
werden, die mit einem Befestigungsteil 101 auf einer nicht
dargestellten Gleitstange fest verbunden sind. Die Statoranordnung
kann in diesem Fall eine einfache Abwandlung jener der Fig. 7
und 8 sein oder kann in Form einer Mehrfachanordnung aus
Anordnungen ähnlich jener der Fig. 1 und 2 gebildet sein.