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Die
Erfindung betrifft eine Schiebetür
mit einem magnetischen Antriebssystem für mindestens einen Türflügel, mit
einer Linear-Antriebseinheit mit mindestens einer Magnetreihe. Der
Begriff der Magnetreihe umfasst auch längliche Einzelmagneten. Die Magnetreihe
kann ortsfest oder ortsveränderlich
angeordnet sein.
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Aus
der
DE 40 16 948 A1 ist
eine Schiebetürführung bekannt,
bei der miteinander zusammenwirkende Magnete bei normaler Belastung
eine berührungsfreie
schwebende Führung
eines in einer Schiebeführung
gehaltenen Türflügels oder
dergleichen bewirken, wobei neben den stationär angeordneten Magneten der
Schiebeführung
ein Ständer
eines Linearmotors angeordnet ist, dessen Läufer an der Schiebetür angeordnet
ist. Durch die gewählte V-förmige Anordnung
der Permanentmagnete der offenbarten permanent erregten magnetischen
Trageinrichtung kann keine seitlich stabile Führungsbahn realisiert werden,
weswegen eine relativ komplizierte Anordnung und Ausgestaltung von
Ständer
und Läufer
erforderlich ist. Diese Anordnung verteuert eine solche Schiebetür enorm.
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Aus
der WO 00/50719 A1 ist ein kombiniertes Lager- und Antriebssystem
für eine
automatisch betriebene Tür
bekannt, bei der ein permanent erregtes magnetisches Tragsystem
symmetrisch aufgebaut ist und ortsfeste und ortsveränderbare
Magnetreihen aufweist, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind,
wobei sich das Tragsystem in einem labilen Gleichgewicht befindet
und bei dem das Tragsystem symmetrisch angeordnete seitliche Führungselemente
aufweist, die rollenförmig
gelagert sein kön nen.
Aufgrund der hierdurch erreichten seitlich stabilen Führungsbahn
ergibt sich eine einfache Ausgestaltung und Anordnung von Ständer und
Läufer
eines in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebrachten Linearmotors, nämlich
die Möglichkeit, Ständer und
Läufer
des Linearmotors in Bezug auf das Tragsystem beliebig anordnen zu
können
und hinsichtlich der Formgebung von Ständer und Läufer nicht durch das Tragsystem
beschränkt
zu sein.
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Diesen
beiden Lagersystemen gemeinsam ist, dass sie nach dem Prinzip der
abstoßenden
Kraftwirkung arbeiten, welches Wirkprinzip einen stabilen Schwebezustand
ohne aufwendige elektrische Regeleinrichtung ermöglicht. Nachteilig hieran ist
jedoch, dass sowohl mindestens eine ortsfeste als auch mindestens
eine ortsveränderbare
Magnetreihe vorhanden sein muss, d. h. über den gesamten Weg der Schiebeführung bzw.
des Lagers der automatisch betriebenen Tür und an dem entlang dieser
Führung beweglichen
Tragschlitten für
die Tür
Magnete angeordnet sein müssen,
wodurch sich ein solches System, das sich aufgrund des Wegfalls
der mechanischen Reibung zum Tragen der Tür durch extreme Leichtgängigkeit
und geräuschlose
Arbeitsweise auszeichnet und nahezu verschleiß- und wartungsfrei ist, in
der Herstellung sehr teuer wird.
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Aus
der
DE 196 18 518
C1 ist weiter ein elektromagnetisches Antriebssystem für magnetische Schwebe-
und Tragsysteme bekannt, bei dem durch eine geeignete Anordnung
von Dauermagnet und ferromagnetischem Material ein stabiler Schwebe- und
Tragzustand erreicht wird. Hierzu versetzt der Dauermagnet das ferromagnetische
Material in den Zustand einer magnetischen Teilsättigung. Elektromagnete sind
so angeordnet, dass die Dauermagnete allein durch eine Änderung
der Sättigung
in der Tragschiene bewegt werden und die Spulenkerne sind in die
dauer magnetische Teilsättigung,
die zum Schwebe- und Tragezustand führt, mit einbezogen.
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Weiter
zeigt die WO 94/13055 einen Ständerantrieb
für einen
elektrischen Linearantrieb und eine mit einem solchen Ständer versehene
Tür, die mittels
Magneten im Türsturz
eines Rahmens aufgehängt
ist. Hierfür
sind an der Türfüllung mehrere
Magnete oder Magnetgruppen angeordnet, deren magnetische Feldstärke so groß sind,
dass eine Anziehungskraft zu einer Führungsplatte erreicht wird,
die an der Unterseite des Türsturzes
angeordnet ist, wobei die Anziehungskraft ausreicht, um das Gewicht der
Türfüllung anzuheben.
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Bei
allen diesen Systemen müssen
aufgrund der gewählten
Anordnungen der magnetischen Lagerung und/oder des magnetischen
Antriebes geschwindigkeitsabhängige
Bremskräfte
am Läufer
des Linearmotors überwunden
werden, was zu einer hohen Verlustleistung beim Antreiben des Türflügels führt.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schiebetür mit einem
magnetischen Antriebssystem für
mindestens einen Türflügel, das
eine Linear-Antriebseinheit
mit mindestens einer Magnetreihe aufweist, so weiterzuentwickeln,
dass die zuvor genannten Vorteile bei geringen Herstellungskosten
bestehen bleiben und insbesondere die Verlustleistung verringert
wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruches
1 sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Schiebetür mit einem magnetischen
Antriebssystem für
mindestens einen Türflügel mit
einer Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine in Antriebsrichtung
angeordnete Magnetreihe, deren Magnetisierung in ihrer Längsrichtung
in bestimmten Abständen
das Vorzeichen wechselt und mindestens eine aus mehreren Einzelspulen bestehende
Spulenanordnung aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der
Einzelspulen eine Wechselwirkung mit der mindestens einen Magnetreihe
bewirkt, die Vorschubkräfte
hervorruft, wobei wenigstens Teile der elektrisch leitenden Bauteile der
Schiebetür
so ausgelegt sind, dass darin durch ihre Relativbewegung zu der
wenigstens einen Magnetreihe induzierte Wirbelströme an der
Ausbreitung gehindert werden, weist gegenüber dem Stand der Technik den
Vorteil auf, dass die Linear-Antriebseinheit und/oder die Magnetreihe
des magnetischen Antriebssystemes die durch Wirbelströme erzeugte
Verlustleistung vermindert oder minimiert. Bei einer solchen Schiebetür kann neben
einer Reduzierung der Wirbelströme
in den Bauteilen der Linear-Antriebseinheit auch durch eine vorzugsweise
vorgesehene magnetische Trageinrichtung die Ausbreitung der Wirbelströme reduzierend
ausgelegt sein, insbesondere sollte dies erfolgen, wenn die permanent
erregte magnetische Trageinrichtung und die Linear-Antriebseinheit
integriert gebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung
der Ausbreitung der Wirbelströme
werden die magnetischen Trag- und/oder Vorschubeigenschaften nicht
gestört,
aber die Verlustleistung des Antriebes erheblich vermindert.
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Hierzu
sind nach der Erfindung vorzugsweise geblechte oder aus einzelnen
Drahtstiften bestehende Spulenkerne der Einzelspulen vorgesehen. Alternativ
oder zusätzlich
sind nach der Erfindung vorzugsweise geblechte oder aus einzelnen
Drahtstiften bestehende Polschuhe vorgesehen, die in die Spulenkerne
induzierte Magnetfelder zu wenigstens einer Polseite einer der wenigstens
einen Magnetreihe leiten.
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In
diesen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
bestehen die geblechten Spulenkerne oder Polschuhe vorzugsweise
aus Blechpaketen, Blechstreifen, aufgerolltem Stahlblech oder ineinander
gesteckten Rohren oder Profilen.
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Weiter
weist die Schiebetür
nach der Erfindung vorzugsweise alternativ oder zusätzlich ein
geblechtes oder aus einzelnen Drahtstiften bestehendes Tragelement
einer Trageinrichtung auf.
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Außerdem weist
die Schiebetür
nach der Erfindung vorzugsweise alternativ oder zusätzlich wenigstens
eine geblechte oder aus einzelnen Drahtstiften bestehende magnetische
Rückflussschiene
auf, die in die Spulenkerne induzierte Magnetfelder, die zu einer
Polseite der wenigstens einen Magnetreihe geleitet wurden, von der
anderen Polseite der Magnetreihe zurück zu den Spulenkernen leitet.
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Weiter
weist die Schiebetür
nach der Erfindung vorzugsweise alternativ oder zusätzlich wenigstens
ein geblechtes oder aus einzelnen Drahtstiften bestehendes Gehäuse oder
Befestigungselement auf, das von sich relativ bewegenden Magnetfeldern durchflutet
wird.
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Erfindungsgemäß ist vorzugsweise
wenigstens ein Spulenhalter aus dünnem Stahlblech oder aus Kunststoff
vorgesehen.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung von
massiven metallischen Körpern
als aus Einzelblechen oder einzelnen Drahtstiften, bestehend kann die
Ausbreitung von durch die bei der Bewegung des Läufers erzeugten Wirbelströmen, die
durch die wandernden magnetischen Felder in den elektrisch leitenden
metallischen Körpern
gebildet werden, erheblich vermindert werden. Dadurch wird die geschwindigkeitsabhängige Bremskraft am
Läufer
des Linearmotors, die durch die Wirbelströme erzeugt wird und somit die
damit verbundene hohe Verlustleistung beim Antreiben des Türflügels vermindert.
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Weiter
ist in diesen vorzugsweisen Ausführungsformen
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass die Blechebene oder
die Stiftausrichtung in Richtung der durch die mindestens eine Magnetreihe erzeugten
Hauptfeldlinien liegt, was zu besonders guten Ergebnissen der Verminderung
der Verlustleistung führt.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist in diesen vorzugsweisen Ausführungsformen
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass die Einzelbleche oder einzelnen
Stifte lackiert und miteinander verklebt sind, vorzugsweise mit
Backlack. Dieses Merkmal führt
sowohl zu einer besseren Isolierung der Einzelbleche oder einzelnen
Drahtstifte untereinander und somit zu einer besseren Verhinderung
der Ausbreitung der Wirbelströme,
als auch zu einer Handhabbarkeit der aus den Einzelblechen oder
einzelnen Stiften gefertigten Bauteile, die in etwa der der entsprechenden
massiv ausgeführten
Bauteile entspricht.
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Weiter
alternativ oder zusätzlich
ist in diesen vorzugsweisen Ausführungsformen
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass die Einzelbleche oder
einzelnen Stifte verzundert oder oxidiert sind. Dieses Merkmal führt zu einer
besseren Isolierung der Einzelbleche oder einzelnen Drahtstifte
untereinander und somit zu einer besseren Verhinderung der Ausbreitung
der Wirbelströme,
wobei die Nachteile einer Verarbeitung der Einzelbleche oder einzelnen Drahtstifte
mit Lack vermieden werden.
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Weiter
alternativ oder zusätzlich
ist in diesen vorzugsweisen Ausführungsformen
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass die Einzelbleche oder
einzelnen Stifte geklammert oder vernietet sind.
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Weiter
alternativ oder zusätzlich
ist in diesen vorzugsweisen Ausführungsformen
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass die Einzelbleche oder
einzelnen Stifte in einem Vierkantrohr, Rohr oder U-Profil angeordnet
sind.
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Solche
Verbindungen der Einzelbleche oder einzelnen Drahtstifte führen zu
einer leichten Handhabbarkeit der dergestalt ausgeführten Bauelemente während der
weiteren Verarbeitung und/oder einer besseren Wartung der erfindungsgemäßen Schiebetüren, da
solche aus miteinander verbundenen Einzelblechen oder einzelnen
Drahtstiften gebildete Bauelemente leichter montiert und demontiert
werden können.
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Nach
der Erfindung besteht die mindestens eine Magnetreihe vorzugsweise
aus einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenerden-Hochleistungsmagneten,
weiter vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor
(NeFeB) bzw. Samarium-Cobalt (Sm2Co) oder
kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffen. Durch die Verwendung von
solchen Hochleistungsmagneten lassen sich wegen der höheren Remanenzinduktion
wesentlich höhere Kraftdichten
erzeugen als mit Ferrit-Magneten. Demzufolge lässt sich das Magnetsystem bei
gegebener Tragkraft mit Hochleistungsmagneten geometrisch klein
und damit platzsparend aufbauen. Die gegenüber Ferrit-Magneten höheren Materialkosten
der Hochleistungsmagnete werden durch das vergleichsweise geringe
Magnetvolumen zumindest kompensiert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schiebetür sind vorzugsweise
die Spulenanordnung ortsfest und die mindestens eine Magnetreihe
ortsveränderlich
angeordnet, wodurch die Herstellungskosten durch einen passiv ausführbaren
Türflügel gesenkt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem
oder kombinierte Trag- und Antriebssystem wird zum Antrieb mindestens
eines Türflügels einer
Schiebetür eingesetzt,
die vorzugsweise als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet
ist. Es kann neben diesem Einsatz auch zum Antrieb von Torflügeln oder
in Zuführeinrichtungen,
Handlingseinrichtungen oder Transportsystemen eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
Dabei zeigen:
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1: Einen Querschnitt einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten magnetischen Trageinrichtung in verschiedenen Belastungszuständen,
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2:
die Tragkraftkennlinie der magnetischen Trageinrichtung nach der
in 1 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsform,
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3:
den Querkraftverlauf der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
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4:
eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der magnetischen Trageinrichtung
nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsform,
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5:
eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der ersten bevorzugten
Ausführungsform
des erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten, kombinierten Trag- und Antriebssystemes,
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6:
eine elektrische Verschaltung der Spulen der Linear-Antriebseinheit des
in 5 gezeigten, kombinierten Tragund Antriebssystemes,
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7:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer ersten Möglichkeit
des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
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8:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer zweiten Möglichkeit
des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
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9:
ein Diagramm zur Erläuterung
einer dritten Möglichkeit
des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt
verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystemes,
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10:
unterschiedliche Beispiele der erfindungsgemäßen Aufteilung eines massiven
Spulenkerns in Bleche oder Drahtstifte,
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11:
einen geblechten kammförmigen Spulenkern
für drei
Einzelspulen oder eine Kammwicklung und
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12:
Schnittdarstellungen bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schiebetüren mit
einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem.
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Die 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten magnetischen Trageinrichtung im Querschnitt. Zur Erläuterung
ist ein Koordinatensystem eingezeichnet, bei dem eine x-Richtung
eine Fahrtrichtung eines an der erfindungsgemäßen Trageinrichtung aufgehängten Türflügels 5 darstellt.
Die Richtung der auf die magnetische Trageinrichtung wirkenden Querkräfte ist
die y-Richtung und die durch das Gewicht der aufgehängten Türflügel 5 bedingte
vertikale Magnetauslenkung nach unten ist in z-Richtung eingezeichnet.
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Eine
an einem Tragschlitten 4 befestigte Magnetreihe 1 wird
durch ein an dem Tragschlitten 4 vorgesehenes mechanisches
Führungselement 3, das
mit einem Gehäuse 6 der
Trageinrichtung zusammenwirkt, in horizontaler Richtung zentriert
zwischen weichmagnetischen Tragschienen 2a, 2b,
die das Tragelement 2 bilden, zwangsgeführt, während sie in vertikaler Richtung
und in Fahrtrichtung (x) des Türflügels 5 frei
versehiebbar ist. Durch die so erzwungene Symmetrie heben sich die
in y-Richtung an den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d angreifenden
Querkräfte
weitgehend auf. In vertikaler Richtung (z-Richtung) nehmen die Magnete 1a, 1b, 1c, 1d nur
im lastfreien Zustand, also ohne an dem Tragschlitten 4 befestigte
Last, wie in der 1a) gezeigt, eine symmetrische
Lage ein.
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Bei
Belastung der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d mit einer
Gewichtskraft Fg, z. B. durch den an dem
Tragschlitten 4 befestigten Türflügel 5, werden diese
in vertikaler Richtung aus der in 1a) gezeigten symmetrischen
Lage über
einen in 1b) gezeigten Zwischenzustand
in eine in 1c) gezeigte Gleichgewichtslage
bewegt, die durch die zu tragende Gewichtskraft Fg und
eine magnetische Rückstellkraft
zwischen den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe 1 und den Tragschienen 2a, 2b des
Tragelementes 2, im Folgenden auch als Tragkraft F(z) bezeichnet,
bestimmt ist.
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Die
Ursache dieser Rückstellkraft
sind die zwischen den Magneten 1a, 1b, 1c, 1d der
Magnetreihe 1 und den Tragschienen 2a, 2b wirkenden magnetischen
Anziehungskräfte,
wobei nur der Teil der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d,
der zwischen den Tragschienen 2a, 2b nach unten
heraustritt, zu dieser magnetischen Tragkraft beiträgt. Da dieser
Teil mit größer werdender
vertikaler Auslenkung zunimmt, steigt die magnetische Tragkraft
dem Betrag nach kontinuierlich mit der Auslenkung an.
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2 zeigt
die Abhängigkeit
zwischen der vertikalen Auslenkung der Magnetreihe 1 und
der magnetischen Tragkraft in einer Kennlinie, d. h. die Tragkraftkennlinie
der Trageinrichtung gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform. Auf der Abszisse ist
die vertikale Auslenkung z nach unten, z. B. in mm und auf der Ordinate
die korrespondierende erzeugte magnetische Tragkraft F(z), z. B.
in Newton, angegeben. Der Verlauf der Tragkraftkennlinie ist durch
einen oberen und einen unteren Abrisspunkt gekennzeichnet, die jeweils
erreicht werden, wenn die Magnete zwischen den Tragschienen nach
oben bzw. nach unten vollständig
heraustreten, wie es für
den Fall nach unten in 1e) gezeigt
ist. Wird diese kritische Auslenkung kraftbedingt überschritten,
so schwächen
sich die Rückstellkräfte durch
den zunehmenden Abstand zu den Tragschienen 2a, 2b ab,
wodurch in diesen Bereichen kein stabiler Gleichgewichtszustand
zwischen der Tragkraft F(z) und der durch die Last bedingten Gewichtskraft
Fg erreicht werden kann.
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In
der Praxis kann ein solches Abreißen der Tragkraft F(z) durch
die Ge wichtskraft Fg der Türflügelmasse
durch eine mechanische Begrenzung der möglichen Auslenkung der Magnetreihe 1 zuverlässig verhindert
werden, wie sie beispielhaft in 1d) gezeigt
ist. Hier umfasst das die Tragschienen 2a, 2b aufnehmende
und eine horizontale Führung
für das Führungselement 3 bietende
Gehäuse 6 gleichzeitig zwei
jeweils an seinen unteren Enden angeordnete Vorsprünge 6a, 6b,
die eine mechanische Begrenzung der möglichen Auslenkung des Tragschlittens 4 und
somit der an diesem starr befestigten Magnetreihe 1 in
z-Richtung sind.
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Zwischen
dem oberen Abrisspunkt und dem unteren Abrisspunkt verläuft die
Tragkraftkennlinie nahezu linear, wobei bei einer positiven Auslenkung der
Magnetreihe 1, d. h. einer Auslenkung nach unten, die durch
den am Tragschlitten 4 befestigten Türflügel 5 erfolgt, von
dem Ursprung des Koordinatensystemes zwischen vertikaler Auslenkung
z der Magnetreihe 1 und magnetischer Tragkraft F(z) bis
zu dem unteren Abrisspunkt auf der Tragkraftkennlinie Betriebspunkte
mit negativer Steigung durchfahren werden, in denen sich eine jeweilige
stabile Lage der Magnetreihe 1 zwischen den Tragschienen 2a, 2b, bedingt
durch die auf die Magnetreihe 1 wirkende Gewichtskraft
Fg und der betragsgleichen, in entgegengesetzte
Richtung wirkende magnetische Tragkraft F(z) einstellen kann.
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Bei
strenger Symmetrie der beschriebenen magnetischen Trageinrichtung
um die vertikale Mittelachse (z-Achse), die sowohl von der Anordnung der
Trageinrichtung als auch dem mechanischen Führungselement 3 abhängt, heben
sich die horizontalen Magnetkraft-Komponenten in Querrichtung, d. h.
in y-Richtung, vollständig
auf. Verlässt
die Magnetreihe 1 toleranzbedingt diese exakte Mittellage,
so stellt sich aufgrund unterschiedlich starker Anziehungskräfte zu den
beiden Tragschienen 2a, 2b eine auf die Magnetreihe 1 wirkende
Querkraft F(y) ein.
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Die 3 zeigt
für eine
Spaltbreite von z. B. –1
mm bis +1 mm einen Querkraftverlauf F(y) in Abhängigkeit von einer seitlichen
Verschiebung y der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d,
der über
den ganzen Verlauf eine positive Steigung hat. Das bedeutet, dass
im Null-Punkt des Koordinatensystemes, der zur Mittellage der Magnetreihe 1 zwischen
den Tragschienen 2a, 2b korrespondiert, ein instabiles
Kräftegleichgewicht
vorliegt. In allen anderen Punkten des Koordinatensystemes herrscht
eine resultierende Querkraft F(y).
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Da
in der Mittellage nur ein instabiles Kräftegleichgewicht vorliegt,
muss das Führungselement 3 eine
präzise
mechanische Lagerung bieten, die die Magnetreihe 1 während der
Fahrbewegung der Magnetreihe 1 in Bewegungsrichtung, d.
h. in x-Richtung, exakt mittig zwischen den Tragschienen 2a, 2b führt. Je
genauer diese Zentrierung realisiert werden kann, umso geringer
sind die resultierende Querkraft F(y) und hiermit verbundene Reibungskräfte der
mechanischen Lagerung.
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Um
die Trageigenschaften zu optimieren, sollte die Magnetbreite, d.
h. die Abmessungen der Magnetreihe 1 bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in
y-Richtung, möglichst
groß sein,
denn eine große
Magnetbreite bewirkt eine große
Feldstärke,
die zu großen
Tragkräften
führt.
Die Magnethöhe, also
die Abmessungen der Magnetreihe bzw. von deren Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d in
z-Richtung, sollte möglichst
klein sein, denn kleine Magnethöhen erhöhen die
Steifigkeit des Tragkraftfeldes durch Bündelung des Feldes.
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Die
Höhe der
Tragschienen 2a, 2b sollte möglichst klein sein, günstig ist
eine Tragschienenhöhe
kleiner 1/2 der Magnethöhe,
denn die Feldlinien der Dauermagnete werden gebündelt und hierdurch die Steifigkeit
des magnetischen Tragsystems erhöht.
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Die
Anordnung sollte so gewählt
werden, dass die weichmagnetischen Tragschienen 2a, 2b im Gleichgewichtszustand,
in dem die magnetische Tragkraft F(z) betragsgleich der durch Belastung
der Magnetreihe 1 mit dem Türflügel 5 hervorgerufenen Gewichtskraft
Fg ist, vertikal unsymmetrisch um die Magnetreihe 1 liegen
und die Magnetreihe 1 sollte möglichst kontinuierlich sein,
um Rastkräfte
in Bewegungsrichtung, d. h. in x-Richtung,
zu vermeiden.
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In 4 ist
eine Schnittdarstellung einer Aufsicht der in 1a nach
einer Schnittlinie A-A gezeigten Trageinrichtung nach der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Magnetreihe 1 aus
Einzelmagneten 1a, 1b, 1c, 1d besteht,
die mit abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den beiden
seitlich angeordneten Tragschienen 2a, 2b angeordnet
sind, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen. In dieser
Ausführungsform,
in der die Tragschienen 2a, 2b den feststehenden
Teil der erfindungsgemäßen Trageinrichtung
bilden, sind die Einzelmagnete 1a, 1b, 1c, 1d zur
Bildung der Magnetreihe 1 an dem beweglichen Tragschlitten 4 befestigt
und können
zwischen den Schienen 2a, 2b in x- und z-Richtung
verschoben werden. Bei einer vertikalen Verschiebung, d. h. einer
Verschiebung in z-Richtung, um einen kleinen Weg, ca. 3–5 mm, aus
der Null-Lage, d. h. der geometrischen Symmetrielage, ergibt sich,
bedingt durch die Verwendung äußerst starker Dauermagnete,
z. B. aus Nd-Fe-B, eine erhebliche Rückstellkraft, die zum Tragen
eines Schiebetürflügels 5 mit
einem Gewicht von ca. 80 kg/m geeignet ist. In der in 4 gezeigten
Anordnung, bei der die Dauermagnete 1a, 1b, 1c, 1d mit
abwechselnder Magnetisierungsrichtung zwischen den beiden Tragschienen 2a, 2b angeordnet
sind, wirkt sich der Feldschluss durch die Tragschienen 2a, 2b bei
wechselseitiger Magnetisierungsrichtung der nebeneinander angeordneten
Magnete positiv verstärkend
aus.
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Die 5 zeigt
zwei Antriebssegmente einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäß bevorzugt
verwendeten Antriebssystemes, hier als kombiniertes magnetisches
Trag- und Antriebssystem, in einer geschnittenen Aufsicht, bei der
der erfindungsgemäß verwendete
magnetische Linearantrieb auf die Magnetreihen 1e, 1f wirkt,
die an einem nicht gezeigten Tragschlitten 4 befestigt sind.
Die beiden Magnetreihen 1e, 1f weisen jeweils abwechselnd
polarisierte Einzelmagnete auf, wobei die Polaritäten der
in Querrichtung versetzt angeordneten Einzelmagnete der beiden Magnetreihen gleichgerichtet
sind. Zwischen den Magnetreihen 1e, 1f sind Spulen 7 so
angeordnet, dass sich ein jeweiliger Spulenkern 12 in Querrichtung,
d. h. y-Richtung, erstreckt. Auf der den Spulen 7 mit Spulenkernen 12 abgewandten
Seite der Magnetreihe 1 befindet sich jeweils ein Seitenbereich
der Tragschiene 2d.
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Um
einen kontinuierlichen Vorschub der Magnetreihe 1 zu gewährleisten,
sind die Stator-Spulen 7 mit ihren jeweiligen Spulenkernen 12 in
unterschiedlichen relativen Positionen zum Raster der Dauermagnete 1, 1e, 1f angeordnet.
Je mehr unterschiedliche Relativpositionen ausgebildet werden, umso
gleichmäßiger lässt sich
die Schubkraft über den
Verfahrweg realisieren. Da andererseits jede Relativposition einer
elektrischen Phase eines für
den Linearantrieb benötigten
Ansteuersystemes zuzuordnen ist, sollten möglichst wenig elektrische Phasen zum
Einsatz kommen. Aufgrund des zur Verfügung stehenden dreiphasigen
Drehstromnetzes ist ein dreiphasiges System, wie es beispielhaft
in 6 gezeigt ist, sehr kostengünstig aufzubauen.
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Hierbei
besteht ein jeweiliges Antriebssegment und somit ein Spulenmodul 7 der
Linear-Antriebseinheit aus drei Spulen 7a, 7b, 7c,
die eine Ausdehnung von drei Längeneinheiten
in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, aufweisen, wobei also zwischen
Mittelpunkten benachbarter Spulenkerne 12 ein Raster RS = 1 Längeneinheit
liegt. Die Länge
eines Magneten der Magnetreihe 1 in Antriebsrichtung und
die Länge
der zwischen den Einzelmagneten der Magnetreihe 1 liegenden
Lücke ist
hier so gewählt, dass
Länge eines
Magneten LMagnet + Länge einer Lücke LLücke =
Magnetraster RM = 3/4 Längeneinheit (= 3/4 RS).
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6 zeigt
die Verschaltung der Spulen der in 5 gezeigten
beiden Antriebssegmente der erfindungsgemäß bevorzugt verwendeten Linear-Antriebseinheit.
Hier ist eine erste Spule 7a mit einem ersten Spulenkern 12a zwischen
eine erste Phase und eine zweite Phase eines aus drei Phasen bestehenden
Drehstromsystemes angeschlossen, dessen drei Phasen gleichmäßig verteilt
sind, also die zweite Phase bei 120° und eine dritte Phase bei 240° liegen, wenn
die erste Phase bei 0° liegt.
Die in positiver Antriebsrichtung, d. h. +x-Richtung, neben der
ersten Spule 7a mit dem Spulenkern 12a liegende
zweite Spule 7b mit Spulenkern 12b eines Antriebssegmentes
der Linear-Antriebseinheit ist zwischen die zweite Phase und die
dritte Phase geschaltet und die in positiver Antriebsrichtung, d.
h. +x-Richtung neben der zweiten Spule 7b mit dem Spulenkern 12b liegende dritte
Spule 7c mit dem Spulenkern 12c ist zwischen die
dritte Phase und die erste Phase geschaltet.
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Ordnet
man dem durch die Dauermagnete gebildeten Polraster, analog zur
Anordnung in einem zweipoligen Gleichstrommotor, Phasenwinkel zu,
so lassen sich die linearen Spulenanordnungen in einem kreisförmigen Phasendiagramm
abbilden. Da sich dieses sowohl magnetisch als Antriebswirkung auf
die Dauermagnete als auch elektrisch als Ansteuerung der Spulen
interpretieren lässt,
kann durch dieses Diagramm der Zusammenhang zwischen Schaltzuständen und
Antriebswirkung einheitlich beschrieben werden.
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Ein
solches kreisförmiges
Phasendiagramm mit eingezeichneten Spulen ist in 7 gezeigt.
Hier ist auf der Ordinate das elektrische Potential in V und auf
der Abszisse das magnetische Potential angegeben. Ein Kreis um den
Ursprung dieses Koordinatensystemes, der ein Nullpotential sowohl
für das
elektrische Potential als auch das magnetische Potential darstellt,
repräsentiert
die Phasenlagen der an den jeweiligen Spulen anliegenden Spannung,
wobei eine 0°-Phasenlage
bei dem Schnittpunkt des Kreises mit der positiven Ordinate gegeben
ist und sich die Phase im Uhrzeigersinn zu einer 90°-Phasenlage in
dem Schnittpunkt des Kreises mit der negativen Abszisse, der das
magnetische Potential des Südpols
darstellt, eine 180°-Phasenlage
in dem Schnittpunkt des Kreises mit der negativen Ordinate, der das
minimale Spannungspotential darstellt, einer 270°-Phasenlage in dem Schnittpunkt
des Kreises mit der positiven Abszisse, der das magnetische Potential
des Nordpols darstellt, bis zu einer 360°-Phasenlage, die gleich der
0°-Phasenlage
ist, in dem Schnittpunkt des Kreises mit der positiven Ordinate, der
das maximale Spannungspotential darstellt, ändert.
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Wie
in 6 gezeigt, ist eine Beziehung gegeben, bei der
die erste Spule 7a mit Spulenkern 12a zwischen
einer 0°-Phasenlage
und einer 120°-Phasenlage,
die zweite Spule 7b mit Spulenkern 12b zwischen
einer 120°-Phasenlage
und einer 240°-Phasenlage
und die dritte Spule 7c mit Spulenkern 12c zwischen
einer 240°-Phasenlage
und einer 360°-Phasenlage
liegen. Bei Drehstrombetrieb drehen sich nun die Zeiger dieser Spulen
entsprechend der Wechselfrequenz des Drehstroms im Gegenuhrzeigersinn,
wobei jeweils eine der elektrischen Potentialdifferenz zwischen
den auf die Ordinate projizierten Anfangs- und Endpunkten des Zeigers
entsprechende Spannung an den Spulen anliegt.
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Bei
der magnetischen Interpretation des Phasendiagramms entspricht ein
Phasendurchlauf von 180° einer
Verschiebung des Läufers
um den Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Magnete,
also dem Magnetraster RM. Durch die abwechselnde
Polarisierung der Magnete im Läufer wird
bei einer Verschiebung um das Magnetraster RM ein
Polwechsel ausgeführt.
Nach einem 360°-Phasendurchlauf
beträgt
die Läuferverschiebung
zwei RM. Hierbei befinden sich die Magnete
relativ zum Raster RS der Statorspulen wieder
in Ausgangsposition, vergleichbar mit einer 360°-Umdrehung des Rotors eines
zweipoligen Gleichstrommotors.
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Für die elektrische
Interpretation des Phasendiagramms wird die Ordinate betrachtet,
auf der das anliegende elektrische Spannungspotential dargestellt
ist. Bei 0° liegt
das maximale Potential, bei 180°,
das minimale Potential und bei 90° bzw.
270° ein
mittleres Spannungspotential an. Wie zuvor erwähnt, werden die Spulen im Diagramm
durch Pfeile dargestellt, deren Anfangs- und Endpunkte die Kontaktierungen
darstellen. Die jeweils anliegende Spulenspannung kann durch Projektion
von Start- und Endpunkt der Pfeile auf der Potentialachse abgelesen
werden. Durch die Pfeilrichtung wird die Stromrichtung und hierdurch
die Magnetisierungsrichtung der Spule festgelegt.
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Anstelle
einer kontinuierlichen sinusförmigen Spannungsquelle,
die ein Phasendiagramm gemäß 7 aufweist,
kann aus Kostengründen
auch eine Steuerung mit Rechteck-Charakteristik eingesetzt werden.
In einem entsprechenden Phasendiagramm, das in 8 gezeigt
ist, ist die Rechteck-Charakteristik durch Schaltschwellen dargestellt.
Hierbei können die
Phasenanschlüsse
jeweils die drei Zustände Pluspotential,
Minuspotential und potentialfrei einnehmen. Dabei liegt das Pluspotential
z. B. in einem Bereich zwischen 300° und 60° und das Minuspotential in einem Bereich
von 120° bis
240° an
und die Bereiche zwischen 60° und
120° sowie
240° und
300° stellen
den potentialfreien Zustand dar, in dem die Spulen nicht angeschlossen
sind. Bei der Rechteckspannung-Ansteuerung ist der im Vergleich
zur Sinus-Steuerung ungleichmäßigere Schub
nachteilig.
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Es
lässt sich
natürlich
noch eine große
Zahl weiterer Spulenkonfigurationen und Potentialverteilungen aufbauen,
z. B. die in 9 gezeigte Potentialverteilung,
bei der ein minimales Potential von 0 V in einem Bereich zwischen
105° und
255°, ein
maximales Potential von 24 V in einem Bereich von 285° bis 75° und potentialfreie
Bereiche von 75° bis
105° und
von 255° bis
285° vorliegen.
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Die 10 zeigt
verschiedene Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Spulenkerne, bei denen kein
massiver Eisenkern, sondern zur Reduzierung der Ausbreitung von
Wirbelströmen,
die durch die Spulenkerne wandernde Magnetfelder der wenigstens
einen Magnetreihe 1, 1e, 1f erzeugt werden,
ein erfindungsgemäß aus Einzelblechen
oder einzelnen Drahtstiften bestehender Spulenkern.
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In 10a) ist ein Spulenkern 12a aus
aufeinander geschichteten Einzelblechen einer Breite b gefertigt,
wodurch ein im Querschnitt viereckiger Spulenkern 12a gebildet
wird, der in einer hohlzylinderförmigen
Spule 7 mit einem Innendurchmesser d angeordnet ist. Es
ergibt sich, dass nicht der gesamte Hohlraum der hohlzylinderförmigen Spule 7 durch den
Spulenkern 12a ausgefüllt
ist.
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In 10b) ist ein Spulenkern 12b aus
aufeinander geschichteten Einzelblechen einer Breite b1 und b2 gefertigt,
wodurch ein im Querschnitt kreuzförmiger Spulenkern 12b gebildet
wird, der in einer hohlzylinderför migen
Spule 7 mit dem Innendurchmesser d angeordnet ist. Durch
eine somit bessere Möglichkeit
der Anpassung des im Querschnitt kreuzförmigen Spulenkernes 12b an
den Hohlraum der hohlzylinderförmigen
Spule 7 kann dieser besser ausgefüllt und mit einer größeren Menge
magnetisierbaren Materials gefüllt
werden, als im Fall des im Querschnitt viereckigen Spulenkernes 12a.
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In 10c) ist ein Spulenkern 12c aus
aufeinander geschichteten Einzelblechen unterschiedlicher Breiten
gefertigt, wodurch ein quasi zylindrischer Spulenkern 12c gebildet
wird, der in einer hohlzylinderförmigen
Spule 7 mit dem Innendurchmesser d angeordnet ist. Durch
eine somit fast optimale Möglichkeit
der Anpassung des quasi zylindrischen Spulenkernes 12c an
den Hohlraum der hohlzylinderförmigen
Spule 7 kann dieser noch besser ausgefüllt und mit einer größeren Menge
magnetisierbaren Materials gefüllt
werden, als im Fall des im Querschnitt kreuzförmigen Spulenkernes 12b.
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In 10d) ist ein Spulenkern 12d aus
einem aufgerollten Einzelblech gefertigt, wodurch ein zylindrischer
Spulenkern 12d gebildet wird, der in einer hohlzylinderförmigen Spule 7 mit
dem Innendurchmesser d angeordnet ist. Durch eine somit optimale
Möglichkeit
der Anpassung des zylindrischen Spulenkernes 12d an den
Hohlraum der hohlzylinderförmigen
Spule 7 kann dieser noch optimaler ausgefüllt und
mit einer größtmöglichen
Menge magnetisierbaren Materials gefüllt werden.
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In 10e) ist ein Spulenkern 12e aus
ineinander gesteckten Rohren gefertigt, wodurch ein zylindrischer
Spulenkern 12e gebildet wird, der in einer hohlzylinderförmigen Spule 7 mit
dem Innendurchmesser d angeordnet ist. Der Spulenkern 12e ist
in der 10e) in einer Schnittdarstellung
innerhalb der hohlzylinderförmigen
Spule 7 und in einer perspek tivischen Ansicht ohne die
hohlzylinderförmige Spule 7 gezeigt.
Durch eine somit optimale Möglichkeit
der Anpassung des zylindrischen Spulenkernes 12e an den
Hohlraum der hohlzylinderförmigen
Spule 7 kann dieser noch optimaler ausgefüllt und
wie im Fall des in 10d) gezeigten
Spulenkernes 12d mit einer größtmöglichen Menge magnetisierbaren
Materials gefüllt
werden.
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In 10f) ist ein Spulenkern 12f aus
einzelnen Drahtstiften gefertigt, wodurch ein quasi zylindrischer
Spulenkern 12f gebildet wird, der in einer hohlzylinderförmigen Spule 7 mit
dem Innendurchmesser d angeordnet ist. Durch eine somit fast optimale
Möglichkeit
der Anpassung des quasi zylindrischen Spulenkernes 12f an
den Hohlraum der hohlzylinderförmigen
Spule 7 kann dieser ähnlich
gut ausgefüllt
werden, wie im Fall des quasi zylindrischen Spulenkernes 12c.
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In 11 ist
in einer perspektivischen Ansicht ein geblechter kammförmiger Spulenkern 12g für drei Einzelspulen
oder eine Kammwicklung gezeigt. Der kammförmige Spulenkern 12g besteht
aus einzelnen aufeinander geschichteten kammförmigen Blechen mit einem Kammrücken 13 und
Kammzähnen 14.
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Durch
solche in den 10 und 11 gezeigten
geblechten oder aus einzelnen Stiften bestehenden Spulenkerne 12a–12g wird
erfindungsgemäß eine Ausbreitung
von in die Spulenkerne induzierten Wirbelströmen gehindert, insbesondere, wenn
die Blechstreifen oder einzelnen Stifte verzundert oder lackiert
und miteinander verklebt sind, z. B. mit Backlack. Die Spulenkerne
und auch in gleicher Weise gefertigte Polschuhe, können durch
Klammern oder Nieten oder Einbringen in ein Rohr, z. B. ein Vierkantrohr
oder ein Profil, zu Paketen oder Bündeln zusammengefasst werden.
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Damit
nicht durch Spulenhalter eine Ausbreitung von Wirbelströmen unterstützt wird,
können
diese aus dünnem
Stahlblech oder Kunststoff gefertigt werden.
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Die 12 zeigt
beispielhaft drei erfindungsgemäße Varianten
für aus
geblechten elektrisch leitenden Bauteilen bestehende erfindungsgemäße Schiebetüren.
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Ein
prinzipiell U-förmiges
Gehäuse 6 weist nicht
lediglich einen Boden und zwei senkrecht auf diesem stehende Seitenbereiche
auf, wobei die Tragschienen 2a, 2b in den zwischen
Boden und einem jeweiligen Seitenbereich gebildeten Kanten angeordnet
sind, wie es bei der im Zusammenhang mit der 1 prinzipiell
beschriebenen nach der Erfindung bevorzugt verwendeten magnetischen
Trageinrichtung der Fall ist, sondern weist einen Boden 16 und zwei
senkrecht auf diesem stehende verstärkte Seitenbereiche 17 auf,
die jeweils eine Einfräsung 15 oder
Einkerbung aufweisen, in der jeweils eine geblechte Tragschiene 2c, 2d aufgenommen
ist. Durch diese Ausgestaltung können
die Tragschienen 2c, 2d ohne weitere Befestigungsmittel
in Tragrichtung von dem Gehäuse 6 gehalten
werden.
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Weiter
sind zwei ortsveränderbare
Magnetreihen 1e, 1f an dem Tragschlitten 4 befestigt,
wobei zwischen den beiden ortsveränderbaren Magnetreihen zentriert
die Magnetspulen 7 mit den Spulenkernen 12 eines
Linearantriebes angeordnet sind, die entsprechend der Fahrtrichtung
bestromt werden können.
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Die
an dem Tragschlitten 4 befestigten Magnetreihen 1e, 1f werden
durch ein Führungselement 3 gegen
die Seitenbereiche 17 laufenden Rollen, die an dem Tragschlitten 4 befestigt
sind, in horizontaler Richtung mit be stimmtem Abstand zwischen den
geblechten Tragschienen 2c, 2d, 2e, 2f zwangsgeführt, während sie
in vertikaler Richtung und in Fahrtrichtung des Türflügels 5 frei
verschiebbar sind. Durch die so erzwungene Symmetrie heben sich
die an den Magneten angreifenden Querkräfte entsprechend der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weitgehend auf. Die Trageigenschaften in vertikaler
Richtung entsprechen prinzipiell denen der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Trageinrichtung.
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Die 12a zeigt zwei Tagschienen 2c, 2d, die
in Tragrichtung aufeinander geschichtet sind und die 12b zeigt zwei Tagschienen 2e, 2f die
in Querrichtung, d. h. senkrecht zur Tragrichtung und senkrecht
zur Antriebsrichtung, aufeinander geschichtet sind. In der 12c sind in Tragrichtung aufeinander geschichtete
Tagschienen 2c, 2d gezeigt. Zusätzlich weist
die hier gezeigte Schiebetür aus
ineinander gesteckten Rohren bestehende Spulenkerne 12e auf,
um die Ausbreitung von in diese induzierten Wirbelströme zu hindern.
Alternativ können auch
andere der in den 10 und 11 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen
zu diesem Zweck verwendet werden, wie auch noch andere Maßnahmen,
durch die die Ausbreitung von Wirbelströmen gehindert wird.
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Natürlich kann
die erfindungsgemäße Schiebetür mit dem
erfindungsgemäßen magnetischen Antriebssystem
auch so ausgestaltet sein, dass die lediglich vorzugsweise magnetisch
gelagerte Trageinrichtung von dem erfindungsgemäßen Antriebssystem getrennt
vorgesehen ist.
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- 1,
1e, 1f
- Magnetreihe
- 1a–d
- Magnet
- 2
- Tragelement
- 2a–f
- Tragschiene
(Seitenbereich)
- 3
- Führungselement
- 4
- Tragschlitten
- 5
- Türflügel
- 6
- Gehäuse
- 7,
7a–c
- Spule
- 12
12a–g
- Spulenkern
- 13
- Kammrücken
- 14
- Kammzähne
- 15
- Einfräsung
- 16
- Boden
- 17
- Seitenbereiche
- b
- Breite
- d
- Innendurchmesser