CN106164511B - 超导支承机构和用于材料检验和/或材料处理的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于相对于第二支承部件(8,9;46;62)依靠磁力非接触地支承第一支承部件(10,11;37)的超导支承机构，其中该第一支承部件(10,11;37)配属有超导体(17;45)，该第二支承部件(8,9;46;62)配属有永磁体机构(8,9;50;65)。本发明规定，该永磁体机构(8,9;50;65)和/或该超导体(17;45)配属有其场强和/或场取向可调的磁力机构(20;42)和用于控制该磁力机构(20;42)的场强和/或场取向以影响所述永磁体机构(8,9;50;65)和超导体(17;45)之间的磁性相互作用的控制装置(21;38)。

Description

超导支承机构和用于材料检验和/或材料处理的装置

技术领域

本发明涉及用于相对于第二支承部件依靠磁力非接触地支承第一支承部件的超导支承机构，其中该第一支承部件配属有超导体，而该第二支承部件配属有永磁体机构。

背景技术

由EP1332299B1公开一种泵或混合系统，其中采用了浮动支承以便借助磁力推进器来输送或混合装在容器内的流体，在此，该磁力推进器配属有至少一个超导件以及冷却源，并且该超导件还配属有使超导件转动的运动装置，以便由此在磁力推进器中引起转动运动。

发明内容

本发明的任务在于提供超导支承机构和用于材料检验和/或材料处理的装置，它们被设计用于在各种不同的边界条件下使用。

根据用于上述类型的超导支承机构的本发明第一方面，规定，所述永磁体机构和/或超导体配属有其场强和/或场取向可调的磁力机构和用于控制该磁力机构的场强和/或场取向以影响永磁体机构与超导体之间的磁性相互作用的控制装置。借助所述磁力机构和对应的控制装置，可通过根据情况调节该磁力机构的场强和/或场方向完成超导支承机构的调节。例如可由此调节第一支承部件与第二支承部件之间的距离。此时，该磁力机构的磁场可被设计用于增强或减弱在所述超导体与永磁体机构之间的磁力。补充地或替代地，该磁力机构的磁场可被设计用于直接影响各自所属的支承部件，支承部件本身被构造用于造成作用于磁力机构磁场的反作用力。例如各支承机构可配备有自己的磁力机构或可磁化件尤其是铁磁元件。因磁力机构作用于各自支承部件而产生的反作用力的取向可以基本平行于在超导体和永磁体机构之间的力场或横向于力场。

适当的是，该磁力机构以电磁线圈机构、尤其是由超导材料构成的电磁线圈机构的形式构成，且该控制装置被构造用于控制用于该电磁线圈机构的线圈电流。由此，可提供一个可快速改变且最好是可调的且其方向是可切换的磁场，该磁场例如分别根据超导支承机构应用领域造成在超导体与永磁体机构之间的力场有目的地减弱或增强。例如当配备有永磁体机构的支承部件应更换但无需因变热超过跃变温度而停止超导体工作时，可以规定在超导体与永磁体机构之间的力场减弱。当超出力场承载能力的高负荷作用于超导支承机构时，在超导体与永磁体机构之间的力场的增强可能是有利的。

在本发明的一个有利改进方案中规定，该永磁体机构包括相对于共同的对称轴线同心布置的且被轴向磁化的多个环形磁体，且所述至少一个超导体横向于该对称轴线布置以实现第二支承部件相对于第一支承部件径向支承且尤其是径向转动支承。利用这种用于第二支承部件的径向支承，第二支承部件例如作为轴构成，该轴相对于第一支承部件非接触且位置固定地设置并且例如被用于使柔性材料幅如纸幅或织物幅或膜幅转向。这样的轴最好包括至少两个永磁体机构，它们分别由沿转动轴线相互间隔设置的环形磁体或者沿转动轴线同心排成行且分别被反向磁化的成组环形磁体构成。每个所述永磁体机构最好对应于一个超导体。所述永磁体机构可以分别设置在该轴的端侧。补充地或替代地，至少其中一个所述永磁体机构可布置在该轴的端部旁边，从而一个轴也可配备有多于两个的永磁体机构。这尤其在该轴具有细长形状即具有就其长度而言小的横截面且因而为避免弯曲而必须在多个部位被支撑时是有意义的。例如也可以规定，一个轴只包括一个永磁体机构，该永磁体机构布置在该轴的中央区内或一个端部上。在超导支承机构的这个实施方式中，该电磁线圈机构最好配属于该超导体。该电磁线圈机构的中心轴线尤其最好横向于对称轴线来取向。

在本发明的其它实施方式中规定，该永磁体机构包括相对于共同的对称轴线同心布置的且被径向磁化多个环形磁体，且该超导体呈圆环状构成且相对于对称轴线同轴设置以实现第二支承部件相对于第一支承部件轴向支承且尤其是轴向转动支承。这样的超导支承机构例如能够使机器部件或工作机构的尤其可转动的非接触支承，在此，例如可借助该磁力机构调节第二支承部件相对于超导体的距离和/或取向。例如，所述磁力机构和控制装置被构造用于提供作用于第二支承部件上的固定磁场或环绕磁场，从而可借此完成第二支承部件的固定预设取向或第二支承部件在横向于对称轴线取向的运动平面内的预定相对运动。

最好规定，所述电磁线圈机构和控制装置被构造用于控制所述第一支承部件与第二支承部件之间的距离。

有利的是该控制装置配属有传感器机构，它被构造用于确定与在永磁体机构和超导体之间距离相关的物理参数并提供与所确定的物理参数的值相关的电传感器信号给该控制装置，且该控制装置设立用于控制第一和第二支承部件之间的距离。该传感器机构最好被设计用于非接触确定所述永磁体机构和超导体之间的且进而第二和第一支承部件之间的距离。例如传感器机构被设计用于以光学和/或电容和/或感应的测量距离且提供与距离相关的电传感器信号给该控制装置。该控制装置包括计算单元，在计算单元中形成控制算法，该控制算法根据传感器机构的传感器信号完成距离调整且作为控制参数提供信号且尤其是线圈电流给最好呈电磁线圈机构形式构成的磁力机构。

合适的是所述第一支承部件配属有用于无线供应能量给第二支承部件的发射机构，且第二支承部件配属有用于接收无线供应的能量的接收机构。利用这样的无线且进而非接触的能量传输，能量可从一般是静止不动的第一支承部件被传输给按预定距离就位的且最好是浮动的第二支承部件。传输的能量尤其可被转化为电能，该电能被用于驱动在第二支承部件之处或之中的电路或电子电路。例如发射机构借助合适的发射线圈提供电磁场给最好作为天线构成的接收机构，在这里，在接收机构中完成电磁场至电能的转换，该电能被供给后置电路使用。补充地或替代地，所述无线能量传输也可被用于在第一和第二支承部件之间的信息传输。

第二支承部件最好配属有用于无线传输传感器机构的传感器信号的发射机构，并且第一支承部件配属有用于接收传感器机构的无线传输的传感器信号的接收机构。发射机机构与接收机构的这一组合用于信息传输并且例如能以光学传输线路的形式构成。在此，一个光源构成该发射机构，而一个光敏传感器构成该接收机构。

根据用于材料检验和/或材料处理的装置的本发明第二方面，在此，用于材料检验和/或材料处理的装置包括超导支承机构，其中第二支承部件配属有用于工件表面的非接触检验和/或处理的工作机构。这样的装置也可被称为管道检测系统（Molchsystem）。该工作机构可通过使用超导支承机构而以规定距离相对于第一支承部件浮动就位，在这里，当非铁磁性壁位于这两个支承部件之间时，第一和第二支承部件之间的耦合也是可行的。与此相应，可以借助该工作机构完成由壁界定的空腔的检验和/或处理，在该空腔内只引入第二支承部件，而第一支承部件留在所述壁和空腔之外。该工作机构此时设置用于工件表面的非接触检验和/或处理。工件最好设置在第一支承部件和第二支承部件之间，例如可由此实现空腔如容器或管的内壁区域的检验。在此情况下，该工作机构最好被构造用于在指向第一支承部件的工作方向上探测和/或处理工件。

或者，该工作机构被构造用于在背离第一支承部件的工作方向上探测和/或处理工件。这例如在第一支承部件容放在操纵臂尤其是工业机器人上且第二支承部件为实现工件的表面分析和/或表面处理而被比较近地引导经过工件表面时是有利的。通过使用本发明的超导支承机构，可以借助磁力机构和所属的控制装置进行工件表面起伏不平的补偿以避免工作机构碰到工件。此时有利的是，可以预先设定用于操纵臂的运动轨迹并可通过调节所述两个支承部件之间的距离来高动态地实现非预期的起伏不平的补偿，为此不一定需要干预工业机器人的轨迹控制。

在本发明的一个改进方案中规定，该工作机构以用于接收声波或电磁波的辐射探测器和/或以用于发射声波或电磁波的辐射源的形式构成。为此，例如可以完成工件的基于声波或电磁波、尤其是伦琴射线或激光的非接触检验，在此，该工作机构具有合适的传感器来接收所提供的声波或电磁波。补充地或替代地，在提供充足能量且工作机构适当配置的情况下，也可以通过该工作机构发出声波和/或电磁波。借此，例如完成用激光射线或电子射线对工件的非接触加工处理。

附图说明

附图示出本发明的有利实施方式，其中：

图1示出具有两个径向支承机构的轴组件，所述径向支承机构设置在轴的端侧，其中一个所述支承机构以用于调节超导体和永磁体机构之间距离的超导支承机构的形式构成，

图2示出用于影响呈采用超导支承机构的搅拌机构形式的部件的电流的装置，

图3示出材料检验装置，其具有超导支承机构和用于非接触检验工件表面的工作机构。

具体实施方式

如图1所示的轴组件1例如包括两个支承机构2、3，它们相对于示意所示的机架4处于位置固定的关系。支承机构2、3设置用于可绕转动轴线6转动地非接触支承一个轴5并因此以超导支承机构的形式构成。这样的轴5例如可设置用于使未示出的柔性材料幅转向，该材料幅从沿切向贴靠例如形成有圆形横截面的轴5的表面7的第一输送方向被转向同样也沿切向贴靠表面7但不同于第一输送方向的第二输送方向。这两个输送方向最好垂直于转动轴线6取向，柔性材料幅的倾斜转向也是可行的，此时这两个输送方向相对于转动轴线6分别形成相同但彼此互补的预定角度。

为了非接触地转动支承该轴5而在轴组件1中规定，支承机构2、3分别布置在轴5的端侧。每个所述支承机构2、3包括一个永磁体机构8、9作为第二支承部件以及分别包括一个配属于对应的永磁体机构8、9的超导体10、11作为第一支承部件。在此情况下，用术语“超导体”表示这样的机构，它在支承机构2情况下包括呈杯状的散热体12、与散热体12处于热耦合且尤其以斯特灵发动机形式构成的电动冷却机构15以及设于散热体12的开放边缘处的封盖16。示例呈圆盘形的封盖16包括由超导材料构成的环17，在环的中心设有盖板18用于密封由散热体12和封盖16所确定的空间体积。

支承机构3基本上具有与支承机构2相同的结构，但区别是在用19标示的盖板中容装有线圈机构20，该线圈机构最好以环形线圈形式构成并与控制装置21电连接。线圈机构20被构造用于提供横向于转动轴线6取向的磁场，该磁场可被用于影响超导环17与永磁体机构9之间的磁性相互作用。

有利地规定，永磁体机构8、9分别相同地构成并例如以各自三个被径向磁化的环形磁体22、23、24的排列结合形式构成。在此，各自相邻设置的环形磁体22、23、24被彼此反向磁化，因而，例如环形磁体22和24具有径向靠外的北极，而环形磁体23例如具有径向靠外的南极。

为了实现轴5相对于超导体10、11的依靠磁场的非接触支承而可以首先规定，轴5在超导环17未被冷却到低于其跃变温度的时刻通过未示出的定位机构相对于超导体10、11被置入期望位置。在下一步骤中，冷却机构15被启动以实现将各自超导环17冷却到低于各自跃变温度，进而源自各自永磁体机构8、9的磁场在一定程度上被存储在各自超导环17内。一旦冷却机构15已将各自超导环17冷却到低于跃变温度，则未示出的定位机构可被移除。从此刻开始，在保持超导环17冷却到低于其跃变温度的情况下保证在各自永磁体机构8、9和各自超导环17之间的非接触磁耦合。

借助在第二支承机构3中形成的线圈机构20，可通过由控制装置21提供线圈电流来提供附加磁场，可借助该附加磁场来施加相对于永磁体机构9的吸引力或排斥力以影响该轴5的相对于支承机构3的空间位置，尤其在横向于转动轴线6取向的空间方向上。

例如可以在轴5的一端部设置光学反射镜25，它是可被用来确定转动轴线6的空间位置的传感器机构26的一部分。该传感器机构例如包括呈激光二极管状的光源27和二极管矩阵28，该二极管矩阵被构造用于接收由光源27发出的且在反射镜25上反射的光线。在传感器机构26适当校准的情况下，光源27的光线根据转动轴线6的空间位置照中二极管矩阵28的不同的光敏单元，由此可以在采用预定控制算法情况下在控制装置21中从关于该二极管矩阵上的照中点的信息中完成转动轴线6的位置确定。在下一步骤中，可通过适当控制该线圈机构20来完成转动轴线6的空间位置修正。控制装置21和传感器机构26最好被设计用于控制转动轴线6的空间位置。

如图2所示的用于影响以采用超导支承机构的搅拌机构31形式构成的部件的电流的装置例如可以被用于混合许多液体、混合液体和固体、将固体溶于液体或者混合液体与气体。

搅拌机构例如包括呈杯状的壳体32，壳体壁例如由一体相连的套筒状圆柱形部分33和圆盘形部分34构成。与此相应，壳体32所界定的壳体容积35同样呈圆柱形构成。在壳体容积35内设有呈搅拌件状的执行机构36，其结构以下将进一步描述。在壳体容积35外设有耦合机构37，其设置用于执行机构36的驱动且也将随后详述。执行机构36和耦合机构37作为第二支承部件和作为第一支承部件形成一个超导支承机构。

控制装置38配属于耦合机构37且用于提供绕转动轴线39转动的电磁行波场，该电磁行波场作用于设于执行机构36内的磁体机构40。电磁行波场通过提供合适的线圈电流给线圈机构41来产生，其中该线圈机构包括多个最好以相同角距布置的环形线圈42，它们环形布置在围绕转动轴线39的线圈环上，其中，各个环形线圈42的线圈绕组的卷绕轴线分别沿线圈环的切向取向。由线圈机构41提供的行波场用于通过与磁体机构的相互作用而提供转矩给执行机构36。另外，线圈机构41可以提供一个在所有环形线圈42上基本恒定的且其场强可调的磁场，借助该磁场来影响耦合机构37与执行机构36之间的距离。

例如规定，线圈机构41作为杯状散热体44的封盖43的组成部分设置，其中，封盖43也包括超导环45。另外可以规定，线圈机构41由具有超导性能的材料制造。有利的是，用于线圈机构41的跃变温度和用于超导环45的跃变温度至少几乎相同，从而在达到用于超导环45的工作温度时该线圈机构41也能超导工作。由此将在提供转动行波场以施加转矩于执行机构36时的电损耗减至最小。

超导环45例如由金属合金或有机合金或陶瓷合金制造，其在冷却到低于材料专属跃变温度时具有超导性能。此时，超导性能的一个组成部分是超导环45在冷却到低于跃变温度之后且保持该温度时在一定程度上存储外磁场并抵制对应于外磁场改变的磁力，由此，例如可以相对于超导环45在预定位置保持外磁场源。

例如以电动式斯特灵发动机形式构成的冷却机构47的冷却指46伸入散热体44的凹空部中，在这里，冷却指46被构造用于排出来自散热体44的热量，以允许将超导环45冷却到低于跃变温度并保持用于超导环45的这一工作温度。

执行机构36包括主体48，该主体例如以圆筒盘的形式构成并在其顶面25设有叶片组件49，叶片组件在执行机构36绕转动轴线39转动时可在容纳于壳体容积35内的流体中造成流动。在主体48的背对叶片组件49的底面上，在径向靠外区域内设有永磁体机构50，该永磁体机构由多个环形的、相互同心布置的且在关于转动轴线39的轴向上被磁化的磁环51、52、53构成。磁环51、52、53的轴向磁化由所画的箭头象征。永磁体机构50设置用于与超导环45相互作用，磁环51、52、53的磁场力作用于超导环45，超导环在达到其低于当前所用超导材料的跃变温度的工作温度时抵制永磁体的磁力，即对应于永磁体机构50的反向取向的磁力，一旦永磁体机构50偏离在被一直冷却到低于超导环45的跃变温度时所限定的位置。与此相应，可以保持在执行机构36和包含超导环45的耦合机构37之间的预定距离，由此，执行机构36可以相对于耦合机构37处于浮动状态。

为了保证在低于用于超导环45的跃变温度之前简单调节该执行机构36和耦合机构37之间的距离，例如规定可以在线性导向机构54上可沿转动轴线39直线运动地容放该耦合机构37。直线导向机构54例如包括至少两个位置固定安置的导向板条55，其也用作壳体32的支承。耦合机构37配属有例如呈电动线性调节器形式的致动器56，其与控制装置38电连接并被设计用于使耦合机构37沿转动轴线39移动。借助致动器56，可以在搅拌机构31投入使用(搅拌机构投入使用的前提是超导环45尚未被调节温度到低于跃变温度)时首先调节此刻因重力而贴靠壳体32的执行机构36与耦合机构37之间的距离，该距离应在随后所处的工作状态下保持。接着，通过冷却机构47的通电使用或输入冷却介质，进行散热体44的和容放在其上的超导环45的冷却，这导致永磁体机构50的磁场在一定程度上储存在超导环45内，并在执行机构36相对于耦合机构37的位置随后改变时导致反作用力，结果，也可在有外力作用时至少基本保持该位置。随后，可通过相应控制致动器56完成耦合机构37沿转动轴线39朝壳体32移动，从而使执行机构36从壳体32底面抬起并在壳体容积35内浮动。可以随后或事先完成给壳体容积35填充待混合流体。

磁体机构40优选包括环形设置的、在关于转动轴线39的径向上被磁化的且按照相同角距布置的多个永磁体57，在此，分别彼此相邻设置的永磁体57在反向方向上被磁化。磁体机构40一方面跟随可由线圈机构41提供的电磁行波场。另外，当环形线圈42接受相应的最好对于所有环形线圈42是相同的直流电流时，在磁体机构40和线圈机构41之间形成吸引力或排斥力。通过该吸引力或排斥力，即使在永磁体机构50和超导环45之间存在磁性相互作用，也能影响耦合机构37与执行机构36之间的距离。

如图3所示的材料检验装置例如包括与根据图1的轴组件1相同的超导体11作为第一支承部件，从而采用了相同的附图标记。为了形成超导支承机构，在根据图3的装置61中设有作为工作机构62构成的第二支承部件，第二支承部件例如被构造用于非接触地检验工件。

为此，工作机构62包括主体64，在该主体上在径向靠外区域中设有永磁体机构65，该永磁体机构由多个环形的、相互同心布置的且在与环轴线66相关的轴向上被磁化的磁环67、68、69构成。磁环67、68、69的轴向磁化由所画的箭头象征。永磁体机构65设置用于与支承机构3的超导环17相互作用，磁环67、68、69的磁场力作用于超导环17。

另外，在主体64上设有尤其呈环形磁体形式的磁体机构70，其被构造用于与线圈机构20相互作用。例如在永磁体机构65和磁体机构70之间形成线圈机构71，该线圈机构被用于将电磁能转化为电流。线圈机构71与仅示意所示的电子电路72相连，该电子电路用所供电流来驱动传感器机构73。传感器机构73例如包括激光二极管74和光敏二极管75。激光二极管74被构造用于发出光线，该光线例如可在工件76内壁上被反射。光敏二极管75被构造用于接收被反射的激光，在此，发出光与入射光之比可被考虑作为用于被检表面品质的衡量尺度。

为提供电能给电子电路72，控制装置21被构造用于保证供应低频乃至高频的交流电流给线圈机构20，由此发出高频电磁交变场，其可被线圈机构71转化为电流。为了影响支承机构3和工作机构62之间的距离，控制装置21被构造用于保证提供直流电流给线圈机构20，由此，发出可变的电磁恒场，其导致磁体机构70被吸引或排斥。用于线圈机构71的高频交流电流和直流电流可以相互叠加，从而可同时实现支承机构3与工作机构62之间的距离调节和支承机构3与工作机构62之间的非接触能量传输。

在电子电路72中可以完成光敏二极管信号的分析，经过分析的信号可以按照未详细示出的方式被存储或以无线方式被传输给设于工件外的未示出的阅读器。补充地或替代地可以规定，通过电子电路72对线圈机构71相应地施加电流，以电磁波的形式发出经过分析的信号，并借助线圈机构20接收该电磁波且在控制装置21内进行分析。

为实现工作机构62沿工件76的相对运动，支承机构3与致动器77相连。致动器77例如以气动缸形式构成并允许支承机构3沿运动轴线78运动，从而工作机构62可以检查工件76的较大区域。

Claims (13)

1.一种用于相对于第二支承部件依靠磁力非接触地支承第一支承部件的超导支承机构，其中该第一支承部件配属有超导体，且该第二支承部件配属有永磁体机构，其特征是，该永磁体机构和/或该超导体配属有其场强和/或场取向可调的磁力机构(20;42)和控制装置(21;38)，其中，所述控制装置(21;38)构造用于控制该磁力机构(20;42)的场强和/或场取向，并且其中，所述磁力机构(20;42)构造用于影响所述永磁体机构与超导体之间的磁性相互作用。

2.根据权利要求1的超导支承机构，其特征是，该磁力机构(20;42)以电磁线圈机构的形式构成，且该控制装置(21;38)被构造用于控制用于该电磁线圈机构的线圈电流。

3.根据权利要求2的超导支承机构，其特征是，该电磁线圈机构是由超导材料构成的电磁线圈机构。

4.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该永磁体机构包括相对于共同的对称轴线同心设置且被轴向磁化的多个环形磁体，且所述超导体横向于该对称轴线布置以实现该第二支承部件相对于该第一支承部件的径向支承。

5.根据权利要求4的超导支承机构，其特征是，该径向支承是径向转动支承。

6.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该永磁体机构包括相对于共同的对称轴线同心设置且被径向磁化的多个环形磁体，且该超导体呈圆环形构成并相对于该对称轴线同轴设置以实现该第二支承部件相对于该第一支承部件的轴向支承。

7.根据权利要求6的超导支承机构，其特征是，该轴向支承是轴向转动支承。

8.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该磁力机构(20;42)和该控制装置(21;38)被构造用于控制所述第一支承部件与第二支承部件之间的距离。

9.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该控制装置(21;38)配属有传感器机构(26)，该传感器机构被构造用于确定与该永磁体机构与该超导体之间距离相关的物理参数并提供与所确定的物理参数的值相关的电传感器信号给该控制装置(21;38)，并且该控制装置(21;38)设立用于所述第一支承部件和第二支承部件之间的距离调整。

10.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该第一支承部件配属有用于无线供应能量给该第二支承部件的发射机构，且该第二支承部件配属有用于接收无线供应的能量的接收机构。

11.根据权利要求1或2的超导支承机构，其特征是，该第二支承部件配属有用于无线传输传感器机构的传感器信号的发射机构，且该第一支承部件配属有用于接收该传感器机构的无线传输的传感器信号的接收机构。

12.一种用于材料检验和/或材料处理的装置，具有根据权利要求10的超导支承机构，其中该第二支承部件配属有用于非接触检验和/或处理工件表面的工作机构。

13.根据权利要求12的装置，其特征是，该工作机构以用于接收声波或电磁波的辐射探测器和/或用于发出声波或电磁波的辐射源的形式构成。