CN116325457A - 磁性支承装置和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性支承装置(1)和包括磁性支承装置的定位系统。磁性支承装置包括由具有至少一个线圈本体(4‑1)的线圈装置(4)、磁体(5)和/或通量引导构件(6a‑6c，7)形成的定子(2)和移动构件(3)，其中移动构件(3)能够沿运动方向(x)相对于定子(2)移动，并且定子(2)和移动构件(3)配置为使得当电能施加到线圈装置(4)时，磁力能够被施加到移动构件(3)上，以便在定子(2)和移动构件(3)之间形成气隙。为了获得移动构件的简单且独立的构造、电感生热输入的足够大的耗散以及在更长的调节距离上的位置无关控制，线圈装置(4)专门布置在定子(2)中，并且移动构件(3)在运动方向(x)上的延伸小于定子(2)在该方向上的延伸，其中定子(2)的延伸对应于至少一个线圈本体(4‑1)的长度。

Description

磁性支承装置和定位系统

技术领域

本发明涉及一种磁性支承装置和定位系统。

背景技术

从Sang-HoLee等的出版物1的新型永磁偏置直线磁性支承的设计及其在高精度直线运动台上的应用”(Design of Novel Permanent Magnet Biased Linear MagneticBearing and its Application to High-Precision Linear Motion Stage)，以及Dong-ChulHan等人的出版物2人具有新型稀土永磁偏置磁悬浮支承的高精度直线运动台”(TheHigh Precision Linear Motion Table With a Novel Rare Earth Permanent MagnetBiased Magnetic Bearing Suspension)，可以了解根据权利要求1的前序部分的磁性支承装置。

出版物1描述了一种磁性支承装置，其包括定子和可沿运动方向相对于定子移动的移动构件。磁性支承装置基本上由通量引导构件、磁体和线圈组装，并且配置为使得，当电能施加至线圈时，能在移动构件上施加磁力，该磁力能够完全补偿移动构件的重力，由此用作移动构件上的提升力。尤其，通电线圈产生与由磁体产生的磁场相互作用的磁场。有源元件(线圈)布置在移动构件中，这具有以下缺点：电力供应所要求的电缆必须被附接至移动构件，并且在移动构件相对于定子移动时电缆必须被携带。可替代地，将必须提供无线能量传输或必须将能量支承元件布置在移动构件中，这将导致移动构件的重量的显著增加。此外，在这种配置中，电感应的热输入仅可以通过空气以及可能通过电缆消散。

出版物2描述了一种XY台，该XY台同样包括出版物1的磁性支承装置的结构的一部分。然而，有源元件(线圈)此处是定子的一部分，这意味着电能不再必须供应至移动构件。然而，这种结配置的缺点是，在移动构件运动期间，与移动构件坐标系相比，明显更短的调节范围和力施加点的变化。尤其，由于几何尺寸，力施加点是位置相关的，由此相对于转矩出现位置相关的杠杆臂，这对于控制这样的系统是不利的，还导致沿运动方向位置相关的动力要求。

发明内容

因此，本发明所基于的目的是改进根据权利要求1的前序部分的磁性支承装置，从而获得移动构件的简单且独立的配置、电感应热输入的足够大的耗散，以及在更大的调节范围上的独立于位置的控制。

为了满足这个目的，本发明提供了根据权利要求1所述的磁性支承装置。

该目的是这样满足的，线圈装置被专门布置在定子中，并且移动构件在运动方向上的延伸小于定子在该方向上的延伸，其中，定子的延伸对应于至少一个线圈本体的长度。

由于有源元件(即，线圈装置或其线圈本体)是定子的一部分，因此不需要将能量传递至移动构件。因此，移动构件体现为完全被动的组件，这能够将其尺寸和重量减小到最小。因此，可以减小加速和移动所需的力，或者获得更高的加速度。总体来说，结果可以显著减小使移动构件沿定子移动所需的动力输入。此外，沿运动方向在通量引导构件中几乎不发生任何磁反转过程，这意味着在通量引导构件中仅出现非常小的滞后损失。

由于线圈装置布置在定子中，热输入也仅在定子中发生。由于在作为固定部件的定子和邻接结构(特别是壳体)之间可实现高热耦合，因此热输入可从定子有效地消散。

与定子在该方向上的延伸相比，移动构件在该运动方向上的较小延伸导致独立于位置的杠杆臂长度。结果，动力要求独立于移动构件的位置，并且从系统理论的角度创造了更加线性的系统。此外，这使得移动构件能够沿着定子移位，相对于所产生的扭矩具有显著更少的变化。因此，根据本发明的磁性支承装置使得移动构件能够沿着定子移位，而没有或几乎没有力和扭矩常数的变化，类似于机械引导件。

有利的进一步发展是从属权利要求的目标。

可以证明有利的是，移动构件在运动方向上的延伸小于定子在该方向上的延伸的3/4、优选地小于1/2、优选地小于1/3、特别优选地小于或等于1/4。随着移动构件与定子的延伸比的越来越多的减小，以上描述的优点可以增大。通过调整该延伸比还可以满足不同的安装空间要求。

能够有用的是，移动构件包括至少两个通量引导构件，所述通量引导构件布置在定子的相对布置的侧面上并且至少部分地通过一个非磁性元件彼此连接。由于该构造，移动构件以尽可能紧凑的结构形状围绕定子接合。连接元件优选地由不可磁化材料制成，使得可以实现紧凑的结构形状。如果紧凑的结构形状不是关键的，那么有利的是将可磁化材料用于该连接元件，但是符合以下条件：与定子存在足够大的间隔，使得它们之间的气隙中的通量被保持为低，于是不产生或仅产生低的吸引力。在此可以想到的是，将定子的更靠近连接元件的通量引导侧构件配置成具有“E形”，将另一线圈插入其中。这将使得能够产生横向力，同时相对于由可磁化材料制成的连接元件，气隙更小。

还能够有用的是，线圈装置的每个线圈本体在其专用平面(xy)内延伸，其中，磁体的长度和定子的通量引导构件在运动方向上的长度优选地对应于每个线圈本体的平行延伸的部分的长度。由于磁体、通量引导构件和线圈本体的平行延伸的部分的长度相同，所以可产生均匀区域，该均匀区域能够实现关于移动构件的运动的高度一致性。

能够有利的是，定子中的磁体均布置在两个通量引导构件之间。这种布置防止磁体被由线圈装置产生的磁场消磁。

可以证明有用的是，线圈装置包括一个布置在另一个之上的线圈本体，磁体布置在线圈本体之间的平面中。利用该构造，可产生选择性地彼此作用或选择性地彼此抵抗的磁场。

能够有利的是，每个线圈本体包括开口，通量引导构件布置在每个线圈本体的开口中。

能够有用的是，每个线圈本体布置在平行延伸并且优选在运动方向上延伸的两个通量引导构件之间，并且优选地，通量引导构件中的至少一个包括联接区段，在联接区段处，通量引导构件能够联接至另一结构，优选地联接至壳体。在这种配置中，通量引导构件不仅传导磁通量，还用作用于将定子连接至壳体的结构部件。

还能够有用的是，定子包括具有十字形截面的中央通量引导构件，并且中央通量引导构件的相对布置的区段布置在不同的线圈本体的开口中。这种配置使得能够在具有紧凑设计的同时选择性地引导磁通量。然而，对于中央通量引导构件而言，其他截面也是可想到的，例如具有板形几何形状。对应的截面几何形状具有的优点是大大降低了通量引导构件的制造成本。

能够有用的是，磁体和/或通量引导构件是整体式形成或多部件式形成。

能够可行的是，磁性支承装置包括磁性引导件，磁性引导件配置为在垂直于磁力的平面中并且在垂直于运动方向的方向上移动该移动构件。通过产生作用在垂直于磁性升力的作用方向的平面中并且在垂直于运动方向的方向上的磁性侧向力，该移动构件可以被定位在该方向上。

能够有用的是，磁性引导件包括引导移动构件，引导移动构件优选地通过非磁性材料连接至移动构件。这样，能够创造一种组件，磁性升力和磁性侧向力都能够作用在该组件上。

能够有利的是，磁性引导件包括具有一对线圈本体的线圈装置，线圈装置在平面内延伸，其中定子和移动构件在垂直于所述平面的方向上布置在所述一对线圈本体上方，并且所述引导移动构件布置在所述移动构件和所述一对线圈本体之间，其中，引导移动构件包括永磁体，永磁体优选地布置成海尔贝克阵列(Halbach Array)的构造。磁性引导件的线圈装置还可包括仅一个线圈本体或多于两个线圈本体。偏离海尔贝克阵列布置的永磁体的构造对于引导移动构件也是可行的。

此外，本发明包括定位系统，其包括根据上述实施例之一的至少一个磁性支承装置、壳体和平台，其中定子联接至壳体，平台联接至移动构件。通过此定位系统，可以相对于定子定位平台，而没有摩擦损失。

能够有利的是，使定位系统进一步包括线性马达，该线性马达配置为在运动方向上相对于壳体移动平台。通过选择用于线性马达和磁性支承装置的控制参数，可以实现平台的高精度定位。

可以有利的是，定位系统包括具有至少一个传感器的至少一个电子部件，优选为传感器板的形式。可以想到，定位系统包括另外的电子部件，例如，马达驱动器、马达控制器和逻辑数字模块。可以有利的是，将两个或更多个电子部件布置在共同的电路板或印刷电路板上。这个措施能够降低电力输入，因为不存在由于另外必要的供电线路或电缆引起的电力损失。此外，电子部件的空间集成导致定位系统的非常紧凑的设计，使得例如可省去外部控制器。

术语和定义

在最简单的情况下，术语“线圈装置”包括线圈本体，该线圈本体的各匝同心地布置并且在共同平面内延伸。另外，线圈装置包括线圈本体，其同心匝在若干不同的平面内延伸。线圈本体的匝此处可嵌入诸如环氧树脂的材料内。可以想到的是，将线圈装置的各个线圈本体以并联或串联的方式彼此电连接或联接。

术语“非磁性的”描述了不可磁化的以及非常弱或非永久可磁化的材料，尤其排除了具有永久磁性或铁磁性特性的材料。不可磁化的材料包括例如铝，而术语“可磁化的材料”包括铁磁性或顺磁性材料，如铁或碱金属。

附图说明

图1示出了根据本发明的磁性支承装置的实施例的立体图。

图2示出了根据图1的实施例的截面透视图。

图3示出了根据图1的磁性支承装置的实施例的进一步发展的立体图，其包括彼此相邻布置的一对线圈本体形式的磁性引导件以及引导移动构件。

图4示出了根据图3的实施例的截面透视图。

图5示出了根据图4的实施例的截面图。

图6示出了根据本发明的定位系统的立体图。

图7示出了根据图6的定位系统，其中，为了示意性目的，未示出平台。

图8示出了根据图6的定位系统的后视图，其中，为了示意性目的，未示出壳体和定子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

图1示出了根据本发明的磁性支承装置1的实施例的立体图。磁性支承装置1包括定子2和移动构件3。

定子2包括具有两个独立的线圈本体4-1的线圈装置4，两个独立的线圈本体4-1彼此不电连接并且在z方向上一个布置在另一个上方，因此平行地布置在x-y平面中。线圈本体4-1的长度在x方向上延伸。定子2还包括由可磁化钢制成的三个通量引导构件6a、6b、6c以及四个磁体5(图中仅能看到它们中的两个)，其长度同样在x方向上延伸。在图2中可以看到，两个通量引导构件6b、6c位于线圈本体4-1的侧面，作为外部通量引导构件6b、6c，使得线圈本体4-1在y方向上布置在两个外部通量引导构件6b、6c之间，第三个通量引导构件6a在y方向上布置在外部通量引导构件6b、6c之间以及在z方向上布置在线圈本体4-1之间，作为中央通量引导构件6a。在本实施例中，中央通量引导构件6a具有十字形截面，因此以相对布置的截面突出到线圈本体4-1的开口中。外部通量构件6c之一进一步设置有联接区段，该联接区段在x方向上沿着通量引导构件6c延伸，并且实现连接至另一结构，尤其是连接至壳体。两个磁体5均沿y方向布置在外部通量引导构件6b、6c和中央通量引导构件6a之间，并且沿z方向布置在线圈本体4-1之间。通量引导构件6a、6b、6c在z方向上的高度被选择为使得通量引导构件6a、6b、6c终止于与线圈本体4-1的上端面或下端面齐平。因而形成定子2的两个基本上平面的主表面。通量引导构件6a、6b、6c与线圈本体4-1的相应上端面或下端面不是齐平终止是可行的，其中通量引导构件6a、6b、6c在线圈本体4-1的这些端面上明显的突出对于某些应用是特别有利的，例如在真空应用中，以便由此引导磁通量准(magneticflux quasi)通过锁，其中，磁性线圈通量引导在真空内发生，而线圈本体4-1和磁体5布置在真空外部。如果通量引导构件6a、6b、6c突出到线圈本体4-1的端面下方，关于线圈通量引导构件例如可以选择E形。还可以想到的是，仅单个通量引导构件6a、6b、6c终止于线圈本体4-1的端面，并且线圈通量引导构件形成为相应地互补。

移动构件3包括两个优选相同的通量引导构件7，这些通量引导构件布置在定子2的相对布置侧，并且至少部分地是非磁性的元件将两个通量引导构件7彼此连接(未示出)。移动构件3因此配置为使得其接合在定子2周围。通量引导构件7同样可以包括联接区段，这些联接区段实现连接至另一个结构上，尤其是连接至平台。当在y方向上观看时，通量引导构件7在定子2上方突出(具体参见图5)，这导致在y方向上仅有小的恢复力，以及使得用于产生沿着y方向运动的输入到磁性支承装置中的功率减小。此外，通量引导构件7可以具有特定的形状，例如“以形”，以便获得在y方向上的平移恢复力和围绕z轴的旋转恢复力。移动构件3在x方向上的长度显著地短于定子2在此方向上的长度。在本实施例中，移动构件在x方向上的长度是定子在该方向上的长度的1/4。移动构件3与定子2在x方向上的长度比不限于该值，而是可以具有优选地小于3/4的任何值。

通常，定子2和移动构件3的通量引导构件6a、6b、6c、7以及定子2的磁体5不限于图中所示的形状，而是可以具有任何合适的形状，特别是有利于定子2和移动构件3集成在上位结构(例如，壳体和平台)中的形状。此外，通量引导构件6a、6b、6c、7以及磁体5可以整体式形成以及多部件式形成。尤其，可想到的是，通量引导构件6a、6b、6c和7配置为分层结构或层压件，其中可磁化的材料层和具有非导电材料的层交替。线圈本体4-1优选地是电线线圈。然而，此外还可以使用薄膜线圈或印刷线圈。

磁性支承装置1可以通过向线圈本体4-1施加电能来致动。通电的线圈本体4-1在通量引导构件6a、6b、6c、7中产生磁场，它们与磁体5产生的磁场相互作用。尤其，这些磁场可以彼此作用或彼此对抗。如果上部线圈本体4-1的磁场抵消了通量引导构件6a、6b、6c、7的上部中的磁体5的磁场，那么下部线圈本体4-1的磁场能够增强通量引导构件6a、6b、6c、7的下部中的磁体5的磁场，使得选择正确的控制参数(电流方向)。

通过适当地选择控制参数，磁力(升力)可以施加到移动构件3上，这导致在移动构件3的上通量引导构件7和定子2的上主表面之间以及在移动构件3的下通量引导构件7和定子的下主表面之间形成气隙。特别地，气隙的尺寸，即，可通过调整控制参数来调整定子2的主表面与移动构件3的通量引导构件7在z方向上的间距。然后，作为升力的磁力能够补偿移动构件3的重力。在移动构件3关于其绕X轴和Y轴旋转的自由度的同时稳定的情况下，移动构件3浮动并可沿x方向相对于定子2无摩擦地移位。

移动构件3的调节范围基本上由定子2的通量引导构件6a、6b、6c和磁体5的长度确定。由于移动构件3与定子2在上述X方向上的长度比，可实现相应的大的调节范围。存在沿着X方向串联连接多个定子2并以合适的方式致动定子2的进一步的可能性，以便在连续系统的意义上进一步增加移动构件3的调节范围。

图3至图5示出了根据上述实施例的磁性支承装置1的进一步发展。该进一步发展另外包括磁性引导件8，其配置为使移动构件3在y方向上移动。尤其借助于磁性引导件8产生使移动构件3沿y方向移动的磁力(侧向力)。随之能够调节移动构件3在y方向上的位置。磁性引导件8包括：具有一对线圈本体10的线圈装置，该线圈装置布置在移动构件-定子的组件下方的公共x-y平面中；以及引导移动构件9，该引导移动构件9在z方向上布置在线圈本体10和移动构件-定子的组件之间。引导移动构件9通过由铝制成的连接元件(在附图中不能被聚集)连接至移动构件3。然而，连接元件可以由任何其他材料制成。例如，如果希望磁联接，例如以便增加下通量引导构件7中的通量，有利的是连接元件配置为由可磁化材料制成。下通量引导构件7中通量的放大可以是有利的，使得创建了用于磁性支承装置1的不对称的力特性或力特性的偏移，由此补偿一部分重力。在本实施例中，该连接优选地形成在引导移动构件9和移动构件3的下通量引导构件7的相互面对的表面之间。此外，引导移动构件9包括布置成海尔贝克阵列构造的永磁体，其中，永磁体相对于彼此的不同布置也是可以设计的。根据应用的情况，引导移动构件9能够与移动构件3磁性地联接或从移动构件磁性地脱开。

图6至图8示出定位系统11，其包括根据上述实施例的四个磁性支承装置1、四个磁性引导件8、壳体12、平台13以及线性马达14。

然而，可以想到的是，使用机械引导件或空气轴承来代替磁性引导件。壳体12配置为矩形板，其中该板在两个相对设置的侧面上设置有侧壁。两个磁性支承装置1沿着每个侧壁连续地布置。借助于磁性支承装置1的联接区段，每个磁性支承装置1的定子2的外部通量引导构件6c之一附接至相应的侧壁。线性马达14的定子部件(线圈装置)布置在板的中心。

平台13联接至四个磁性支承装置1的每个移动构件3上。如图8所示，平台13联接至每个移动构件3的下通量引导构件7以及上通量引导构件7上。与上通量引导构件的联接是通过平台表面中的多个凹陷来实现的。与下通量引导构件7的联接是通过布置在平台13的下侧的两个连接腹板(connecting web)15来实现的。每个连接腹板15将平台13连接至连续布置的两个移动构件3的下通量引导构件7。此外，线性马达14的移动构件部(永磁体)布置在平台13的中心。

可以通过上述定位系统11实现平台13的6D定位而没有摩擦损失。此外，通过选择相应的控制参数可以实现平台13的高精度定位。

定位系统11中的磁性支承装置1的数量不限于四个，并且可以根据应用的情况或安装情况进行适配。在最简单的情况下，定位系统11包括一个磁性支承装置1就足够了。

附图标记列表

1磁性支承装置

2定子

3移动构件

4线圈装置

4-1线圈本体

5磁体

6、6a、6b、6c定子的通量引导构件

7移动构件的通量引导构件

8磁性引导件

9引导移动构件

10磁性引导件的线圈本体对

11定位系统

12壳体

13平台

14线性马达

15连接腹板

Claims (15)

1.一种磁性支承装置(1)，包括定子(2)和移动构件(3)，所述定子(2)和所述移动构件(3)由具有至少一个线圈本体(4-1)的至少一个线圈装置(4)、磁体(5)和/或通量引导构件(6a-6c，7)形成，其中所述移动构件(3)相对于所述定子(2)沿运动方向(x)是可移动的，并且所述定子(2)和所述移动构件(3)配置为使得当电能施加到所述线圈装置(4)时磁力能够被施加到所述移动构件(3)上，以便在所述定子(2)和所述移动构件(3)之间形成气隙，其特征在于，所述线圈装置(4)专门布置在所述定子(2)中，并且所述移动构件(3)在所述运动方向(x)上的延伸小于所述定子(2)在该方向上的延伸，其中所述定子(2)的延伸对应于至少一个所述线圈本体(4-1)的长度。

2.根据权利要求1所述的磁性支承装置，其特征在于，所述移动构件(3)在所述运动方向(x)上的所述延伸小于所述定子(2)在该方向上的所述延伸的3/4，优选地小于1/2，优选地小于1/3，特别优选地小于或等于1/4。

3.根据权利要求1或2所述的磁性支承装置，其特征在于，所述移动构件(3)包括至少两个通量引导构件(7)，所述通量引导构件(7)布置在所述定子(2)的相对布置侧并且通过至少部分地为非磁性的元件而彼此连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，每个所述线圈本体(4-1)在其自身的平面(xy)内延伸，其中，所述定子的所述磁体(5)和所述通量引导构件(6)在所述运动方向(x)上的长度优选地对应于每个线圈本体(4-1)的平行延伸的部分的长度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，所述定子(2)中的所述磁体(5)均布置在两个通量引导构件(6a-6c)之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，所述线圈装置(4)包括一个布置在另一个之上的线圈本体(4-1)，并且所述磁体(5)布置在所述线圈本体(4-1)之间的平面(xy)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，每个线圈本体(4-1)包括开口，并且所述通量引导构件(6a)布置在每个线圈本体(4-1)的所述开口中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，每个线圈本体(4-1)布置在平行延伸并且优选在所述运动方向(x)上延伸的两个通量引导构件(6b，6c)之间，并且优选地，所述通量引导构件(6c)中的至少一个包括联接区段，在所述联接区段处，所述通量引导构件能够联接至另一结构，优选地联接至壳体(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，所述定子(2)包括具有十字形截面的中央通量引导构件(6a)，并且所述中央通量引导构件(6a)的相对布置的区段布置在不同的线圈本体(4-1)的开口中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，所述磁体(5)和/或所述通量引导构件(6a-6c，7)是整体式形成或多部件式形成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的磁性支承装置，其特征在于，所述磁性支承装置(1)包括磁性引导件(8)，所述磁性引导件(8)配置为在垂直于所述磁力的平面(xy)中并且在垂直于所述运动方向(x)的方向(y)上移动所述移动构件(3)。

12.根据权利要求11所述的磁性支承装置，其特征在于，所述磁性引导件(8)包括引导移动构件(9)，所述引导移动构件(9)优选地通过非磁性材料连接至所述移动构件(3)。

13.根据权利要求12所述的磁性支承装置，其特征在于，所述磁性引导件(8)包括具有一对线圈本体(10)的线圈装置，所述线圈装置在平面(xy)中延伸，其中，所述定子(2)和所述移动构件(3)在垂直于所述平面(xy)的方向(z)上布置在所述一对线圈本体(10)上方，并且所述引导移动构件(9)布置在所述移动构件(3)和所述一对线圈本体(10)之间，其中所述引导移动构件(9)包括永磁体，所述永磁体优选地布置成海尔贝克阵列的构造。

14.一种定位系统(11)，包括根据权利要求1至13中任一项所述的磁性支承装置(1)、壳体(12)以及平台(13)，其中，所述定子(2)联接至所述壳体(12)，并且所述平台(13)联接至所述移动构件(3)。

15.根据权利要求14所述的定位系统，进一步包括线性马达(14)，所述线性马达配置为在所述运动方向(x)上相对于所述壳体(12)移动所述平台(13)。

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