DE102004050324A1

DE102004050324A1 - Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem

Info

Publication number: DE102004050324A1
Application number: DE200410050324
Authority: DE
Inventors: Sven Busch
Original assignee: Dorma Deutschland GmbH
Current assignee: Dorma Deutschland GmbH
Priority date: 2004-10-17
Filing date: 2004-10-17
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für mindestens einen Türflügel, mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit. Die permanent erregte magnetische Trageinrichtung weist mindestens eine erste Magnetreihe, mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen ersten Magnetreihe stehendes weich- oder hartmagnetisches Tragelement und ein Führungselement auf, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet. Die Linear-Antriebseinheit weist mindestens eine zweite in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe und mindestens eine aus mehreren Einzelspulen bestehende Spulenanordnung auf, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen eine Wechselwirkung mit der mindestens einen zweiten Magnetreihe bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft. Die mindestens eine erste Magnetreihe und die mindestens eine zweite Magnetreihe sind quer zur Tragrichtung und zur Antriebsrichtung magnetisiert und eine Magnetisierung der mindestens einen ersten Magnetreihe wechselt in einer Längsrichtung der mindestens einen ersten Magnetreihe in bestimmten Abständen das Vorzeichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem mit wenigstens einer Magnetreihe mit einer magnetischen Trageinrichtung und einer magnetischen Linear-Antriebseinheit, insbesondere für eine automatisch betriebene Tür. Der Begriff der Magnetreihe umfasst auch längliche Einzelmagneten. Die Magnetreihe kann ortsfest oder ortsveränderlich angeordnet sein.

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 Schiebetürführung enorm.

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 Gleichge wicht befindet, und bei dem das Tragsystem symmetrisch angeordnete seitliche Führungselemente aufweist, die rollenförmig gelagert sein können. 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.

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 müssen, 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.

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 Dauermagneten allein durch eine Änderung der Sättigung in der Tragschiene bewegt werden, und die Spulenkerne sind in die dauermagnetische Teilsättigung, die zum Schwebe- und Tragezustand führt, mit einbezogen.

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 ist, 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.

Den beiden in diesen Druckschriften beschriebenen Systemen ist gemeinsam, dass eine Einstellung der Trageigenschaften die Antriebseigenschaften beeinflusst und umgekehrt. Hierdurch ist eine Einstellung und Auslegung kompliziert und aufwendig, was zu hohen Herstellungskosten führt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit mit je einer Magnetreihe so weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Vorteile bei geringen Herstellungskosten bestehen bleiben.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruches 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Schiebetür, mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem, für mindestens einen Türflügel, umfasst eine magnetische Trageinrichtung, die mindestens eine erste Magnetreihe, mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen ersten Magnetreihe stehendes weich- oder hartmagnetisches Tragelement und ein Führungselement aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet, und eine Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine zweite in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe und mindestens eine aus mehreren Einzelspulen bestehende Spulenanordnung aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen eine Wechselwirkung mit der mindestens einen zweiten Magnetreihe bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft. Diese Schiebetür weist gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik den Vorteil auf, dass das Tragelement aufgrund der ausgenutzten anziehenden Kraftwirkung nicht notwendigerweise hartmagnetisch sein muss. Da weiter ein Führungselement vorgesehen ist, welches einen Abstand zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe und dem Tragelement gewährleistet, braucht trotz Ausnutzung eines instabilen Gleichgewichtszustandes keine elektrische oder elektronische Regeleinrichtung vorgesehen zu werden. Weiter können durch das Vorsehen von getrennten Magnetreihen für das Tragsystem und das Antriebssystem die jeweiligen Systemparameter optimiert werden, wodurch eine Einstellung und Auslegung an jeweilige Schiebetüren einfach und unkompliziert ist.

Bei dem erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem sind die mindestens eine erste Magnetreihe und mindestens eine zweite Magnetreihe quer zur Tragrichtung und zur Antriebsrichtung magnetisiert, in der ein von der Trageinrichtung getragenes Element, z. B. ein Schiebetürelement, verfahren werden kann. Bei dieser Anordnung der Magnetisierung der mindestens einen ersten Magnetreihe quer zur Tragrichtung ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung des Führungselementes, da dieses in diesem Fall unabhängig von einer Kraft geplant und ausgeführt werden kann, die von der Trageinrichtung erzeugt werden muss, um das getragene Element in einem Schwebezustand zu halten. Durch die gleichzeitige Ausgestaltung der mindestens einen zweiten Magnetreihe quer zur Tragrichtung und zur Antriebsrichtung, also parallel zu der mindestens einen ersten Magnetreihe, ist eine einfache Ausführung der Linear-Antriebseinheit möglich, da diese ebenfalls unabhängig von der von der Trageinrichtung zu erzeugenden Kraft geplant und ausgeführt werden kann.

Nach der Erfindung wechselt vorzugsweise auch die Magnetisierung der mindestens einen ersten Magnetreihe in einer Längsrichtung der mindestens einen ersten Magnetreihe in bestimmten Abständen das Vorzeichnen. Dieses Merkmal, das ebenso wie bei der mindestens einen zweiten Magnetreihe besonders einfach bei einer aus einzelnen Dauermagneten bestehenden Magnetreihe verwirklicht werden kann, bewirkt eine bessere magnetische Wirkung, da zusammen mit der Trageinrichtung ein magnetischer Feldschluss der einzelnen Magnetisierungsbereiche, d. h. zwischen den einzelnen Dauermagneten, erzeugt wird. Auch bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform kann anstelle der einzelnen Dauermagnete mit abwechselnder Polarisierung ein mehrpoliger Einzelmagnet eingesetzt werden. Weiter wird durch dieses Merkmal erreicht, dass das den spaltförmigen Abstand gewährleistende Führungselement bei auf beiden Seiten der Magnetreihe vorhandenem Tragelement keine großen Kräfte aufnehmen muss, da sich die zwischen der mindestens einen Magnetreihe und dem Tragelement in Magnetisierungsrichtung wirkenden Kräfte bestenfalls aufheben. Dieser Effekt wird mit einer steigenden Anzahl abwechselnder Polarisierungen stärker unterstützt, da damit sowohl Toleranzen in den Feldstärken einzelner Polarisierungsbereiche besser ausgeglichen werden, als auch eine solche Überlagerung der von den einzelnen Polarisierungsbereichen jeweils erzeugten Kräften erfolgt, dass ein Feld erzeugt wird, welches dem Aufbau von Querkräften entgegenwirkt. Mindestens sollten drei aufeinander folgende Polarisierungsbereiche vorgesehen sein, damit eine bei lediglich zwei Polarisierungsbereichen der Magnetreihe mögliche Verkantung der Magnetreihe nicht eintritt, die bereits große Querkräfte erzeugen kann. Bei Verwendung einer U-förmigen Tragschiene wird zwar aufgrund der Ausgestaltung der Tragschiene als solche bereits ein besserer Magnetfeldschluss erreicht, als bei Verwendung von zwei Tragschienen, die auf beiden Seiten der Magnetreihe angeordnet sind. Bei einer Kombination dieser Merkmale ergibt sich jedoch ein besonders guter magnetischer Feldschluss.

Erfindungsgemäß besteht die mindestens eine erste Magnetreihe und die mindestens eine zweite Magnetreihe vorzugsweise aus einzelnen Dauermagneten, da so durch die Aneinanderreihung einzelner kleinerer Magnete bei der Materialbeschaffung und damit im Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Trageinrichtung Kosten gespart werden können, da eine Anpassung der Statorlängen an die gegebenen baulichen Aspekte einfacher ist.. Weiter können aufgrund dieser Ausgestaltung leichter Toleranzen ausgeglichen und magnetische Eigenschaften besser ausgenutzt werden. Anstelle einer Reihe von Magneten kann auch ein Einzelmagnet eingesetzt werden, wodurch das relativ schwierige Montieren der Vielzahl von Einzelmagneten entfällt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung weist jedes Tragelement vorzugsweise zwei Tragschienen auf, von denen die eine Tragschiene mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite einer Magnetreihe der mindestens einen ersten Magnetreihe angeordnet ist und die andere Tragschiene mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten spaltförmigen Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen ersten Magnetreihe angeordnet ist.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung weist jedes Tragelement eine U-förmige Tragschiene mit einem Bodenbereich und zwei Seitenbereichen auf, wobei der Bodenbereich die beiden Seitenbereiche verbindet und eine Magnetreihe der mindestens einen ersten Magnetreihe wenigstens teilweise so innerhalb der U-förmigen Tragschiene geführt wird, dass wenigstens Teile einer Innenfläche des einen Seitenbereiches mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite der Magnetreihe angeordnet sind und wenigstens Teile einer Innenfläche des anderen Seitenbereiches mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten spaltförmigen Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen ersten Magnetreihe angeordnet sind.

Gemäß diesen beiden bevorzugten Ausführungsformen wirken die zwischen den Polflächen der mindestens einen ersten Magnetreihe und den diesen gegenüberliegenden Seiten der Tragschiene(n) entstehenden Querkräfte einander entgegen und heben sich bei günstiger Auslegung nahezu auf. Das führt dazu, dass nach diesen bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäß verwendeten Trageinrichtung eine besonders einfache und unkomplizierte Auslegung des Führungselementes ermöglicht wird, da dieses zum Gewährleisten des Abstandes zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe und dem korrespondierenden Tragelement nahezu keine Querkräfte aufnehmen muss.

Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Magnetreihe und Tragelement so klein wie möglich gehalten.

Nach der Erfindung sind das in der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung verwendete mindestens eine Tragelement vorzugsweise ortsfest und die mindestens eine erste Magnetreihe ortsveränderlich angeordnet, d. h. im Fall einer Schiebetür ist diese an der mindestens einen ersten Magnetreihe aufgehangen, wohingegen das mindestens eine Tragelement eine Führung für das Türelement oder die Türelemente einer mehrflügeligen Schiebetür bildet. Natürlich ist auch die Ausgestaltung des mindestens einen Tragelementes ortsveränderlich und der mindestens einen ersten Magnetreihe ortsfest, wie auch eine Kombination dieser beiden Varianten möglich.

Das mindestens eine Tragelement ist nach der Erfindung vorzugsweise weichmagnetisch, wodurch besonders niedrige Kosten hinsichtlich dieses Elementes erreicht werden.

Das Führungselement umfasst nach der Erfindung vorzugsweise Rollen, Wälz- und/oder Gleitkörper.

Nach der Erfindung besteht die mindestens eine ersten Magnetreihe und/oder die mindestens eine zweite Magnetreihe vorzugsweise aus einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenenerden-Hochleistungsmagneten, weiter vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor (NeFeB) bzw. Samarium-Cobalt (Sm₂Co) oder kunststoffgebundenen Magnetwerkstoffen. Durch die Verwendung von solchen Hochleistungs magneten 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.

Bei der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit ist ein Raster der Einzelspulen der Spulenanordnung vorzugsweise unterschiedlich zu den bestimmten Abständen der abwechselnden Polarisierung der mindestens einen zweiten Magnetreihe ausgeführt. Hierdurch wird ein besonders einfaches Anfahren des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes aus dem Stillstand sowie die Möglichkeit einer besonders gleichförmigen Bewegung ermöglicht, sogenannte Kippbewegungen der Flügel werden vermieden.

In der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit sind vorzugsweise die Spulenanordnung ortsfest und die mindestens eine zweite Magnetreihe ortsveränderlich angeordnet, wodurch bei einem geringen Bewegungsweg, wie er normalerweise bei dem Antrieb von Türflügeln vorliegt, keine übermäßigen erhöhten Kosten entstehen, aber der Läufer und damit das gesamte bewegliche Element des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes passiv ausgelegt werden kann.

Das erfindungsgemäße kombinierte magnetische Trag- und Antriebssystem wird zum Tragen mindestens eines Türflügels einer Schiebetür eingesetzt, die vorzugsweise als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet ist. Es kann neben diesem Einsatz auch zum Tragen von Torflügeln oder in Zuführeinrichtungen, Handlingseinrichtungen oder Transportsystemen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nun anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen:
1: Einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung in verschiedenen Belastungszuständen,
2: die Tragkraftkennlinie der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
3: den Querkraftverlauf der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
4: eine Schnittdarstellung einer Draufsicht der magnetischen Trageinrichtung nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform,
5: eine Schnittdarstellung einer Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
6: eine elektrische Verschaltung der Spulen der Linear-Antriebseinheit des in 5 gezeigten kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes,
7: ein Diagramm zur Erläuterung einer ersten Möglichkeit des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes,
8: ein Diagramm zur Erläuterung einer zweiten Möglichkeit des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes,
9: ein Diagramm zur Erläuterung einer dritten Möglichkeit des Spannungsverlaufes an den wie in 6 gezeigt verschalteten Spulen der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes,
10: eine Schnittdarstellung einer Draufsicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
11: einen Querschnitt der in 10 gezeigten zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes,
12: einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
13: einen Querschnitt einer zweiten Ausgestaltung der dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
14: einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
15: eine zweite Ausgestaltung der vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
16: einen Querschnitt einer fünften bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung in einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
17: einen Querschnitt einer ersten Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des in 5 gezeigten erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung in einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
18: einen Querschnitt einer zweiten Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren vierter bevorzugter Ausführungsform,
19: eine dritte Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren erster bevorzugter Ausführungsform,
20: eine dritte Ausgestaltung der vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren vierter bevorzugter Ausführungsform, und
21: eine vierte Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung gemäß deren vierter bevorzugter Ausführungsform.
Die 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäß 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.
Eine an einem Tragschlitten 4 befestigte Magnetreihe 1 (erste Magnetreihe) 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 verschiebbar 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.
Bei Belastung der Magnete 1a, 1b, 1c, 1d mit einer Gewichtskraft F_g, 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 F_g 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. 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.
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 F_g erreicht werden kann.
In der Praxis kann ein solches Abreißen der Tragkraft F(z) durch die Gewichtskraft F_g 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.
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 F_g und der betragsgleichen, in entgegengesetzte Richtung wirkende magnetische Tragkraft F(z) einstellen kann.
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.
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).
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.
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.
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 Tragsystemes erhöht.
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 F_g 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.
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 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 NeFeB, 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.
Die 5 zeigt zwei Antriebssegmente einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes in einer geschnittenen Aufsicht (z. B. entlang einer Schnittlinie B-B in 17), bei der der erfindungsgemäß verwendete magnetische Linearantrieb zwei Magnetreihen 1g, 1h aufweist, die an einem Tragschlitten 4 befestigt sind. Die beiden Magnetreihen 1g, 1h weisen jeweils abwechselnd polarisierte Einzelmagnete auf, wobei die Polarität der Einzelmagnete der ersten Magnetreihe 1g des Linearantriebes (erste zweite Magnetreihe) und die Polarität eines in Querrichtung, d. h. y-Richtung, versetzten Einzelmagneten der zweiten Magnetreihe 1h des Linearantriebes (zweite Magnetreihe) gleichgerichtet sind. Zwischen den beiden Magnetreihen 1g, 1h des Linearantriebes sind Spulen 7 als Statorspulen so angeordnet, dass sich ein jeweiliger Spulenkern 12 in Querrichtung, d. h. y-Richtung, erstreckt. Auf der den Spulen 7 mit Spulenkernen 12 jeweils abgewandten Seite der beiden Magnetreihen 1g, 1h des Linearantriebes, befindet sich ein Teil des Tragschlittens 4, an dem die beiden Magnetreihen 1g, 1h des Linearantriebes befestigt sind.
Um einen kontinuierlichen Vorschub der Magnetreihen 1g, 1h des Linearantriebes zu gewährleisten, sind die Statorspulen 7 mit ihren jeweiligen Spulenkernen 12 in unterschiedlichen relativen Positionen zum Raster der Dauermagnete angeordnet. Je mehr unterschiedliche Relativpositionen ausgebildet werden, umso gleichmäßiger lässt sich die Schubkraft über den Verfahrweg (x-Richtung) 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 5 gezeigt ist, sehr preisgünstige aufzubauen.
Hierbei besteht ein jeweiliges Antriebssegment der Linear-Antriebseinheit aus drei Spulen 7, die eine Ausdehnung von drei Längeneinheiten in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung, aufweisen, wobei also zwischen den Mittelpunkten benachbarter Spulenkerne 12 ein Raster R_S = 1 Längeneinheit liegt. Die Länge eines Magneten der Magnetreihen 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit in Antriebsrichtung und die Länge der zwischen den Einzelmagneten der jeweiligen Magnetreihe 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit liegenden Lücke ist hier so gewählt, dass die Länge eines Magneten L_Magnet + Länge einer Lücke L_Lücke = Magnetraster R_M = 3/4 Längeneinheit (= 3/4 R_S) ergibt.
6 zeigt die Verschaltung der Spulen der in 5 gezeigten beiden Antriebssegmente der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit. Hier ist eine erste Spule 7a mit einem ersten Magnetkern 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. Eine in positiver Antriebsrichtung, d. h. +x-Richtung, neben der ersten Spule 7a mit Magnetkern 12a liegende zweite Spule 7b mit Magnetkern 12b eines Antriebssegmentes der Linear-Antriebseinheit ist zwischen die zweite Phase und die dritte Phase geschaltet und eine in positiver Antriebsrichtung, d. h. + x-Richtung neben der zweiten Spule 7b mit Magnetkern 12b liegende dritte Spule 7c mit Magnetkern 12c ist zwischen die dritte Phase und die erste Phase geschaltet. Neben einem solchen Antriebssegment der Linear-Antriebseinheit liegende Antriebssegmente der Linear-Antriebseinheit sind in gleicher Weise an die drei Phasen des Drehstromsystemes angeschlossen.
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.
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.
Wie in 6 gezeigt, ist eine Beziehung gegeben, bei der die erste Spule 7a mit Magnetkern 12a zwischen einer 0°-Phasenlage und einer 120°-Phasenlage, die zweite Spule 7b mit Magnetkern 12b zwischen einer 120°-Phasenlage und einer 240°-Phasenlage und die dritte Spule 7c mit Magnetkern 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.
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 R_M. Durch die abwechselnde Polarisierung der Magnete im Läufer wird bei einer Verschiebung um das Magnetraster R_M ein Polwechsel ausgeführt. Nach einem 360°-Phasendurchlauf beträgt die Läuferverschiebung zwei R_M. Hierbei befinden sich die Magnete relativ zum Raster R_S der Statorspulen wieder in Ausgangsposition, vergleichbar mit einer 360°-Umdrehung des Rotors eines zweipoligen Gleichstrommotors.
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.
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.
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.
Weiter zeigt 10 zwei Antriebssegmente einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes in einer geschnittenen Aufsicht (z. B. entlang einer Schnittlinie C-C in 11), bei der der erfindungsgemäß verwendete magnetische Linearantrieb eine dreiphasige Spulenanordnung aufweist, wobei eine Magnetreihe 1i der Linear-Antriebseinheit zwischen Polschuhleisten 18a, 18b liegt, die jeweils alle auf einer Seite der Magnetreihe 1i liegenden Polschuhe 19 von Spulen der Linear-Antriebseinheit verbinden. Die Polschuhe 19 verlaufen hier von den Endflächen der sich in Antriebsrichtung, d. h. x-Richtung erstreckenden Spulenkerne 12 der Spulen 7 zu den Polschuhleisten 18a, 18b, um einen besseren Magnetfeldschluss zu gewährleisten. Die auf beiden Polseiten der Einzelmagnete der Magnetreihe 1i angeordneten Spulen sind symmetrisch in gleicher Weise angeschlossen, wie die zwischen den beiden Magnetreihen 1g, 1h der zuvor beschriebenen Ausführungsform liegenden Spulen. In dieser Ausführungsform ist das Magnetraster R_M = 3/2 des Spulenrasters R_S gewählt. Durch diese Merkmale sind die charakteristischen Eigenschaften, dass jede Spule einen Phasenwinkel von 120° überbrückt und dass nach 360° (eine Umdrehung = 2 R_M) alle drei Spulen eines Antriebssegmentes der Linear-Antriebseinheit durchlaufen sind, wobei – wie in der obigen Ausführungsform – ein Antriebssegment aus einer der elektrischen Phasen entsprechenden Anzahl von zusammen angesteuerten Spulen bzw. Spulenpaaren besteht.
Das Phasendiagramm dieser Anordnung entspricht dem der zuvor beschriebenen Anordnung, bei dem die im Phasendiagramm durch Pfeile dargestellten Spulen ein Dreieck bilden, wobei die Ecken dieses Dreieckes jeweils die Phasen der Ansteuerung darstellen. Hier durchlaufen die Ecken des Dreieckes bei einer Drehung um 360°, was einer Translationsbewegung des Läufers um drei Spulenraster entspricht, drei Spannungspotentiale: plus, minus und potentialfrei, wenn die in 8 gezeigte Rechteckansteuerung gewählt wird. Da jede Spule einen Phasenwinkel von 120° überbrückt, wird bei einer Drehung um 60° das Potential einer Phase geändert und eine der drei Phasen ist immer potentialfrei. Trägt man das Phasenpotential in Abhängigkeit von der Anzahl der 60°-Drehungsschritte in eine Tabelle ein, so ergibt sich das nachfolgende Phasenansteuerungs-Diagramm:
Durch eine Verschiebung der Schaltschwelle zu einem Minuspotential zwischen 105° und 255°, einem Pluspotential zwischen 285° und 75° und potentialfreien Zuständen zwischen 75° und 105° und 255° und 285°, ähnlich des in 9 gezeigten Zustandes, lässt sich eine Ansteuerung mit einer Schrittweite von 30° realisieren. Hierbei können zwei Phasen das gleiche Potential haben, sodass an zugehöriger Spule keine Spannungsdifferenz anliegt und kein Strom fließt. In jedem zweiten 30°-Schritt ist jeweils eine Phase potentialfrei. Das entsprechende 30°-Phasenansteuerungs-Diagramm mit 12 Steuerschritten ergibt sich wie folgt:
Um die Vorschubeigenschaften zu optimieren, sollte die Magnetbreite, d. h. die Abmessungen der Magnetreihe 1i bzw. der Magnetreihen 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit bzw. von deren Einzelmagneten in y-Richtung, möglichst klein sein, denn die Dauermagnete wirken wie Luft dämpfend auf den Magnetkreis der Spulen. Die Magnethöhe, also die Abmessungen der Magnetreihe(n) bzw. von deren Einzelmagneten in z-Richtung, sollte möglichst groß sein, denn eine große Magnethöhe führt zu einer großen Luftspaltfläche, die den magnetischen Widerstand des Spulenkreises reduzieren hilft. Gleichzeitig wird hierbei viel Magnetmaterial in den magnetischen Spulenkreis eingebracht, ohne zu große, den Magnetkreis sättigende Feldstärken zu erzeugen. Die Höhe der Polschuhe und/oder Spu lenkerne 12 sollte möglichst groß sein, damit die Polschuhe bzw. Spulenkerne 12 mit den Magneten eine möglichst große Überdeckung erreichen, sodass sich eine große Luftspaltfläche mit hoher Wirkkraft und kleinem magnetischen Widerstand ergibt. Die Anordnung dieser weichmagnetischen Bauelemente sollte eine möglichst große vertikale Überdeckung zwischen Spulenkernen bzw. Polschuhen erreichen.
Horizontal erfolgt vorzugsweise eine Aufteilung in magnetisch getrennte Einzelelemente, da ein Vorschub in der Bewegungsebene zeit- und ortsabhängig veränderliche Feldstärken und -richtungen bedingt (magnetische Wanderwelle) und magnetische Verbindungen der Spulenkerne oder Polschuhe untereinander zu magnetischem (kurz-) Schluss und Leistungsverlusten führen.
Durch die erfindungsgemäße Trennung von dem dauermagnetischen Tragsystem und dem elektromagnetischen Linear-Antrieb in zwei Einzelsysteme können beste magnetische Trag-, Führungs- und Vorschub-Parametereigenschaften gewählt werden.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung und einer Linear-Antriebseinheit gezeigt, wobei beispielhaft ein Schiebetürantrieb beschrieben wird.
Hier besteht der Schiebetürantrieb aus mindestens einer magnetischen Trag-, Führungs- oder Entlastungseinrichtung, die das Türflügelgewicht ganz oder teilweise trägt. Die magnetische Trageinrichtung besteht aus mindestens einem, jedoch vorzugsweise einer oder mehrerer (erster) Reihen von Dauermagneten, die entweder mit dem feststehenden Teil, dem Statorgehäuse, oder dem beweglichen Teil, dem Antriebstragschlitten, verbunden sind und in horizontaler Richtung quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Die magnetische Trageinrichtung besteht weiter aus einem oder mehreren Tragprofilen oder Tragelementen, die gegenüber den Magneten am anderen Teil des Antriebes angebracht sind und zu einer oder beiden seitlichen Polflächen der Dauermagnete ein oder mehrere vertikal ausgerichtete schmale Luftspalte bilden, sodass mit steigender gewichtskraftbedingter Auslenkung ein Ansteigen der magnetischen Tragkraft hervorgerufen wird, wie zuvor beschrieben. Die Tragprofile/-schienen 2a–2d oder Tragelemente 2 bestehen vorzugsweise aus weichmagnetischen Werkstoffen.
Weiterhin besteht der Schiebetürantrieb aus mind. einer elektromagnetisch wirkenden Linear-Antriebseinheit, die aus den elektromagnetischen Spulen besteht und deren Achse bzw. Feldwirkung vorzugsweise horizontal ausgerichtet ist. Weiterhin wird die Anordnung so gestaltet, dass die von den Spulen erzeugten magnetischen Felder durch weichmagnetische Bauteile wie Spulenkerne, Polschuhe oder Profile geleitet werden und zum Schließen des Magnetkreises an mindestens einer Stelle aus den weichmagnetischen Bauelementen austreten müssen. In diesem spaltförmigen Austrittsbereich befinden sich mehrfach polarisierte oder mehrere Dauermagneten in einer (zweiten) Reihe. Diese sind so angeordnet, dass durch die von den Spulen erzeugten Magnetfelder auf die Dauermagnete eine nutzbare Vortrieb-Kraftwirkung erzielt wird.
Die Luftspalte zwischen Dauermagneten und Spulenkernen, Polschuhen oder Tragelementen werden durch folgende Eigenschaften charakterisiert:

– die Luftspalte befinden sich seitlich der Dauermagnete, zwischen den Magnet-Polflächen und weichmagnetischen Elementen wie Spulkernen, Polschuhen, Flussleitstücken, und Tragschienen,
– es existiert zu jeder der beiden Magnetseiten bzw. Polflächen mindestens ein Luftspalt,
– die an beiden Polflächen eines Magneten angreifenden Querkräfte wirken einander entgegen und heben sich bei günstiger Auslegung nahezu auf.

Die Trageinrichtung kann über mindestens ein mechanisches Führungselement 3 verfügen, das den seitlichen Abstand zwischen den Magneten 1a und den weichmagnetischen Tragkörpern 2a über die Fahrstrecke gewährleistet. Dieses Führungselement 3 kann aus Rollen, Wälz- oder Gleitkörpern bestehen.
Es gibt in einer bevorzugten Ausführung mindestens zwei Reihen von Magneten, von denen mindestens die (zweite) überwiegend dem Vortrieb und die (erste) überwiegend der magnetischen Trag- und Entlastungsfunktion dient. Alternativ können auch ein oder beide Magnetreihen mehrere dieser Funktionen übernehmen.
Die 11 zeigt einen Querschnitt der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, welche eine symmetrische Anordnung aufweist, bei der übereinander angeordnete Magnetreihen 1, 1i für die permanent erregte magnetische Trageinrichtung und die Linear-Antriebseinheit vorhanden sind. Insbesondere liegt die an dem Tragschlitten 4 befestigte Magnetreihe 1 der Trageinrichtung in Tragrichtung gesehen, oberhalb der Magnetreihe 1i der Linear-Antriebseinheit, also in negativer z-Richtung gegenüber der Magnetreihe 1i der Linear-Antriebseinheit. Weiter oberhalb der Mag netreihe 1 ist das als Gleitkörper ausgebildetes Führungselement 3 vorgesehen, welches in eine Nut 20 eines Gehäuses 6k eingreift. Die gezeigte permanent erregte magnetische Trageinrichtung ist prinzipiell gemäß der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung ausgestattet. Die Magnetreihe 1 befindet sich also zwischen zwei an einem inneren Bodenbereich 21 des Gehäuses 6k angeordneten Tragprofilen 2a, 2b. Unterhalb dieser Tragschienen 2a, 2b sind mit sich in Bewegungsrichtung erstreckenden Spulenkernen 12 versehene Spulen 7 der Linear-Antriebseinheit angeordnet, wobei mit (nicht gezeigten) Polschuhen verbundene Polschuhleisten 18a, 18b zu den Polen der Magnetreihe 1i der Linear-Antriebseinheit zeigen und mit einem bestimmten spaltförmigen Abstand von den Polflächen dieser Magnetreihe 1i beabstandet sind. Dieser bestimmte spaltförmige Abstand kann unterschiedlich zu dem bestimmten spaltförmigen Abständen der Magnetreihe 1 der magnetischen Trageinrichtung zu den Tragschienen 2a, 2b des Tragelementes der magnetischen Trageinrichtung sein.
Die 12 zeigt eine erste Ausgestaltung einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten Trag- und Antriebssystemes, bei der ebenfalls eine symmetrische Anordnung mit übereinander angeordneten Magnetreihen 1, 1i vorliegt. Hier liegen die Achsten der Spulen 7 quer zur Bewegungsrichtung. Weiter sind L-förmige Tragschienen 2i, 2j sowohl gegenüberliegend der beiden Polflächen der Magnetreihe 1 der magnetischen Trageinrichtung als auch jeweils angrenzend an die Seite der Spulenkerne 12 der Spulen 7 der Linear-Antriebseinheit angeordnet, die nicht der Magnetreihe 1i der Linear-Antriebseinheit gegenüberliegen. Die L-förmigen Tragschienen haben somit gleichzeitig eine Tragfunktion und dienen dem Schluss der Spulenfelder der Spulen 7.
Die 13 zeigt eine zweite Ausgestaltung der in 12 gezeigten dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei dem nicht einzelne Tragschienen 2i, 2j in einem Gehäuse aufgenommen sind, sondern ein Tragschienenprofil 2k, das im Querschnitt prinzipiell U-förmig ist, gewählt wurde, wobei Enden 13 der Seitenbereiche nach innen zu der Magnetreihe 1 der Trageinrichtung hin abgewinkelt sind, das Gehäuse 6 ersetzt und damit auch gleichzeitig die Spulen 7 mit den Spulenkernen 12 der Linear-Antriebseinheit aufnimmt. Durch das deshalb durchgängig weichmagnetische "Gehäuse" wird ein noch besserer Magnetfeldschluss erreicht. Tragvorrichtung und Antrieb sind so kompakt in einem Gehäuse untergebracht.
Die 14 zeigt eine erste Ausgestaltung einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, das gegenüber der in 13 gezeigten Ausführungsform dahingehend abgewandelt ist, dass eine unsymmetrische Anordnung der Linear-Antriebseinheit gewählt wurde, die lediglich an einer Seite der Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit vorgesehene Spulen 7 mit Spulenkernen 12 vorsieht. Zum besseren Magnetschluss ist an der anderen Seite der Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit ein vorstehender Bereich 14 in der ein Gehäuse ausbildenden prinzipiell Uförmigen Tragschiene 2l vorgesehen.
Die 15 zeigt eine zweite Ausgestaltung dieser vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei dem eine Tragschiene 2m eine konstante Wandstärke aufweist, wobei jedoch ein an den Spulenkernen 12 anliegender Bereich 15 und ein der den Spulen 7 mit Spulenkernen 12 abgewandten Seite der Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit gegenüberliegender Bereich 15 jeweils nach innen, d. h. zu der Linear-Antriebs einheit hin, versetzt angeordnet sind. Ferner ist der Teil des Tragschlittens 4, der die Magnetreihe 1j mit der Magnetreihe 1 verbindet L-förmig ausgebildet, um eine mittige Last 5 tragen zu können.
16 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei dem innerhalb eines Gehäuses 6l eine prinzipiell U-förmige Tragschiene 2d mit nach innen abgeknickten Endbereichen der Seitenbereiche angeordnet ist, wobei die Magnetreihe 1 der erfindungsgemäß eingesetzten Trageinrichtung zwischen diesen abgeknickten Endbereichen geführt wird. Neben dieser dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung ist die erfindungsgemäß verwendete Linear-Antriebseinheit angeordnet, wobei die Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit in Tragrichtung magnetisiert ist und die Spulen 7 der Linear-Antriebseinheit eine vertikale Achse aufweisen, d. h. sich in Tragrichtung erstreckende Spulenkerne 12. Zum besseren Magnetfeldschluss ist ein Polschuhleiste 18c vorgesehen, welche sich von der der Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit abgewandten Seite der Spulenkerne 12 um die Spulen 7 der Linear-Antriebseinheit bis zu der in Spulen 7 mit Spulenkernen 12 abgewandten Seite der Magnetreihe 1j der Linear-Antriebseinheit erstreckt. Der Tragschlitten 4 weist dabei einen seitlichen Vorsprung 16 auf, an den die Magnetreihe 1j befestigt ist.
Die 17 zeigt eine weitere Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes im Querschnitt, bei dem in einer vierten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Trageinrichtung zwei ortsveränderbare Magnetreihen 1a, 1b an dem Tragschlitten 4 befestigt sind, wobei zwischen den beiden ortsveränderbaren Magnetreihen zentriert eine ortsfeste Tragschiene 2c angeordnet ist. Die an dem Trag schlitten 4 befestigten Magnetreihen 1a, 1b der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung werden durch die an dem Tragschlitten 4 befestigte mechanische Führung 3, die mit der Tragschiene 2c bzw. deren Aufhängung zusammenwirkt, in horizontaler Richtung mit bestimmtem Abstand links und rechts von der weichmagnetischen Tragschiene 2c, die das Tragelement 2 bildet, zwangsgeführt, während sie in vertikaler Richtung und in Fahrtrichtung des Türflügels 5 frei verschiebbar sind. Durch diese erzwungene Symmetrie heben sich die an den Magneten der Magnetreihen 1a, 1b der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung angreifenden Querkräfte weitgehend auf.
Unterhalb der Tragschiene 2c ist ebenfalls ortsfest eine Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit, bestehend aus den Spulen 7 mit den Spulenkernen 12 angeordnet, wobei unterhalb der Magnetreihen 1a, 1b der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Trageinrichtung die Magnetreihen 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit gegenüberliegend den Endflächen der Spulenkerne 12 angeordnet sind.
18 zeigt eine zweite Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, also eine prinzipiell 17 entsprechende Ausführungsform der Erfindung, wobei hier die ortsfesten und die ortsveränderlichen Teile umgekehrt angeordnet sind, d. h. die Magnetreihen 1e, 1f der Trageinrichtung und die Magnetreihen 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit ortsfest und die aus Spulen 7 und Spulenkernen 12 bestehende Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit und die weichmagnetische Tragschiene 2c ortsveränderlich an dem Tragschlitten 4 angeordnet sind. Weiter ist hier die erfindungsgemäß verwendete Trageinrichtung in Tragrichtung gesehen unterhalb der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit angeordnet.
Die 19 zeigt eine dritte Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei der die Magnetreihe 1 der erfindungsgemäß eingesetzten magnetischen Trageinrichtung ortsfest und die Magnetreihen 1g, 1h der erfindungsgemäß verwendeten Linear-Antriebseinheit ortsveränderlich angeordnet sind. Hier sind die Spulen 7 mit den Spulenkernen 12 der Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit in Tragrichtung gesehen unterhalb der Magnetreihe 1 der Trageinrichtung angeordnet.
Die 20 zeigt eine dritte Ausgestaltung der vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, also eine prinzipiell der in 14 gezeigten Ausführungsform entsprechende Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, wobei auch hier die erfindungsgemäß eingesetzte magnetische Trageinrichtung das in 19 gezeigte Prinzip von einem ortsveränderlichen Tragelement 2 aufweist, welches aus einer Tragschiene 2c besteht, die zwischen zwei an dem Gehäuse 2l vorgesehenen Magnetreihen 1e, 1f der eingesetzten magnetischen Trageinrichtung angeordnet ist. Der Tragschlitten liegt hier zwischen der Magnetreihe 1i und der Tragschiene 2c.
Die 21 zeigt eine vierte Ausgestaltung der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäß kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystemes, bei dem eine Tragschiene gemäß der in 15 gezeigten Ausführungsform vorgesehen ist, innerhalb der jedoch, um die zentriert angeordneten Spulenanordnung der Linear-Antriebseinheit symmetrisch aufzubauen, zwei Magnetreihen 1g, 1h der Linear-Antriebseinheit angeordnet sind, unterhalb denen sich das als Rollen ausgestaltete Führungselement 3 befindet, unter dem zwei Magnetreihen 1e, 1f der erfin dungsgemäß eingesetzten magnetischen Trageinrichtung in deren vierter bevorzugter Ausführungsform angeordnet sind.

1: (erste) Magnetreihe
1a – 1d: Magnet
1e, 1f: (erste) Magnetreihe
1g – 1j: (zweite) Magnetreihe
2: Tragelement
2a – 2d, 2i, 2j: , 2l, 2m Tragschiene
3: Führungselement
4: Tragschlitten
5: Türflügel
6, 6k, 6l: Gehäuse
7, 7a – 7c: Magnetspulen
12, 12a – 12c: Spulenkern
13: Enden
14: vorstehender Bereich
15: vorstehender Bereich
16: Vorsprung
18a, 18b, 18c Polschuhleisten
19: Polschuhe
20: Nut
21: Bodenbereich
R_S: Raster
L_Leiche: Länge einer Leiche
R_M: Magnetraster
L_Magnet: Länge eines Magneten

Claims

Schiebetür mit einem kombinierten magnetischen Trag- und Antriebssystem für mindestens einen Türflügel (5), mit einer permanent erregten magnetischen Trageinrichtung, die mindestens eine erste Magnetreihe (1, 1e, 1f), mindestens ein in anziehender Kraftwirkung mit mindestens einer der mindestens einen ersten Magnetreihe (1, 1e, 1f) stehendes weich- oder hartmagnetisches Tragelement (2) und ein Führungselement (3) aufweist, das einen bestimmten spaltförmigen Abstand zwischen der mindestens einen ersten Magnetreihe (1, 1e, 1f) und dem Tragelement (2) gewährleistet, und einer Linear-Antriebseinheit, die mindestens eine zweite in Antriebsrichtung in bestimmten Abständen abwechselnd polarisiert magnetisierte Magnetreihe (1g, 1h, 1i, 1j) und mindestens eine aus mehreren Einzelspulen (7) bestehende Spulenanordnung aufweist, die bei entsprechender Ansteuerung der Einzelspulen (7) eine Wechselwirkung mit der mindestens einen zweiten Magnetreihe (1g, 1h, 1i, 1j) bewirkt, die Vorschubkräfte hervorruft, wobei die mindestens eine erste Magnetreihe (1, 1e, 1f) und die mindestens eine zweite Magnetreihe (1g, 1h, 1i, 1j) quer zur Tragrichtung (Z) und zur Antriebsrichtung (X) magnetisiert sind, wobei eine Magnetisierung der mindestens einen ersten Magnetreihe (1, 1e, 1f) in einer Längsrichtung der mindestens einen ersten Magnetreihe (1, 1e, 1f) in bestimmten Abständen das Vorzeichen wechselt.
Schiebetür nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Magnetreihe (1, 1e, 1f) und die mindestens eine zweite Magnetreihe (1g, 1h, 1i, 1j) aus einzelnen Dauermagneten (1a, 1b, 1c, 1d) besteht.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (2) zwei Tragschienen (2a, 2b) aufweist, von denen die eine Tragschiene (2a) mit einem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite einer Magnetreihe (1, 1e) der mindestens einen ersten Magnetreihe angeordnet ist und die andere Tragschiene (2b) mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe (1) gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe oder einer weiteren Magnetreihe (1f) der mindestens einen ersten Magnetreihe angeordnet ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jedes Tragelement eine U-förmige Tragschiene (2d) mit einem Bodenbereich und zwei Seitenbereichen aufweist, wobei der Bodenbereich die beiden Seitenbereiche verbindet und eine Magnetreihe (1) der mindestens einen Magnetreihe wenigstens teilweise so innerhalb der U-förmigen Tragschiene (2d) geführt wird, dass wenigstens Teile einer Innenfläche des einen Seitenbereiches mit dem bestimmten Abstand zu einer ersten Seite der Magnetreihe (1) angeordnet sind und wenigstens Teile einer Innenfläche des anderen Seitenbereichs mit dem gleichen oder einem anderen bestimmten spaltförmigen Abstand zu einer der ersten Seite der Magnetreihe (1) gegenüberliegenden zweiten Seite der Magnetreihe (1) oder einer weiteren Magnetreihe der mindestens einen Magnetreihe angeordnet sind.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (2) ortsfest und die mindestens eine erste Magnetreihe (1) ortsveränderlich angeordnet sind.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (2) weichmagnetisch ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (3) Rollen, Wälz- und/oder Gleitkörper umfasst.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Magnetreihe (1, 1e, 1f) und/oder die mindestens eine zweite Magnetreihe aus (1g, 1h, 1i, 1j) einem oder mehreren Hochleistungsmagneten, vorzugsweise Seltenenerden-Hochleistungsmagneten, weiter vorzugsweise vom Typ NeFeB oder Sm₂Co besteht.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raster der Einzelspulen der Spulenanordnung unterschiedlich zu den bestimmten Abständen der abwechselnden Polarisierung der mindestens einen zweiten Magnetreihe ist.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (7) ortsfest und die mindestens eine zweite Magnetreihe (1g, 1h, 1i, 1j) ortsveränderlich angeordnet sind.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Vorschubkräfte die Breitenabmessungen der Magnetreihe 1i bzw. der Magnetreihen 1g, 1h oder Linear-Antriebseinheit in y-Richtung möglichst klein sein soll, wobei die Magnethöhen in z-Richtung möglichst groß sein soll.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Polschuhe und/oder der Spulenkerne 12 soll möglichst groß sein, damit der magnetische Widerstand klein wird.
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Spulen 7 ein Phasenwinkel von 30° gewählt wird.
Schiebetür nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Phasenwinkel von 30° in der Ansteuerung sich folgendes Phasenansteuerungs-Diagramm mit zwölf Steuerschritten ergibt:
Schiebetür nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebetür als Bogenschiebetür oder Horizontal-Schiebewand ausgebildet ist.