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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mindestens zwei
aktiven magnetischen Lagereinheiten (17), mit einem in
diesen Lagereinheiten gelagerten linear beweglichen Carrier (19), wobei
die komplette Elektronik (12), bestehend aus Regel-, Steuerungs-
und Leistungselektronik, Sensorik (4) und Aktuatorik (3)
oder nur Teile davon in einem Lagergehäuse (2)
integriert sind und die einzelnen Lagergehäuse der magnetischen
Lagereinheiten mit einer Übertragungsvorrichtung miteinander
verbunden sind, welche in Form eines seriellen und/oder parallelen
Bussystems (13, 14) zur Energieversorgung sowie
zum Datenaustausch ausgeführt sind gemäß Patentanspruch
1.
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Dabei
kann dieses Bussystem zur Daten-, Signal und Energieübertragung
auch kabellos (16) ausgeführt sein. Das Bussystem
versorgt die einzelnen Lagereinheiten (17) mit Energie
(Spannungsversorgung) und ermöglicht einen Signal- und
Datenaustausch. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von kompakten,
aktiven Magnetlagern mit integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik
mit Verkabelung in Form einer BUS-Struktur im (Ultra-)Hochvakuum. Insbesondere
bei der Ausführung der magnetischen Lagerung in Form eines
berührungsloses Transportsystems mit vielen Lagerstellen
(siehe 4 und 5), ist die beschriebene Erfindung
sehr vorteilhaft und effizient. Durch die Hintereinanderschaltung innerhalb
der Vakuumkammer lassen sich die elektrischen Vakuumdurchführungen,
die Kabellängen sowie die Adernanzahl auf ein Minimum reduzieren.
Im (Ultra)-Hochvakuum ist dies wegen der von der Oberflächengröße
abhängigen Ausgasung aus dem Kabelisolationsmaterial von
besonderer Bedeutung.
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Zusätzlich
besitzt die Erfindung eine Daten-BUS-Struktur in serieller und/oder
paralleler Variante (14) mit der Möglichkeit der
individuellen Kommunikation mit einer einzelnen Lagereinheit zur
Programmierung, Parametrisierung sowie zum Datenaustausch für Überwachung,
Fehlererkennung und Diagnose.
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Diese
Art der Verkabelung der einzelnen Lagereinheiten kommt mit einer
einzigen (minimal 2-adrigen) Kabelverbindung zwischen den Lagereinheiten
sowie einer einzigen elektrischen Kammerdurchführung (6)
aus. Dies stellt eine erhebliche Reduktion des Verkabelungs- sowie
des Kostenaufwands dar.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird analog zu
den aktiven Magnetlagern auch in die Antriebseinheit(en) des Transportsystems
alle Elektronik, Sensorik und Antriebsaktuatorik in das Gehäuse
integriert und über eine, vorteilhaft die gleiche BUS-Struktur
mit Energie, Signalen und Daten versorgt.
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Weiterer
Vorteil dieser Ausführung ist, dass durch die Integration
der Elektronik in die einzelnen Antriebseinheiten die übergeordnete
Positionsregelung mit dem entsprechenden Datentransfer für
alle in der Anlage befindlichen Carrier eingespart werden kann.
Hierzu wird die Positionssteuerung in der zentralen Steuereinheit
durch eine dezentrale Position-Geschwindigkeit-Regelung in jeder
Antriebseinheit ersetzt, wodurch die zentrale Steuereinheit entfallen
kann.
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Immer
mehr aktive Systeme finden den Weg in die industrielle Anwendung.
Unter aktiven System versteht man Systeme mit mindestens einer Sensoreinheit
inklusive Auswertelektronik, mit mindestens einer analogen oder
digitalen Regelungs- bzw. Steuerungseinheit zur Weiterverarbeitung
der Sensorsignale, mit mindestens einem Leistungselektronikteil zur
Bereitstellung der geforderten Energie der Stellsignale und mit
mindestens einer Aktuatorik zur Erzeugung der geforderten Kräfte
und Bewegungen. Diese aktiven Systeme kommen heutzutage bei unterschiedlichen
mechatronischen oder adaptiven Fragestellungen zum Einsatz.
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Typische
aktive Systeme sind digital geregelte, aktive magnetische Lagerungen.
Je nach Art der Anwendung schwebt dabei eine rotierende Welle oder
ein sich linear beweglicher Carrier berührungslos in einem
Magnetfeld.
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Aus
der Patentanmeldungen
DE
10 2005 032 674 A1 ist allgemein bekannt, dass durch die
Integration der Leistungselektronik in das Lagergehäuse
eine einfache Verkabelung zwischen dem Verstärker und der
Aktuatorik möglich ist, wodurch die Störanfälligkeit
des Magnetlagers verringert wird.
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Ferner
ist aus der Patentanmeldung
DE 10 2005 032 675 A1 bekannt, dass durch
eine weitere Integration der Sensorik sowie der Steuerung-/Regelungseinrichtung
in das Lagergehäuse eine kompakte aktive Magnetlagereinheit
geschaffen wird. Die Integration der Sensorik verschafft aufgrund
der möglichen Kollokation zwischen Messstelle und Kraftangriffspunkt
den zusätzlichen Vorteil einer vereinfachten Reglerauslegung.
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Im
allgemeinen besitzen aktive Systeme, so auch aktive, digital geregelte
Magnetlager, eine Schnittstelle zur Programmierung der Steuerung- und
Regelungseinrichtung sowie zur Einstellung der Steuerungs- und Regelparameter.
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Kommen
die aktiven Magnetlager im Vakuum zum Einsatz benötigt
jede Einheit heutzutage eine eigene Vakuumdurchführung
sowohl für die Spannungsversorgung als auch für
den Datenaustausch. Dieser Verkabelungs- und Kostenaufwand steigt
deutlich mit der Anzahl von Magnetlagereinheiten insbesondere bei
Anwendungen im Vakuum. Die Anzahl kann von wenigen Magnetlagergehäusen (mindestens
zwei) bis zu einigen 100 reichen, wie es beispielsweise bei der
Anwendung eines partikelfreien Transportsystems aus der Patentanmeldung
DE 10 2004 037 622
A1 bekannt ist.
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Noch
aufwändiger gestaltet sich die Verkabelung und Vakuumdurchführung
bei nicht komplett integrierten, aktiven Magnetlagern, da hier zusätzliche
Verkabelung zwischen den einzelnen Lagergehäusen und der
jeweils zugehörigen Elektronik erfolgen muss.
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Typische
Kabellängen zwischen Lagergehäuse und einer externen,
nicht integrierten Elektronik können leicht Längen
von mehreren Metern erreichen. Neben der großen Anzahl
an Kabeldurchführung ergibt sich zusätzlich eine
größere Empfindlichkeit gegenüber Störeinkopplungen.
Beim Betrieb der Kathoden zum Beschichten in Vakuumkammern mit Anschlussleistungen
von einigen kW, insbesondere wenn diese mit pulsierenden Ströme
betrieben werden, kann es beispielsweise zu starken Störeinkopplungen
auf die Sensorsignale kommen, die zu einem starken Rauschniveau
führen und die Sensorauflösung nachhaltig reduzieren,
im schlimmsten Fall den Sensor sogar zerstören können.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu
schaffen, die eine (beliebige) große Anzahl von aktiven
Systemen/aktiven Magnetlagern (18) mit vollständig
integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik derart miteinander
verbindet, dass sich eine einfache Verkabelung mit einer geringen
Anzahl an Vakuumdurchführungen und möglichst kurzen
Kabellängen ergibt. Darüber hinaus wird der Magnetlagerverbund
nahezu beliebig und einfach erweiterbar sowie einzelne Einheiten
werden einfach austauschbar.
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Werden
die Steuersignale über ein Bussystem übertragen,
kann eine große Anzahl von Lagerstellen mit nur einer Kammerdurchführungen
(6) realisiert werden. Weiterhin von Vorteil ist, dass
diese Art der Kabelführung, gegen Störeinstrahlung
unempfindlichere Steuer- und Leistungssignale übertragen. Die
rauschempfindlichen Sensorsignale können im geschlossenen
metallischen und somit elektrisch abgeschirmten Gehäuse
geführt werden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die aktiven Magnetlager- sowie Antriebseinheiten
mit integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik vollständig
dezentral funktionsfähig sind und keine übergeordnete, zentrale
Steuereinheit zur primären, regulären Funktion
benötigen.
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Aus
den genannten Gründen kann ein aktives System mit in einem
vakuumdichten Gehäuse integrierter Elektronik, Sensorik
und Aktuatorik, welches innerhalb einer Vakuumkammer mittels Busstruktur
verkabelt ist, effizienter, kostengünstiger und störsicherer
realisiert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale
und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit
der Beschreibung.
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- 1
- Vakuumkammer
- 2
- Magnetlagergehäuse – vakuumdicht
- 3
- Aktuator
- 4
- Sensor
- 5
- elektrische
Gehäusedurchführung
- 6
- elektrische
Kammerdurchführung
- 7
- Vorrichtung
zur Energieübertragung
- 8
- Vorrichtung
zur Datenübertragung
- 9
- Vorrichtung
zur Übertragung der Steuersignale und -daten
- 10
- Zentrale
Steuereinheit
- 11
- Zentrale
Energie- bzw. Spannungsversorgung
- 12
- Sensor-,
Regel-, Steuerungselektronik und Leistungselektronik
- 13
- Vorrichtung
zur Energieübertragung mittels Busstruktur
- 14
- Vorrichtung
zur Signal- und Datenübertragung mittels Busstruktur
- 15
- Magnetlagergehäuse – nicht
vakuumdicht
- 16
- drahtlose
Schnittstelle
- 17
- Magnetlagereinheiten
ohne integrierte Elektronik
- 18
- Magnetlagereinheiten
mit integrierter Elektronik
- 19
- Carrier
- 20
- zu
beförderndes Gut
- 21
- Antriebseinheit
mit integrierter Elektronik
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Die
Erfindung wird im nachfolgenden Text mit Bezug auf die Zeichnungen
näher erläutert, in denen Beispiele bevorzugter
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 Stand
der Technik
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2 Ausführung
1 mit vielen (n)-Magnetlagereinheiten in einer Vakuumkammer mit
Verbindung der einzelnen Einheiten zur Energie-, Signal- und Datenübertragung
in Form eines Bus-Systems.
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3 Weitere
Ausführung mit vielen (n)-Magnetlagereinheiten mit Verbindung
der einzelnen Einheiten zur Energie-, Signal- und Datenübertragung
in Form eines drahtlosen Netzwerks.
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4 Partikelfreies
Transportsystem mit Magnetlagern Ausführung 1
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5 Partikelfreies
Transportsystem mit Magnetlagern Ausführung 2
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1 zeigt
den Stand der Technik. Zur berührungslosen Lagerung und/oder
zum partikelfreie Transportieren und Positionieren kommen im Vakuum
und/oder Reinraum neben Luftlagern auch aktive Magnetlager (17)
zum Einsatz. Hierbei besteht ein Magnetlagergehäuse in
der Regel aus dem elektromagnetischen Aktuator (3) und
einem oder mehreren Sensor(en) (4). Zumindest eine der
erforderlichen Elektroniken (12) zur Sensorauswertung,
zur Abarbeitung des Regelalgorithmus oder zur Bereitstellung der
entsprechenden Leistungsströme befindet sich außerhalb
des Lagergehäuses. Ferner befindet sich eine zentrale Spannungsversorgung
(11) sowie Steuereinheit (10) außerhalb
der Vakuumkammer (1) bzw. des Prozessbereichs. Eine entsprechende
Verkabelung (7, 8, 9) und die nötigen
elektrischen Durchführungen (5, 6) sind
in 1 skizziert. Jede Magnetlagereinheit benötigt
zunächst eine vakuumdichte, elektrische Gehäusedurchführung
(5) für den Leistungs- und für den Signalteil,
da üblicherweise hohe Anforderungen an die Reinheit und
Desorptionsrate gestellt werden und ein Austreten beziehungsweise Ausgasen
von Partikeln aus Elektronikkomponenten nicht toleriert wird. Weiterhin
kommen für jede Magnetlagereinheit vakuumdichte, elektrische
Kammerdurchführungen (6) mit entsprechenden Vorrichtungen
zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten (7, 8, 9)
zu den entsprechenden Schaltschränken hinzu.
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Die
in 2 vereinfacht dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung zeigt den deutlich reduzierten Verkabelungsaufwand,
die reduzierte Kabellänge und die reduzierte Anzahl an
elektrischen Kammerdurchführungen. Erreicht wird dies zum
einen durch die Integration der kompletten Elektronik (12) – Leistungselektronik,
Sensorik sowie Auswertelektronik und Regel- sowie Steuerungselektronik – in
die Gehäuse der Magnetlagereinheiten (18) und
zum anderen durch eine geschickte, möglichst kurze Vorrichtung
zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten (13, 14)
innerhalb der Vakuumkammer, so dass man mit einer einzigen elektrischen
Kammerdurchführung für den Leistungs- als auch
für den Signal- sowie Datenteil auskommt. Hierzu werden
die Magnetlagereinheiten mittels einer Busstruktur miteinander verbunden.
Alle Magnetlagereinheiten arbeiten völlig autark und benötigen
für den regulären Betrieb außer der externen
Spannungsversorgung (13) keine weiteren Daten oder Signale.
Vorteil dabei ist unter anderem, dass die rauschempfindlichen Sensorsignale
im geschlossenen, metallischen Gehäuse geführt
werden können und keine gegen Störeinstrahlung
empfindliche Steuer- und Leistungssignale über mehrere
Meter übertragen werden müssen. Über
einen zweiten, digitalen Bus (in Form eines Feldbus, z. B. CAN-Bus)
können optional Daten und/oder Signale ausgetauscht werden.
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Die
in 3 abgebildete beispielhafte, alternative Ausführung
zeigt eine Vorrichtung zur Übertragung von Energie, Signalen
und Daten für eine Anwendung mit n-Magnetlagereinheiten
in einer nicht vakuumtauglichen Variante. Durch die Integration
der gesamten Elektronik in die Magnetlagergehäuse (15) bedarf
es einer einzigen Versorgungsleitung (in der Regel 2-adrig) zum
regulären Betrieb der Anlage. Der Datenaustausch zur Parametrisierung,
Einstellung, Programmierung, Überwachung oder Fehlerdiagnose
erfolgt in der dargestellten Ausführung vorteilhaft mit
einer drahtlosen Übertragung (z. B. mittels der Blue-Tooth-Technologie).
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4 zeigt
eine Anwendung mit vielen aktiven Magnetlagereinheiten (18),
in welchen die komplette Elektronik bestehend aus Sensor-, Regel-, Steuerungs-
und Leistungselektronik integriert ist, als berührungsloses
Transportsystem vorzugsweise im Vakuum (Vakuumkammer ist nicht abgebildet).
Dabei schweben ein oder mehrere zu befördernde beziehungsweise
zu positionierende Güter (20) auf einem oder mehreren
Carriern (19) berührungslos durch eine Anlage
(z. B. Beschichtungsanlage). Die vorteilhafte Ausführung
der Vorrichtung (13, 14) zur Übertragung
von Energie, Signalen und Daten, welche die einzelnen Einheiten
miteinander verbindet ist schematisch dargestellt.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Transport- und Positioniersystems
mit vielen, aktiven Magnetlagereinheiten. Vorteilhaft können
neben den Magnetlagereinheiten (18) mit integrierter Elektronik
auch Antriebseinheiten (21) mit integrierter Elektronik
in das Verdrahtungskonzept mit eingebunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005032674
A1 [0009]
- - DE 102005032675 A1 [0010]
- - DE 102004037622 A1 [0012]