DE102012002266A1

DE102012002266A1 - Linearführung für Schwebeantriebe

Info

Publication number: DE102012002266A1
Application number: DE201210002266
Authority: DE
Inventors: Benjamin Reutzsch; Wolfgang Schinköthe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-08-01

Abstract

Bei Wälz- oder Gleitführungen für lineare Antriebsbewegungen wirken sich bedingt durch mechanische Reibung der Abrieb von Festkörperpartikeln, die Notwendigkeit für Schmiermittel sowie eine begrenzte Dynamik des Läufers nachteilig aus. Die Erfindung beschreibt daher eine Linearführung, bei welcher ein Läufer durch Lorentzkräfte reibungsfrei schwebend auf seinem Stator geführt wird. Permanentmagnetreihen (7), die in Polarisationsrichtung ähnlich eines Halbach-Arrays im Stator (4) eingebracht sind, erzeugen über Eisenrückschlüsse (5) einen magnetischen Induktionsverlauf im Luftspalt so, dass läuferseitige stromdurchflossene Tragspulen (2) vertikale Tragkräfte und in deren Wickelfenster eingebrachte Führspulen (3) seitliche Führkräfte erfahren. Geeignete Verschaltung und Ansteuerung der Spulen (2, 3) unter Berücksichtigung von fünf unabhängigen Sensorsignalen, die die räumliche Lage des Läufers in 3 rotatorischen und 2 linearen Freiheitsgraden messen, ermöglichen einen aktiv geregelten Schwebezustand des Läufers. Permanentmagnete (6) im Wickelfenster der Führspulen (3) kompensieren zusätzlich die Gewichtskraft des Läufers. Die Erfindung eignet sich durch Wegfall von Reibungs- und Wirbelstromverlusten zur linearen Führung feinwerktechnischer Antriebe, bei denen sehr hohe Dynamiken, lange Lebensdauern sowie Abriebs- und Schmiermittelfreiheit gefordert sind, z. B. in Reinräumen, Vakuumanwendungen oder sterilen Räumen der Medizintechnik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linearführung insbesondere für feinwerktechnische Schwebeantriebe, bei welcher ein Läufer durch Lorentzkräfte in drei rotatorischen und zwei translatorischen Freiheitsgraden in einem Schwebezustand gehalten wird und der dritte translatorische Freiheitsgrad zur Ausführung einer entweder durch systemimmanente Vorschubkräfte oder durch äußere Kräfte auferlegten Abtriebsbewegung dient.
Es ist bekannt, dass mechanische Wälzkörper- oder Gleitführungen für lineare Antriebsbewegungen in vielen Bereichen der Technik anwendungserprobt sind, jedoch bei hohen Anforderungen Nachteile aufweisen. So wirken sich, bedingt durch mechanische Reibung, ein Abrieb kleinster Festkörperpartikel und die Notwendigkeit von Schmiermitteln insbesondere für Anwendungen im Reinraum oder Vakuum nachteilig aus. Auch verändert sich durch Abrieb und Verschleiß am Stator und/oder an vorhandenen Wälzkörpern der Abstand zwischen Läufer und Stator, was bei hochgenauen Anwendungen Nachstellarbeit erfordert. Darüber hinaus begrenzen die tribologischen Reibungsverhältnisse in mechanischen Führungen die Dynamik und Geschwindigkeit des Läufers beispielsweise durch Auswirkungen der Haftreibung und vermindern dessen Lebensdauer.
Es ist ferner bekannt, dass zur Verhinderung mechanischer Reibung und zum Erreichen hoher Läufergeschwindigkeiten, Magnetschwebeführungen mit elektromagnetischen Aktoren im Bereich des Personentransports und der Werkzeugmaschinen Anwendung finden. Hier bringen strom- oder spannungsgeregelte Elektromagnete im Läufer in Kombination mit statorseitigen ferromagnetischen Reaktionsschienen sowie Abstandssensoren die zur aktiven Stabilisierung eines Schwebezustands notwendigen Kräfte auf. Ein entsprechendes Schwebeführungs- und Seitenführungssystem ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 707032 bekannt. Alle Systeme auf Basis des elektromagnetischen Wirkprinzips weisen jedoch durch Wirbelstromverluste Dämpfungseigenschaften und damit begrenzte Läuferdynamiken auf. Darüber hinaus ist eine vergleichsweise große Anzahl an leistungselektronischen Endstufen mit hohen und damit sicherheitskritischen Zwischenkreisspannungen notwendig. Die Regelung solcher Systeme ist aufgrund der nichtlinearen Kraft-Strom-Kennlinie und wegen der stark luftspaltabhängigen Trag- und Führkräfte aufwendig.
Ferner ist bekannt, dass technische Lösungen zur schwebenden Führung von Körpern, insbesondere in der Anwendung von Personentransportsystemen, dem Wirkprinzip des elektrodynamischen Schwebens folgen. Hier erfahren läuferseitige supraleitende Magnetspulen durch induzierte Ströme in statorseitigen elektrisch leitenden Elementen wie beispielsweise elektrisch leitenden Platten oder hintereinander angeordneten Leiterschleifen bei entsprechend ausgeführter Anordnung und hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Stator und Läufer reaktionäre stabilisierende Trag- und Führkräfte. Ein entsprechendes Schwebeführungs- und Seitenführungssystem wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 2250372 beschrieben und optimiert. Nachteilig wirken sich jedoch die notwendig hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Läufer und Stator für stabilisierende Trag- und Führkräfte sowie die Notwendigkeit aufwendiger Kühlsysteme zur Beibehaltung supraleitender Eigenschaften der läuferseitigen Magnetspulen aus.
Ferner ist bekannt, dass luftgelagerte Führungen im Bereich feinwerktechnischer Antriebe als technische Lösung zur Verhinderung mechanischer Reibeinflüsse existieren. Hierbei entweicht ein druckbeaufschlagtes gasförmiges Fluid (meistens Luft) über läuferseitig angebrachte Düsen auf den Stator und erzeugt einen definierten Luftspalt im Mikrometerbereich. Eine solche Ausführung beschreibt beispielsweise die Patentschrift DD 266064 A1 . Luftgelagerte Führungen eignen sich jedoch nicht für Vakuumanwendungen und sind aufgrund der geringen Steifigkeit und ihrem Betrieb in offener Steuerkette in ihrem Anwendungsbereich eingeschränkt. Darüber hinaus werden hohe Anforderungen an die Charakteristik der Statoroberfläche, insbesondere sehr geringe Rauhigkeits- und Ebenheitswerte gefordert.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen feinwerktechnischen Antrieb bzw. Läufer durch Lorentzkräfte reibungsfrei und schwebend auf seinem Stator zu führen.
Gelöst wird dieses Problem durch typischerweise läuferseitig eingebrachte strom- oder spannungsgeregelte Tragspulen, die vertikale Tragkräfte und durch in deren Wickelfenster befindliche Führspulen, die seitliche Querkräfte aufbringen. Die für den Aufbau von Lorentzkräften notwendige magnetische Flussdichte im Bereich der stromdurchflossenen Leiterschleifen wird durch Permanentmagnete erzeugt, die in Polarisationsrichtung ähnlich eines Halbach-Arrays typischerweise im Stator eingebracht sind und in Kombination mit ferromagnetischen Rückschlüssen einen über einen Luftspalt geschlossenen magnetischen Kreis schaffen. Eine geeignete Verschaltung der Trag- und Führspulen und entsprechende Zuordnung zu 5 läuferseitigen Sensoren (beispielsweise Abstandssensoren), welche die räumliche Lage des Läufers in 3 rotatorischen und 2 translatorischen Freiheitsgraden erfassen, ermöglicht eine Stabilisierung in diesen 5 Freiheitsgraden. Zusätzliche Permanentmagnete im Wickelfenster der Führspulen erfahren bei Überlagerung mit dem magnetischen Feld der Halbach-Arrays eine nach oben, typischerweise Richtung Läuferplatte gerichtete, statische Kraft, wodurch die Gewichtskraft des Läufers kompensiert wird.
Die Vorteile der beschriebenen Erfindung liegen in der Möglichkeit sehr hoher Läuferdynamiken und -geschwindigkeiten, vordergründig aufgrund mechanischer Reibungsfreiheit aber auch durch Wegfall dämpfend wirkender Wirbelstrom- und Hystereseverluste, wie sie bei elektromagnetischen Schwebeführungen auftreten, sowie in einer vergleichsweise geringen Läufermasse, da kein ferromagnetisches und elektrisch leitfähiges Material hoher Dichte bewegt werden muss. Dadurch ergeben sich Vorteile bei Masse und Bauvolumen des Läufers. Vorteilhaft im Vergleich zu elektromagnetischen Schwebeführungen wirkt sich die Möglichkeit zur Implementierung vergleichsweise einfacher Regelalgorithmen aus, da prinzipbedingt ein linearer Kraft-Strom-Zusammenhang besteht und der Betrag der Trag- und Führkräfte weitgehend unabhängig von der Schwebehöhe ist. Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Linearführung für Schwebeantriebe aufgrund der Schmiermittelfreiheit, Abriebsfreiheit sowie vergleichsweise langer Lebensdauern für hohe Anforderungen im Reinraum, Vakuum oder sterilen Räumen der Medizintechnik, wo mechanische Wälz- und Gleitführungen nur begrenzt einsatzfähig sind. Durch die passive Kompensation der Läufergewichtskraft über Permanentmagnete ist lediglich ein geringer Energieaufwand beim stationären Schweben erforderlich. Die Steifigkeit der erfindungsgemäßen Schwebeführung ist im Vergleich zu elektromagnetischen Schwebeführungen bei gleichen Größenverhältnissen und Zwischenkreisspannungen in den Grenzen der maximal erreichbaren Lorentzkräfte aufgrund geringerer Spuleninduktivitäten hoch.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Bildern dargestellt. Es zeigen:
1: Stator der Linearführung für Schwebeantriebe; (4) Stator aus paramagnetischem Werkstoff, z. B. Aluminium zur Aufnahme der Permanentmagnetreihen und der Rückschlüsse, (5) ferromagnetische Rückschlüsse mit Quernuten für mögliche Permanentmagnete eines direktangetriebenen Vorschubsystems (nicht dargestellt), (7) Permanentmagnetreihen in Polarisationsanordnung ähnlich eines Halbach-Arrays (Pfeilrichtungen)
2: Läufer der Linearführung für Schwebeantriebe; (1) Läuferplatte, (2) Tragspulen, (3) Führspulen, (a)–(h) Spulennummerierung
3: Schnitt durch Läufer und Stator; (1) Läuferplatte, (2) Tragspulen, (3) Führspulen, (4) Stator aus paramagnetischem Werkstoff, z. B. Aluminium zur Aufnahme der Permanentmagnetreihen und der Rückschlüsse, (5) ferromagnetische Rückschlüsse, (6) Mittelmagnete im Wickelfenster der Führspulen zur passiven Gewichtskraftkompensation des Läufers, (7) Permanentmagnetreihen in Polarisationsanordnung ähnlich eines Halbach-Arrays (Pfeilrichtungen)
4: Prinzipielle Detailansicht eines Trag- und Führaktors mit Mittelmagnet (6) und Stator; (2) Tragspule, (3) Führspule, (4) Stator aus paramagnetischem Werkstoff, z. B. Aluminium zur Aufnahme der Permanentmagnetreihen, (5) ferromagnetischer Rückschluss, (6) Mittelmagnet im Wickelfenster der Führspule in Polarisationsrichtung zur Statormitte zeigend (Pfeilrichtung) zur passiven Gewichtskraftkompensation des Läufers, (7) Permanentmagnetreihen in Polarisationsrichtung ähnlich eines Halbach-Arrays (Pfeilrichtungen)
Die vorgestellte Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Bilder erläutert. 1 zeigt eine mögliche Ausführung eines Stators (4) aus paramagnetischem Werkstoff, z. B. Aluminium. Zwei äußere Träger nehmen jeweils drei Reihen permanentmagnetischer Elemente (7) auf, die in Polarisationsrichtungen ähnlich eines Halbach-Arrays (siehe Pfeilrichtungen) im Stator (4) eingelassen sind. Diese erzeugen in Kombination mit ferromagnetischen Rückschlüssen (5) einen geschlossenen Magnetkreis und damit ein gerichtetes Vektorfeld einer magnetischen Induktion im Luftspalt zwischen ferromagnetischem Rückschluss (5) und den beiden äußeren Trägern des Stators (4). Dort befinden sich gemäß der Läuferdarstellung in 2 und der Querschnittsdarstellung von Läufer und Stator aus
3 läuferseitig einerseits vier Leiterschleifen (2), im Folgenden „Tragspulen” genannt, die durch gerichtete Bestromung beidseitig vertikal wirkende Tragkräfte erfahren. Andererseits sind im Wickelfenster der Tragspulen (2) kleinere Leiterschleifen (3), im Folgenden „Führspulen” genannt, eingelassen, deren äußere, dem Halbach-Array zugewandten Spulenschenkel sich in einem vertikal verlaufenden magnetischen Streufeld befinden, hervorgerufen durch die vertikal polarisierten mittleren Permanentmagnetreihen des Halbach-Arrays. Diese Führspulen erfahren bei gerichteter Bestromung eine beidseitig wirkende seitliche Führkraft. Die, sich in den Langnuten der beiden Rückschlüsse (5) befindlichen Spulenschenkel der Führspulen (3) erfahren dabei gemäß 4 kaum Kraftwirkung, da die vertikale Komponente der magnetischen Flussdichte an dieser Stelle vernachlässigbar gering ist. Läuferseitige Mittelmagnete (6) mit Polarisationsrichtung zum Rückschluss (5) zeigend (siehe Pfeilrichtung 4), eingebracht im Wickelfenster aller 4 Führspulen (3), überlagern sich mit dem magnetischen Feld der statorseitigen Halbach-Arrays (7) und erfahren eine statische, vertikal nach oben gerichtete Kraft, welche die Gewichtskraft des Läufers und mögliche Belastungskräfte kompensiert. Über eine Modifikation der Länge dieser Mittelmagnete (6) lassen sich Läufer- und Lastgewichte in bestimmten Grenzen kompensieren. Die räumliche Lage des Läufers wird in 3 translatorischen und 2 rotatorischen Freiheitsgraden mittels 5 geeignet verteilter Sensoren gemessen, die in der Läuferplatte (1) aus 2 eingebracht sind. Dabei können beispielsweise 3 Abstandssensoren gegen die Oberseite der äußeren Träger des Stators (4) den vertikalen linearen Freiheitsgrad sowie die beiden Freiheitsgrade des Nick- und Rollwinkels des Läufers messen, während 2 weitere seitlich angeordnete Abstandssensoren den quer zur Vorschubrichtung gerichteten linearen Freiheitsgrad und den Freiheitsgrad des Gierwinkels erfassen. Es sind darüber hinaus auch Winkelsensoren oder vergleichbare messtechnische Komponenten zur Erfassung der räumlichen Läuferlage einsetzbar. Eine geeignete Verschaltung und Ansteuerung der Spulen (a) bis (h) aus 2 und geeignete Zuordnung zu den 5 unabhängigen Sensorsignalen gewährleistet über einen geschlossenen Regelkreis ein laststeifes Halten des Läufers in einem definierten Schwebezustand und damit eine Stabilisierung in 5 Freiheitsgraden, während der letzte translatorische Freiheitsgrad in Vorschubrichtung zur Ausführung einer entweder durch systemimmanente Vorschubkräfte oder durch äußere Kräfte auferlegten Abtriebsbewegung dienen kann. Eine mögliche Ansteuerung der Leiterschleifen (a) bis (h) ergibt sich gemäß 2 beispielsweise durch jeweils separat geregelte Stromsteuerung der Spulen a, b, der Reihenschaltung c–d, der Reihenschaltung e–f sowie der Reihenschaltung g–h jeweils im geschlossenem Regelkreis unter Berücksichtung der Messsignale der 5 Sensoren. Ein systemimmanentes direktangetriebenes Vorschubsystem kann beispielsweise durch eingebrachte Permanentmagnete zwischen beiden Rückschlüssen (5) und zusätzlichen Vorschubspulen integriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 707032 [0003]
DE 2250372 A [0004]
DD 266064 A1 [0005]

Claims

Linearführung für Schwebeantriebe, dadurch gekennzeichnet, dass ein materieller Körper, im Folgenden „Läufer” genannt, durch Lorentzkräfte in 3 rotatorischen und 2 translatorischen Freiheitsgraden in einem aktiv geregelten Schwebezustand gehalten wird und der dritte translatorische Freiheitsgrad, im Folgenden „Vorschubrichtung” genannt, zur Ausführung einer entweder durch systemimmanente Vorschubkräfte oder durch äußere Kräfte auferlegten Antriebsbewegung dient.
Linearführung für Schwebeantriebe nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der magnetischen Flussdichte in Luftspalten zur Erzeugung der Lorentzkräfte in stromdurchflossenen Leiterschleifen durch mindestens zwei, sich in Vorschubrichtung erstreckenden Arrays von jeweils mindestens 3 Permanentmagnetreihen (7) geschieht, deren Polarisationsrichtungen in Halbach-Anordnung jeweils um typischerweise 90° versetzt angeordnet sind, wobei die mittlere der mindestens 3 Permanentmagnetreihen eine in Richtung der Läuferplatte (1) oder dieser entgegen gerichtete Polarisation aufweist, wobei jeweils innerhalb jeder der Permanentmagnetreihen die Polarisationsrichtung beibehalten wird.
Linearführung für Schwebeantriebe nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromdurchflossene Leiterschleifen (2) zur Aufbringung vertikaler, orthogonal zur Vorschubrichtung gerichteter Tragkräfte, im Folgenden „Tragspulen” genannt im Luftspalt zwischen Rückschluss (5) und Permanentmagneten (7) befinden.
Linearführung für Schwebeantriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromdurchflossene Leiterschleifen (3) zur Aufbringung seitlicher, orthogonal zur Vorschubrichtung gerichteter Führkräfte, im Folgenden „Führspulen” genannt, entweder vollständig oder teilweise innerhalb des Wickelfensters der größeren stromdurchflossenen Tragspulen (2) befinden.
Linearführung für Schwebeantriebe nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der zur Erzeugung der magnetischen Induktion eingebrachten Permanentmagnete (7) entweder in quadratischer oder in rechteckiger oder in bogenförmiger, oder aus Zusammensetzungen aller genannten Formen ausgeführt ist.
Linearführung für Schwebeantriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer typischerweise die stromführenden Leiterschleifen (2, 3) für die Trag- und Führaufgaben und der Stator die, die magnetische Induktion im Luftspalt erzeugenden Permanentmagnetreihen (7) enthält.
Linearführung für Schwebeantriebe nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäß auch Ausführungen möglich sind, bei welchen der bewegte Läufer die, die magnetische Induktion im Luftspalt erzeugenden Permanentmagnetreihen und der Stator die stromführenden Leiterschleifen enthält.
Linearführung für Schwebeantriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass messtechnische Komponenten zur Erfassung der räumlichen Lage des Läufers in 3 rotatorischen und 2 translatorischen Freiheitsgraden, im Folgenden „Sensoren” genannt, typischerweise im Läufer, in besonderen Ausführungsformen aber auch im Stator oder gleichzeitig sowohl im Stator als auch im Läufer angebracht sein können, wobei die Gesamtzahl der voneinander unabhängigen Sensoren wenigstens 5 beträgt.
Linearführung für Schwebeantriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional eingebrachte Elemente (6) innerhalb oder teilweise innerhalb des Wickelfensters der Führspulen (3) zur Kompensation der Gewichtskraft des Läufers oder anderer vertikal wirkender Lastkräfte typischerweise als Permanentmagnete ausgeführt sein können, wobei deren magnetische Polarisationsrichtungen abhängig von der Polarisationsrichtung der mittleren Permanentmagnetreihen aus Patentanspruch 2 entweder zu oder von den ferromagnetischen Rückschlüssen (5) weisen und zwar so, dass diese eine statische vertikal nach oben bzw. in Richtung der Läuferplatte (1) wirkende Kraft erfahren.
Linearführung für Schwebeantriebe nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass optional eingebrachte Elemente (6) innerhalb oder teilweise innerhalb des Wickelfensters der Führspulen (3) zur Kompensation der Gewichtskraft des Läufers oder anderer vertikal wirkender Lastkräfte auch als Elektromagnete in Form elektrisch erregter Leiterschleifen ausgeführt sein können.