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Die Erfindung betrifft ein Supraleiter-Lagermittel für eine berührungslose, magnetkraftgestützte Lagerung einer ersten Lagerkomponente gegenüber einer zweiten Lagerkomponente, wobei der ersten Lagerkomponente ein Supraleiter zugeordnet ist und wobei der zweiten Lagerkomponente eine Permanentmagnetanordnung zugeordnet ist.
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Aus der
EP 1 332 299 B1 ist ein Pump- oder Mischsystem bekannt, bei dem ein schwebendes Lager eingesetzt wird, um ein Fluid, das in einem Behälter aufgenommen ist, mit Hilfe eines magnetischen Propellers zu fördern oder zu mischen, wobei dem magnetischen Propeller wenigstens ein supraleitendes Element sowie eine Kühlquelle zugeordnet sind und wobei dem supraleitenden Element ferner eine Bewegungsvorrichtung zum Drehen des supraleitenden Elements zugeordnet ist, um dadurch in dem magnetischen Propeller eine Drehbewegung zu induzieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Supraleiter-Lagermittel und eine Vorrichtung zur Materialuntersuchung und/oder Materialbearbeitung bereitzustellen, die für einen Einsatz unter verschiedenartigen Randbedingungen ausgebildet sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für ein Supraleiter-Lagermittel der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Permanentmagnetanordnung und/oder dem Supraleiter eine in ihrer Feldstärke und/oder Feldausrichtung einstellbare Magneteinrichtung und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Feldstärke und/oder Feldausrichtung der Magneteinrichtung zur Beeinflussung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen Permanentmagnetanordnung und Supraleiter zugeordnet sind. Mit Hilfe der Magneteinrichtung und der zugeordneten Steuereinrichtung kann durch eine situationsabhängige Einstellung der Feldstärke und/oder Feldrichtung der Magneteinrichtung eine Einstellung des Supraleiter-Lagermittels vorgenommen werden. Beispielsweise kann hierdurch ein Abstand zwischen der ersten Lagerkomponente und der zweiten Lagerkomponente eingestellt werden. Dabei kann das Magnetfeld der Magneteinrichtung für eine Verstärkung oder Schwächung der magnetischen Kräfte zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung ausgebildet sein. Ergänzend oder alternativ kann das Magnetfeld der Magneteinrichtung für eine unmittelbare Einflussnahme auf die jeweils zugeordnete Lagerkomponente ausgebildet sein, die ihrerseits dazu ausgebildet ist, Reaktionskräfte auf das Magnetfeld der Magneteinrichtung zu bewirken. Beispielhaft kann die jeweilige Lagereinrichtung mit einer eigenen Magnetanordnung oder mit einem magnetisierbaren Element, insbesondere mit einem ferromagnetischen Element, ausgerüstet sein. Eine Ausrichtung der Reaktionskräfte, die durch die Einwirkung der Magneteinrichtung auf die jeweilige Lagerkomponente ausgeübt werden kann im Wesentlichen parallel zu einem Kraftfeld oder quer zu einem Kraftfeld zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung ausgerichtet sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Magneteinrichtung als Magnetspulenanordnung, insbesondere als Magnetspulenanordnung aus einem supraleitenden Material, ausgebildet ist und dass die Steuereinrichtung zur Steuerung eines Spulenstroms für die Magnetspulenanordnung ausgebildet ist. Hierdurch kann ein schnell veränderliches, in vorteilhafter Weise einstellbares und in seiner Richtung umschaltbares Magnetfeld bereitgestellt werden, das beispielsweise je nach Einsatzgebiet für das Supraleiter-Lagermittel eine gezielte Schwächung oder Verstärkung des Kraftfelds zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung bewirken kann. Beispielsweise kann eine Schwächung des Kraftfelds zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung vorgesehen werden, wenn die mit der Permanentmagnetanordnung ausgerüstete Lagerkomponente ausgetauscht werden soll, ohne den Supraleiter durch Erwärmung oberhalb der Sprungtemperatur außer Betrieb zu nehmen. Eine Verstärkung des Kraftfelds zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung kann vorteilhaft sein, wenn hohe Belastungen auf das Supraleiter-Lagermittel einwirken, die eine Belastbarkeit des Kraftfelds übersteigen würden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnung konzentrisch zu einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnete, axial magnetisierte Ringmagnete umfasst und dass der wenigstens eine Supraleiter quer zur Symmetrieachse angeordnet ist, um eine radiale Lagerung, insbesondere eine radiale Drehlagerung, der zweiten Lagerkomponente gegenüber der ersten Lagerkomponente zu ermöglichen. Mit einer derartigen Radiallagerung für die zweite Lagerkomponente kann diese beispielsweise als Achse ausgebildet werden, die berührungsfrei und ortsfest gegenüber der ersten Lagerkomponente angeordnet ist und beispielsweise zur Umlenkung einer flexiblen Materialbahn, beispielsweise einer Papierbahn oder Stoffbahn oder Folienbahn, eingesetzt wird. Vorzugsweise umfasst eine solche Achse wenigstens zwei Permanentmagnetanordnungen, die jeweils von längs einer Drehachse beabstandet zueinander angeordneten Ringmagneten oder Gruppen von konzentrisch längs der Drehachse aufgereihten, jeweils gegensinnig magnetisierten Ringmagneten gebildet werden. Vorzugsweise ist jeder der Permanentmagnetanordnungen ein Supraleiter zugeordnet. Die Permanentmagnetanordnungen können jeweils endseitig an der Achse angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ kann wenigstens eine der Permanentmagnetanordnungen abseits von Endbereichen der Achse angeordnet sein, so dass eine Achse auch mit mehr als zwei Permanentmagnetanordnungen ausgerüstet sein kann. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Achse eine schlanke Geometrie aufweist, also einen bezogen auf ihre Länge kleinen Querschnitt und somit zur Vermeidung von Durchbiegungen an mehreren Stellen abgestützt werden muss. Exemplarisch kann auch vorgesehen sein, dass eine Achse lediglich eine Permanentmagnetanordnung umfasst, die in einem zentralen Bereich oder an einem Endbereich der Achse angeordnet ist. Vorzugsweise ist bei dieser Ausgestaltung des Supraleiter-Lagermittels die Magnetspulenanordnung dem Supraleiter zugeordnet. Besonders bevorzugt ist eine Mittelachse der Magnetspulenanordnung quer zur Symmetrieachse ausgerichtet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnung konzentrisch zu einer gemeinsamen Symmetrieachse angeordnete, radial magnetisierte Ringmagnete umfasst und dass der Supraleiter kreisringförmig ausgebildet ist und koaxial zur Symmetrieachse angeordnet ist, um eine axiale Lagerung, insbesondere eine axiale Drehlagerung, der zweiten Lagerkomponente gegenüber der ersten Lagerkomponente zu ermöglichen. Ein derartiges Supraleiter-Lagermittel ermöglicht beispielsweise eine, insbesondere drehbewegliche, berührungslose Lagerung eines Maschinenelements oder einer Arbeitseinrichtung, wobei mit Hilfe der Magneteinrichtung beispielsweise ein Abstand und/oder eine Ausrichtung der zweiten Lagerkomponente gegenüber dem Supraleiter eingestellt werden kann. Exemplarisch sind die Magneteinrichtung und die Steuereinrichtung für die Bereitstellung eines feststehenden oder eines umlaufenden Magnetfelds auf die zweite Lagerkomponente ausgebildet, so dass hiermit entweder eine fest vorgebbare Ausrichtung der zweiten Lagerkomponente oder eine vorgebbare Relativbewegung der zweiten Lagerkomponente in einer quer zur Symmetrieachse ausgerichteten Bewegungsebene vorgenommen werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnetspulenanordnung und die Steuereinrichtung für eine Steuerung eines Abstands zwischen der ersten Lagerkomponente und der zweiten Lagerkomponente ausgebildet sind.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Steuereinrichtung ein Sensormittel zugeordnet ist, das für eine Ermittlung einer vom Abstand zwischen Permanentmagnetanordnung und Supraleiter abhängigen physikalischen Größe und zur Bereitstellung eines vom Betrag der ermittelten physikalischen Größe abhängigen elektrischen Sensorsignals an die Steuereinrichtung ausgebildet ist, und dass die Steuereinrichtung für eine Abstandsregelung zwischen der ersten und der zweiten Lagerkomponente eingerichtet ist. Vorzugsweise ist das Sensormittel für eine berührungslose Ermittlung des Abstands zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Supraleiter und somit zwischen der zweiten und der ersten Lagerkomponente ausgebildet. Exemplarisch ist das Sensormittel für eine optische und/oder kapazitive und/oder induktive Abstandsmessung ausgebildet und stellt ein abstandsabhängiges elektrisches Sensorsignal an die Steuereinrichtung bereit. Die Steuereinrichtung umfasst eine Recheneinheit, in der ein Regelalgorithmus ausgebildet ist, der auf Basis des Sensorsignals des Sensormittels eine Abstandsregelung vornimmt und als Steuergröße ein Signal, insbesondere einen Spulenstrom, an die vorzugsweise als Magnetspulenanordnung ausgebildete Magneteinrichtung bereitstellt.
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Zweckmäßig ist es, wenn der ersten Lagerkomponente eine Sendeeinrichtung für eine drahtlose Bereitstellung von Energie an die zweite Lagerkomponente zugeordnet ist und dass der zweiten Lagerkomponente eine Empfangseinrichtung für einen Empfang der drahtlos bereitgestellten Energie zugeordnet ist. Mit einer solchen drahtlosen und somit berührungslosen Energieübertragung kann Energie von der typischerweise ruhenden ersten Lagerkomponente auf die in einem vorgebbaren Abstand gehaltene, vorzugsweise schwebende, zweite Lagerkomponente übertragen werden. Die übertragene Energie kann insbesondere in elektrische Energie gewandelt werden, die für einen Betrieb von elektrischen oder elektronischen Schaltungen an oder in der zweiten Lagerkomponente benutzt wird. Exemplarisch wird von der Sendeeinrichtung mittels einer geeigneten Sendespule ein elektromagnetisches Feld an die vorzugsweise als Antenne ausgebildete Empfangseinrichtung bereitgestellt, wobei in der Empfangseinrichtung eine Wandlung des elektromagnetischen Felds in elektrische Energie vollzogen wird, die einer nachgelagerten Schaltung zur Verfügung gestellt wird. Ergänzend oder alternativ kann die drahtlose Energieübertragung auch für eine Informationsübertragung zwischen der ersten und der zweiten Lagerkomponente genutzt werden.
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Vorzugsweise ist der zweiten Lagerkomponente eine Sendeeinrichtung für eine drahtlose Übertragung von Sensorsignalen eines Sensormittels zugeordnet und der ersten Lagerkomponente ist eine Empfangseinrichtung für einen Empfang der drahtlos übertragenen Sensorsignale des Sensormittels zugeordnet. Diese Kombination einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung dient einer Informationsübertragung und kann beispielsweise als optische Übertragungsstrecke ausgebildet sein. Dabei bildet eine Lichtquelle die Sendeeinrichtung, während ein lichtempfindlicher Sensor die Empfangseinrichtung bildet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt für eine Vorrichtung zur Materialuntersuchung und/oder Materialbearbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Hierbei umfasst die Vorrichtung zur Materialuntersuchung und/oder Materialbearbeitung ein Supraleiter-Lagermittel nach Anspruch 7, wobei der zweiten Lagerkomponente eine Arbeitseinrichtung für eine kontaktlose Untersuchung und/oder Bearbeitung einer Werkstückoberfläche zugeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung kann auch als Molchsystem bezeichnet werden. Die Arbeitseinrichtung kann durch die Verwendung des Supraleiter-Lagermittels in einem vorgebbaren Abstand schwebend gegenüber der ersten Lagerkomponente positioniert werden, wobei diese Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Lagerkomponente auch möglich ist, wenn sich eine nicht-ferromagnetische Wand zwischen den beiden Lagerkomponenten befindet. Dementsprechend kann mit Hilfe der Arbeitseinrichtung eine Untersuchung und/oder Bearbeitung eines von einer Wandung begrenzten Hohlraums vorgenommen werden, in den lediglich die zweite Lagerkomponente eingebracht wird, während die erste Lagerkomponente außerhalb der Wandung und des Hohlraums verbleibt. Die Arbeitseinrichtung ist hierbei für eine kontaktlose Untersuchung und/oder Bearbeitung der Werkstückoberfläche eines Werkstücks vorgesehen. Das Werkstück wird vorzugsweise zwischen der ersten Lagerkomponente und der zweiten Lagerkomponente angeordnet, wodurch beispielsweise eine Untersuchung von inneren Wandbereichen von Hohlräumen wie Behältern oder Rohren ermöglicht wird. Hierbei ist die Arbeitseinrichtung vorzugsweise für eine Detektion und/oder Bearbeitung des Werkstücks in einer Arbeitsrichtung ausgebildet, die in Richtung der ersten Lagerkomponente weist.
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Alternativ ist die Arbeitseinrichtung für eine Detektion und/oder Bearbeitung des Werkstücks in einer Arbeitsrichtung ausgebildet, die von der ersten Lagerkomponente wegweist. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn die erste Lagerkomponente an einem Manipulator, insbesondere einem Industrieroboter, aufgenommen ist und die zweite Arbeitskomponente für eine Oberflächenanalyse und/oder Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks in einem geringen Abstand über die Werkstückoberfläche geführt wird. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Supraleiter-Lagermittels kann ein Ausgleich von Unebenheiten in der Werkstückoberfläche zur Vermeidung einer Kollision der Arbeitseinrichtung mit dem Werkstück mit Hilfe der Magneteinrichtung und der zugeordneten Steuereinrichtung durchgeführt werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine Bewegungsbahn für den Manipulator vorgegebenen werden kann und ein Ausgleich unerwarteter Unebenheiten mit hoher Dynamik durch eine Einstellung des Abstands zwischen den beiden Lagerkomponenten erfolgen kann, ohne dass hierzu zwingend ein Eingriff in eine Bahnsteuerung des Industrieroboters erforderlich ist.
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Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Arbeitseinrichtung als Strahlungsdetektor zum Empfang von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen und/oder als Strahlungsquelle zur Aussendung von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen ausgebildet ist. Damit kann beispielsweise eine kontaktlose Untersuchung eines Werkstücks auf der Basis von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen, insbesondere Röntgenstrahlen oder Laserstrahlen, vorgenommen werden, wobei die Arbeitseinrichtung einen geeigneten Sensor zum Empfang der bereitgestellten Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen aufweist. Ergänzend oder alternativ kann bei Bereitstellung einer ausreichenden Energiemenge und geeigneter Ausrüstung der Arbeitseinrichtung auch eine Aussendung von Schallwellen und/oder elektromagnetischen Wellen durch die Arbeitseinrichtung erfolgen. Hiermit kann beispielsweise eine kontaktlose Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl vorgenommen werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine Achsanordnung mit zwei radialen Lagereinrichtungen, die endseitig an einer Achse angeordnet sind, wobei eine der Lagereinrichtungen als Supraleiter-Lagermittel für eine Einstellung eines Abstands zwischen dem Supraleiter und der Permanentmagnetanordnung ausgebildet ist,
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2 eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines Stroms von Teilen, die als Rühreinrichtung unter Verwendung eines Supraleiter-Lagermittels ausgebildet ist und
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3 eine Vorrichtung zur Materialuntersuchung mit einem Supraleiter-Lagermittel und einer Arbeitseinrichtung für eine kontaktlose Untersuchung einer Werkstückoberfläche.
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Eine in der 1 dargestellte Achsanordnung 1 umfasst exemplarisch zwei Lagereinrichtungen 2, 3, die in einer ortsfesten Beziehung zu einem schematisch dargestellten Maschinengestell 4 stehen. Die Lagereinrichtungen 2, 3 sind dazu vorgesehen, eine Achse 5 kontaktlos drehbeweglich um eine Drehachse 6 zu lagern und sind daher als Supraleiter-Lagereinrichtungen ausgebildet. Eine derartige Achse 5 kann beispielsweise für eine Umlenkung einer nicht dargestellten flexiblen Materialbahn vorgesehen sein, die aus einer ersten, tangential an einer Oberfläche 7 der exemplarisch mit kreisrundem Querschnitt ausgebildeten Achse 5 anliegenden ersten Förderrichtung in eine ebenfalls tangential an der Oberfläche 7 anliegende und von der ersten Förderrichtung unterschiedliche zweite Förderrichtung umgelenkt wird. Vorzugsweise sind die beiden Förderrichtungen normal zur Drehachse 6 ausgerichtet, eine schräge Umlenkung einer flexiblen Materialbahn, bei der die beiden Förderrichtungen in jeweils identischen und zueinander komplementären, vorgebbaren Winkeln zur Drehachse 6 ausgerichtet sind, ist ebenfalls möglich.
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Für eine kontaktlose Drehlagerung der Achse 5 ist bei der Achsanordnung 1 vorgesehen, die Lagereinrichtungen 2, 3 jeweils endseitig an der Achse 5 anzuordnen. Jede der Lagereinrichtungen 2, 3 umfasst eine Permanentmagnetanordnung 8, 9 als zweite Lagerkomponente sowie jeweils einen der entsprechenden Permanentmagnetanordnung 8, 9 zugeordneten Supraleiter 10, 11 als erste Lagerkomponente. Hierbei wird mit dem Begriff „Supraleiter” eine Anordnung beschrieben, die im Falle der Lagereinrichtung 2 einen becherförmig ausgebildeten Kühlkörper 12, eine in thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper 12 stehende, insbesondere als Stirling-Motor ausgebildete, elektrisch betreibbare Kühleinrichtung 15 sowie einen am offenen Rand des Kühlkörpers 12 angeordneten Abschlussdeckel 16 umfasst. Der exemplarisch scheibenförmig ausgebildete Abschlussdeckel 16 umfasst einen Ring 17 aus einem supraleitenden Material, in dessen Zentrum ein zur Abdichtung eines vom Kühlkörper 12 und vom Abschlussdeckel 16 bestimmten Raumvolumens eine Abdeckscheibe 18 angeordnet ist.
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Die Lagereinrichtung 3 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Lagereinrichtung 2 auf, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass in der mit 19 bezeichneten Abdeckscheibe eine Spulenanordnung 20 aufgenommen ist, die vorzugsweise als Ringspule ausgebildet ist und die mit einer Steuereinrichtung 21 elektrisch verbunden ist. Die Spulenanordnung 20 ist zur Bereitstellung eines quer zur Drehachse 6 ausgerichteten Magnetfelds ausgebildet, das dazu eingesetzt werden kann, eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem supraleitenden Ring 17 und der Permanentmagnetanordnung 9 zu beeinflussen.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Permanentmagnetanordnungen 8 und 9 jeweils gleichartig ausgebildet sind und exemplarisch als Aneinanderreihung jeweils dreier radial magnetisierter Ringmagnete 22, 23, 24 ausgebildet sind. Dabei sind jeweils benachbart angeordnete Ringmagnete 22, 23, 24 gegensinnig zueinander magnetisiert, so dass exemplarisch die Ringmagnete 22 und 24 einen radial außen liegenden Nordpol aufweist, während der Ringmagnet 23 exemplarisch einen radial außen liegenden Südpol aufweist.
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Zur Erzielung der berührungslosen, magnetfeldgestützten Lagerung der Achse 5 gegenüber den Supraleitern 10, 11 kann zunächst vorgesehen werden, die Achse 5 zu einem Zeitpunkt, zu dem die supraleitenden Ringe 17 nicht unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt sind, durch nicht dargestellte Positioniermittel in die gewünschte Position gegenüber den Supraleitern 10, 11 zu bringen. In einem nachfolgenden Schritt werden die Kühleinrichtungen 15 aktiviert, um eine Abkühlung der jeweiligen supraleitenden Ringe 17 unter die jeweilige Sprungtemperatur zu erzielen und damit das von den jeweiligen Permanentmagnetanordnungen 8, 9 ausgehende magnetische Feld gewissermaßen im jeweiligen supraleitenden Ring 17 zu speichern. Sobald die Kühleinrichtungen 15 die jeweiligen supraleitenden Ringe 17 bis unterhalb der Sprungtemperatur abgekühlt haben, können die nicht dargestellten Positioniermittel entfernt werden. Ab diesem Zeitpunkt ist bei Beibehaltung der Kühlung der supraleitenden Ringe 17 unterhalb ihrer Sprungtemperatur eine berührungslose, magnetische Kopplung zwischen den jeweiligen Permanentmagnetanordnungen 8, 9 und den jeweiligen supraleitenden Ringen 17 gewährleistet.
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Mittels der Spulenanordnung 20, die in der zweiten Lagereinrichtung 3 ausgebildet ist, kann durch Bereitstellung eines Spulenstroms durch die Steuereinrichtung 21 ein zusätzliches Magnetfeld bereitgestellt werden, mit dessen Hilfe Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte gegenüber der Permanentmagnetanordnung 9 ausgeübt werden können, um eine räumliche Lage der Achse 5, insbesondere in einer quer zur Drehachse 6 ausgerichteten Raumrichtung, gegenüber der Lagereinrichtung 3 zu beeinflussen.
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Exemplarisch kann an einem Endabschnitt der Achse 5 ein optischer Spiegel 25 angeordnet sein, der Teil eines Sensormittels 26 ist, das zur Bestimmung der räumlichen Lage der Drehachse 6 eingesetzt werden kann. Das Sensormittel umfasst exemplarisch eine als Laserdiode ausgebildete Lichtquelle 27 sowie eine Diodenmatrix 28, die zum Empfang eines von der Lichtquelle 27 ausgesendeten und am Spiegel 25 reflektierten Lichtstrahls ausgebildet ist. Bei geeigneter Kalibrierung des Sensormittels 26 trifft der Lichtstrahl der Lichtquelle 27 in Abhängigkeit von der räumlichen Lage der Drehachse 6 auf unterschiedliche lichtempfindliche Zellen der Diodenmatrix 28, wobei aus einer Information über Auftreffpunkt auf der Diodenmatrix in der Steuereinrichtung 21 unter Anwendung vorgegebener Rechenalgorithmen eine Lagebestimmung der Drehachse 6 vorgenommen werden kann. In einem nachfolgenden Schritt kann durch geeignete Ansteuerung der Spulenanordnung 20 eine Korrektur der räumlichen Lage der Drehachse 6 vorgenommen werden. Vorzugsweise sind die Steuereinrichtung 21 und das Sensormittel 26 für eine Regelung der räumlichen Lage der Drehachse 6 ausgebildet.
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Die in der 2 dargestellte Vorrichtung zur Beeinflussung eines Stroms von Teilen, die als Rühreinrichtung 31 unter Verwendung eines Supraleiter-Lagermittels ausgebildet ist, kann beispielsweise zur Mischung von mehreren Flüssigkeiten, zur Mischung von Flüssigkeiten mit Feststoffen, zur Auflösung von Feststoffen in Flüssigkeiten oder zur Mischung von Flüssigkeiten mit Gasen eingesetzt werden.
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Exemplarisch umfasst die Rühreinrichtung ein becherartig ausgebildetes Gehäuse 32, dessen Gehäusewandung beispielsweise aus einem hülsenförmigen, kreiszylindrischen Abschnitt 33 und einem kreisscheibenförmigen Abschnitt 34 gebildet ist, die einstückig miteinander verbunden sind. Dementsprechend ist ein vom Gehäuse 32 berandetes Gehäusevolumen 35 ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet. Innerhalb des Gehäusevolumens 35 ist ein als Rührmittel ausgebildetes Stellmittel 36 angeordnet, dessen Aufbau nachstehend näher beschrieben wird. Außerhalb des Gehäusevolumens 35 ist eine Koppeleinrichtung 37 angeordnet, die für einen Betrieb des Stellmittels 36 vorgesehen ist und ebenfalls nachstehend näher beschrieben wird. Das Stellmittel 36 und die Koppeleinrichtung 37 bilden als zweite Lagerkomponente und als erste Lagerkomponente ein Supraleiter-Lagermittel.
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Die Steuereinrichtung 38 ist der Koppeleinrichtung 37 zugehörig und dient zur Bereitstellung eines um die Rotationsachse 39 rotierenden elektromagnetischen Wanderfelds, das auf eine im Stellmittel 36 vorgesehene Magnetanordnung 40 einwirkt. Das elektromagnetische Wanderfeld wird durch Bereitstellung geeigneter Spulenströme an eine Spulenanordnung 41 erzeugt, wobei die Spulenanordnung mehrere, vorzugsweise in gleicher Winkelteilung angeordnete Ringspulen 42 umfasst, die kreisförmig auf einem Spulenkreis um die Rotationsachse 39 angeordnet sind, wobei Wickelachsen der Spulenwindungen der einzelnen Ringspulen 42 jeweils tangential zum Spulenkreis ausgerichtet sind. Das von der Spulenanordnung 41 bereitgestellte Wanderfeld dient zur Bereitstellung eines Drehmoments an das Stellmittel 36 durch Wechselwirkung mit der Magnetanordnung. Ferner kann die Spulenanordnung 41 ein über alle Ringspulen 42 im Wesentlichen konstantes, in seiner Feldstärke einstellbares Magnetfeld bereitstellen, mit dessen Hilfe Einfluss auf einen Abstand zwischen der Koppeleinrichtung 37 und dem Stellmittel 36 genommen wird.
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Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Spulenanordnung 41 als Bestandteil eines Abschlussdeckels 43 eines becherförmig ausgebildeten Kühlkörpers 44 angeordnet ist, wobei der Abschlussdeckel 43 auch einen supraleitenden Ring 45 umfasst. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Spulenanordnung 41 aus einem Material hergestellt ist, das supraleitende Eigenschaften aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn die Sprungtemperatur für die Spulenanordnung 41 und für den supraleitenden Ring 45 zumindest nahezu identisch sind, so dass bei Erreichen der Betriebstemperatur für den supraleitenden Ring 45 auch die Spulenanordnung 41 supraleitend betrieben werden kann. Dadurch werden elektrische Verluste bei der Bereitstellung des rotierenden Wanderfelds zur Ausübung eines Drehmoments auf das Stellmittel 36 minimiert.
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Der supraleitende Ring 45 ist exemplarisch aus einer metallischen oder organischen oder keramischen Legierung hergestellt, die bei Abkühlung unter eine materialspezifische Sprungtemperatur supraleitende Eigenschaften aufweist. Dabei ist ein Bestandteil dieser supraleitenden Eigenschaften, dass der supraleitende Ring 45 ein äußeres Magnetfeld nach Abkühlung unterhalb der Sprungtemperatur und Beibehaltung dieser Temperatur gewissermaßen speichert und einer Änderung des äußeren Magnetfelds entsprechende Magnetkräfte entgegensetzt, wodurch beispielsweise eine äußere Magnetfeldquelle in einer vorgegebenen Position gegenüber dem supraleitenden Ring 45 gehalten werden kann.
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In eine Ausnehmung des Kühlkörpers 44 ragt ein Kühlfinger 46 einer exemplarisch als elektrisch betriebener Stirling-Motor ausgebildeten Kühleinrichtung 47, wobei der Kühlfinger 46 dazu ausgebildet ist, Wärme aus dem Kühlkörper 20 abzuführen, um eine Abkühlung des supraleitenden Rings 45 unterhalb der Sprungtemperatur und eine Beibehaltung dieser Betriebstemperatur für den supraleitenden Ring 45 zu ermöglichen.
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Das Stellmittel 36 umfasst einen Grundkörper 48, der exemplarisch als kreiszylindrische Scheibe ausgebildet ist und an dessen Oberseite 25 eine Schaufelanordnung 49 vorgesehen ist, die bei einer Rotation des Stellmittels 36 um die Rotationsachse 39 eine Strömung in dem Fluid, das im Gehäusevolumen 35 aufgenommen ist, bewirken kann. An einer der Schaufelanordnung 49 abgewandten Unterseite des Grundkörpers 48 ist in einem radial außen liegenden Bereich eine Permanentmagnetanordnung 50 vorgesehen, die aus ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten und in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 39 magnetisierten Magnetringen 51, 52, 53 aufgebaut ist. Die axiale Magnetisierung dieser Magnetringe 51, 52, 53 wird durch die eingezeichneten Pfeile symbolisiert. Die Permanentmagnetanordnung 50 ist für eine Wechselwirkung mit dem supraleitenden Ring 45 vorgesehen, die magnetischen Feldkräfte der Magnetringe 51, 52, 53 wirken auf den supraleitenden Ring 45 ein, der bei Erreichen seiner Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweils eingesetzten supraleitenden Materials den Magnetkräften der Permanentmagnetanordnung 50 korrespondierende gegensinnig ausgerichtete Magnetkräfte entgegengesetzt, sobald die Permanentmagnetanordnung 50 aus einer Position ausgelenkt wird, die während der Abkühlung bis unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Rings 45 definiert wurde. Dementsprechend kann ein vorgegebener Abstand zwischen dem Stellmittel 36 und der Koppeleinrichtung 37, die den supraleitenden Ring 45 umfasst, beibehalten werden, wodurch das Stellmittel 36 einen schwebenden Zustand gegenüber der Koppeleinrichtung 37 einnehmen kann.
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Um eine einfache Einstellung des Abstands zwischen Stellmittel 36 und Koppeleinrichtung 37 vor Unterschreiten der Sprungtemperatur für den supraleitenden Ring 45 zu gewährleisten, ist exemplarisch vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung 37 linearbeweglich längs der Rotationsachse 39 an einer Linearführung 54 aufgenommen ist. Exemplarisch umfasst die Linearführung 54 wenigstens zwei ortsfest angebrachte Führungsleisten 55, die auch als Auflage für das Gehäuse 32 dienen. Der Koppeleinrichtung 37 ist ein exemplarisch als elektrischer Linearsteller ausgebildeter Aktor 56 zugeordnet, der mit der Steuereinrichtung 38 elektrisch gekoppelt ist und der für eine Verschiebung der Koppeleinrichtung 37 längs der Rotationsachse 39 ausgebildet ist. Mit Hilfe des Aktors 56 kann bei einer Inbetriebnahme der Rühreinrichtung 31, bei der davon ausgegangen wird, dass der supraleitende Ring 45 noch nicht unterhalb der Sprungtemperatur temperiert ist, zunächst ein Abstand zwischen dem zu diesem Zeitpunkt aufgrund der Schwerkraft am Gehäuse 32 aufliegenden Stellmittel 36 und der Koppeleinrichtung 37 eingestellt werden, der in einem später einzunehmenden Betriebszustand beibehalten werden soll. Anschließend wird durch elektrische Inbetriebnahme der Kühleinrichtung 47 oder Zufuhr eines Kühlmittels eine Abkühlung des Kühlkörpers 44 und des daran aufgenommenen supraleitenden Rings 45 durchgeführt, die darin resultiert, dass die Magnetfelder der Permanentmagnetanordnung 50 im supraleitenden Ring 45 gewissermaßen gespeichert sind und bei einer nachfolgenden Veränderung der Position des Stellmittels 36 gegenüber der Koppeleinrichtung 37 zu Gegenkräften führen, so dass diese Position auch bei Einwirken äußerer Kräfte zumindest im Wesentlichen beibehalten werden kann. Anschließend kann durch entsprechende Ansteuerung des Aktors 56 eine Verschiebung der Koppeleinrichtung 37 in Richtung des Gehäuses 32 längs der Rotationsachse 39 vorgenommen werden, so dass das Stellmittel 36 vom Boden des Gehäuses 32 abgehoben wird und im Gehäusevolumen 35 schwebt. Anschließend oder zuvor kann eine Befüllung des Gehäusevolumens 35 mit einem zu durchmischenden Fluid vorgenommen werden.
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Die Magnetanordnung 40 umfasst vorzugsweise ringförmig angeordnete, in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 39 magnetisierte und in gleicher Winkelteilung angeordnete Permanentmagnete 57, wobei jeweils benachbart zueinander angeordnete Permanentmagnete 57 in gegensinniger Richtung magnetisiert sind. Die Magnetanordnung 40 folgt zum einen dem elektromagnetischen Wanderfeld, das von der Spulenanordnung 41 bereitgestellt werden kann. Ferner bilden sich zwischen der Magnetanordnung 40 und der Spulenanordnung 41 Anziehungs- oder Abstoßungskräfte aus, wenn die Ringspulen 42 mit einem entsprechenden, vorzugsweise für alle Ringspulen 42 identischen, Gleichstrom beaufschlagt werden. Durch diese Anziehungs- oder Abstoßungskräfte kann ein Abstand zwischen der Koppeleinrichtung 37 und dem Stellmittel 36 auch bei Vorliegen der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Permanentmagnetanordnung 50 und dem supraleitenden Ring 45 beeinflusst werden.
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Die in der 3 dargestellte Vorrichtung zur Materialuntersuchung umfasst exemplarisch den gleichen Supraleiter 11 wie die Achsanordnung 1 gemäß der 1 als erste Lagerkomponente, so dass die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Zur Bildung eines Supraleiter-Lagermittels ist bei der Vorrichtung 61 gemäß der 3 eine als Arbeitseinrichtung 62 ausgebildete zweite Lagerkomponente vorgesehen, die exemplarisch für eine kontaktlose Untersuchung eines Werkstücks ausgebildet ist.
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Die Arbeitseinrichtung 62 umfasst hierzu einen Grundkörper 64, an dem in einem radial außen liegenden Bereich eine Permanentmagnetanordnung 65 angeordnet ist, die aus ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten und in axialer Richtung bezüglich einer Ringachse 66 magnetisierten Magnetringen 67, 68, 69 aufgebaut ist. Die axiale Magnetisierung dieser Magnetringe 67, 68, 69 wird durch die eingezeichneten Pfeile symbolisiert. Die Permanentmagnetanordnung 65 ist für eine Wechselwirkung mit dem supraleitenden Ring 17 der Lagereinrichtung 3 vorgesehen, die magnetischen Feldkräfte der Magnetringe 67, 68, 69 wirken auf den supraleitenden Ring 17 ein.
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Ferner ist am Grundkörper 64 eine, insbesondere als Ringmagnet ausgebildete, Magnetanordnung 70 vorgesehen, die für eine Wechselwirkung mit der Spulenanordnung 20 ausgebildet ist. Beispielhaft ist zwischen der Permanentmagnetanordnung 65 und der Magnetanordnung 70 eine Spulenanordnung 71 ausgebildet, die für eine Wandlung von elektromagnetischer Energie in elektrischen Strom eingesetzt wird. Die Spulenanordnung 71 ist mit einer nur schematisch dargestellten elektronischen Schaltung 72 verbunden, die den bereitgestellten Strom zum Betreiben einer Sensoranordnung 73 nutzt. Die Sensoranordnung 73 umfasst exemplarisch eine Laserdiode 74 und eine lichtempfindliche Diode 75. Die Laserdiode 74 ist zur Aussendung eines Lichtstrahls ausgebildet, der beispielsweise an einer Innenwandung eines Werkstücks 76 reflektiert werden kann. Die lichtempfindliche Diode 75 ist zum Empfang des reflektierten Laserlichts ausgebildet, wobei ein Verhältnis zwischen ausgesendetem Licht und eintreffendem Licht als Maß für eine Güte der untersuchten Oberfläche herangezogen werden kann.
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Für eine Bereitstellung von elektrischer Energie an die elektronische Schaltung 72 ist die Steuereinrichtung 21 dazu ausgebildet, eine Zufuhr eines nieder- bis hochfrequenten Wechselstroms an die Spulenanordnung 20 zu gewährleisten, wodurch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld ausgesendet wird, das von der Spulenanordnung 71 in elektrischen Strom gewandelt werden kann. Für eine Beeinflussung eines Abstands zwischen der Lagereinrichtung 3 und der Arbeitseinrichtung 62 ist die Steuereinrichtung 21 dazu ausgebildet, eine Bereitstellung eines Gleichstroms an die Spulenanordnung 20 zu gewährleisten, wodurch ein veränderliches elektromagnetisches Gleichfeld ausgesendet wird, das zu einer Anziehung oder Abstoßung der Magnetanordnung 70 führt. Der hochfrequente Wechselstrom und der Gleichstrom für die Spulenanordnung 71 können einander überlagert werden, so dass eine zeitgleiche Einstellung eines Abstands zwischen der Lagereinrichtung 3 und der Arbeitseinrichtung 62 und eine kontaktlose Energieübertragung zwischen der Lagereinrichtung 3 und der Arbeitseinrichtung 62 ermöglicht wird.
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In der elektronischen Schaltung 72 kann eine Auswertung eines Signals der lichtempfindlichen Diode vorgenommen werden, das ausgewertete Signal kann in nicht näher dargestellter Weise gespeichert oder drahtlos an ein außerhalb des Werkstücks angeordnetes, nicht dargestelltes Lesegerät übertragen werden. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, die ausgewerteten Signale durch entsprechende Strombeaufschlagung der Spulenanordnung 71 durch die elektronische Schaltung 72 als elektromagnetische Wellen auszugeben und diese elektromagnetischen Wellen mit Hilfe der Spulenanordnung 20 aufzufangen und in der Steuereinrichtung 21 auszuwerten.
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Um eine Relativbewegung der Arbeitseinrichtung 62 längs des Werkstücks 76 zu ermöglichen, ist die Lagereinrichtung 3 mit einem Aktor 77 gekoppelt. Der Aktor 77 ist exemplarisch als Pneumatikzylinder ausgebildet und ermöglicht eine Bewegung der Lagereinrichtung 3 längs einer Bewegungsachse 78, so dass die Arbeitseinrichtung 62 einen größeren Bereich des Werkstücks 76 inspizieren kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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